ВЕСТНИК

Химической промышленности

Вконтакте Твиттер Facebook LiveJournal

Понедельник, 08 августа 2016 17:41

Высокопористые наноструктурированные материалы для высокотехнологичных отраслей экономики

Автор

За последнее десятилетие наука и промышленность проявляли значительный интерес к целому классу высокопористых наноструктурированных материалов, к которым в первую очередь относятся аэрогели различной природы. Было проведено большое количество работ как по получению аэрогелей на основе веществ, которые ранее не использовались для создания высокопористых материалов, так и по изучению свойств новых материалов и поиску способов их применения. Аэрогели рассматриваются в качестве теплоизоляционных материалов, матриц-носителей, адсорбентов и т.д.

Основные исследования в области аэрогелей в настоящее время проводятся в Китае и Соединённых Штатах Америки. Однако количество публикаций по данной теме, издаваемых в России и странах Европы непрерывно растёт. Одним из ведущих центров по исследованию аэрогелей и сверхкритических процессов является Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева). В рамках Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий (МУНЦ), являющегося структурным подразделением РХТУ им. Д.И. Менделеева, проводятся комплексные исследования по получению аэрогелей различной природы. Изучаются фазовые равновесия при достижении сверхкритических условий. Рассматриваются вопросы определения растворимости веществ в сверхкритических флюидах в зависимости от макроскопических параметров. Разрабатываются технологии внедрения активных веществ различной природы в матрицы аэрогелей.

На текущий момент основными отраслями, в которых аэрогели уже нашли своё применение, являются фармацевтика, атомная промышленность, экология, аэрокосмическая отрасль и машиностроение, текстильная промышленность, медицина, энергетика и строительство. Аэрогели используются в качестве систем доставки лекарственных средств, обеспечивая как пролонгированное действие активного лекарственного вещества, так и повышая его биодоступность за счёт нахождения вещества в аморфной форме. За счёт сильно развитой наноразмерной структуры аэрогели обладают высокой сорбционной способностью, что позволяет использовать их в качестве сорбентов для разделения и очистки различных газов. Например, активно ведутся работы по использованию аэрогелей в качестве сорбентов диоксида углерода, свободного хлора, фосгена и многих других газов, использующихся или получающихся в качестве побочных продуктов при проведении химических органических и неорганических синтезов. При этом, варьируя природу вещества, из которого выстраивается структурная матрица аэрогеля, за счёт добавления различных функциональных групп, можно в значительной мере изменять селективность аэрогелей, обеспечивая избирательную сорбцию газов или активных веществ, что позволяет использовать их в качестве разделителей газовых смесей.

За счёт сильно развитой структуры (см. рис. 1) и очень низкой плотности аэрогели с самого начала их появления на рынке стали использоваться в качестве теплоизоляционных материалов. Обладая коэффициентом теплопроводности в 2-3 раза ниже, чем у широко используемой в промышленности минеральной ваты, аэрогели стали очень перспективным, а в ряде приложений даже незаменимым, теплоизоляционным материалом. Кроме того, в отличие от минеральной ваты, ряд аэрогелей обладает гидрофобными свойствами и устойчив к воздействию влаги. При этом на текущий момент аэрогели представлены на рынке в различных формах, что делает круг их применимости всё шире. Аэрогели уже выпускаются в виде монолитов, гибких одеял и порошков. Ведутся работы по созданию высокопористых материалов низкой плотности в виде пены, которая наносится на изолируемую поверхность.

Рис. 1. Сканирующая электронная микроскопия образца аэрогеля

К более экзотичным примерам использования аэрогелей относятся: использование аэрогелей с внедрёнными нанотрубками для производства водородных топливных элементов, в качестве суперконденсаторов, как катализаторов для топливных элементов. Аэрогели находят все большее применение и в медицине. Разрабатываются технологии их применения в качестве сорбентов для остановки массивной кровопотери при ранениях различной степени тяжести. Они рассматриваются в качестве возможных носителей клеточного материала, имплантируемого для более быстрого восстановления повреждённых человеческих тканей.

Существующая классификация аэрогелей достаточно широка. Во-первых, аэрогели могут быть классифицированы по природе на органические, неорганические и гибридные. К органическим аэрогелям относят углеродные, формальдегидные, полиуретановые, полиакрилатные, эпоксидные, желатиновые, пектиновые, на основе лигнина и т.д. К неорганическим относятся аэрогели на основе диоксида кремния, на основе оксидов металлов (алюминия, титана, циркония, железа, хрома и т.д.), металлические аэрогели. Существуют также гибридные аэрогели, представляющие собой композиции разных пропорций из органической и неорганической основы. По типу внутренней структуры аэрогели можно разделить на кластеры первичных глобул, аэрогели с сетевой структурой и аэрогели с гибридной структурой. По пористости разделяют высокоплотные, среднеплотные и низкоплотные аэрогели. Существует также классификация аэрогелей по размеру пор, в соответствии с которой аэрогели могут быть разделены на нанопористые, мезопористые и макропористые.

