Guangzhou, Guangdong, Kiina.

[email protected]

+86 13539860818

Guangzhou Anchor Technology -aerogeelitehtaan 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 siten hidastavat konvektiivista lämmönsiirtoa.

Mars-mönkijä

Korkean lämmönkestävyytensä ansiosta aerogeeliä käytetään usein eristykseen esimerkiksi Mars-mönkijöiden kaltaisissa ympäristöissä.

Lisäksi aerogeelin vedenkestävyys saavutetaan modifioinnilla, jossa polaariset -OH-ryhmät muunnetaan ei-polaarisiksi -OR-ryhmiksi, jolloin tuloksena on 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 olomuodon 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 ratkaisevaa oli geelissä oleva kiinteä rakenne.

Todistaakseen väitteensä Samuel teki kokeita osoittaakseen, että märässä geelissä on yhtenäinen kiinteä verkko. Tavoitteena oli poistaa neste geelistä kiinteä rakenne säilyttäen ja siten osoittaa, ettei geeli ja sen nestepitoisuus liittyneet toisiinsa. Haasteena oli kuitenkin se, että jos geelin annettaisiin yksinkertaisesti haihduttaa nesteensä, kiinteä rakenne kutistuisi molekyylien välisten vetovoimien vuoksi ja geeli romahtaisi.

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, jolloin siitä tuli superkriittinen fluidi (jossa nesteen ja kaasun välillä ei ole eroa) ja molekyylien välinen vetovoima poistui.

Samuel valitsi raaka-aineeksi natriumsilikaatin, jonka hydrolyysiä edistettiin kloorivetyhapolla katalysoiden. Vesi ja etanoli toimivat vaihdon liuottimina ja muuttivat sen alkogeeliksi. Alkogeeli asetettiin sitten korkean lämpötilan ja korkean paineen ympäristöön. Kun etanoli saavutti superkriittisen fluidin tilan, geelistä vapautettiin paine. Paineen laskiessa etanolimolekyylit vapautuivat kaasuna. Kun geeli poistettiin lämmönlähteestä ja jäähdytettiin, sen etanoli haihtui ja jäljelle jäi kaasulla täyttynyt kiinteä rakenne – ensimmäinen aerogeeli.

Tämä tutkimus julkaistiin Nature-lehdessä vuonna 1931.

Aerogeelin valmistusmenetelmän parannukset

Silika-aerogeeli

Epäilemättä uraauurtavaa työtä, Samuelin tutkimus jäi yli 30 vuodeksi paitsioon haastavien ja aikaa vievien valmistusolosuhteiden vuoksi. Vasta vuonna 1970 Lyonin yliopisto, etsiessään huokoista materiaalia hapen ja rakettipolttoaineen varastointiin, palasi aerogeelin pariin ja paransi 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 Berkeleyn laboratorion mikrorakennemateriaaliryhmä havaitsi, että erittäin myrkyllinen yhdiste TMOS voitiin korvata turvallisemmalla tetraetoksisilaanilla (TEOS). He havaitsivat myös, 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 keräämään 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.

Laboratorion kuriositeetista tehtaan tuotantolinjalle: katso, miten sol–gel-menetelmä toimii nykyaikaisella tuotantolinjalla oppaassamme aerogeelihuovan tuotantoprosessi.