二氧化硅（SiO?）氣凝膠粉是目前新能源、建筑節(jié)能、航空航天領(lǐng)域熱門的隔熱保溫材料，主要用于鋰電池隔熱墊片、建筑外墻保溫涂料、管道保溫層、真空隔熱板芯材等產(chǎn)品。近年來雙碳目標推動下，建筑節(jié)能和動力電池安全領(lǐng)域?qū)Ω咝Ц魺岵牧闲枨蟊l(fā)，超細輕質(zhì)、高孔隙率的SiO?氣凝膠粉供不應(yīng)求，量產(chǎn)化低成本制備技術(shù)成為行業(yè)研發(fā)熱點。

SiO?氣凝膠一般是先通過溶膠凝膠法得到濕凝膠，再經(jīng)過干燥工藝得到塊體或粉末，傳統(tǒng)超臨界干燥工藝設(shè)備投資大、安全風險高、量產(chǎn)成本高，沒法大規(guī)模推廣應(yīng)用，而常壓干燥工序繁瑣，制備周期長，產(chǎn)品批次穩(wěn)定性差。噴霧干燥法直接把SiO?溶膠霧化干燥成粉，工序短易放大，但容易出現(xiàn)顆粒開裂、孔隙率不夠、容重偏高的問題，對霧化參數(shù)和溫度控制要求很高。

案例1：實驗室小試開發(fā)疏水型SiO?氣凝膠粉

某新材料研發(fā)團隊要做小試工藝開發(fā)，目標是制備疏水型超細SiO?氣凝膠粉，用于建筑外墻隔熱涂料，要求顆粒容重控制在0.06g/cm3以內(nèi)，疏水角大于120°。實驗用的物料是經(jīng)過表面疏水改性的二氧化硅溶膠，固含量8%，不需要添加壁材，團隊選了那艾實驗室小型噴霧干燥機（NAI-LSD），采用標配二流體霧化方式，溶劑為去離子水，一開始試的時候，進風溫度設(shè)到210℃，出來的粉顆粒偏硬，容重升到了0.08g/cm3，孔隙率也不夠，分析是進風溫度太高，溶膠液滴表面快速結(jié)殼，內(nèi)部水分沒法出來，憋得顆粒密度變大。后來把參數(shù)調(diào)整為進風溫度160℃，出風溫度穩(wěn)定在72℃，霧化壓力0.15MPa，進料流量15mL/min，干燥出來的粉末蓬松不結(jié)塊，過200目篩后測得收率82%，容重0.052g/cm3，疏水角達到132°，孔隙率94%，完全滿足涂料添加要求，小試一次性就拿到了合格樣品，比之前做常壓干燥省了3天的工序時間。

案例2：中試量產(chǎn)親水性SiO?氣凝膠粉，用于鋰電池隔熱

某新能源材料企業(yè)要做中試驗證，目標是量產(chǎn)親水性SiO?氣凝膠粉，用于動力鋰電池的隔熱包材，要求出粉率高，顆粒流動性好，容重穩(wěn)定在0.05-0.07g/cm3。這個項目放大需要處理量更大的設(shè)備，而且要求霧化均勻，避免出現(xiàn)大顆粒影響后續(xù)加工，選了那艾離心式噴霧干燥機（NAI-CSD5），物料是未改性的親水性二氧化硅溶膠，固含量12%，溶劑為純水，一開始進料流量開太大，達到80L/h，出風溫度升到了90℃，出來的粉含水率偏高，存放3天就結(jié)塊，分析是進料太快，干燥不充分。后來調(diào)整參數(shù)，進風溫度180℃，出風溫度控制在80℃，離心轉(zhuǎn)速15000rpm，進料流量穩(wěn)定在50L/h，風機風量保持800m3/h，干燥出來的粉末自然松散，不需要二次粉碎，測得整體收率89%，顆粒平均粒徑12μm，容重0.061g/cm3，孔隙率92.5%，導熱系數(shù)低至0.018W/(m·K)，完全滿足動力電池隔熱材料的性能要求，連續(xù)生產(chǎn)72小時設(shè)備運行穩(wěn)定，批次間容重偏差不到5%，比超臨界干燥工藝成本降低了40%以上。

案例3：有機溶劑體系制備高純度SiO?氣凝膠粉，用于航天隔熱

某航空材料研發(fā)單位需要制備高純度低雜質(zhì)的SiO?氣凝膠粉，采用的是乙醇凝膠工藝，體系是無水乙醇有機溶劑，要求干燥過程安全防爆，同時保留凝膠內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。這個場景普通噴霧干燥機不能用，所以選了那艾有機溶劑噴霧干燥機（NAI-CLSD），設(shè)備本身自帶惰性氣體保護和防爆系統(tǒng)，符合有機溶劑的干燥要求，物料是乙醇置換后的二氧化硅醇凝膠溶膠，固含量6%，不需要添加壁材，霧化方式采用二流體氣流霧化，一開始因為惰性氣體保護下氧含量控制不好，升溫的時候一直報警，后來把氮氣進氣量調(diào)整到進風氧含量控制在3%以下，參數(shù)設(shè)置為進風溫度140℃，出風溫度65℃，霧化壓力0.2MPa，進料流量10mL/min，整個干燥過程運行平穩(wěn)，沒有安全風險，最終得到的高純度SiO?氣凝膠粉收率78%，雜質(zhì)總含量低于0.01%，容重0.048g/cm3，導熱系數(shù)0.016W/(m·K)，各項指標完全符合航天飛行器隔熱層的使用要求，解決了之前超臨界干燥制備高純度粉成本太高、沒法多批次供貨的問題。

三個不同場景的案例做下來，不難發(fā)現(xiàn)用那艾噴霧干燥制備二氧化硅氣凝膠粉，完全可以替代傳統(tǒng)的超臨界干燥和常壓干燥工藝，實驗室小試用小型設(shè)備快速摸索參數(shù)，中試量產(chǎn)根據(jù)霧化需求選離心或氣流機型，有機溶劑體系用防爆機型就能安全解決問題。核心的工藝要點就是控制好進風溫度不要過高，避免液滴表面過早結(jié)殼導致容重上升，根據(jù)固含量調(diào)整進料流量，保證出風溫度穩(wěn)定，就能得到蓬松多孔、容重達標的合格氣凝膠粉，而且工藝簡單易放大，成本比傳統(tǒng)工藝低很多，適合大規(guī)模量產(chǎn)，能很好滿足當前建筑節(jié)能、新能源、航空航天等領(lǐng)域?qū)Φ统杀径趸铓饽z粉的需求。