aerojel - Aerogel

IUPAC tanımı

Aerojel : Dağılmış fazın bir gaz olduğu mikro gözenekli bir katı içeren jel .

Not 1: Mikro gözenekli silika, mikro gözenekli cam ve zeolitler aerojellerin yaygın örnekleridir. Not 2: Tanımın, bir jelin yanlış tanımının tekrarı ve ardından yapının gözenekliliğine açık olmayan bir referans olduğu referanstan düzeltilmiştir.

Bir elinde bir blok aerojel

Aerojel , jelin sıvı bileşeninin jel yapısında önemli bir çökme olmaksızın bir gazla değiştirildiği , bir jelden türetilen sentetik gözenekli ultra hafif bir malzemedir . Sonuç, son derece düşük yoğunluklu ve son derece düşük termal iletkenliğe sahip bir katıdır . Takma adlar arasında donmuş duman , katı duman , katı hava , katı bulut ve mavi duman yer alır , bunun nedeni yarı saydam doğası ve ışığın malzemede dağılma şeklidir . Silika aerojeller , dokunulduğunda kırılgan genleşmiş polistiren gibi hissettirirken , bazı polimer bazlı aerojeller sert köpükler gibi hissettirir. Aerojeller çeşitli kimyasal bileşiklerden yapılabilir.

Aerojel ilk olarak 1931'de Samuel Stephens Kistler tarafından , Charles Learned ile "jölelerdeki" sıvıyı büzülmeye neden olmadan gazla kimin değiştirebileceğine dair bir bahis sonucunda yaratıldı .

Aerojeller, bir jelin sıvı bileşeninin süper kritik kurutma veya dondurarak kurutma yoluyla özütlenmesiyle üretilir . Bu, geleneksel buharlaştırmada olduğu gibi, jeldeki katı matrisin kılcal hareketten çökmesine neden olmadan sıvının yavaşça kurumasını sağlar . İlk aerojeller silika jellerden üretildi . Kistler'in sonraki çalışmaları, alümina , krom ve kalay dioksit bazlı aerojelleri içeriyordu . Karbon aerojeller ilk olarak 1980'lerin sonlarında geliştirildi.

Özellikler

Bir Bunsen brülöründen çıkan bir alevin üzerinde asılı duran bir aerojel parçası üzerinde bir çiçek var . Aerojel mükemmel yalıtım özelliklerine sahiptir ve çiçek alevden korunur.

Adına rağmen, aerojeller, fiziksel özelliklerinde bir jele benzemeyen katı, sert ve kuru malzemelerdir: isim , jellerden yapılmış olmaları gerçeğinden gelmektedir . Bir aerojel üzerine hafifçe bastırmak tipik olarak küçük bir iz bile bırakmaz; daha sıkı bastırmak kalıcı bir çöküntü bırakacaktır. Son derece sıkı bir şekilde bastırmak, seyrek yapıda feci bir bozulmaya neden olur ve daha modern varyasyonlar bundan zarar görmese de, cam gibi kırılmasına neden olur ( gevreklik olarak bilinen bir özellik ). Kırılmaya meyilli olmasına rağmen yapısal olarak çok güçlüdür. Etkileyici yük taşıma yetenekleri, ortalama 2-5 nm büyüklüğündeki küresel parçacıkların  kümeler halinde kaynaştırıldığı dendritik mikro yapıdan kaynaklanmaktadır . Bu kümeler , gözenekler 100 nm'nin hemen altında olan , neredeyse fraktal zincirlerin üç boyutlu, oldukça gözenekli bir yapısını oluşturur . Gözeneklerin ortalama boyutu ve yoğunluğu, imalat işlemi sırasında kontrol edilebilir.

Aerojel %99,8 hava olan bir malzemedir. Aerojeller, malzeme içindeki alanın çoğunu kaplayan hava cepleri ile hava cepleri içeren gözenekli bir katı ağa sahiptir. Katı malzemenin kıtlığı, aerojelin neredeyse ağırlıksız olmasını sağlar.

