กระบวนการเตรียม ประเภทและการวิเคราะห์การใช้งานของวัสดุฟิล์มแอโรเจล

กระบวนการเตรียม ประเภทและการวิเคราะห์การใช้งานของวัสดุฟิล์มแอโรเจล

เนื่องจากโครงสร้างนาโนพรุนสามมิติอันเป็นเอกลักษณ์ ทำให้แอโรเจลมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนได้ดีเยี่ยม ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ การนำความร้อนต่ำ พื้นที่ผิวจำเพาะสูง และลักษณะเฉพาะอื่นๆ และได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ฉนวนกันความร้อน ระบบกักเก็บพลังงาน เป็นต้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของตลาดผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่และพกพา จึงมีการกำหนดความต้องการด้านประสิทธิภาพที่มากขึ้นสำหรับอุปกรณ์กักเก็บพลังงานต่างๆ เช่น อายุการใช้งานที่ยอดเยี่ยม สภาพแวดล้อมการทำงานที่ยืดหยุ่น ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัย เป็นต้น และวัสดุฟิล์มแอโรเจลจึงดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม

การเตรียมฟิล์มแอโรเจล

ฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์ เช่น ฟิล์มแอโรเจล Si02 มีต้นทุนการเตรียมต่ำ แต่เนื่องจากการเชื่อมโยงที่อ่อนแอระหว่างอนุภาคนาโนและความเปราะบางของโครงกระดูกแอโรเจล จึงเป็นเรื่องยากที่จะสร้างฟิล์มแอโรเจลที่เป็นอิสระและแข็งแรง ซึ่งโดยทั่วไปจะเคลือบบนพื้นผิวของ พื้นผิวผ้าในรูปแบบของการเคลือบ

วิธีการผสมวัสดุอินทรีย์หลายชนิดหรือคอมโพสิตอินทรีย์-อนินทรีย์หรืออินทรีย์-คาร์บอนสามารถทดแทนข้อบกพร่องของวัสดุฟิล์มแอโรเจลองค์ประกอบเดียวและบรรลุผลในแง่ของข้อดีที่เสริมกัน ซึ่งเป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการพัฒนาวัสดุฟิล์มแอโรเจล

การเตรียมสารละลาย

ในระบบอนินทรีย์ โดยทั่วไปซิลิกาโซลจะถูกเตรียมด้วยแก้วน้ำ เมทิลออร์โธซิลิเกต และเอทิลออร์โธซิลิเกตเป็นสารตั้งต้น ซึ่งผสมกับตัวทำละลายเพื่อรับปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส-ควบแน่นจนเกิดเป็นกาวไม่มีสีและโปร่งใส

กระบวนการเตรียมโซลแอโรเจลอินทรีย์นั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการเตรียมแอโรเจลอนินทรีย์ โดยทั่วไปโมโนเมอร์อินทรีย์หรือโอลิโกเมอร์จะละลายในตัวทำละลาย และโครงสร้างเครือข่ายกิ่งก้านแบบโซ่หรือแบบผิดปกติจะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมี

สำหรับการเตรียมระบบเซลลูโลสโซล เนื่องจากแรงระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งระหว่างเซลลูโลส ทำให้ยากต่อการละลายด้วยตัวทำละลายทั่วไป ดังนั้น จึงจำเป็นต้องละลายเซลลูโลสในตัวทำละลายบางชนิดก่อน เพื่อสร้างไฮโดรซอลที่เสถียรและโปร่งใส หลังจากโซลมีอายุมากขึ้น อนุภาคคอลลอยด์แต่ละอนุภาคจะเกิดการพอลิเมอร์อย่างช้าๆ เพื่อสร้างโครงสร้างเครือข่ายสามมิติ

กระบวนการสร้างภาพยนตร์

ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดที่แตกต่างกันของฟิล์มแอโรเจล กระบวนการสร้างฟิล์มที่ใช้ก็แตกต่างกันเช่นกัน โดยส่วนใหญ่รวมถึงวิธีการจุ่ม-ดึง วิธีการเคลือบแบบหมุน วิธีการพ่น วิธีการหล่อ ฯลฯ โดยทั่วไปมีอยู่สองรูปแบบ:

ชนิดแรกคือการเคลือบแอโรเจลด้วยสารตั้งต้น ซึ่งส่วนใหญ่แล้วจะเคลือบโซลด้วยความหนืดบางอย่างลงบนสารตั้งต้นโดยการจุ่ม ดึง ปั่น พ่น ขูด พิมพ์อิงค์เจ็ท เป็นต้น และสร้างวัสดุแอโรเจลที่มีโครงสร้างฟิล์มบางหลังจากการอบแห้ง

