Quảng Châu, Quảng Đông, Trung Quốc.

[email protected]

+86 13539860818

Biểu ngữ cơ sở sản xuất aerogel của Công ty Công nghệ Anchor Quảng Châu

Aerogel: Quá trình hình thành

Aerogel: Giới thiệu và đặc điểm

Aerogel được biết đến là vật liệu rắn nhẹ nhất thế giới, chứa 97% không khí và 3% cấu trúc rắn, với mật độ chỉ gấp 1,5 lần không khí. Ngoài việc cực kỳ nhẹ, aerogel còn sở hữu khả năng cách nhiệt tuyệt vời, chủ yếu nhờ vào “hiệu ứng Knudsen.” Vì aerogel chủ yếu được cấu tạo từ silica và không khí, trong đó độ dẫn nhiệt của silica ở mức trung bình, còn không khí có độ dẫn nhiệt thấp.

vật liệu rắn nhẹ nhất thế giới
vô số lỗ rỗng kích thước nano

Ngoài ra, aerogel có vô số lỗ rỗng kích thước nano, cản trở sự khuếch tán của không khí qua vật liệu, từ đó ngăn cản sự truyền nhiệt đối lưu.

xe tự hành sao Hỏa

Nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao, aerogel thường được sử dụng để cách nhiệt trong các môi trường như xe tự hành sao Hỏa.

Hơn nữa, khả năng chống thấm nước của aerogel đạt được thông qua quá trình biến tính, chuyển các nhóm -OH phân cực thành các nhóm -OR không phân cực, tạo ra aerogel kỵ nước.

Aerogel kỵ nước
Samuel Kistler, người phát minh ra aerogel

Dù có vẻ là sản phẩm tiên tiến của công nghệ hiện đại, aerogel thực chất được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1930 bởi nhà hóa học Samuel Kistler.

Sự ra đời của aerogel đầu tiên

Các chất dạng gel rất phổ biến, chẳng hạn như gelatin mà chúng ta ăn, vốn là sự kết hợp giữa trạng thái rắn và trạng thái lỏng. Samuel Kistler và đồng nghiệp Charles Learned đã đánh cược về nguyên nhân khiến gelatin đông lại thành gel. Charles cho rằng đó là do bản chất lỏng của nó, còn Samuel lập luận rằng mấu chốt nằm ở sự hiện diện của một cấu trúc rắn bên trong gel.

Để chứng minh quan điểm của mình, Samuel đã tiến hành các thí nghiệm nhằm chứng minh sự tồn tại của một mạng lưới rắn liên tục trong gel ướt. Mục tiêu là loại bỏ chất lỏng ra khỏi gel trong khi vẫn giữ nguyên cấu trúc rắn, qua đó chứng minh rằng gel và thành phần lỏng của nó không có liên quan với nhau. Tuy nhiên, thách thức là nếu chỉ để chất lỏng trong gel bay hơi thì cấu trúc rắn sẽ co lại do lực hút giữa các phân tử, dẫn đến sự sụp đổ của gel.

Samuel Kistler

Để khắc phục điều này, Samuel phải thay thế chất lỏng trong gel, và lựa chọn phù hợp duy nhất là khí, vì gel vốn đã chứa cả trạng thái rắn lẫn trạng thái lỏng. Tuy nhiên, khí thông thường không thể thay thế chất lỏng trong gel. Samuel đã áp dụng một phương pháp mới: tăng áp suất và gia nhiệt cho gel để đưa chất lỏng vượt qua điểm tới hạn, biến nó thành chất lưu siêu tới hạn (không còn sự phân biệt giữa lỏng và khí), từ đó loại bỏ lực hút giữa các phân tử.