Aerojeller iyi ısı yalıtkanlarıdır, çünkü ısı transferinin üç yönteminden ikisini - iletim (çoğunlukla yalıtkan gazdan oluşurlar) ve konveksiyon (mikro yapı net gaz hareketini engeller). İyi iletken yalıtkanlardır çünkü neredeyse tamamen çok zayıf ısı iletkenleri olan gazlardan oluşurlar. (Silika aerojel özellikle iyi bir yalıtkandır çünkü silika aynı zamanda zayıf bir ısı iletkenidir; diğer yandan metalik veya karbon aerojel ise daha az etkili olacaktır.) Hava kafes içinde dolaşamadığı için iyi konvektif inhibitörlerdir. Aerojeller zayıf radyasyon yalıtkanlarıdır, çünkü kızılötesi radyasyon (ısıyı ileten) içlerinden geçer.

Aerojel , higroskopik yapısı nedeniyle kuru hissettirir ve güçlü bir kurutucu görevi görür . Uzun süre aerojel kullanan kişiler, ciltlerinde kuru ve kırılgan lekelerin oluşmasını önlemek için eldiven giymelidir.

Bu var hafif renk nedeniyle Rayleigh saçılımı daha kısa dalga boyları arasında görünür ışık nano-boyutlu dendritik yapı ile. Bu, koyu arka planlara karşı dumanlı mavi ve parlak arka planlara karşı sarımsı görünmesine neden olur.

Aerojeller kendi başlarına hidrofiliktir ve nemi emerlerse genellikle büzülme gibi yapısal bir değişikliğe uğrarlar ve bozulurlar, ancak kimyasal bir işlemle hidrofobik hale getirilerek bozunma önlenebilir . Hidrofobik iç kısımlara sahip aerojeller, özellikle bir çatlak yüzeye nüfuz ederse, yalnızca dış hidrofobik tabakaya sahip aerojellere göre bozulmaya karşı daha az hassastır.

Knudsen etkisi

Aerojeller içerdikleri gazdan daha küçük bir termal iletkenliğe sahip olabilir . Buna, gazı kapsayan boşluğun boyutu ortalama serbest yol ile karşılaştırılabilir hale geldiğinde gazlardaki termal iletkenliğin azalması olan Knudsen etkisi neden olur . Etkili bir şekilde boşluk, gaz parçacıklarının hareketini kısıtlayarak, konveksiyonu ortadan kaldırmanın yanı sıra termal iletkenliği azaltır. Örneğin, havanın ısıl iletkenliği STP'de ve büyük bir kapta yaklaşık 25 mW·m −1 ·K −1'dir , ancak 30 nanometre çapında bir gözenekte yaklaşık 5 mW·m −1 ·K −1'e düşer .

Yapı

Aerojel yapısı , monomerlerin (basit moleküller) diğer monomerlerle reaksiyona girerek bir sol veya aralarında sıvı çözelti birikintileri bulunan bağlı, çapraz bağlı makromoleküllerden oluşan bir madde oluşturduğu bir sol-jel polimerizasyonundan kaynaklanır . Malzeme kritik olarak ısıtıldığında sıvı buharlaşır ve bağlı, çapraz bağlı makromolekül çerçevesi geride kalır. Polimerizasyon ve kritik ısıtmanın sonucu, aerojel olarak sınıflandırılan gözenekli, güçlü bir yapıya sahip bir malzemenin yaratılmasıdır. Sentezdeki varyasyonlar, aerojelin yüzey alanını ve gözenek boyutunu değiştirebilir. Gözenek boyutu ne kadar küçükse, aerojel kırılmaya o kadar yatkındır.

su yalıtımı

Aerojel, 2-5 nm çapında partiküller içerir. Aerojel oluşturma işleminden sonra yüzeyde çok miktarda hidroksil grubu içerecektir . Hidroksil grupları, aerojel suya yerleştirildiğinde güçlü bir reaksiyona neden olarak suda feci şekilde çözünmesine neden olabilir. Hidrofilik aerojeli su geçirmez hale getirmenin bir yolu , aerojeli, yüzey hidroksil gruplarını (–OH) polar olmayan gruplarla (–O R ) değiştirecek bir kimyasal bazla ıslatmaktır; bu, R bir alifatik grup olduğunda en etkili olan bir işlemdir. .

