エアロゲルフィルム材料の製造プロセス、種類、用途分析
エアロゲルは、その独特な三次元ナノ多孔構造により、優れた断熱性能、低誘電率、低熱伝導率、高比表面積などの特性を示し、電子機器、断熱材、エネルギー貯蔵システムなどの分野で広く注目されています。近年、ウェアラブルおよびポータブル電子製品市場の急速な発展に伴い、優れたサイクル寿命、柔軟な作業条件、環境への配慮と安全性など、さまざまなエネルギー貯蔵デバイスに対するより多くの性能要件が提唱されており、エアロゲルフィルム材料は業界で広く注目を集めています。
エアロゲルフィルムの作製
SiO2エアロゲルフィルムなどの無機エアロゲルフィルムは製造コストが低いが、ナノ粒子間の結合が弱く、エアロゲル骨格が脆弱であるため、独立した強固なエアロゲルフィルムを構築することが難しく、通常は布基材の表面にコーティングの形で塗布される。
いくつかの有機材料や有機-無機または有機-炭素複合材料を配合する方法は、単一成分エアロゲルフィルム材料の欠点を補い、相補的な利点の効果を達成することができ、これはエアロゲルフィルム材料の開発における必然的な傾向です。
ゾルの準備
無機系では、シリカゾルは一般に水ガラス、メチルオルトケイ酸、エチルオルトケイ酸を前駆体として調製され、溶媒と混合して加水分解縮合反応を起こし、無色透明の接着剤を形成します。
有機エアロゲルゾルの製造プロセスは無機エアロゲルの製造プロセスと似ています。一般的に、有機モノマーまたはオリゴマーを溶媒に溶解し、化学反応によって鎖状または不規則な分岐ネットワーク構造を生成します。
セルロース系ゾルの製造では、セルロース間の分子間力が強いため、一般的な溶媒では溶解しにくいため、まずセルロースを特定の溶媒に溶解して、安定した透明なハイドロゾルを形成する必要があります。ゾルが熟成されると、個々のコロイド粒子がゆっくりと重合して、3次元ネットワーク構造を形成します。
映画製作のプロセス
エアロゲルフィルムのさまざまな要件に応じて、使用されるフィルム製造プロセスも異なり、主にディッピングプル法、スピンコーティング法、スプレー法、キャスティング法などがあります。一般的に、次の2つの形式があります。
一つは、基材へのエアロゲルコーティングであり、主に、ディッピング、プル、スピン、スプレー、スクレーピング、インクジェット印刷などの手段により、一定粘度のゾルを基材にコーティングし、乾燥後に薄膜構造のエアロゲル材料を形成する。
もう一つは、エアロゲル材料をせん断、圧延、鋳造などにより、独立した白色支持エアロゲルフィルムに直接調製する方法である。
エアロゲルフィルムの種類と用途
エアロゲルフィルムは、無機（SiO2、TiO₂、SiO2/TiO₂など）エアロゲルフィルム、有機（ポリウレタン、ポリイミド、セルロースなど）エアロゲルフィルム、複合エアロゲルフィルム（SiO2-ベース、BNベース、CNIベースのエアロゲルフィルムなど）、バイオマスエアロゲルフィルム、カーボンエアロゲルフィルムなど、さまざまな成分から構成されます。
無機エアロゲルフィルム
無機エアロゲルフィルム材料には主にSiO2、TiO₂エアロゲルフィルムなどがあり、これらは通常、アルコール塩を前駆体として、酸塩基二段階触媒、ゾルゲルプロセス、およびさまざまなコーティングプロセスを経て製造されます。溶液のpHと前駆体と水のモル比は、ゾル粒子のサイズと架橋度に直接影響します。一般に、無機エアロゲルフィルムの機械的特性は低く、大面積に直接使用することはできません。
有機エアロゲルフィルム
ポリウレタン（PU）は、断熱性、高強度、多孔性を備えた発泡材料であり、エアロゲルフィルム材料の製造において広範な研究価値があります。Saadatniaらは、鋳造によるポリウレタンエアロゲル（PUA）材料を開発しました。これは、摩擦電気ナノ発電機（TENG）の性能を効果的に高めることができます。