อีกประการหนึ่งคือการเตรียมวัสดุแอโรเจลโดยตรงให้เป็นฟิล์มแอโรเจลสีขาวที่เป็นอิสระโดยการตัด รีด หล่อ ฯลฯ

ชนิดและการใช้งานของฟิล์มแอโรเจล

ฟิล์มแอโรเจลสามารถประกอบด้วยส่วนประกอบที่แตกต่างกันหลากหลาย เช่น ฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์ (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂ เป็นต้น) ฟิล์มแอโรเจลอินทรีย์ (โพลียูรีเทน โพลิอิไมด์ เซลลูโลส ฯลฯ) ฟิล์มแอโรเจลคอมโพสิต (SiO{ ฟิล์มแอโรเจลที่ใช้ {2}}, BN-based, CNI ฯลฯ) ชีวมวลและฟิล์มแอโรเจลคาร์บอน

ฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์

วัสดุฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยฟิล์ม SiO2, TiO₂ แอโรเจล ฯลฯ ซึ่งโดยปกติจะเตรียมด้วยเกลือแอลกอฮอล์เป็นสารตั้งต้นผ่านการเร่งปฏิกิริยาสองขั้นตอนของกรด-เบส กระบวนการโซล-เจล และกระบวนการเคลือบต่างๆ ค่า pH ของสารละลายและอัตราส่วนโมลาร์ของสารตั้งต้นต่อน้ำจะมีผลโดยตรงต่อขนาดอนุภาคของโซลและระดับของการเชื่อมขวาง โดยทั่วไป คุณสมบัติทางกลของฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์ไม่ดีและไม่สามารถใช้กับพื้นที่ขนาดใหญ่ได้โดยตรง

ฟิล์มแอโรเจลอินทรีย์

โพลียูรีเทน (PU) เป็นวัสดุโฟมที่มีฉนวนกันความร้อน มีความแข็งแรงสูง และความพรุน ซึ่งมีคุณค่าทางการวิจัยอย่างกว้างขวางในการเตรียมวัสดุฟิล์มแอโรเจล ซาดาตเนีย และคณะ พัฒนาวัสดุโพลียูรีเทนแอโรเจล (PUA) โดยการหล่อ ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องกำเนิดนาโนไทรโบอิเล็กทริก (TENG) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เมื่อเปรียบเทียบกับฟิล์มแอโรเจลของระบบอนินทรีย์และอินทรีย์ จะพบว่ามีความแตกต่างกันในด้านโครงสร้างและประสิทธิภาพ ฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์ที่แสดงโดยฟิล์มซิลิกาแอโรเจลเป็นฟิล์มแอโรเจลที่มีอายุมากกว่าในปัจจุบัน โดยมีการวิจัยเพิ่มเติมในด้านฉนวนกันความร้อน

อย่างไรก็ตาม ฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์มักจะสร้างฟิล์มแอโรเจลที่รองรับตัวเองได้ยากเนื่องจากการเชื่อมโยงข้ามที่อ่อนแอระหว่างอนุภาคนาโนอนินทรีย์ (เช่น ซิลิกาและอนุภาคนาโนของโลหะ) ที่ประกอบเป็นโครงกระดูกแอโรเจล ฟิล์มแอโรเจลโพลีเมอร์อินทรีย์มักจะมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีกว่า มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี และคุณสมบัติแรงดึง เนื่องจากมีลักษณะทางโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์

ฟิล์มคอมโพสิตแอโรเจล

[1] ฟิล์มแอโรเจลคอมโพสิตที่ใช้ CNT

เฉิงและคณะจากสถาบันนาโนเทคโนโลยีซูโจว สถาบันวิทยาศาสตร์จีน เสนอแนวทางวิศวกรรมโครงสร้างแบบซ้อนกันเพื่อเตรียมฟิล์มแอโรเจลที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNT) ที่มีโครงสร้างรูพรุนแบบหลายชั้นหนาแน่น ผ่านการทำให้หนาแน่นแบบมีทิศทางและการคาร์บอไนเซชัน เครือข่ายสามมิติของโครงสร้างนาโนแบบมิติเดียวในฟิล์มแอโรเจลไฮบริดนาโนไฟเบอร์/คาร์บอนนาโนทิวบ์อะรามิดสามารถสร้างใหม่เป็นโครงสร้างรูพรุนแบบหลายชั้นที่มีการวางแนวที่เหมาะสมและเส้นทางการนำไฟฟ้าต่อเนื่อง จึงได้พื้นที่ผิวจำเพาะสูง (3419m/g) และสภาพการนำไฟฟ้าสูง (8540S/m)

