CN115265088A - 一种定向冷冻设备及气凝胶制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气凝胶制备技术领域，具体而言，涉及一种定向冷冻设备及气凝胶制备方法。该设备包括冷源容器和至少一个冷冻模具，还包括可拆卸的安装于冷源容器顶端的冷板；冷板的下侧固定安装至少一个竖直布置的铜柱；冷冻模具放置在冷板的上侧，并且与所述铜柱一一对应；冷板与铜柱之间至少安装有一个导热铜翅片；导热铜翅片的一侧边缘固定在冷板的下侧，另一侧边缘固定在所述铜柱上。导热铜翅片提高了传热速度。该设备可使温度场具有沿单一方向的温度梯度，保证冰晶生长方向不变，使气凝胶具有沿温度梯度方向的有序排列的孔径形态，还有利于大规模的批量定向冷冻。

Description

一种定向冷冻设备及气凝胶制备方法

技术领域

本发明涉及气凝胶制备技术领域，具体而言，涉及一种定向冷冻设备及气凝胶制备方法。

背景技术

气凝胶作为一种性能良好的保温材料，目前被越来越多的应用于各种领域。

对于不同种类的气凝胶而言，其微观纳米孔径结构对其热导率有着重要的影响，而热导率决定了气凝胶的保温隔热的效果。

定向冷冻技术是在待冷冻的液体的一侧设置冷源，使其内部的冰晶由一侧至另一侧有序的生长，这样可以使气凝胶内的纳米孔径沿一个方向有序排列，从而使该气凝胶具有良好的导热率。

然而，定向冷冻的过程十分容易受到影响，一旦出现干扰因素，就会导致气凝胶内的孔径排布发生变化，从而影响其隔热保温的性能。现有技术存在以下缺点：首先，一般使用干冰作为冷源，直接使溶液底面与干冰接触，待冷冻的液体的容器侧面与干冰上表面之间没有绝热措施，影响待冷冻的液体中温度场的分布，使温度场并不是预估的沿单一方向的温度梯度，导致溶液中冰晶生长方向发生变化，不利于得到沿温度梯度方向的有序排列的孔径形态；其次，导热面积小、冷源体积有限，不利于制备大体积样品，也难以进行大规模材料制备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种定向冷冻设备及气凝胶制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种定向冷冻设备，包括冷源容器和至少一个冷冻模具，还包括可拆卸的安装于所述冷源容器顶端的冷板；所述冷板的下侧固定安装至少一个竖直布置并延伸至所述冷源容器内的铜柱；所述冷冻模具放置在所述冷板的上侧；所述冷板与所述铜柱之间至少安装有一个导热铜翅片；所述导热铜翅片的一侧边缘固定在所述冷板的下侧，另一侧边缘固定在所述铜柱上。

本发明的有益效果在于，通过在冷板和铜柱之间设置导热铜翅片，有效提高了冷冻液体向冷板传递热量的速度；同时，导热铜翅片的结构简单、占用的体积小，对冷冻液体的总体积影响很低，能够防止因增加传热装置导致冷冻液体减少而影响定向冷冻效果的问题。

本发明还可以通过以下进一步技术方案实现：

进一步，所述导热铜翅片为直角三角形，相邻的两个直角边分别固定在所述冷板的下侧和所述铜柱上。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，将导热铜翅片设置为直角三角形，能够有效增加导热铜翅片的导热面积，进一步提高定向冷冻的效率。

进一步，所述导热铜翅片的个数为三个，并且沿所述铜柱的周向均匀布置。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，通过在铜柱的周向均匀布置导热铜翅片，能够使该区域的冷板在水平面上均匀的受热；这样就能够保证待冷冻液体在水平方向的受热是一致的，防止在沿垂直方向上定向冷冻时，沿水平方向存在温度梯度而影响定向冷冻的效果。

进一步，所述冷冻模具包括模具底片和可拆卸的安装于所述模具底片上的模具侧壁；所述模具侧壁与所述模具底片之间具有可容纳待冷冻溶液的腔体，所述腔体的顶端为开放端；所述模具底片与所述冷板的上侧接触；所述模具底片的材质的热扩散率与所述待冷冻溶液的热扩散率之差的绝对值为a,所述模具侧壁的材质的热扩散率与所述待冷冻溶液的热扩散率之差的绝对值为b，其中，a＞b。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，这样可以保证在定向冷冻过程中，温度梯度是垂直方向的；并且，在待冷冻溶液和模具侧壁的固体交界处的等温线是水平方向且近似于直线的。若使用热扩散率与待冷冻溶液的热扩散率差异较大的材料制作侧壁，会导致温度线的弯曲，从而影响定向冷冻效果。