Aerojel gözenekliliği

Aerojelin gözenekliliğini belirlemenin birkaç yolu vardır: üç ana yöntem gaz adsorpsiyonu , cıva porozimetrisi ve saçılma yöntemidir. Gaz absorpsiyonunda, kaynama noktasındaki nitrojen aerojel numunesine adsorbe edilir. Adsorplanan gaz, numune içindeki gözeneklerin boyutuna ve gazın doyma basıncına göre kısmi basıncına bağlıdır . Adsorplanan gazın hacmi , numunenin spesifik yüzey alanını veren Brunauer, Emmit ve Teller formülü ( BET ) kullanılarak ölçülür . Adsorpsiyon/desorpsiyondaki yüksek kısmi basınçta, Kelvin denklemi numunenin gözenek boyutu dağılımını verir. Cıva porozimetrisinde, gözeneklerin boyutunu belirlemek için cıva aerojel gözenekli sisteme zorlanır, ancak bu yöntem, aerojelin katı çerçevesi yüksek sıkıştırma kuvvetinden çökeceğinden oldukça verimsizdir. Saçılma yöntemi, aerojel numunesi içindeki radyasyonun açıya bağlı sapmasını içerir. Numune katı parçacıklar veya gözenekler olabilir. Radyasyon malzemeye girer ve aerojel gözenek ağının fraktal geometrisini belirler. Kullanılacak en iyi radyasyon dalga boyları X-ışınları ve nötronlardır. Aerojel aynı zamanda açık gözenekli bir ağdır: açık gözenekli ağ ile kapalı gözenekli ağ arasındaki fark, açık ağda gazların maddeye herhangi bir sınırlama olmaksızın girip çıkabilmesi, kapalı bir gözenekli ağ ise gazları malzeme zorlaması içinde hapsetmesidir. gözeneklerde kalmalarını sağlar. Silika aerojellerin yüksek gözenekliliği ve yüzey alanı, çeşitli çevresel filtrasyon uygulamalarında kullanılmalarına izin verir.

Malzemeler

2.5 kg'lık bir tuğla , 2 g kütleli bir aerojel parçası tarafından desteklenmektedir.

Silika Aerojel

Silika aerojel, en yaygın aerojel tipidir ve kullanımda veya çalışmada birincil tiptir. Bu ise , silika tabanlı ve elde edilebilir , silika jel ya da modifiye edilmiş bir ile Stober işlemi . Düşük yoğunluklu silika nanofoam 1000 g / m ağırlığında 3 1.900 gr / m kayıt aerojelin tahliye versiyonu, 3 . Yoğunluğu , hava 1.200 g / m 3 (20 ° C ve 1 atm). 2013 itibariyle aerographene 160 g / m bir alt yoğunluğu 3 ya da% 13, oda sıcaklığında hava yoğunluğu.

Silika, hacmin sadece %3'ünü oluşturan üç boyutlu, iç içe geçmiş kümeler halinde katılaşır. Katı içinden iletim bu nedenle çok düşüktür. Hacmin geri kalan %97'si son derece küçük nanogözeneklerdeki havadan oluşur. Havanın hareket edecek çok az yeri vardır, bu da hem konveksiyon hem de gaz fazı iletimini engeller.

Silika aerojel ayrıca ~%99'luk yüksek bir optik transmisyona ve ~1.05'lik düşük bir kırılma indeksine sahiptir. Sürekli dalga rejiminde yüksek güçlü giriş ışını açısından çok sağlamdır ve herhangi bir kaynama veya erime olayı göstermez. Bu özellik, sıvı malzemeler tarafından tipik olarak erişilemeyen rejimlerde düzensizliğin varlığında yüksek yoğunluklu doğrusal olmayan dalgaların incelenmesine izin verir ve bu da onu doğrusal olmayan optikler için umut verici bir malzeme haline getirir.

Bu aerojel, son derece düşük bir termal iletkenliğe sahip olan dikkate değer termal yalıtım özelliklerine sahiptir : atmosferik basınçta 0,03  W ·m -1 · K -1'den mütevazı vakumda 0,004 W·m -1 ·K -1'e kadar , bu da R-'ye karşılık gelir. değerleri (89 mm) kalınlıkta 14 3.5 için 22.2 (metrik) ila (ABD bilinen) 105 veya 3.0. Karşılaştırma için, aynı kalınlık için tipik duvar yalıtımı 13 (ABD geleneksel) veya 2,7 (metrik)'dir. Bu , erime noktası 1,473 K (2.192 ° F 1200 ° C). Literatürde deneysel olarak üretilmiş monolitik numuneler için 1atm'de 0.009 W·m -1 ·K -1'e ulaşan daha düşük iletkenliklerin bile rapor edildiğini belirtmekte fayda var .

