求化學帝告訴我氣凝膠的製作配方和做法

2021-03-07 08:05:28 字數 5075 閱讀 9808

1樓:隨心所欲

氣凝膠的製備通常採用兩步法:第一步溶膠-凝膠過程,第二步乾燥過程。

製備過程:

1、溶膠-凝膠過程

用含高化學活性組分的化合物作前驅體,前驅物與溶劑產生水解或醇解,在溶液中形成穩定的透明溶膠體系,溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合,形成三維空間網路結構的凝膠,凝膠網路間充滿了失去流動性的溶劑。因此更全面地看,此法應稱為ssg法,即溶液-溶膠-凝膠法,其最基本的反應如下:

(1) 溶劑化

電離反應:能電離的前驅物金屬鹽的金屬陽離子mz+吸引水分子形成溶劑單元m(h2o)z+n (z為m離子的價數),為保持它的配位數而具有強烈的釋放h+的趨勢。

m(h2o)nz+=m(h2o)n-1(oh)(z-1)+h+

水解反應:非電離式分子的前驅物,如金屬醇鹽m(or)n(n為金屬m的 原子價,r代表烷基),與水反應:m(or)n+xh2o=m(oh)x(or)n-x+xrohm(oh)n

反應可延續進行,直至生成m(oh)n。

(2)縮聚反應

失水縮聚:-m-oh+ho-m- = -m-o-m-+h2o

失醇縮聚:-m-or+ho-m- = -m-o-m-+roh

2、乾燥過程

前驅體經過sol-gel過程後獲得凝膠,凝膠由富有彈性的固體網路和網路中的液相溶劑組成,凝膠中存在奈米結構微孔。乾燥初期,足夠多的液相填充於凝膠孔中,凝膠體積的減少與液體蒸發的體積相等,**細管力。

當凝膠體積減少量小於液體蒸發體積時,液體蒸發使固相暴露出來,固/液介面被能量更高的固/氣介面所取代,為阻止體系能量增加,孔內液體將向外流動覆蓋固/氣介面。此時液相在凝膠孔中形成彎月面,由於液體表面張力的作用,產生了毛細管壓力。

毛細管力作用於凝膠微孔的孔壁上,這樣將會導致大量凝膠網路結構的坍塌。因此要想得到氣凝膠,就必須在保持原有凝膠網路結構的情況下,將網路中的溶劑排除。為了解決這一難題,近年相繼發展出了超臨界乾燥,冷凍乾燥,常溫常壓乾燥和傳導乾燥等技術。

超臨界乾燥

在氣凝膠製備中,超臨界乾燥是最常用的乾燥方法。所謂的臨界狀態指的是一種氣液共存的狀態。每種物質都有其固有的臨界溫度tc和臨界壓力pc,在臨界溫度tc以上時,不論加入多大壓力都不能使氣體液化;pc是指在臨界溫度tc下氣體液化所需的壓力。

由於液體的表面張力與溫度有如下關係:

(γ為液體的表面張力;γ0為與分子間引力有關的液體特性常數;t為體系的溫度;tc為臨界溫度;)所以根據公式,在臨界條件下(t=tc),氣液介面將消失,表面張力趨於零,這樣凝膠微孔中就不存在毛細管附加壓力了。因此超臨界乾燥,可以保持凝膠網路結構,防止奈米粒子的團聚和微孔結構的坍塌。

實際中最常用的三種乾燥介質是甲醇,乙醇和二氧化碳,但由於甲醇,乙醇易燃、易爆且臨界條件較苛刻,故大規模製備時仍採用二氧化碳。

裝置的關鍵部分是溫度和壓力的控制器,根據乾燥介質的臨界引數,通過控溫器和減壓閥來調節超臨界乾燥中所需的溫度和壓力。

冷凍乾燥

各種乾燥方法的主要目的都是為消除或減小乾燥過程中對內部網路結構的破壞力,尤其是毛細管力。超臨界乾燥通過在高溫高壓下產生的超臨界流體來消除氣/液介面,從而消除毛細管壓力;而冷凍乾燥恰恰相反,是在低溫低壓下將溼凝膠凍為固態,然後通過昇華作用來乾燥。

