氣凝膠干燥工藝介紹及優劣對比

文章略長，先說結論，如果是大規模生產氣凝膠，常壓法可行性更大，因為設備成本和生產成本低但是工藝流程復雜，不確定因素多。如果是實驗室研究和小規模開發階段推薦超臨界法，首先方法成熟，容易獲得優質產品，節省摸索生產流程所需大量寶貴時間，其次所需設備系統較為成熟可靠，可以直接使用，由于之前大部分進口廠家提供設備價格高昂，所以限制了國內大部分用戶的使用。適安佳科技為國產儀器廠家，所提供超臨界設備設計可靠，價格僅為進口產品的1/3左右，愿意為廣大中國的氣凝膠相關科研工作者提供助力。

氣凝膠是一種固體物質形態，世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質的gel只要可以經干燥后除去內部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應條件，在溶體內形成不同結構的納米團簇，團簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態骨架周圍則充滿化學反應后剩余的液態試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內的液體發生相變成超臨界態的流體，氣液界面消失，表面張力不復存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續網絡結構的低密度氣凝膠材料。

下面介紹一下氣凝膠的兩種制備工藝，根據干燥工藝的不同，主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種。

超臨界干燥技術是最早實現批量制備氣凝膠技術，已經較為成熟，也是目前國內外氣凝膠企業采用較多的技術。超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達到其本身的臨界點，形成一種超臨界流體，處于超臨界狀態的溶劑無明顯表面張力，從而可以實現凝膠在干燥過程中保持完好骨架結構。目前已經實現批產技術一般采用二氧化碳作為干燥介質，簡稱二氧化碳超臨界干燥技術。

常壓干燥技術一種新型的氣凝膠制備工藝。其原理是采用疏水基團對凝膠骨架進行改性，避免凝膠孔洞表面的硅羥基相互結合并提高彈性，同時采用低表面張力液體置換凝膠原來高比表面積的水或乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優異的氣凝膠材料。下面對兩種技術路線做簡要的分析對比：

設備投入：超臨界干燥技術使用核心設備為高壓釜，一般工作壓力高達7~20MPa，屬于特種設備中的壓力容器，設備系統較為復雜，運行和維護成本也較高，目前國內已有能提供成套制備超臨界設備的廠家，但數量不多，業主的議價能力較弱。常壓干燥技術采用常規的常壓設備，相對超臨界干燥由于不需要高壓條件，設備投入低，設備系統也較為簡單，因為大部分化工設備單位都能加工制造，業主議價能力較強。

生產成本：氣凝膠的生產成本主要集中在硅源、設備折舊和能耗三塊。硅源主要包括水玻璃和有機硅。有機硅價格較為昂貴，但是純度高，工藝適應性好，既可以應用于超臨界干燥工藝，也可以適用于常壓干燥工藝，目前國內外采用超臨界干燥工藝的企業基本上都是采用有機硅源。水玻璃價格低廉，但是雜質較多，去除雜質的工藝較為繁瑣，目前主要應用于常壓干燥技術中。設備折舊方面，因超臨界干燥技術設備投資較高，折舊要要高于常壓技術。能耗方面，超臨界干燥系統耗電要高于常壓干燥系統，蒸汽消耗方面兩者差別不大。因此，一般而言采用常壓干燥技術的生產成本要低于超臨界干燥。

技術門檻：相對而言，超臨界干燥技術的生產效率、安全性，乃至工藝變更都對設備系統有較高依賴度，如果設備廠家提供設備系統較為成熟可靠，業主進入技術門檻相對較低，這也是許多氣凝膠行業新進入者選擇超臨界工藝原因之一，但也因此受到較多制約。常壓干燥技術設備的投資門檻較低，但是技術門檻卻較高，對配方的設計和流程組合優化有較高要求，如果技術不過關，不僅生產成本可能高于超臨界，甚至于性能指標也不能達到要求。

綜上所述，如果是大規模生產氣凝膠，常壓法可行性更大。如果是實驗室研究，小規模開發階段推薦超臨界法，首先方法成熟，容易獲得優質產品，節省摸索生產流程所需大量寶貴時間，其次所需設備系統較為成熟可靠，可以直接使用，由于之前大部分進口廠家提供設備價格高昂，所以限制了國內大部分用戶的使用。適安佳科技為國產儀器廠家，所提供超臨界設備設計可靠，價格僅為進口產品的1/3左右，愿意為廣大中國的氣凝膠相關科研工作者提供助力。