Guangzhou, Guangdong, China.

[email protected]

+86 13539860818

Banner van de aerogelproductiefaciliteit van Guangzhou Anchor Technology

Aerogel: Hoe het Ontstond

Aerogel: Introductie en Kenmerken

Aerogel staat bekend als het lichtste vaste materiaal ter wereld, bestaande uit 97% lucht en 3% vaste structuur, met een dichtheid die slechts 1,5 keer die van lucht is. Naast extreem lichtgewicht beschikt aerogel ook over uitstekende thermische isolatiecapaciteiten, voornamelijk dankzij het “Knudsen-effect.” Aangezien aerogel grotendeels bestaat uit silica en lucht, waarbij de thermische geleidbaarheid van silica matig is en lucht een lage thermische geleidbaarheid heeft.

's werelds lichtste vaste materiaal
talloze nanoscale poriën

Bovendien heeft aerogel talloze nanoscale poriën die de diffusie van lucht door het materiaal belemmeren, waardoor convectieve warmteoverdracht wordt tegengegaan.

Marsrover

Vanwege zijn hoge temperatuurbestendigheid wordt aerogel vaak gebruikt in omgevingen zoals Mars-rovers voor isolatie.

Bovendien wordt de waterbestendige eigenschap van aerogel bereikt door modificatie, waarbij polaire -OH-groepen worden omgezet in niet-polaire -OR, resulterend in een hydrofobe aerogel.

Hydrofoob aerogel
Samuel Kistler, uitvinder van aerogel

Ondanks dat het een cutting-edge product van moderne technologie lijkt, werd aerogel voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1930 door de chemicus Samuel Kistler.

De Geboorte van de Eerste Aerogel

Gel-achtige stoffen zijn gebruikelijk, zoals de gelatine die we consumeren, een combinatie van vaste en vloeibare toestand. Samuel Kistler en zijn collega Charles Learned wedden op de reden achter het vormen van een gel door gelatine. Terwijl Charles geloofde dat het door zijn vloeibare aard kwam, stelde Samuel dat de sleutel de aanwezigheid van een vaste structuur in de gel was.

Om zijn punt te bewijzen, voerde Samuel experimenten uit om de aanwezigheid van een continu vast netwerk in natte gel aan te tonen. Het doel was om de vloeistof uit de gel te verwijderen met behoud van de vaste structuur, om aan te tonen dat gel en het vloeistofgehalte niet gerelateerd waren. De uitdaging was echter dat als de vloeistof in de gel simpelweg zou verdampen, de vaste structuur zou krimpen door de aantrekkingskrachten tussen de moleculen, wat zou leiden tot het instorten van de gel.

Samuel Kistler

Om dit te overwinnen, moest Samuel de vloeistof in de gel vervangen, en de enige geschikte optie was gas, aangezien gel al zowel vaste als vloeibare toestanden bevatte. Normaal gas kon de vloeistof in de gel echter niet vervangen. Samuel gebruikte een nieuwe aanpak: door de gel onder druk te zetten en te verwarmen, liet hij de vloeistof zijn kritische punt overschrijden en veranderde deze in een superkritische vloeistof (zonder onderscheid tussen vloeistof en gas), waardoor intermoleculaire aantrekking werd geëlimineerd.

Samuel koos natriumsilicaat als grondstof, gekatalyseerd door zoutzuur om hydrolyse te bevorderen. Water en ethanol dienden als oplosmiddelen in de uitwisseling, waardoor het werd omgezet in een alcogel. De alcogel werd vervolgens in een omgeving met hoge temperatuur en hoge druk geplaatst. Toen ethanol de superkritische vloeistoffase bereikte, werd de gel gedepressuriseerd. Naarmate de druk afnam, kwamen ethanolmoleculen vrij als gas. Eenmaal verwijderd van de warmtebron en afgekoeld, verdampte de ethanol in de gel, waardoor de vaste structuur gevuld met gas achterbleef – de eerste aerogel.

Dit onderzoek werd in 1931 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Verbeteringen aan de aerogelbereidingsmethode

Silica-aerogel

Ongetwijfeld baanbrekend, maar Samuels onderzoek kende meer dan 30 jaar stagnatie door uitdagende en tijdrovende bereidingsomstandigheden. Pas in 1970, toen de Universiteit van Lyon op zoek was naar een poreus materiaal voor de opslag van zuurstof en raketbrandstof, werd aerogel opnieuw onder de aandacht gebracht en werd Samuels methode verbeterd.

De nieuwe methode verving natriumsilicaat door tetramethoxysilaan (TMOS) en ethanol door formaldehyde. Deze aanpassing produceerde alcogels van hogere kwaliteit silica-aerogels en verkortte de benodigde bereidingstijd aanzienlijk. Deze verbetering betekende een belangrijke stap voorwaarts in de aerogelwetenschap.

Na deze verbeteringen sloten meer onderzoekers zich aan bij het vakgebied van aerogels.

In 1983 ontdekte de Microstructure Materials Group bij Berkeley Lab dat de zeer giftige verbinding TMOS vervangen kon worden door het veiligere tetraethoxysilaan (TEOS). Ze ontdekten ook dat, vóór superkritisch drogen, vloeibaar CO2 de alcohol in de gel kon vervangen zonder de aerogel te beschadigen.

Dit betekende een grote veiligheidsverbetering, aangezien CO2 niet het explosiegevaar van alcoholen heeft. Naarmate het onderzoek naar aerogels verdiepte, erkenden natuurkundigen dat dit nanomateriaal gebruikt kon worden om moeilijk te vangen Cherenkov-stralingsdeeltjes te verzamelen, omdat ze moeite hebben om door de complexe structuur van de aerogel te dringen en uiteindelijk binnenin gevangen raken.

Naast deeltjesverzameling werden silica-aerogels bereid door NASA's Jet Propulsion Laboratory de ruimte in gestuurd met de taak om komeetstofdeeltjes te verzamelen.

Vloeibaar kooldioxide

Gezien dit uitgebreide overzicht van de eigenschappen van aerogel en de voortdurend verbeterende bereidingsmethoden, is het duidelijk dat aerogel een uitstekend materiaal is. Maar ondanks zijn verdiensten, waarom wordt het niet op grote schaal gebruikt in het dagelijks leven?

Ten eerste zijn er uitdagingen in de productie, en hoewel de bereidingsmethoden meerdere keren zijn verbeterd, vormen de kritische superkritische omstandigheden nog steeds een aanzienlijke barrière.

Ten tweede staat de industriële productie van aerogels voor een ontmoedigende uitdaging – aerogel is zeer bros. Hoewel het een sterk draagvermogen heeft, is de treksterkte zeer laag, waardoor het bij lichte kracht al breekt. Daarom zijn doorgaans aanvullende additieven nodig.

Gerelateerde aerogelproducten

Vraag een offerte aan voor deze producten

Hoe wordt aerogel gemaakt?

Hoe aerogel wordt gemaakt komt neer op het vervangen van de vloeistof in een natte gel door gas zonder het netwerk te laten instorten. Historisch gebruikte men hiervoor superkritisch drogen; nu maken ambient-drukdrogen en flexibele vezelsubstraten er een industriële isolatiedeken van.