Guangzhou, Guangdong, Kina.

[email protected]

+86 13539860818

Guangzhou Anchor Technology aerogeltillverkningsanläggning banner

Aerogel: Hur det kom till

Aerogel: Introduktion och egenskaper

Aerogel är känt som världens lättaste fasta material, bestående av 97% luft och 3% fast struktur, med en densitet som bara är 1,5 gånger den för luft. Förutom att vara extremt lättviktigt har aerogel också utmärkt värmeisoleringsförmåga, främst tack vare "Knudsen-effekten." Eftersom aerogel mestadels består av kisel och luft, där kisels värmeledningsförmåga är måttlig och luft har låg värmeledningsförmåga.

världens lättaste fasta material
många nanoporiga porer

Dessutom har aerogel ett stort antal nanoporösa strukturer som hindrar luftens diffusion genom materialet, vilket försvårar konvektiv värmeöverföring.

Mars-rover

Tack vare sin höga temperaturbeständighet används aerogel ofta i miljöer som Mars-rover för isolering.

Vidare uppnås aerogelns vattenavvisande egenskap genom modifiering, där polära -OH-grupper omvandlas till opolära -OR, vilket resulterar i en hydrofob aerogel.

Hydrofob aerogel
Samuel Kistler, aerogelens uppfinnare

Trots att det framstår som en banbrytande produkt av modern teknik utvecklades aerogel första gången på 1930-talet av kemisten Samuel Kistler.

Den första aerogelns födelse

Gelliknande ämnen är vanliga, såsom gelatinet vi konsumerar, vilket är en kombination av fast och flytande form. Samuel Kistler och hans kollega Charles Learned ingick ett vad om orsaken bakom att gelatin bildar en gel. Medan Charles trodde att det berodde på dess flytande natur, hävdade Samuel att nyckeln var närvaron av en fast struktur inuti gelen.

För att bevisa sin ståndpunkt utförde Samuel experiment för att påvisa närvaron av ett kontinuerligt fast nätverk i våt gel. Målet var att avlägsna vätskan från gelen samtidigt som den fasta strukturen bevarades, vilket skulle bevisa att gelen och dess vätskeinnehåll var oberoende av varandra. Utmaningen var dock att om man helt enkelt lät vätskan i gelen avdunsta skulle den fasta strukturen krympa på grund av attraktionskrafterna mellan molekylerna, vilket ledde till att gelen kollapsade.

Samuel Kistler

För att övervinna detta var Samuel tvungen att ersätta vätskan i gelen, och det enda lämpliga alternativet var gas, eftersom gelen redan innehöll både fast och flytande form. Vanlig gas kunde dock inte ersätta vätskan i gelen. Samuel använde en ny metod: genom att trycksätta och värma gelen fick han vätskan att överskrida sin kritiska punkt och omvandlas till en superkritisk fluid (utan åtskillnad mellan vätska och gas), vilket eliminerade intermolekylär attraktion.

Samuel valde natriumsilikat som råmaterial, katalyserat av saltsyra för att underlätta hydrolys. Vatten och etanol fungerade som lösningsmedel i utbytet och omvandlade det till en alcogel. Alcogelen placerades sedan i en miljö med hög temperatur och högt tryck. När etanolen nådde superkritiskt fluidtillstånd tryckavlastades gelen. Med sjunkande tryck frigjordes etanolmolekylerna som gas. När den avlägsnats från värmekällan och svalnat avdunstade etanolen i gelen och lämnade kvar den fasta strukturen fylld med gas – den första aerogelen.

Denna forskning publicerades i tidskriften Nature 1931.

Förbättringar av aerogelns framställningsmetod

Kiseldioxid-aerogel

Samuels forskning var onekligen banbrytande men stagnerade i över 30 år på grund av utmanande och tidskrävande framställningsförhållanden. Det var inte förrän 1970 som Universitetet i Lyon, i jakt på ett poröst material för lagring av syre och raketbränsle, återupptog aerogel och förbättrade Samuels metod.

Den nya metoden ersatte natriumsilikat med tetrametoxysilan (TMOS) och etanol med formaldehyd. Denna modifiering producerade alcogeler av högre kvalitet och kiseldioxid-aerogeler samt minskade avsevärt tiden som krävdes för framställning. Denna förbättring markerade ett betydande framsteg inom aerogelvetenskapen.

Efter dessa förbättringar anslöt sig fler forskare till området för aerogeler.

1983 upptäckte Microstructure Materials Group vid Berkeley Lab att den mycket giftiga föreningen TMOS kunde ersättas med det säkrare tetraetoxysilan (TEOS). De upptäckte också att flytande CO2 kunde ersätta alkoholen i gelen före superkritisk torkning utan att skada aerogelen.

Detta innebar ett stort säkerhetsframsteg, eftersom CO2 saknar alkoholernas explosiva fara. I takt med att forskningen om aerogeler fördjupades insåg fysikerna att detta nanomaterial kunde användas för att samla upp svårfångade Cherenkov-strålningspartiklar, eftersom de har svårt att passera aerogelens komplexa struktur och till slut fastnar inuti.

Förutom partikelinsamling skickades kiseldioxid-aerogeler framställda av NASA’s Jet Propulsion Laboratory ut i rymden med uppgiften att samla in kometstoftpartiklar.

Flytande koldioxid

Med denna övergripande översikt av aerogelens egenskaper och ständigt förbättrade framställningsmetoder står det klart att aerogel är ett enastående material. Men trots sina fördelar, varför har det inte blivit allmänt använt i vardagen?

För det första finns det utmaningar i produktionen, och även om framställningsmetoderna har förbättrats flera gånger utgör de kritiska superkritiska betingelserna fortfarande ett betydande hinder.

För det andra står den industriella produktionen av aerogeler inför en svår utmaning – aerogel är mycket spröd. Även om den har hög bärförmåga är dess draghållfasthet mycket låg, vilket gör den benägen att gå sönder vid minsta kraft. Därför krävs vanligtvis ytterligare tillsatser.

Relaterade aerogelprodukter

Begär en offert för dessa produkter

Hur tillverkas aerogel?

Hur aerogel tillverkas handlar om att ersätta vätskan i en våt gel med gas utan att nätverket kollapsar. Historiskt användes superkritisk torkning; nu gör omgivningstrycktorkning och flexibla fibersubstrat det till en industriell isoleringsmatta.