2011 yılına kadar silika aerojel , en iyi yalıtkan ve en düşük yoğunluklu katı da dahil olmak üzere malzeme özellikleri için Guinness Dünya Rekorları'na 15 giriş yaptı , ancak 2012'de daha hafif malzemeler aerographite ve ardından 2013'te aerographene tarafından ikinci başlıktan çıkarıldı .

Karbon

Karbon aerojeller, birbirine kovalent olarak bağlanmış nanometre aralığında boyutlara sahip parçacıklardan oluşur . Çok yüksek olan bir gözenekliliğe ve m, 400 ile 1000 arasında değişen yüzey alanlarına (gözenek çapı 100 nm altında olan, 50%) 2 / gr. Genellikle kompozit kağıt olarak üretilirler: karbon fiberlerden yapılmış, resorsinol - formaldehit aerojel ile emprenye edilmiş ve pirolize edilmiş dokunmamış kağıt . Yoğunluğa bağlı olarak, karbon aerojeller elektriksel olarak iletken olabilir, bu da kompozit aerojel kağıdını kapasitörlerdeki elektrotlar veya deiyonizasyon elektrotları için faydalı hale getirir . Nedeniyle son derece yüksek bir yüzey alanına, karbon aerojeller oluşturmak için kullanılan süperkapasitörlerin değerleri kadar binlerce arasında değişen, farad 104 ° F / g ve 77 K / sm bir kapasite yoğunluğuna göre 3 . Karbon aerojeller ayrıca kızılötesi spektrumda son derece "siyah" olup, 250 nm ile 14,3 µm arasındaki radyasyonun yalnızca %0,3'ünü yansıtır ve bu da onları güneş enerjisi toplayıcıları için verimli kılar.

Belirli kimyasal buhar biriktirme teknikleriyle üretilen havadar karbon nanotüp kütlelerini tanımlamak için kullanılan "aerojel" terimi yanlıştır. Bu tür malzemeler, Kevlar'dan daha büyük mukavemete ve benzersiz elektriksel özelliklere sahip liflere eğrilebilir . Ancak bu malzemeler aerojel değildir, çünkü monolitik bir iç yapıya sahip değildirler ve aerojellerin özelliği olan düzenli gözenek yapısına sahip değildirler.

Metal oksit

Metal oksit aerojeller, çeşitli kimyasal reaksiyonlarda/dönüşümlerde katalizör olarak veya diğer malzemeler için öncü olarak kullanılır.

Alüminyum oksit ile yapılan aerojeller, alümina aerojelleri olarak bilinir. Bu aerojeller, özellikle alüminyum dışında bir metalle "katkılı" olduklarında katalizör olarak kullanılır. Nikel- alümina aerojel en yaygın kombinasyondur. Alümina aerojelleri ayrıca NASA tarafından hiper hız parçacıklarını yakalamak için değerlendiriliyor ; içeren bir formülasyon katkılı gadolinyum ve terbiyum olabilir floresan darbe enerjisine bağlıdır floresan miktarı ile birlikte, parçacık darbe yerinde.

Silika aerojelleri ve metal oksit aerojelleri arasındaki en dikkate değer farklardan biri, metal oksit aerojellerinin genellikle çeşitli renklerde olmasıdır.

aerojel Renk
Silika , alümina , titanya , zirkonya Rayleigh saçılması ile mavi veya beyaz
Demir oksit Pas kırmızısı veya sarı, opak
krom Derin yeşil veya koyu mavi, opak
Vanadya Zeytin yeşili, opak
neodimyum oksit Mor, şeffaf
Samiriye Sarı, şeffaf
holmia , erbia Pembe, şeffaf

Başka

Aerojeller oluşturmak için organik polimerler kullanılabilir. SEAgel yapılmıştır agar . AeroZero filmi poliimidden yapılmıştır . Bitkilerden elde edilen selüloz, esnek bir aerojel oluşturmak için kullanılabilir.

GraPhage13, grafen oksit ve M13 bakteriyofaj kullanılarak birleştirilen ilk grafen bazlı aerojeldir .

Chalcogel , kükürt, selenyum ve diğer elementler gibi kalkojenlerden (periyodik tablodaki elementlerin sütunu oksijen ile başlayan) yapılmış bir aerojeldir . Platinten daha ucuz olan metaller, yaratılışında kullanılmıştır.