进一步，所述冷板与所述模具底片之间涂有导热硅脂或导热油。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，涂抹导热硅脂或导热油后，能够使冷冻模具与冷板之间具有良好的热接触。

进一步，还包括保温外壳，所述保温外壳可拆卸的安装于所述冷源容器的顶部，并且所述冷板和所述冷冻模具位于所述保温外壳内。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，通过设置保温外壳，能够保证定向冷冻过程不受外界环境温度影响，防止待冷冻溶液在垂直方向以外的方向上与环境发生传热，从而保证定向冷冻具有良好的效果。

进一步，所述保温外壳的下端为开放端，所述冷源容器的顶端边缘沿其径向向外延伸，并与所述保温外壳的下端内侧壁扣接。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，能够使位于冷源容器上的冷板的边缘完全容纳至保温外壳内，进一步提高了保温效果；同时，冷源容器的边缘与保温外壳的内侧扣接，便于保温外壳的拆卸。

进一步，所述冷源容器为上端敞口的圆柱形箱体，所述冷板位于所述冷源容器的敞口边缘，并且所述冷板与所述冷源容器的敞口边缘之间设有密封垫片。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，使冷源液体能被密封。

进一步，所述冷源容器的侧壁底部开设有冷源液体出入口。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，可供冷源液体进入和排出冷源容器。

本发明提供一种气凝胶制备方法，包括定向冷冻步骤，所述定向冷冻步骤采用上述的定向冷冻设备进行。

附图说明

图1为本发明的定向冷冻设备的剖面图；

图2为本发明的定向冷冻设备中，冷冻模具的结构示意图；

图3为本发明的气凝胶制备方法中，实施例1的聚酰亚胺气凝胶有序排列微观结构电镜照片，尺度为500um；

图4为本发明的气凝胶制备方法中，实施例1的聚酰亚胺气凝胶有序排列微观结构电镜照片，尺度为200um。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、冷源容器；11、密封垫片；12、冷源液体出入口；

2、冷冻模具；21、模具底片；22、模具侧壁；

3、冷板；31、铜柱；32、导热铜翅片；

4、保温外壳。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明的定向冷冻设备，包括冷源容器1和至少一个冷冻模具2，还包括可拆卸的安装于冷源容器1顶端的冷板3；冷板3的下侧固定安装至少一个竖直布置并延伸至所述冷源容器内的铜柱31；冷冻模具2放置在冷板3的上侧；冷板3与铜柱31之间至少安装有一个导热铜翅片32；导热铜翅片32的一侧边缘固定在冷板3的下侧，另一侧边缘固定在铜柱31上；使用时，冷源容器1内盛有冷源液体，冷冻模具2中盛有待冷冻液体；铜柱31和导热铜翅片32浸入冷源液体中，从而将热量传导至冷板3，使冷板3恒温，通过调节冷源液体的温度和降温速率，可调节冷板3的温度和降温速率。待冷冻液体倒入冷冻模具2并内放置在冷板3上，冷板3再将热量由下自上的传导至冷冻模具2内的待冷冻液体，可实现仅有底部制冷的环境，实现对待冷冻液体在竖直方向上的定向冷冻。

本发明的定向冷冻设备，通过在冷板3和铜柱31之间设置导热铜翅片32，有效提高了冷冻液体向冷板3传递热量的速度；同时，导热铜翅片32的结构简单、占用的体积小，对冷冻液体的总体积影响很低，能够防止因增加传热装置导致冷冻液体减少而影响定向冷冻效果的问题。

采用本发明的定向冷冻设备，冷冻模具2与冷源液体之间设有冷板3，避免与冷源液体直接接触，使温度场具有沿单一方向的温度梯度，保证冰晶生长方向不变，使得到的气凝胶具有沿温度梯度方向的有序排列的孔径形态；另外，在冷冻模具2与冷板3互相隔离的情况下，依然通过导热铜翅片32保证了冷冻效率，有利于大规模的批量定向冷冻。

上述实施例中，优选的，导热铜翅片32为直角三角形，相邻的两个直角边缘分别固定在冷板3的下侧和铜柱31上；将导热铜翅片32设置为直角三角形，能够有效增加导热铜翅片32的导热面积，进一步提高定向冷冻的效率；同时，由于在实际使用中，铜柱31一般难以全部浸入冷冻液体，因此，位于冷冻液体的液面与冷板3下侧面之间的铜柱31的传热效率稍低，而安装了直角三角形的导热铜翅片32后，该部分同时接受导热铜翅片32的传热，从而提高铜柱31的利用率。

本发明的铜柱31上可以根据需要设置多个导热铜翅片32。然而，导热铜翅片32的个数太少，其辅助传热的作用就比较低，导热铜翅片32的个数太多，则会导致冷源液体显著减少。