ด้วยโครงสร้างที่มีรูพรุนหลายชั้นและมีค่าการนำไฟฟ้าสูง ประสิทธิภาพการป้องกันสัมบูรณ์ (SSE/t) ของฟิล์มแอโรเจลที่ใช้ CNI จึงสามารถสูงถึง 200647.9dB·㎝²/g ซึ่งเป็นค่าสูงสุดในบรรดาวัสดุแอโรเจลที่รายงาน

ฟิล์มแอโรเจลที่ใช้ชีวมวลและคาร์บอนคอมโพสิต

วัสดุฟิล์มแอโรเจลที่ทำจากชีวมวลและคาร์บอนคอมโพสิตมีข้อดีที่ยอดเยี่ยม เช่น ต้นทุนต่ำ น้ำหนักเบามาก และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ทำให้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมวัสดุอิเล็กโทรด ฟิล์มแอโรเจลแบบคอมโพสิตมีการใช้งานหลายอย่างในขณะที่ยังคงข้อดีของฟิล์มแอโรเจลแบบส่วนประกอบเดียว คุณสมบัติเชิงกลของฟิล์มแอโรเจลสามารถปรับปรุงได้โดยการดัดแปลงโพลิเมอร์ เช่น โพลียูรีเทน การเติมนาโนวัสดุอนินทรีย์แบบสองมิติ เช่น BN ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการเป็นฉนวนไฟฟ้า ฟิล์มแอโรเจลที่ทำจากชีวมวลมีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม เป็นต้น

ฟิล์มคอมโพสิตแอโรเจลมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม มีเสถียรภาพ ความยืดหยุ่น และความเหนียวดี และยังช่วยลดน้ำหนัก ประหยัดพลังงาน ลดเสียงรบกวน และฟังก์ชันอื่นๆ ได้อีกด้วย ซึ่งเป็นการขยายขอบเขตการใช้งาน สามารถใช้กันอย่างแพร่หลายในภาพยนตร์อัจฉริยะ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ เสื้อผ้าป้องกัน EMI ระบบการจัดการความร้อนส่วนบุคคล วัสดุอิเล็กโทรด และตัวพาชีวการแพทย์

บทสรุปและแนวโน้ม

การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องและการปรับปรุงเทคโนโลยีการเตรียมฟิล์มเอโรเจลและกระบวนการเคลือบโซล การนำตัวทำละลายอินทรีย์มาใช้ และแนวโน้มของคอมโพสิตกับวัสดุอื่น ๆ ถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเตรียมและปรับปรุงประสิทธิภาพของฟิล์มเอโรเจล และปรับปรุงความสมบูรณ์ของโครงสร้าง การควบคุมทางแสง ความยืดหยุ่นเชิงกล ฯลฯ ของฟิล์มเอโรเจล

อย่างไรก็ตาม งานวิจัยแนวหน้าในบทความนี้ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และยังคงต้องดำเนินการอีกยาวไกลก่อนที่จะมีการเตรียมการในวงกว้างและนำไปใช้จริงได้ ปัญหาสำคัญบางประการยังคงต้องได้รับการแก้ไข:

1) การเชื่อมโยงระหว่างอนุภาคนาโนอนินทรีย์แบบดั้งเดิมนั้นอ่อนแอ และโครงกระดูกแอโรเจลก็เปราะบาง ทำให้ยากต่อการสร้างฟิล์มแอโรเจลอนินทรีย์ที่เป็นอิสระและแข็งแรง สามารถใช้เส้นทางการเตรียมคอมโพสิตอินทรีย์-อนินทรีย์หรือลูกผสมเพื่อให้วัสดุฟิล์มแอโรเจลมีคุณสมบัติเชิงกลดีขึ้น

② ในปัจจุบัน กระบวนการเตรียมวัสดุฟิล์มแอโรเจลมีความซับซ้อน และกระบวนการเตรียมใช้กระบวนการอบแห้งแบบซุปเปอร์คริติคัลหรือแช่แข็งด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีต้นทุนสูงและเป็นวงจรยาวนาน ซึ่งยากต่อการเตรียมเป็นชุด ควรพิจารณาใช้กระบวนการอบแห้งที่มีประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำกว่า เพื่อให้สามารถผลิตฟิล์มแอโรเจลในปริมาณมากได้และนำไปใช้ได้จริง

3 ระบบการวิจัยขั้นพื้นฐานด้านการทำงานของวัสดุฟิล์มแอโรเจลยังไม่สมบูรณ์แบบ และการพัฒนาวัสดุฟิล์มแอโรเจลแบบมัลติฟังก์ชั่นถือเป็นแนวโน้มการพัฒนาในอนาคต