Gözenekli bir 3-D ağda kadmiyum selenit kuantum noktalarından yapılmış aerojeller , yarı iletken endüstrisinde kullanılmak üzere geliştirilmiştir.

Aerojel performansı, katkı maddelerinin , takviye edici yapıların ve hibritleştirici bileşiklerin eklenmesiyle belirli bir uygulama için arttırılabilir . Aspen Aerogels, Spaceloft gibi bir çeşit lifli dolgu ile aerojel kompozitleri olan ürünler yapar.

Uygulamalar

  • Aerojel bloklu " Stardust " toz toplayıcı. (NASA)

  • "Stardust"tan aerojel bloklarına yakalanan kozmik toz. (NASA)

  • "Stardust" filminden aerojel bloklarına takılan bir kuyruklu yıldızdan gelen kozmik toz izleri. (NASA)

  • Bir aerojel tarafından yağ emilimi. ( Bilimsel Raporlar )

  • Saç tarafından tutulan bir aerojel. ( Bilimsel Raporlar )

  • Isıya karşı mükemmel yalıtımını gösteren, altında yanan bir alevle boya kalemlerini tutan bir aerojel. (NASA)

Aerojeller çeşitli uygulamalar için kullanılır:

  • Yalıtım ; örneğin, bu amaçla çatı pencerelerine granül halde aerojel eklenmiştir . Georgia Institute of Technology'nin 2007 Solar Decathlon House projesinde yarı saydam çatıda yalıtkan olarak bir aerojel kullanıldı.
  • Dökülmeleri temizlemek için kimyasal bir adsorbe edici . Silika aerojeller filtrasyon için kullanılabilir; Yüksek bir yüzey alanına, gözenekliliğe sahiptirler ve ultrahidrofobiktirler . Ağır metallerin uzaklaştırılması için kullanılabilirler. Bu, atık su arıtımına uygulanabilir .
  • Bir katalizör veya bir katalizör taşıyıcı.
  • Silika aerojeller görüntüleme cihazlarında, optiklerde ve ışık kılavuzlarında kullanılabilir.
  • Bazı boyalarda ve kozmetiklerde koyulaştırıcı maddeler .
  • Enerji emicilerdeki bileşenler olarak.
  • Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF) için lazer hedefleri .
  • Dönüştürücüler, hoparlörler ve telemetreler için empedans eşleştiricilerde kullanılan bir malzeme.
  • Göre Hindawi sitesindeki Nano Journal battaniye 'dayanıklı içine kırılgan aerojeli döner silis aerojeli ve lifli takviye birleştirme, 2000 yılı civarında başlayan "aerojelin ticari üretimi, aerojeller, giysiler ve battaniye gibi daha esnek malzeme için kullanılan' , esnek malzeme.Ürünün mekanik ve termal özellikleri, kompozitte bulunan takviye edici liflerin, aerojel matrisinin ve opaklaştırma katkı maddelerinin seçimine bağlı olarak değişebilir ."
  • Silika aerojel, uzay tozu olarak da bilinen kozmik tozu yakalamak için kullanılmıştır . NASA , Stardust uzay aracında uzay tozu parçacıklarını yakalamak için bir aerojel kullandı . Bu aerojel toz toplayıcılar çok düşük kütleye sahiptir. Parçacıklar, katılarla çarptığında buharlaşır ve gazlardan geçer, ancak aerojellerde tutulabilir. NASA ayrıca Mars gezicileri için ısı yalıtımı için aerojel kullandı .
  • ABD Deniz Kuvvetleri dalgıçlar için pasif ısı koruma çamaşırdaki aerojellerin değerlendirildi kullanımı. Benzer şekilde, aerojeller NASA tarafından uzay giysilerini yalıtmak için kullanılmıştır .
  • İçinde partikül fizik radyatörler Cherenkov etkisi gibi kullanılan Belle detektörün ACC sistemi gibi dedektörleri, Belle deney de KEKB . Aerojellerin uygunluğu, düşük kırılma indeksleri, gazlar ve sıvılar arasındaki boşluğu doldurmaları ve şeffaflıkları ve katı halleri ile belirlenir, bu da onları kriyojenik sıvılardan veya sıkıştırılmış gazlardan daha kolay hale getirir .
  • Resorsinol – formaldehit aerojelleri (kimyasal olarak fenol formaldehit reçinelerine benzer polimerler ), karbon aerojellerin üretiminde öncü olarak veya geniş yüzeyli bir organik yalıtkan istendiğinde kullanılır.
