Aerożel: Niezwykły urok magicznego materiału
W temperaturze 650 stopni pistolet natryskowy kontynuuje rozpylanie płomienia, ale nie może zapalić specjalnie powlekanej tekturowej powłoki; Tylko oddzielona warstwą folii, dłoń dociśnięta do gorącego stołu jest wystarczająco gorąca, aby „upiec”, ale można poczuć tylko trochę ciepła; Tworzy na dłoni niewidzialny „film ochronny”, który pozwala wodzie w jednej chwili „wyskoczyć”… Wszystko to przypomina zjawisko „naukowej magii”, a wszystko z nowego materiału, który pobił kilkanaście rekordów Guinnessa – aerożel.
Aby dać Ci bardziej intuicyjne poczucie cudów aerożelu, przeprowadźmy kilka eksperymentów porównawczych. Najpierw materiał aerożelowy o tej samej grubości i tradycyjny materiał izolacyjny (taki jak wełna mineralna, krzemian itp.) umieszcza się w dwóch identycznych komorach środowiskowych o wysokiej temperaturze, których temperatura jest ustawiona na 650 stopni. Zmiany temperatury na zewnątrz obu materiałów monitorowano w czasie rzeczywistym za pomocą kamery termowizyjnej przez ten sam okres 1-godzin. Przekonasz się, że temperatura zewnętrzna tradycyjnego materiału szybko rośnie i po krótkim czasie następuje deformacja, pojawienie się dymu itp., podczas gdy temperatura zewnętrzna materiału aerożelowego prawie nie zmienia się znacząco i zawsze jest utrzymywana na niskim poziomie. To w pełni pokazuje, że aerożel znacznie przewyższa właściwości termoizolacyjne tradycyjnych materiałów.
Spójrz na kontrast między aerożelem a zwykłymi substancjami stałymi (takimi jak metal, drewno itp.). Jeśli wybierzesz kawałek metalu o tej samej objętości co koc izolacyjny aerożelu i zważysz go osobno, okaże się, że masa aerożelu jest znacznie mniejsza niż ciężaru metalowego bloku, co podkreśla wyjątkowo lekkie właściwości aerożelu. Następnie umieszcza się je jednocześnie na płycie grzewczej nastawionej na 200 stopni. Podczas podgrzewania za pomocą termometru zmierz, jak szybko wzrasta temperatura na powierzchni obu substancji, a wyniki Cię zaskoczą. Temperatura powierzchni metalu rośnie szybko, natomiast temperatura powierzchni aerożelu rośnie bardzo powoli, co pokazuje doskonałą izolację termiczną aerożelu, w przeciwieństwie do tego, dzięki czemu można głębiej poczuć magię aerożelu.
Trzymając pistolet płomieniowy nagrzany do 650 stopni, wyceluj w zwykłą tekturową skorupę, a za chwilę papierowa skorupa spali się, płomień szybko się rozprzestrzeni, a tekturowa skorupa zamieni się w popiół w ciągu zaledwie około 20 sekund.
Jednakże, gdy tekturową skorupę pokryto cienką warstwą przezroczystej „magicznej farby” (tj. produktów na bazie aerożelu) i ponownie wypalono pistoletem płomieniowym o temperaturze 650 stopni, sytuacja była zupełnie inna. Tym razem tekturowa skorupa nie tylko nie uległa zapaleniu, ale nie było prawie żadnych śladów spalania płomienia, pozostawiając na jej powierzchni jedynie warstwę białego, ziarnistego proszku. Jeśli dotkniesz tylnej strony papieru, w ogóle nie poczujesz ciepła. Według personelu, w środowisku o wysokiej temperaturze 650 stopni, może wytrzymać palenie przez ponad 3 godziny bez uszkodzeń.
W tym eksperymencie ciepło płomienia próbowało przedostać się do tekturowej skorupy, ale powłoka aerożelu działała jak niezniszczalna bariera, bezwzględnie zatrzymując ciepło. Tekturową skorupę można bezpiecznie otoczyć płomieniami, jak za pomocą magii, co jest żywym demonstracją niesamowitych właściwości termoizolacyjnych aerożelu.
Druga „magia” ma związek z wodą. W jednym zbiorniku nad wodą mocno zawieszona jest warstwa nietopliwego „magicznego proszku” (cząsteczki aerożelu). Reporter sięgnął przez proszek na sam dół i od razu poczuł, że cała dłoń jest przesiąknięta wodą. Ale kiedy wyciągnął rękę, ze zdziwieniem stwierdził, że nie było w niej ani kropli wody. Następnie rękę tę wielokrotnie wkładano do innych basenów, lub nawet myto bezpośrednio wodą, a cała dłoń zawsze zdawała się być owinięta niewidzialną „folią ochronną”, która mogła „wyskoczyć” całą wodę.
Ta hydrofobowa właściwość aerożelu wynika z jego specjalnych właściwości powierzchniowych. Jego mikrostruktura utrudnia przyleganie cząsteczek wody i zamiast tego tworzy kropelki, które spadają, podobnie jak efekt samooczyszczania powierzchni liścia lotosu.
Czy uwierzysz, że ludzka ręka może dotknąć przedmiotu o temperaturze powyżej 100 stopni bez poparzenia?