無機系および有機系のエアロゲル膜と比較すると、構造と性能に違いがあります。シリカエアロゲル膜に代表される無機エアロゲル膜は、現在、断熱分野でより多くの研究が行われている、より成熟したエアロゲル膜です。
しかし、無機エアロゲルフィルムは、エアロゲル骨格を構成する無機ナノ粒子（シリカや金属ナノ粒子など）間の架橋が弱いため、自立型エアロゲルフィルムを形成するのが通常困難です。有機ポリマーエアロゲルフィルムは、その独特の構造特性により、より優れた機械的特性、良好な熱安定性、引張特性を備えていることがよくあります。
複合エアロゲルフィルム
[1] CNT系複合エアロゲルフィルム
中国科学院蘇州ナノテクノロジー研究所の Cheng らは、高密度の層状多孔質構造を持つカーボンナノチューブ (CNT) ベースのエアロゲルフィルムを作成するための積層構造工学戦略を提案しました。方向性のある緻密化と炭化により、アラミドナノファイバー/カーボンナノチューブハイブリッドエアロゲルフィルム内の 1 次元ナノ構造の 3 次元ネットワークを、優先配向と連続導電パスを持つ層状多孔質構造に再構築することができ、これにより高い比表面積 (3419m/g) と高い導電率 (8540S/m) が得られます。
層状の多孔質構造と高い導電性により、CNI ベースのエアロゲルフィルムの絶対比遮蔽 (SSE/t) 効率は 200647.9dB·㎝²/g に達し、これは報告されているエアロゲル材料の中で最も高い値です。
バイオマスベースおよび炭素複合エアロゲルフィルム
バイオマスベースおよび炭素複合エアロゲルフィルム材料は、低コスト、超軽量、環境に優しいなどの優れた利点があり、電極材料の製造に広く使用されています。複合エアロゲルフィルムは、単一成分エアロゲルフィルムの利点を維持しながら多機能性を実現しています。エアロゲルフィルムの機械的特性は、ポリウレタンなどのポリマー改質によって向上できます。BNなどの2次元無機ナノ材料を添加すると、電気絶縁性能が向上します。バイオマスベースのエアロゲルフィルムは、優れた電気化学特性などを備えています。
複合エアロゲルフィルムは、優れた機械的性質、良好な安定性、柔軟性、靭性を備え、軽量化、省エネ、騒音低減などの機能も実現できるため、応用分野が拡大しています。スマートフィルム、ウェアラブル電子機器、EMIシールド衣類、個人用熱管理システム、電極材料、バイオメディカルキャリアなどに幅広く使用できます。
結論と展望
エアロゲルフィルムゾル製造技術とゾルコーティングプロセスの継続的な改善と向上、有機溶剤の導入、および他の材料との複合化の傾向は、エアロゲルフィルムの製造と性能向上に効果的な方法を提供し、エアロゲルフィルムの構造的完全性、光学的制御性、機械的柔軟性などを向上させます。
しかし、この記事で紹介した最先端の研究はまだ初期段階にあり、大規模な準備と実用化にはまだ長い道のりがあります。いくつかの重要な問題はまだ解決する必要があります。
① 従来の無機ナノ粒子間の結合が弱く、エアロゲル骨格が脆弱であるため、独立した強固な無機エアロゲル膜を構築することが困難です。有機無機複合またはハイブリッド製造ルートを採用することで、エアロゲル膜材料に優れた機械的特性を与えることができます。
② 現在、エアロゲルフィルム材料の製造工程は複雑であり、製造工程には高コストで長サイクルのCO2超臨界乾燥または凍結乾燥プロセスが含まれており、バッチ製造を実現することは困難です。エアロゲルフィルムの大規模生産と実用化を実現するには、より効率的で低コストの乾燥プロセスを追求する必要があります。
③エアロゲルフィルム材料の機能的基礎研究システムはまだ完成しておらず、多機能エアロゲルフィルム材料の開発が今後の発展の傾向である。
