Ученые РХТУ оптимизировали процесс сверхкритической сушки для производства аэрогелей. Их 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.
Образцы аэрогелей, синтезированных в работе / ©Изображение предоставлено авторами исследования /
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 имени 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.
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.
Обычная сушка 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».
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 процента, а суммарное время процесса — примерно на 50 процентов. При этом качество получаемого продукта остается практически неизменным и полученные кремнеземные аэрогели имеют развитую удельную поверхность (около 850 м/г) и высокую пористость (около 95 процентов). Таким образом, российские химики нашли способ оптимизации процесса сверхкритической сушки, который составляет существенную часть затрат на производстве аэрогелей.
