Аэрогели — это высокопористые структурированные материалы, внутренние пустоты которых заполнены газом. У них очень низкая плотность и теплопроводность, а также одновременно высокая твердость и прозрачность, благодаря чему аэрогели применяют для теплоизоляции и других задач. Однако, один из ключевых этапов получения аэрогелей — сверхкритическая сушка — очень дорогостоящий, что ограничивает возможности использования этих материалов. В новой работе ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева показали, что, оптимизируя технологические условия проведения сверхкритической сушки, можно без ухудшения качества материала заметно ускорить этот процесс и снизить затраты сушильного агента, что делает синтез аэрогелей более доступным. Результаты работы опубликованы в журнале Drying Technology.

Образцы аэрогелей, синтезированных в работе. Из...

Образцы аэрогелей, синтезированных в работе. Изображение предоставлено авторами исследования.

Обычный гель — это трехмерный сетчатый каркас с большим количеством пор, заполненных жидкостью. Аэрогели отличаются от обычных гелей тем, что жидкая фаза в них полностью замещена газообразной. У них маленькая плотность и одновременно высокая твердость, прозрачность, жаропрочность, а также чрезвычайно низкая теплопроводность. Поэтому аэрогели используют для изготовления теплоизоляционных материалов, в различных медицинских целях и даже в космосе — из них делают ловушки для космической пыли, способные захватывать самые мелкие частицы. Аэрогели получают в несколько этапов: сначала из базовых химических компонентов делают растворы-прекурсоры, потом из них получают обычные гели, а после этого гели сушат, во время чего жидкость, заполняющая поры, замещается газом.

Cушка при атмосферном давлении и повышенных температурах, для этих целей не подходит: она разрушает структуру исходного геля и в результате аэрогель из него не получить. Вместо этого проводят сверхкритическую сушку, в которой используют сверхкритические жидкости — так называют состояние вещества при давлении и температуре выше критических, когда исчезает разница между газовой и жидкой фазой (например, обычная вода становится сверхкритической жидкостью при температуре и давлении больше 647 K и 218 бар, соответственно). Больше всего распространена сверхкритическая сушка в среде CO2 (критические параметры: 303.9 К, 73 бара). Во время такой сушки сверхкритическая жидкость постепенно вытесняет из пор растворитель, а после этого в реакторе понижается давление, и сверхкритическая жидкость переходит в газовую фазу — так из геля в конце концов получается аэрогель с неповрежденной системой пор.

Однако, сверхкритическая сушка стоит очень дорого, что ограничивает возможности применения аэрогелей и материалов на их основе. Поэтому ученые ищут способы оптимизировать этот процесс. “Многие научные группы занимаются интенсификацией процесса сверхкритической сушки”, — рассказывает один из авторов работы, сотрудник РХТУ, Павел Цыганков. “Мы в своей работе сконцентрировались на влиянии параметров процесса — температуры, расхода сверхкритического сушильного агента и режима его подачи, на ключевые характеристики процесса сушки — ее продолжительности и суммарном расходе сушильного агента”.

Аэрогель на основе диоксида кремния. Изображени...

Аэрогель на основе диоксида кремния. Изображение предоставлено авторами исследования.

Исследователи изучали процесс сверхкритической сушки на примере классического аэрогеля на основе диоксида кремния. В качестве исходного растворителя использовался изопропанол, в качестве осушителя — сверхкритический углекислый газ. Все эксперименты проводились в аппарате высокого давления. Ученые варьировали основные параметры процесса, пытаясь, с одной стороны, ускорить его и уменьшить расход сушильного агента, а с другой, не ухудшить качество продукта, оцениваемое по остаточному содержанию растворителя внутри аэрогеля.

В результате ученые установили, что за счет изменения параметров сверхкритической сушки расход углекислого газа можно уменьшить на 63.4%, а суммарное время процесса — примерно на 50%. При этом качество получаемого продукта остается практически неизменным и полученные кремнеземные аэрогели имеют развитую удельную поверхность (~ 850 м/г) и высокую пористость (~ 95%). Таким образом, российские химики нашли способ оптимизации процесса сверхкритической сушки, который составляет существенную часть затрат на производстве аэрогелей.

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Статья: Natalia Menshutina et al, Intensification methods of supercritical drying for aerogels production, Drying Technology, (Q1), 2021, DOI: https://doi.org/10.1080/07373937.2020.1866005