  • Hidrojeli bir geçiş metalinin iyonlarını içeren solüsyonla emprenye ederek ve sonucu gama ışınlarıyla ışınlayarak hazırlanan metal-aerojel nanokompozitler , metalin nanoparçacıklarını çökeltiyor. Bu tür kompozitler katalizörler, sensörler, elektromanyetik kalkan olarak ve atık bertarafında kullanılabilir. Platin-on-karbon katalizörlerinin olası bir kullanımı yakıt hücrelerindedir .
  • Biyouyumluluğu nedeniyle bir ilaç dağıtım sistemi olarak . Nedeniyle yüksek yüzey alanı ve gözenekli yapıya, uyuşturucu süperkritik adsorbe edilebilir, CO
    2    . İlaçların salım hızı, aerojelin özellikleri değiştirilerek uyarlanabilir.
  • Karbon aerojeller, küçük elektrokimyasal çift katmanlı süper kapasitörlerin yapımında kullanılır . Aerojelin yüksek yüzey alanı nedeniyle, bu kapasitörler benzer dereceli elektrolitik kapasitörlerin 1/2000'i ila 1/5000'i arasında olabilir. Hindawi'nin Nanomaterials Dergisi'ne göre, "Aerojel süper kapasitörleri normal süper kapasitörlere kıyasla çok düşük bir empedansa sahip olabilir ve çok yüksek tepe akımları emebilir veya üretebilir. Şu anda, bu tür kapasitörler polariteye duyarlıdır ve çalışma voltajı varsa seri olarak bağlanması gerekir. yaklaşık 2,75 V'tan daha büyük bir  değer gereklidir."
  • Dunlop Sport , tenis gibi sporlar için bazı raketlerinde aerojel kullanır .
  • Su arıtımında kalkojeller , ağır metal kirleticileri cıva, kurşun ve kadmiyumu sudan emme konusunda umut vaat etmiştir. Aerojeller, örneğin petrol sızıntılarına müdahale etmek için kullanılabilen, petrolü sudan ayırmak için kullanılabilir . Aerojeller suyu dezenfekte etmek ve bakterileri öldürmek için kullanılabilir.
  • Aerojel, süper akışkan helyum-3'e düzensizlik getirebilir .
  • Uçak buzunun çözülmesinde, yeni bir teklif karbon nanotüp aerojel kullanır . 10 mikron kalınlığında bir film oluşturmak için bir sarıcı üzerinde ince bir filament döndürülür. Bir jumbo jetin kanatlarını örtmek için gereken malzeme miktarı 80 gramdır (2.8 oz). Aerojel ısıtıcılar, buz oluşumunu önlemek için sürekli olarak düşük güçte bırakılabilir.
  • Chevrolet Corvette'in (C7) ısı yalıtım iletim tüneli .
  • CamelBak , termal spor şişesinde yalıtım olarak aerojel kullanır.
  • 45 North, Sturmfist 5 bisiklet eldivenlerinde avuç içi yalıtımı olarak aerojel kullanıyor.
  • Silika aerojeller , pencereler veya inşaat amaçları gibi ses yalıtımı için kullanılabilir.

Üretme

Peter Tsou , California Institute of Technology'deki Jet Propulsion Laboratory'de bir aerojel örneği ile .

Silika aerojeller tipik olarak bir sol-jel işlemi kullanılarak sentezlenir. İlk adım, "sol" olarak bilinen katı parçacıkların kolloidal bir süspansiyonunun oluşturulmasıdır . Öncüller , tetrametoksisilan (TMOS), tetraetoksisilan (TEOS) ve polietoksidisiloksan (PEDS) (önceki çalışmada kullanılan sodyum silikatlar) gibi bir silikon alkoksit ile karıştırılmış etanol gibi sıvı bir alkoldür . Silika çözeltisi bir katalizör ile karıştırılır ve silikon dioksit parçacıkları oluşturan bir hidroliz reaksiyonu sırasında jelleşmesine izin verilir . Oksit süspansiyonu , dağılmış koloidal partikülleri birbirine bağlayan metal oksit köprülerinin ( M–O–M, "okso" köprüleri veya M–OH–M, " ol " köprüleri) oluşmasıyla sonuçlanan yoğuşma reaksiyonlarına girmeye başlar . Bu reaksiyonlar genellikle orta derecede yavaş reaksiyon hızlarına sahiptir ve sonuç olarak işleme hızını iyileştirmek için asidik veya bazik katalizörler kullanılır. Temel katalizörler, daha şeffaf aerojeller üretme ve kurutma işlemi sırasında büzülmeyi en aza indirme ve ayrıca kurutma sırasında gözenek çökmesini önlemek için onu güçlendirme eğilimindedir.

