Термин Аэрогель происходит от двух слов - Air и Gel. И у этого имени есть своя история.
Аэрогель был изобретен Самуэлем Стивенсом Кистлером в 1931. Самуэль был очарован желе из-за его двойной природы: оно действует как твердое вещество, а также как жидкость.
Причина, по которой желе обладает свойствами жидкости и твердого вещества, заключается в сочетании обоих. Пористая желатиновая структура удерживает в себе воду, создавая псевдовещество.
Самуэль подумал, что произойдет, если он заменит воду на воздух. Однако, если гель сушить просто, он сожмет твердую структуру, что приведет к трещинам.
Он понял, что микропористая структура геля разрушается из-за сильных сил поверхностного натяжения, оказываемых жидкостью. Поэтому он изучил альтернативные способы удаления жидкости, не повреждая твердую структуру.
Так ему пришла в голову идея заменить воду спиртом.
Когда спирт превращается в сверхкритическое состояние, он переходит в состояние между газом и жидкостью, и у него нет поверхностного натяжения. Твердая микропористая структура была создана с использованием диоксида кремния.
После испарения спирта образовался первый аэрогель.
Хотя аэрогель изобретен искусственным образом и очень давно, он до сих пор считается одним из самых экологичных материалов. Изначально его разрабатывали для космических исследований. А в дальнейшем нашли более широкое применение и в нашей обыденной жизни.
Аэрогель очень пористый, до 95% его объема занимает воздух. И это наделяет его рядом необычных свойств. Аэрогели изготовлены из самых легких когда-либо созданных или обнаруженных материалов, именно поэтому в аэрокосмической отрасли они особенно полезны, ведь там экономия веса имеет жизненно важное значение.
Свойства аэрогеля:
- чрезвычайно низкая плотность,
- низкая теплопроводность,
- большая площадь поверхности для каталитических или электрохимических реакций,
- прозрачность.
Чтобы было понятней, что из себя представляет аэрогель, можно обратиться к его «родственнику» - силикагелю, который часто используется в качестве осушителя для удаления влаги из воздуха (пакетики с таким содержимым часто встречаются внутри новой обуви). После того как силикагель пропитывается водой, его свойствами можно воспользоваться заново – нагреть до температуры, при которой вода испарится и после можно использовать заново.
Количество воды, которое может быть поглощено, увеличивается с увеличением площади поверхности. Так как аэрогели имеют еще большую поверхность, чем традиционные силикагели, то и способность поглощать влагу у них гораздо выше.
На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса.
Аэрогель даже занесен в книгу рекордов Гиннеса. В настоящее время этот материал выпускают «под заказ» только в Сибирском отделении Российской академии наук и в японской компании Matsushita.
Передовые технологии применения.
Аэрогель состоит из двух частей - кремнезема и воздуха. Твердые частицы кремнезема не являются хорошими проводниками тепла и составляют всего 3% от общего материала. Остальное - воздух.
Если посмотреть на свойства воздуха, становится ясно, что воздух имеет очень низкую теплопроводность. Эти факторы делают Аэрогель очень легким, что делает невозможным массовую проводимость.
Аэрогель имеет чрезвычайно крошечные поры.Эти поры настолько малы, что воздуху трудно диффундировать через материал и передавать конвективное тепло.
Аэрогели – это тип структуры, которая может быть изготовлена из самых разнообразных материалов, исследователи постоянно разрабатывают новые аэрогели и новые способы их использования. Новые суперконденсаторы, антимикробные покрытия, маслопоглощающие подушечки, костные импланты и многое другое – все это разработано, благодаря созданию разновидностей аэрогеля.
Высокая удельная поверхность аэрогелей обеспечивает высокую степень соприкосновения с поверхностью окружающей среды. Этой особенностью часто пользуются в химических процессах, которые становятся лучше от большой площади соприкосновения между растворами и твердыми материалами.К таким растворам относятся катализаторы или каталитические материалы (в промышленных процессах), а также электроды в суперконденсаторах нового поколения.
Благодаря уникальному сочетанию низкой теплопроводности, низкой плотности, большой площади поверхности и полупрозрачности, аэрогели превращаются в разнообразные передовые технологии материалов.
Использование аэрогелей в изоляции
Низкая теплопроводность и низкая плотность аэрогелей делают из них отличный изоляционный материал. К тому же аэрогели настолько легкие, что практически не добавляют веса конструкции. Это отличный изолятор еще и потому что их можно использовать в тонких слоях там, где требуется гибкость. Например, в космических костюмах. Этот уникальный материал использовался в качестве изоляционного материала, который сохранял тепло марсоходу Mars Exploration Rover во время его миссии.
Некоторые аэрогели полупрозрачны, а это означает, что их можно использовать в местах, где традиционная изоляция не подходит. Например, окна или солнечные батареи. Аэрогели пропускают свет, но блокируют передачу тепла. Заполнение окон аэрогелем снижает тепловые потери, при этом сохранит прозрачность.
Способность аэрогелей останавливать тепловой поток также делает их полезными в качестве маскировки, так покрытия из аэрогелей были протестированы как способ укрытия от инфракрасных камер.
Однако, в чистом виде аэрогели мало востребованы. В основном они соединяются с другими волокнами. Волокнистые материалы сохраняют свои свойства, при этом коэффициент теплопроводности уменьшается примерно в два раза. Это дает возможность, в несколько раз, уменьшить толщину теплоизоляции, не теряя при этом заданных параметров.
Другой распространенный тип аэрогелевой изоляции - использование их в виде специальных одеял и термочехлов. В этом случае аэрогели сотканы из волокна, чтобы сохранить гибкость.
Еще одним преимуществом аэрогеля является то, что по данным OSHA, EPA, OECD аэрогель безвреден для человека.
Аэрогель в изготовлении термочехлов?
Аэрогели обладают идеальными свойствами для применения в качестве теплоизоляции:
-низкая теплопроводность
-высокая гидрофобность
-низкий уровень водяного пара
-сопротивление диффузии
- высокая огнестойкость
И все эти свойства обеспечивают энергоэффективность здания при минимальной толщине изделия.
Вслед за этим снижается объем вредных выбросов в результате потребления энергии. А низкая степень теплопроводности аэрогеля позволяет обеспечивать допустимые значения температур на поверхностях изолируемого оборудования, что позволяет сохранять безопасность на промышленных объектах.
Аэрогель отталкивает воду и предотвращает проникновение влаги, которая может вызвать коррозию и повредить изоляционное покрытие или накрываемый компонент. Это обеспечивает превосходную защиту от ИК-излучения или коррозии под изоляцией и оберегает оборудование от преждевременных поломок.
Аэрогель - один из самых удивительных, изобретенных человеком материалов. С каждым годом становится все больше отраслей, занимающихся производством аэрогелей, что делает его все более доступным для людей.
#аэрогель #теплоизоляция #энергоэффективность #корда #термочехлы #произовдство