Рис. 2. Различные варианты аэрогелей: а — на основе хитозана-альгината и целлюлозы, б — на основе Са-альгината, в — Са-альгината и гидрогель

Рис. 3. Аэрогели на основе целлюлозы с различными включениями

Получение аэрогелей — это многостадийный процесс, включающий в себя стадии образования основной матрицы, поры которой заполнены растворителем, и стадию сверхкритической сушки, от которой во многом зависит качество получаемого аэрогеля. Существуют также альтернативные технологии получения высокопористых наноструктурированных материалов, но наибольшее распространение всё же получила именно технология с использованием сверхкритической сушки. Сверхкритическая сушка проводится в специализированных аппаратах высоко давления и представляет собой вытеснение растворителя из пор матрица аэрогеля флюидом, находящимся при сверхкритических условиях. Сверхкритические флюиды обладают плотностью близкой к плотности жидкости, но при этом их вязкость и текучесть близки к значениям, характерным для газов. В результате этого сверхритический флюид относительно легко проникает в матрицу аэрогеля, вытесняя и растворяя находящееся в ней вещество. Другой особенностью сверхкритических флюидов является возможность изменения их растворяющей способности тех или иных веществ путём изменения таких макроскопических параметров, как температура и давление. Данная особенность нашла широчайшее применение в пищевой и фармацевтической отраслях в виде процесса сверхкритической экстракции, в ходе которого давление и температура сверхкритического флюида подбираются таким образом, чтобы обеспечить растворение (и последующее выделение) только одного (или небольшой группы) целевого вещества. Наиболее широко используемым веществом для проведения сверхкритических процессов является диоксид углерода, так как он обладает сравнительно невысокими значениями температуры и давления (31,1 °С и 7,38 МПа), при которых он переходит в сверхкритическое состояние. Кроме того он нетоксичен, а также достаточно дёшев.

Современными тенденциями развития технологии получения аэрогелей являются прежде всего снижение эксплуатационных затрат производства, улучшение конструктивных и функциональных свойств аэрогелей и производство аэрогелей из биоматериалов.

Для решения проблемы связанной с высокими эксплуатационными затратами проводится большое количество экспериментов по проведению процесса сверхкритической сушки с целью оптимизации процесса, сокращения его продолжительности. Особое внимание уделяется использованию математического моделирования, как инструмента подбора оптимальных значений технологических параметров и масштабирования процесса сушки. Также предпринимаются попытки замены сверхкритической сушки обычной атмосферной сушкой и процессом пиролиза.

Для улучшения функциональных свойств аэрогелей проводятся работы по встраиванию функциональных групп в молекулы, формирующие структуру матрицы аэрогеля. В структуру аэрогеля также внедряются дополнительные элементы, такие как углеродные нанотрубки.

Многие работы посвящены получению аэрогелей на основе биополимеров, из переработанной биомассы или на основе целлюлозы.

Для изучения вопросов оптимизации ведения технологических процессов и масштабирования технологического оборудования специалистами Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий (МУНЦ) используются такие современные методы моделирования, как вычислительная гидродинамика, позволяющая определять значения параметров потоков (скорости, температуры, давления, концентрации и т.д.) в каждой точке исследуемого аппарата. Для исследования процессов структурообразования при формировании матрицы аэрогеля используются клеточные автоматы, позволяющие воссоздавать даже мельчайшие элементы структуры.

Рис. 4. Методы математического моделирования для исследования сверхкритических процессов и структур аэрогелей: клеточные автоматы и вычислительная гидродинамика

МУНЦ оснащен собственными реакторами высокого давления и обладает всеми необходимыми аналитическими методами исследования получаемых образцов. Сотрудниками МУНЦ непрерывно ведётся работа по улучшению технологического оборудования для проведения процессов со сверхкритическими флюидами. Большое внимание уделяется простоте и надежности создаваемых конструкций, проводится работа по минимизации свободных объёмов, оказывающих влияние на точность проведения экспериментальных исследований.

Рис. 5. Оборудование производства РХТУ им.Д.И. Менделеева для проведения сверхкритических процессов

Опираясь на фундаментальные знания и собственный значительный опыт в проведении процессов при высоких давлениях, МУНЦ оказывает консультационные и инжиниринговые услуги по разработке и внедрению технологий производства аэрогелей, внедрения различных веществ в матрицы аэрогелей, проведения иных процессов, протекающих при сверхкритических условиях. Кроме того МУНЦ осуществляет выпуск лабораторного оборудования высокого давления для проведения экспериментальных исследований в следующих областях: получение высокопористых наноструктурированных материалов, разработка новых лекарственных форм, сверхкритическая экстракция, повышение нефтеотдачи пластов. При создании оборудования учитываются индивидуальные требования заказчика.

Прочитано 3870 раз
Меньшутина Н.В.; Лебедев Е.А.

Н.В. Меньшутина, руководитель Международного учебно-научного центра РХТУ им. Д.И. Менделеева, профессор, д.т.н., член-корреспондент Швейцарской академии наук

Е.А. Лебедев, ст.научный сотрудник РХТУ им. Д.И. Менделеева, к.т.н. Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Оставить комментарий

Убедитесь, что Вы ввели всю требуемую информацию, в поля, помеченные звёздочкой (*). HTML код не допустим.