乾燥過程中氣/液介面轉變為固/氣介面,避免了微孔內彎月面的形成,從而消除毛細管力。因此冷凍乾燥獲得的幹凝膠也叫凍凝膠。雖然凍凝膠也有很大的比表面積,但與超臨界乾燥技術製備的產品相比,仍有一定的差距,且孔容較小。

凝膠冷凍的過程是固化相變的過程,通常會發生一定體積的變化,且有晶核形成和溶劑晶體長大的趨勢,這也可能會對凝膠的網路結構產生破壞,並形成非常大的孔洞。

常溫常壓乾燥

常壓常壓乾燥與其他乾燥方法相比,所需裝置簡單,一旦工藝成熟,就能進行連續化和規模化生產。因此常溫常壓乾燥是最有希望大規模運用的一種乾燥方法。

通常,凝膠網路結構不可能非常均勻,凝膠內部的孔道有粗有細。這樣,在同一塊凝膠內,應力的不均衡往往會造成開裂或粉碎。非超臨界乾燥方法可以通過以下措施來實現:

增強凝膠網路骨架的強度,改善凝膠中孔洞的均勻性,凝膠的表面修飾以及減小溶劑的表面張力等。

2樓:爆頭戰斧

1 氣凝膠的製備過程

氣凝膠的製備通常採用兩步法[4],第一步溶膠-凝膠過程,第二步乾燥過程。製備過程如圖1所示:

圖1 溶膠-凝膠和乾燥流程圖

2 溶膠-凝膠過程

用含高化學活性組分的化合物作前驅體,前驅物與溶劑產生水解或醇解,在溶液中形成穩定的透明溶膠體系,溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合,形成三維空間網路結構的凝膠(圖2),凝膠網路間充滿了失去流動性的溶劑。因此更全面地看,此法應稱為ssg法[6],即溶液-溶膠-凝膠法,其最基本的反應如下:

(1) 溶劑化

電離反應:能電離的前驅物金屬鹽的金屬陽離子mz+吸引水分子形成溶劑單元m(h2o)z+n (z為m離子的價數),為保持它的配位數而具有強烈的釋放h+的趨勢。

m(h2o)nz+=m(h2o)n-1(oh)(z-1)+h+

水解反應:非電離式分子的前驅物,如金屬醇鹽m(or)n(n為金屬m的 原子價,r代表烷基),與水反應:

m(or)n+xh2o=m(oh)x(or)n-x+xrohm(oh)n

反應可延續進行,直至生成m(oh)n。

(2)縮聚反應

失水縮聚:-m-oh+ho-m- = -m-o-m-+h2o

失醇縮聚:-m-or+ho-m- = -m-o-m-+roh

圖2 溶膠-凝膠過程的結構演變[5]

3 乾燥過程

前驅體經過sol-gel過程後獲得凝膠,凝膠由富有彈性的固體網路和網路中的液相溶劑組成,凝膠中存在奈米結構微孔。乾燥初期,足夠多的液相填充於凝膠孔中,凝膠體積的減少與液體蒸發的體積相等,**細管力[6]。當凝膠體積減少量小於液體蒸發體積時,液體蒸發使固相暴露出來,固/液介面被能量更高的固/氣介面所取代,為阻止體系能量增加,孔內液體將向外流動覆蓋固/氣介面[7]。

此時液相在凝膠孔中形成彎月面,由於液體表面張力的作用,產生了毛細管壓力。毛細管力作用於凝膠微孔的孔壁上,這樣將會導致大量凝膠網路結構的坍塌[8](如圖3所示)。因此要想得到氣凝膠,就必須在保持原有凝膠網路結構的情況下,將網路中的溶劑排除。

為了解決這一難題,近年相繼發展出了超臨界乾燥,冷凍乾燥,常溫常壓乾燥和傳導乾燥等技術。

圖3 溼凝膠乾燥過程中的毛細管力

3.1 超臨界乾燥

在氣凝膠製備中,超臨界乾燥是最常用的乾燥方法。所謂的臨界狀態指的是一種氣液共存的狀態。每種物質都有其固有的臨界溫度tc和臨界壓力pc,在臨界溫度tc以上時,不論加入多大壓力都不能使氣體液化;pc是指在臨界溫度tc下氣體液化所需的壓力。