Trzecia „magia” skupia się na „cieple”. Na gorącym stole, który potrafi zagotować i natychmiast odparować zimną wodę, nałożyć warstwę „magicznej folii” (papieru izolacyjnego w aerożelu), reporter nerwowo docisnął do niej rękę i, o dziwo, poczuł tylko odrobinę ciepła.
Technologia: Badania i rozwój wiodących na świecie metod przygotowania
Za tą niesamowitą „magiczną farbą”, „magicznym proszkiem” i inną „magią” kryją się w istocie coś w rodzaju Księgi Rekordów Guinnessa z ponad 10, a magazyn Science wychwalany jako „magiczny materiał, który może zmienić świat” – aerożel.
Nowy inżynier ds. wsparcia przemysłu materiałowego firmy Coon powiedział reporterom, że aerożel jest obecnie najlżejszym materiałem stałym znanym na świecie, a także najdoskonalszym na świecie materiałem stałym o właściwościach termoizolacyjnych i przeciwpożarowych.
Co sprawia, że aerożel jest tak niesamowity? Inżynier wyjaśnił to przez analogię do „waty cukrowej”.
Inżynierowie zauważyli, że związek aerożelu z piaskiem (głównie krzemionką) był podobny do związku pomiędzy piankami marshmallow i białym cukrem. Jego właściwości termoizolacyjne i zmniejszające palność są tak doskonałe ze względu na istnienie licznych nanodziur w jego strukturze molekularnej, przy porowatości przekraczającej 95%. Te nanodziury przypominają „labirynt izolacji cieplnej” w mikroskopijnym świecie, w którym ciepło jest stale odbijane i rozpraszane podczas przemieszczania się, co utrudnia płynne przewodnictwo, przez co przewodność cieplna aerożelu jest wyjątkowo niska i może osiągnąć efekt izolacji termicznej podobny do próżni. „Dziury w piance piankowej są widoczne gołym okiem, podczas gdy dziury w aerożelu są w nanoskali, 1,000 razy mniejsze niż średnica ludzkiego włosa”.
Pomimo doskonałych właściwości aerożele są trudne do uzyskania.
Tradycyjne przygotowanie aerożelu wymaga metody „suszenia nadkrytycznego”, którą należy przygotowywać przez kilka dni w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Prowadzi to do wielu problemów, takich jak wysokie koszty wejściowe sprzętu, złożony przebieg procesu, emisja poważnych zanieczyszczeń itp., Co powoduje, że koszty produkcji pozostają wysokie. Dlatego produkty aerożelowe są najczęściej stosowane w kluczowych dziedzinach, takich jak przemysł lotniczy.
W związku z tą sytuacją zespół innowacyjny kierowany przez Xie Yi, akademika Chińskiej Akademii Nauk i profesora Chińskiego Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego, po dziesięcioleciach nieustannych wysiłków, samodzielnie opracował wiodącą na świecie metodę przygotowania aerożelu – „ ochrona środowiska metoda suszenia aerożelu pod ciśnieniem atmosferycznym”. Ta metoda może znacznie obniżyć koszty przygotowania aerożelu, ułatwić industrializację produktów aerożelowych i sprawić, że naprawdę wejdą one w nasze codzienne życie.
Zastosowanie: Budowa „ognistego płaszcza”
W budownictwie zastosowanie aerożelu przyniosło niezwykłe rezultaty. Na przykład w dużym budynku komercyjnym roczne zużycie energii na chłodzenie i ogrzewanie jest dość duże, gdy nie jest stosowana izolacja aerożelowa, a wydatki na energię elektryczną stanowią znaczną część kosztów operacyjnych. Po modyfikacji aerożelowych materiałów izolacyjnych, poprzez rygorystyczne monitorowanie zużycia energii i statystyki, stwierdzono, że roczne zużycie energii do chłodzenia i ogrzewania jest znacznie zmniejszone, a odpowiadające mu wydatki na energię elektryczną również znacznie zmniejszone.
Poziom zużycia energii jest znacznie niższy niż w podobnych budynkach komercyjnych w pobliżu, w których nie zastosowano izolacji aerożelowej, a oszczędności energii są oczywiste.
Dzieje się tak głównie dzięki doskonałym właściwościom aerożelowych powłok izolacyjnych budynków. Wystarczy nałożyć cienką warstwę o grubości od 2 do 5 mm, aby uzyskać efekt stałej temperatury zwykłego materiału izolacyjnego o grubości od 40 do 60 mm, zmniejszając w ten sposób zużycie energii w pomieszczeniu o ponad 30%. Ta wysoce skuteczna zdolność izolacyjna nie tylko pozwala zaoszczędzić znaczne koszty operacyjne dla właścicieli budynków, ale także w pozytywny sposób przyczynia się do zmniejszenia całkowitego zużycia energii w sektorze budowlanym w kontekście propagowania przez całe społeczeństwo oszczędzania energii i redukcji emisji.
Zhejiang Runfew New Material Co., Ltd odegrała w tym procesie niezastąpioną rolę. Jej starannie opracowane produkty z serii aerożeli w dalszym ciągu wnoszą nową witalność w dziedzinę oszczędzania energii w budynkach, pomagają większej liczbie budynków osiągnąć wysoką wydajność izolacji oraz oszczędność i redukcję zużycia energii, a także sprawiają, że aerożel, ten magiczny materiał, odgrywa większą wartość w dziedzinie budownictwa.