因此，上述实施例中，优选的，导热铜翅片32的个数为三个，并且沿铜柱31的周向均匀布置；通过在铜柱31的周向均匀布置导热铜翅片32，能够使该区域的冷板3在水平面上均匀的受热；这样就能够保证待冷冻液体在水平方向的受热是一致的，防止在沿垂直方向上定向冷冻时，沿水平方向存在温度梯度而影响定向冷冻的效果。

在本发明的另一个实施例中，导热铜翅片32的个数为三个，其中两个是形状相同的直角三角形，另一个为直角梯形，该直角梯形的短边位于下侧，长边位于上侧并与冷板3固定连接，直角边与铜柱31固定连接，并且其直角边长度大于两个直角三角形的直角边。

需要说明的是，在能保证导热铜翅片32有约一半的深度浸入液体的要求下，导热铜翅片32形状不是特定的。本发明中设计两种大小不同的直角三角形形状，是考虑导热铜翅片32的减重需求，节省所用铜片原料。

本发明的铜柱31的个数可以根据实际需求设置多个。在本发明的一个实施例中，铜柱31的个数为一个，并且该铜柱31位于冷板3的中心位置。

上述实施例中，优选的，冷冻模具2放置在冷板3上侧的位置与铜柱31一一对应；这样能够进一步提高传热速度。

如图2所示，上述实施例中，优选的，冷冻模具2包括模具底片21和可拆卸的安装于模具底片21上的模具侧壁22；模具侧壁22与模具底片21之间具有可容纳待冷冻溶液的腔体，腔体的顶端为开放端；模具底片21与冷板3的上侧接触；模具底片21的材质的热扩散率与待冷冻溶液的热扩散率之差的绝对值为a,模具侧壁22的材质的热扩散率与待冷冻溶液的热扩散率之差的绝对值为b，b的值应趋近于0，也就是说，模具侧壁22的材质的热扩散率与待冷冻溶液的热扩散率近似相等，因此a远大于b。

本发明的冷冻模具2中，模具底片21的热扩散率远大于待冷冻溶液的热扩散率，而模具侧壁22的热扩散率与待冷冻溶液的热扩散率相近，这样可以保证在定向冷冻过程中，温度梯度是垂直方向的；并且，在待冷冻溶液和模具侧壁22的固体交界处的等温线是水平方向且近似于直线的。若使用热扩散率与待冷冻溶液的热扩散率差异较大的材料制作模具侧壁22，会导致温度线的弯曲，从而影响定向冷冻效果。

本发明的冷冻模具2，针对定向冷冻过程，可根据不同的待冷冻溶液的热扩散率选择不同的模具侧壁22材质。

上述实施例中，优选的，模具侧壁22与模具底片21可以采用密封粘接的方式连接，也可以采用扣接、卡接等常见的安装方式连接。

上述实施例中，优选的，模具底片21的材质为紫铜，模具侧壁22的材质为聚四氟乙烯、有机玻璃中的一种。

本发明的冷冻模具2内的腔体可以为各种形状。在本发明的一个实施例中，冷冻模具2为圆筒形，采用圆筒形的冷冻模具2，能够使待冷冻液体在竖直方向上具有更好的定向冷冻效果。

上述实施例中，优选的，冷冻模具2的直径为20cm。

本发明的冷板3与模具底片21之间可以直接接触，也可以涂有导热硅脂或导热油；涂抹导热硅脂或导热油后，能够使冷冻模具2与冷板3之间具有良好的热接触。

本发明还包括保温外壳4，保温外壳4可拆卸的安装于冷源容器1的顶部，并且冷板3和冷冻模具2位于保温外壳4内；通过设置保温外壳4，能够保证定向冷冻过程不受外界环境温度影响，防止待冷冻溶液在垂直方向以外的方向上与环境发生传热，从而保证定向冷冻具有良好的效果。

上述实施例中，优选的，保温外壳4的下端为开放端，冷源容器1的顶端边缘沿其径向向外延伸；冷源容器1的顶端边缘与保温外壳4的下端内侧壁扣接；上述结构能够使位于冷源容器1上的冷板3的边缘完全容纳至保温外壳4内，进一步提高了保温效果；同时，冷源容器1的边缘与保温外壳4的内侧扣接，便于保温外壳4的拆卸。

上述实施例中，优选的，冷源容器1与冷板3之间设有密封垫片11，使冷源液体能被密封。

上述实施例中，优选的，冷源容器1的侧壁底部开设有冷源液体出入口12；冷源液体出入口12可供冷源液体进入和排出冷源容器1。

上述实施例中，优选的，冷源液体出入口12与制冷循环机连通，制冷循环机可对冷源容器1内的冷源液体进行降温。

上述实施例中，优选的，冷板3的材质为铜。

本发明的气凝胶的制备方法，采用上述定向冷冻设备对制备的气凝胶前体溶液进行定向冷冻，从而获得具有沿单一方向孔径梯度分布的气凝胶，该气凝胶具有良好的导热率和隔热保温效果。