Son olarak, aerojelin kurutma işlemi sırasında, silika ağı çevreleyen sıvı dikkatlice çıkarılır ve aerojeli sağlam tutarken hava ile değiştirilir. Sıvının doğal bir hızda buharlaşmasına izin verilen jeller, kserojeller olarak bilinir . Sıvı buharlaştıkça, sıvı-katı arayüzlerinin yüzey gerilimlerinin neden olduğu kuvvetler , kırılgan jel ağını yok etmek için yeterlidir. Sonuç olarak, kserojeller yüksek gözeneklilik elde edemez ve bunun yerine düşük gözeneklilikte zirve yapar ve kuruduktan sonra büyük miktarlarda büzülme sergiler. Yavaş çözücü buharlaşması sırasında liflerin çökmesini önlemek ve sıvı-katı arayüzlerinin yüzey gerilimlerini azaltmak için, liyofilizasyon (dondurarak kurutma) ile aerojeller oluşturulabilir . Liflerin konsantrasyonuna ve malzemeyi dondurmak için gereken sıcaklığa bağlı olarak, nihai aerojelin gözenekliliği gibi özellikler etkilenecektir.

1931'de ilk aerojelleri geliştirmek için Kistler, doğrudan faz değişimini önleyen süper kritik kurutma olarak bilinen bir işlem kullandı . Sıcaklığı ve basıncı artırarak sıvıyı , basıncı düşürerek anında gazlaştırıp aerojel içindeki sıvıyı çıkarabileceği, hassas üç boyutlu ağa zarar gelmesini önleyebileceği süper kritik bir sıvı durumuna zorladı . Bu etanol ile yapılabilirken , yüksek sıcaklıklar ve basınçlar tehlikeli işleme koşullarına yol açar. Daha güvenli, daha düşük sıcaklık ve basınç yöntemi, solvent değişimini içerir. Bu genellikle bir başlangıç sulu gözenek sıvı alışverişi yapılır CO 2 karışabilen sıvı etanol veya aseton , daha sonra üzerine sıvı karbon dioksit ve daha sonra kendi üzerinde karbon dioksit getiren kritik nokta . Bu işlemin bir çeşidi, aerojeli içeren basınçlı kaba süperkritik karbon dioksitin doğrudan enjeksiyonunu içerir. Her iki işlemin de nihai sonucu, jel yapısının çökmesine veya hacim kaybetmesine izin vermeden jeldeki ilk sıvıyı karbon dioksit ile değiştirir.

Resorsinol – formaldehit aerojel (RF aerojel), silika aerojel üretimine benzer şekilde yapılır. Bir karbon aerojel sonra bu rezorsinol-formaldehit aerojelden yapılabilir piroliz bir in soy gazın bir matris bırakarak atmosfer karbon . Elde edilen karbon aerojel, katı şekiller, tozlar veya kompozit kağıt üretmek için kullanılabilir. Katkı maddeleri, belirli uygulamaların kullanımı için aerojelin belirli özelliklerini geliştirmede başarılı olmuştur. Aerojel kompozitler , çeşitli sürekli ve süreksiz takviyeler kullanılarak yapılmıştır . Fiberglas gibi yüksek en boy oranı, aerojel kompozitleri önemli ölçüde geliştirilmiş mekanik özelliklerle güçlendirmek için kullanılmıştır.

Emniyet

Silika bazlı aerojellerin kanserojen veya toksik olduğu bilinmemektedir . Ancak gözleri, cildi, solunum yollarını ve sindirim sistemini mekanik olarak tahriş ederler. Ayrıca cilt, göz ve mukoza zarlarında kuruluğa neden olabilirler. Bu nedenle, çıplak aerojelleri tutarken veya işlerken, özellikle toz veya ince parçalar oluşabileceğinde, solunum koruması, eldivenler ve gözlükler dahil olmak üzere koruyucu giysiler giyilmesi önerilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar