超临界流体技术及SiO气凝胶简介PPT课件.pptx

超临界流体技术及SiO2气凝胶简介 2020 3 21 1 超临界流体概念及其特性 超临界流体 SupercriticalFluid 是指当物质温度和压力超过其临界温度及临界压力时处于气态和液态之间的一种中间状态 右图给出了固 液 气三态及超临界态所处的温度及压力示意图 超临界流体同时具备液体和气体的优点 如密度及扩散系数较大而粘度却较小 溶解 传质特性较好等 且在超临界流体的临界点附近对温度和压力的变化非常敏感 超临界流体技术就是以超临界流体为溶剂 反溶剂或反应物 综合利用其一系列优良特性以而发展起来的一项新技术 固 液 气体及超临界流体对应的温度及压力示意图 2020 3 21 2 超临界流体技术制备纳米材料的常用方法 目前 纳米材料的制备主要集中在由大块固体到纳米微粒的分裂及单个基本微粒聚集以控制微粒的生长并使其维持在纳米尺度这两个方面 制备纳米材料的主要方法有以下几种 a超临界流体快速膨胀法 RapidExpansionofSupercriticalFluids 简称RESS b超临界辅助雾化法 SupercriticalAssistedAtomization 简称SAA c超临界反溶剂法d溶胶 凝胶超临界干燥法 Sol gelSupercriticalFluidDrying escCO2微乳液法 2020 3 21 3 a超临界流体快速膨胀法 简称RESS 超临界流体快速膨胀法是将溶有所要制备成纳米材料的物质的超临界流体在短时间内通过减压 流体经过具有微孔的喷嘴 喷嘴的孔径一般为25 60 m 后快速膨胀 极高的过饱和度使溶质在瞬间结晶 晶核的生长也很快就完成 逐渐形成许多尺寸均匀的颗粒 右图是其工艺流程 此方法是通过对压力和温度的调控来调解溶质在超临界流体中的溶解度 进而控制溶质达到过饱和度的条件 最终获得不同尺寸的颗粒 RESS工艺流程 2020 3 21 4 b超临界辅助雾化法 简称SAA 超临界辅助雾化法是将前驱物 合成纳米材料的物质 溶于水或有机溶剂配成适当浓度的混合溶液 再将混合后的溶液与scCO2流体在密闭的高压釜中混合均匀 然后通过一个极小的喷嘴迅速喷入低压釜中形成微小的雾滴 在雾化过程中CO2和水 或有机溶剂 迅速的汽化 雾滴中的溶质会在低压釜中析出 析出后就得纳米级的微粒 超临界辅助雾化装置图 2020 3 21 5 c超临界反溶剂法 超临界反溶剂法与超临界辅助雾化法相似也用到了喷嘴 但是在通过喷嘴进行雾化时是不一样的 超临界反溶剂法是将前驱物溶解在有机溶剂中形成混合溶液 再将该混合溶液通过一个极小的喷嘴迅速喷入超临界流体 通常用scCO2 中 由于溶剂与超临界流体互溶 而溶质却不溶于超临界流体 所以喷入后超临界流体将混合溶液中的溶剂反溶 则有机溶液在短时间内迅速达到其过饱和度 而溶质则以纳米 微米级的颗粒从溶剂中析出 超临界抗溶剂法工艺流程图 2020 3 21 6 d溶胶 凝胶超临界干燥法 用溶胶 凝胶超临界干燥法制备纳米材料的过程主要分为以下几步 1 溶胶的制备 2 凝胶的形成 用有机溶剂来代替溶胶体中的水 3 凝胶的干燥 超临界干燥是保证所选的超临界介质的压力和温度在临界值之上的条件下进行的 用此法既可消除胶体粒子之间的表面张力又可消除粒子内部孔隙之间的表面张力 从而避免干燥过程中的收缩 2020 3 21 7 escCO2微乳液法 微乳液是一种外观透明或者半透明的液体分散体系 是由两种互不相溶的液体在表面活性剂的作用下形成的 其热力学非常稳定 而且具有各向同性 右图是scCO2微乳液的简图 从图中可以很清晰的看出微乳的结构组成 scCO2微乳是由表面活性剂溶于scCO2中自发形成的以scCO2为连续相的聚集体 从图中可以看出表面活性剂的非极性尾端均朝向scCO2相 而极性头端则聚集为极性微乳核 水分子增溶于微乳核中 微乳在宏观上均一透明 在微观上则恰似纳米级的微水池 而水在微乳核中则以 bulkwater 的形式存在 超临界CO2微乳液体系简图 2020 3 21 8 气凝胶简介 气凝胶是一种新型的多孔材料 因其由纳米级颗粒团簇相互交连堆积而形成 所以具有多孔网络状的骨架结构 气凝胶按其形状可分为块体 薄膜 粉体三类 微球是粉体气凝胶的一种 可分为实心微球气凝胶材料和多孔微球气凝胶材料 多孔材料分为有机和无机多孔微球 前者的材料来源非常广泛 但是材料的孔径范围一般较大 如天然高分子 半合成高分子以及全合成高分子等材料 其中天然高分子多孔材料具有较好的生物相容性和一定的可降解性 尤其适于医药领域 后者孔径可达到介孔尺寸 孔径为2 50nm 如多孔SiO2 陶瓷 碳酸钙及羟基磷灰石等 而无机多孔微球凭借其特殊结构 在保温隔热 隔音 渗透 吸附 药物缓释 缓冲并吸收冲击能量 减振 抗爆炸冲击等方面有着极广阔的应用前景 2020 3 21 9 SiO2气凝胶的应用 SiO2气凝胶是一种具有纳米级多孔材料典型特性的新材料 具有纳米级的孔洞及三维结构 是一种固体物质形态 SiO2气凝胶的孔隙率非常高 一般可达99 8 其比表面积也超大 通常可高达1000m2 g 还具有特别低的密度 甚至可低至0 003g cm3 正是因为SiO2气凝胶的这一系列的独特结构才使得它具有其他材料不能超越的优良特性 目前关于其特性的研究最为火热的是其极低的热导率 在常温下即可低至0 011W m 1 K 1 因其极低的热导率在航空航天 建筑等领域具有广泛的应用前景 2020 3 21 10 SiO2气凝胶的制备 制备SiO2气凝胶通常有三个过程 前驱物在溶剂 催化剂中溶解形成醇溶胶 加入凝胶剂后得到湿凝胶 湿凝胶在溶剂中的老化 以使其内部网络骨架结构形成并强化 湿凝胶的干燥 用气态取代湿凝胶内部的液体的过程 干燥后就得到淡蓝色如烟似雾高透明度SiO2气凝胶 目前最常用的制备方法是溶胶 凝胶技术 是以金属酸盐 有机醇 OH上的H被金属取代 结合形式为C O M 或无机化合物为前驱体先经过水解后再逐渐缩聚胶凝化 然后经过相应的干燥处理后得到所需要的材料的方法 在制备过程中除了对反应物的浓度 溶剂 催化剂的类型和反应温度等条件的变化来控制凝胶合成外 在溶胶中引入各种化学控制添加剂如分散剂 粘结剂等则可改善凝胶的均匀性 2020 3 21 11 SiO2气凝胶的制备 SiO2气凝胶微球的制备在理论上和技术上均已较成熟 传统方法如Sto ber法 喷雾干燥和乳化 溶剂挥发法 成球成孔效果较好 传统制备方法的反应条件不易控制 添加物如酸 盐等对表面活性剂自集成的效果虽然好 但是不易清洗和去除 这是气凝胶制备的一个难点 而超临界CO2 scCO2