Guangzhou, Guangdong, Kiina.

[email protected]

+86 13539860818

Guangzhou Anchor Technology aerogeelin valmistuslaitoksen banneri

Aerogeeli: Miten se syntyi

Aerogeeli: Johdanto ja ominaisuudet

Aerogeeli tunnetaan maailman kevyimpänä kiinteänä materiaalina, joka koostuu 97% ilmasta ja 3% kiinteästä rakenteesta, ja sen tiheys on vain 1,5 kertaa ilman tiheys. Erittäin kevyen painonsa lisäksi aerogeelillä on myös erinomaiset lämmöneristysominaisuudet, mikä johtuu pääasiassa “Knudsen-ilmiöstä”. Koska aerogeeli koostuu pääosin piidioksidista ja ilmasta, jossa piidioksidin lämmönjohtavuus on kohtalainen ja ilmalla on alhainen lämmönjohtavuus.

maailman kevyin kiinteä materiaali
lukuisia nanomittakaavan huokosia

Lisäksi aerogeelissä on lukuisia nanomittakaavan huokosia, jotka estävät ilman diffuusiota materiaalin läpi ja estävät konvektiivista lämmönsiirtoa.

Mars-mönkijä

Korkean lämmönkestävyytensä ansiosta aerogeeliä käytetään usein eristykseen esimerkiksi Mars-mönkijöissä.

Lisäksi aerogeelin vedenkestävyys saavutetaan modifioinnilla, jossa polaariset -OH-ryhmät muunnetaan ei-polaarisiksi -OR-ryhmiksi, jolloin saadaan hydrofobinen aerogeeli.

Hydrofobinen aerogeeli
Samuel Kistler, aerogeelin keksijä

Vaikka aerogeeli vaikuttaa nykyaikaisen teknologian huipputuotteelta, se kehitettiin ensimmäisen kerran 1930-luvulla kemisti Samuel Kistlerin toimesta.

Ensimmäisen aerogeelin synty

Geelimäiset aineet ovat yleisiä, kuten syömämme gelatiini, joka on kiinteän ja nestemäisen tilan yhdistelmä. Samuel Kistler ja hänen kollegansa Charles Learned löivät vetoa siitä, miksi gelatiini muodostaa geelin. Charles uskoi sen johtuvan sen nestemäisestä luonteesta, kun taas Samuel väitti, että avain oli geelissä oleva kiinteä rakenne.

Todistaakseen väitteensä Samuel suoritti kokeita osoittaakseen jatkuvan kiinteän verkon olemassaolon märässä geelissä. Tavoitteena oli poistaa neste geelistä säilyttäen kiinteä rakenne, mikä todistaisi, että geeli ja sen nestepitoisuus eivät liittyneet toisiinsa. Haasteena oli kuitenkin se, että pelkästään antamalla geelin nesteen haihtua aiheuttaisi kiinteän rakenteen kutistumisen molekyylien välisten vetovoimien vuoksi, mikä johtaisi geelin romahtamiseen.

Samuel Kistler

Tämän voittamiseksi Samuelin oli korvattava geelin neste, ja ainoa sopiva vaihtoehto oli kaasu, sillä geeli sisälsi jo sekä kiinteän että nestemäisen olomuodon. Tavallinen kaasu ei kuitenkaan voinut korvata geelin nestettä. Samuel käytti uudenlaista lähestymistapaa: paineistamalla ja kuumentamalla geeliä hän sai nesteen ylittämään kriittisen pisteensä, muuttaen sen superkriittiseksi nesteeksi (jossa ei ole eroa nesteen ja kaasun välillä), poistaen molekyylien välisen vetovoiman.

Samuel valitsi raaka-aineeksi natriumsilikaatin, jota katalysoitiin kloorivetyhapolla hydrolyysin edistämiseksi. Vesi ja etanoli toimivat liuottimina vaihdossa, muuttaen sen alkogeeliksi. Alkogeeli asetettiin sitten korkean lämpötilan ja korkean paineen ympäristöön. Kun etanoli saavutti superkriittisen nesteen tilan, geelin paine vapautettiin. Paineen laskiessa etanolimolekyylit vapautuivat kaasuna. Kun se poistettiin lämmönlähteestä ja jäähdytettiin, geelin etanoli haihtui, jättäen jäljelle kiinteän rakenteen, joka oli täytetty kaasulla – ensimmäinen aerogeeli.

Tämä tutkimus julkaistiin Nature-lehdessä vuonna 1931.

Aerogeelin valmistusmenetelmän parannukset

Silika-aerogeeli

Epäilemättä uraauurtava, Samuelin tutkimus jäi paitsioon yli 30 vuodeksi haastavien ja aikaa vievien valmistusolosuhteiden vuoksi. Vasta vuonna 1970 Lyonin yliopisto, etsiessään huokoista materiaalia hapen ja rakettipolttoaineen varastointiin, palasi aerogeelin pariin parantaen Samuelin menetelmää.

Uusi menetelmä korvasi natriumsilikaatin tetrametoksisilaanilla (TMOS) ja etanolin formaldehydillä. Tämä muutos tuotti korkealaatuisempia piidioksidiaerogeelien alkogeelejä ja vähensi merkittävästi valmistukseen tarvittavaa aikaa. Tämä parannus merkitsi merkittävää edistysaskelta aerogeelitieteessä.

Näiden parannusten jälkeen yhä useammat tutkijat liittyivät aerogeelien alalle.

Vuonna 1983 Berkeley Labin mikrorakennemateriaaliryhmä havaitsi, että erittäin myrkyllinen yhdiste TMOS voitiin korvata turvallisemmalla tetraetoksisilaanilla (TEOS). He myös havaitsivat, että ennen superkriittistä kuivausta nestemäinen CO2 voisi korvata geelin alkoholin vahingoittamatta aerogeeliä.

Tämä merkitsi merkittävää turvallisuusparannusta, sillä CO2:lta puuttuu alkoholien räjähdysvaara. Kun aerogeelien tutkimus syveni, fyysikot ymmärsivät, että tätä nanomittakaavan materiaalia voitaisiin käyttää vaikeasti siepattavien Tšerenkovin säteilyhiukkasten keräämiseen, sillä niiden on vaikea läpäistä aerogeelin monimutkaista rakennetta ja ne jäävät lopulta loukkuun sen sisään.

Hiukkasten keräämisen lisäksi NASA:n Jet Propulsion Laboratoryn valmistamat piidioksidiaerogeelit lähetettiin avaruuteen ja niiden tehtävänä oli kerätä komeetan pölyhiukkasia.

nestemäinen hiilidioksidi

Kun otetaan huomioon tämä kattava yleiskatsaus aerogeelin ominaisuuksiin ja jatkuvasti paraneviin valmistusmenetelmiin, on selvää, että aerogeeli on erinomainen materiaali. Miksi se ei kuitenkaan ansioistaan huolimatta ole yleistynyt jokapäiväisessä elämässä?

Ensinnäkin tuotannossa on haasteita, ja vaikka valmistusmenetelmiä on parannettu useita kertoja, kriittiset superkriittiset olosuhteet muodostavat edelleen merkittävän esteen.

Toiseksi aerogeelien teollisessa tuotannossa on valtava haaste – aerogeeli on hyvin haurasta. Vaikka sillä on vahva kantokyky, sen vetolujuus on hyvin alhainen, joten se murtuu helposti pienestäkin voimasta. Siksi lisäaineita tarvitaan yleensä.

Aiheeseen liittyvät aerogeelituotteet

Pyydä tarjous näistä tuotteista

Miten aerogeeli valmistetaan?

Aerogeelin valmistus perustuu siihen, että märkägeelin neste korvataan kaasulla verkoston romahtamatta. Aiemmin tähän käytettiin superkriittistä kuivausta; nykyään ilmanpaineessa tapahtuva kuivaus ja joustavat kuitusubstraatit muuttavat sen teolliseksi eristysmatoksi.