由於液體的表面張力與溫度有如下關係:

(γ為液體的表面張力;γ0為與分子間引力有關的液體特性常數;t為體系的溫度;tc為臨界溫度;)所以根據公式,在臨界條件下(t=tc),氣液介面將消失,表面張力趨於零,這樣凝膠微孔中就不存在毛細管附加壓力了。因此超臨界乾燥,可以保持凝膠網路結構,防止奈米粒子的團聚和微孔結構的坍塌。

常用乾燥介質的臨界引數如表1所示,實際中最常用的三種乾燥介質是甲醇,乙醇和二氧化碳,但由於甲醇,乙醇易燃、易爆且臨界條件較苛刻,故大規模製備時仍採用二氧化碳。

表1 常用乾燥介質的臨界引數

圖4為超臨界乾燥裝置示意圖。裝置的關鍵部分是溫度和壓力的控制器,根據乾燥介質的臨界引數,通過控溫器和減壓閥來調節超臨界乾燥中所需的溫度和壓力。

圖4 超臨界乾燥裝置示意圖[11]

3.2 冷凍乾燥

各種乾燥方法的主要目的都是為消除或減小乾燥過程中對內部網路結構的破壞力,尤其是毛細管力。超臨界乾燥通過在高溫高壓下產生的超臨界流體來消除氣/液介面,從而消除毛細管壓力;而冷凍乾燥恰恰相反,是在低溫低壓下將溼凝膠凍為固態,然後通過昇華作用來乾燥[10]。乾燥過程中氣/液介面轉變為固/氣介面,避免了微孔內彎月面的形成,從而消除毛細管力。

因此冷凍乾燥獲得的幹凝膠也叫凍凝膠。凍凝膠與氣凝膠的性質比較見表2,雖然凍凝膠也有很大的比表面積,但與超臨界乾燥技術製備的產品相比,仍有一定的差距,且孔容較小。凝膠冷凍的過程是固化相變的過程,通常會發生一定體積的變化,且有晶核形成和溶劑晶體長大的趨勢,這也可能會對凝膠的網路結構產生破壞,並形成非常大的孔洞[11]。

表2 冷凍凝膠與氣凝膠的性質比較[12]

3.3 常溫常壓乾燥

常壓常壓乾燥與其他乾燥方法相比,所需裝置簡單,一旦工藝成熟,就能進行連續化和規模化生產。因此常溫常壓乾燥是最有希望大規模運用的一種乾燥方法。

通常,凝膠網路結構不可能非常均勻,凝膠內部的孔道有粗有細。這樣,在同一塊凝膠內,應力的不均衡往往會造成開裂或粉碎。非超臨界乾燥方法可以通過以下措施來實現:

增強凝膠網路骨架的強度,改善凝膠中孔洞的均勻性,凝膠的表面修飾以及減小溶劑的表面張力等[13]。因此,通過新增低表面張力的

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《舌尖上的中國》為中國**電視台播出的美食類紀錄片,主要內容為中國各地的美食生態。通過對中華美食的多個側面,來展現食物給中國人生活帶來的儀式、倫理等方面的文化;見識中國特色食材以及與食物相關、構成中國美食特有氣質的一系列元素;了解中華飲食文化的精緻和源遠流長。本片製作精良,7集內容製作耗時13個月,2023年5月在央視首播後,在網路引起了廣泛的關注。

該片於2023年7月在台灣公視播出,2023年9月在新加坡星和都會臺播出,2023年10月起在香港tvb翡翠台播出。第二季已確定於2023年4月18日播出。

《舌尖上的中國》從2023年3月開始大規模拍攝,歷時13個月拍攝完成,這也是國內第一次使用高畫質裝置拍攝的大型美食類紀錄片。攝製組行走了包括港澳台在內的全國70個拍攝地,動用前期調研員3人,導演8人,15位攝影師拍攝,並由3位剪輯師剪輯完成。

舌尖系列包括《舌尖上的中國1》、《舌尖上的中國2》、《舌尖上的中國3》。

由《舌尖上的中國》原班人馬傾力打造的電影版《舌尖上的新年》於2023年1月7日公映。

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