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. 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. 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.