以下通过实施例对本发明的定向冷冻设备的工作过程和效果进行举例说明。

实施例1

本实施例采用本发明的定向冷冻设备制备聚酰亚胺气凝胶。

具体而言，本实施例的定向冷冻设备对聚酰亚胺纤维的分散液进行定向冷冻，该分散液中含有聚酰亚胺纳米纤维、苯并噁嗪以及1,4-二氧六环。其中，1,4-二氧六环的含量最多，以其扩散率为准选择冷冻模具2。

1,4-二氧六环的热扩散率约为0.99×10^-7m²/s，本实施例的冷冻模具2的模具侧壁22的材质为与1,4-二氧六环热扩散率非常相近的材料聚四氟乙烯，其热扩散率为1.04×10^-7m²/s。

经过定向冷冻后，观测得到的聚酰亚胺纳米纤维气凝胶的微观结构。

一般的定向冷冻设备会导致材料不能实现完全体积的定向冷冻，而本实施例的设备可以实现完全体积的材料定向冷冻，实现材料各向异性孔径的制备。

图3和4为实施例1制备的聚酰亚胺气凝胶的微观结构图。可以看出，采用本发明的定向冷冻设备制备的聚酰亚胺气凝，具有有序排列微观孔径结构，说明定向冷冻的效果很好。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定向冷冻设备，包括冷源容器(1)和至少一个冷冻模具(2)，其特征在于，还包括可拆卸的安装于所述冷源容器(1)顶端的冷板(3)；

所述冷板(3)的下侧固定安装至少一个竖直布置并延伸至所述冷源容器(1)内的铜柱(31)；所述冷冻模具(2)放置在所述冷板(3)的上侧；

所述冷板(3)与所述铜柱(31)之间至少安装有一个导热铜翅片(32)；所述导热铜翅片(32)的一侧边缘固定在所述冷板(3)的下侧，另一侧边缘固定在所述铜柱(31)上。

2.根据权利要求1所述一种定向冷冻设备，其特征在于，所述导热铜翅片(32)为直角三角形，相邻的两个直角边分别固定在所述冷板(3)的下侧和所述铜柱(31)上。

3.根据权利要求2所述一种定向冷冻设备，其特征在于，所述导热铜翅片(32)的个数为三个，并且沿所述铜柱(31)的周向均匀布置。

4.根据权利要求1～3任意一项所述一种定向冷冻设备，其特征在于，所述冷冻模具(2)包括模具底片(21)和可拆卸的安装于所述模具底片(21)上的模具侧壁(22)；所述模具侧壁(22)与所述模具底片(21)之间具有可容纳待冷冻溶液的腔体，所述腔体的顶端为开放端；所述模具底片(21)与所述冷板(3)的上侧接触；

所述模具底片(21)的材质的热扩散率与所述待冷冻溶液的热扩散率之差的绝对值为a,所述模具侧壁(22)的材质的热扩散率与所述待冷冻溶液的热扩散率之差的绝对值为b，其中，a＞b。

5.根据权利要求4所述一种定向冷冻设备，其特征在于，所述冷板(3)与所述模具底片(21)之间涂有导热硅脂或导热油。

6.根据权利要求1～3任意一项所述一种定向冷冻设备，其特征在于，还包括保温外壳(4)，所述保温外壳(4)可拆卸的安装于所述冷源容器(1)的顶部，并且所述冷板(3)和所述冷冻模具(2)位于所述保温外壳(4)内。

7.根据权利要求6所述一种定向冷冻设备，其特征在于，所述保温外壳(4)的下端为开放端，所述冷源容器(1)的顶端边缘沿其径向向外延伸，并与所述保温外壳(4)的下端内侧壁扣接。

8.根据权利要求1～3任意一项所述一种定向冷冻设备，其特征在于，所述冷源容器(1)为上端敞口的圆柱形箱体，所述冷板(3)位于所述冷源容器(1)的敞口边缘，并且所述冷板(3)与所述冷源容器(1)的敞口边缘之间设有密封垫片(11)。

9.根据权利要求1～3任意一项所述一种定向冷冻设备，其特征在于，所述冷源容器(1)的侧壁底部开设有冷源液体出入口(12)。

10.一种气凝胶制备方法，其特征在于，包括定向冷冻步骤，所述定向冷冻步骤采用如权利要求1～9任意一项所述的定向冷冻设备进行。

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