Samuel đã chọn natri silicat làm nguyên liệu thô, với xúc tác là axit clohydric nhằm thúc đẩy quá trình thủy phân. Nước và etanol đóng vai trò dung môi trong quá trình trao đổi, chuyển hóa vật liệu thành alcogel. Sau đó, alcogel được đặt trong môi trường nhiệt độ cao và áp suất cao. Khi etanol đạt trạng thái lưu chất siêu tới hạn, gel được giảm áp. Khi áp suất giảm dần, các phân tử etanol được giải phóng dưới dạng khí. Sau khi được lấy ra khỏi nguồn nhiệt và làm nguội, etanol trong gel bay hơi, để lại cấu trúc rắn chứa đầy khí – aerogel đầu tiên.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature vào năm 1931.

Cải tiến phương pháp điều chế aerogel

Aerogel silica

Không thể phủ nhận tính đột phá, nghiên cứu của Samuel đã rơi vào trì trệ hơn 30 năm do điều kiện điều chế khó khăn và tốn thời gian. Mãi đến năm 1970, Đại học Lyon, khi tìm kiếm một vật liệu xốp để lưu trữ oxy và nhiên liệu tên lửa, mới quay lại với aerogel và cải tiến phương pháp của Samuel.

Phương pháp mới đã thay thế natri silicat bằng tetramethoxysilane (TMOS) và etanol bằng formaldehyde. Sự thay đổi này tạo ra alcogel có chất lượng aerogel silica cao hơn và giảm đáng kể thời gian điều chế. Cải tiến này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong khoa học aerogel.

Sau những cải tiến này, ngày càng nhiều nhà nghiên cứu tham gia vào lĩnh vực aerogel.

Năm 1983, Nhóm Vật liệu Vi cấu trúc tại Phòng thí nghiệm Berkeley phát hiện rằng hợp chất có độc tính cao TMOS có thể được thay thế bằng tetraethoxysilane (TEOS) an toàn hơn. Họ cũng phát hiện rằng trước khi sấy siêu tới hạn, CO2 lỏng có thể thay thế cồn trong gel mà không làm hỏng aerogel.

Đây là một tiến bộ an toàn lớn, vì CO2 không có nguy cơ nổ như cồn. Khi nghiên cứu về aerogel ngày càng sâu, các nhà vật lý nhận ra rằng vật liệu kích thước nano này có thể được dùng để thu giữ các hạt bức xạ Cherenkov khó bắt, vì chúng khó đi xuyên qua cấu trúc phức tạp của aerogel và cuối cùng bị mắc kẹt bên trong.

Ngoài việc thu thập hạt, aerogel silica do Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA điều chế đã được đưa vào không gian và được giao nhiệm vụ thu thập các hạt bụi sao chổi.

Carbon dioxide lỏng

Với tổng quan toàn diện về các đặc tính của aerogel và các phương pháp điều chế không ngừng được cải tiến, rõ ràng aerogel là một vật liệu xuất sắc. Tuy nhiên, dù có những ưu điểm đó, tại sao nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày?

Thứ nhất, sản xuất có những thách thức, và dù các phương pháp điều chế đã được cải tiến nhiều lần, các điều kiện siêu tới hạn then chốt vẫn là một rào cản lớn.

Thứ hai, sản xuất công nghiệp aerogel đối mặt với một thách thức đáng gờm – aerogel rất giòn. Tuy có khả năng chịu lực tốt, cường độ kéo của nó lại rất thấp, khiến nó dễ gãy chỉ với một lực nhẹ. Do đó, thường phải bổ sung thêm các chất phụ gia.

Sản phẩm aerogel liên quan

Yêu cầu báo giá cho các sản phẩm này

Aerogel được sản xuất như thế nào?

Cách sản xuất aerogel về cơ bản là thay chất lỏng trong gel ướt bằng khí mà không làm sụp đổ cấu trúc mạng. Trước đây phương pháp này dùng sấy siêu tới hạn; ngày nay sấy ở áp suất thường và chất nền sợi linh hoạt đã biến nó thành chăn cách nhiệt Aerogel công nghiệp.

Từ một hiện tượng lạ trong phòng thí nghiệm đến sàn nhà máy: hãy xem quy trình sol–gel vận hành trên một dây chuyền sản xuất hiện đại trong hướng dẫn của chúng tôi về quy trình sản xuất chăn cách nhiệt Aerogel.