Аэрогели представляют собой нанопористые легкие материалы, состоящие из открытой клеточной сети с многочисленными исключительными характеристиками. Область их применения практически неповторима и прослеживается в различных отраслях, таких как тепло- и звукоизоляция, кинетическое поглощение энергии, электроника, оптика, химия, биомедицина .
В классе аэрогелей наиболее интересными свойствами обладает аэрогель кремнезем, представляющий собой пористую наноструктурную форму диоксида кремния, например, низкая теплопроводность (∼0.015 Вт/мК), низкая насыпная плотность (∼0.1 г/см3 ), оптическая прозрачность видимого спектра (∼99%), высокая удельная площадь поверхности (∼1000 m2 /g), низкая диэлектрическая постоянная (∼1.0-2.0), низкий показатель преломления (∼1.05), низкая скорость звука (100 м/с) и гидрофобность.
Эта уникальная комбинация характеристик обусловлена микроструктурой, состоящей из нанометровых пор. Сегодня одним из наиболее фокусируемых направлений является моделирование термического поведения гранулированного и волокнистого аэрогеля кремнезема и его композитов на его основе . Несмотря на все эти усилия, кварцевый аэрогель применяется только в научных целях в аэрокосмической промышленности. НАСА осуществило множество астронавтических полетов, используя этот тип аэрогеля в качестве высокоскоростного улавливателя частиц и теплоизолятора. Перспективной нишей рынка может стать и мир авиации, как гражданской, так и военной. Например, в связи с постоянно растущим потреблением энергии и быстро растущим интересом правительств во всем мире к возобновляемым источникам энергии, требуются высококачественные теплоизоляционные материалы.
Эволюция аэрогеля
Aerogel, получившего прозвище синий дым или замороженный дым, из-за облачности внешнего вида, хотя и считается, что это недавнее изобретение нанотехнологии из-за ее структурных особенностей, на самом деле является давно забытым материалом, разработанным в 1931 году. Характеристика этого аэрогеля как геля, в котором жидкая фаза была заменена газом таким образом, что твердая сеть сохраняется с незначительной усадкой или вообще не сокращается в геле.
Первым аэрогелем, стал кремнеземземный аэрогель с использованием силиката натрия (силиката натрия) в качестве прекурсора кремнезема. Со временем были синтезированы аэрогели органического происхождения и оксиды металлов из глинозема, оксида вольфрама, окиси железа, олова, винного камня, тартата никеля, целлюлозы, нитроцеллюлозы, желатина, агара, яичного белка и резины. В результате аэрогель кремнезема был определен как твердое вещество с наименьшей теплопроводностью при атмосферном давлении.
Позже были запатентованы первые гидрофобные аэрогели кремнезема, изготовленные путем силилирования трихлорметилсиланом для получения водоотталкивающих средств.
Производились аэрогели из диоксида кремния (SiO2), глинозема (Al2O3), титана (TiO2), циркония (ZrO2), оксида магния (MgO) и комбинаций ZrO2-MgO, Al2O3-MgO и TiO2-MgO. При использовании именно этой комбинации, оказалось, что оксиды аэрогеля имеют более высокие значения текстурных характеристик по сравнению с исходным методом. Площадь поверхности также была больше, чем у соответствующих чистых оксидных аэрогелей. Это достижение положило начало новой революции в мире науки и техники, которая привела к интенсивным исследованиям этого наномагниевого материала.
Обнаружили, что тетраэтиловый ортосиликат (ТЭОС) является более безопасным реагентом, который не изменит качества аэрогелей. Однако этот процесс еще не был безопасным для массового производства. Была выдвинута идея замены спирта внутри геля жидким углекислым газом перед сверхкритической сушкой, поскольку CO2 является горючим и требует более низкой температуры и давления, чтобы стать сверх критичным.
Это позволило бы снизить любые риски и повысить энергоэффективность, что привело бы к удешевлению производственных затрат. В то же время немецкая компания BASF заявила о том, что она разработала еще один маршрут замещения CO2 силикатом натрия. До 1996 г. они продавали этот продукт под маркой Basogel. В 1987 году внедрение пикнометрии гелия для измерения скелетной плотности аэрогелей позволило получить такие данные, что плотность изменяется в зависимости от концентрации растворителя, рН и плотности термообработки.
Разработали монолиты диафрагменного аэрогеля кремнезема наименьшей плотности - 0,003 г/см3 и пористости до 99,8% с использованием двухступенчатого кислотно-основного процесса, включающего замену спирта на аротический растворитель путем дистилляции, вызывающей гелеобразование. Это было первое достижение аэрогеля в 90-х годах.
С тех пор НАСА использует плитку из этих аэрогелей для исследования космоса. Позже выяснилось, что при нагревании аэрогеля РФ до температуры в несколько сотен градусов Цельсия в инертной атмосфере (например, азота или аргона) полимер, из которого состоит аэрогель, обезвоживается, оставляя после себя аэрогель из углерода. В отличие от кварцевого аэрогеля, углеродный аэрогель является проводником электричества.
Он назывался аэроконденсатором и характеризовался как "двойной электрохимический конденсатор с высокой плотностью мощности и высокой плотностью энергии". Еще одним важным достижением стал метод под критической сушки, разработанный для производства аэрогелей низкой плотности из кварцевого кремния для теплоизоляции. Метод включал ряд этапов старения и химической модификации пор для предотвращения резкой усадки геля во время быстрого высыхания под давлением окружающей среды. Плотность варьируется от 0,15 до 0,3 г/см3 при теплопроводности 0,02 Вт/мК при атмосферных условиях. Prakash и др. расширили метод сушки под давлением окружающей среды (APD) для дальнейшего снижения себестоимости производства кварца. Был использован простой процесс нанесения покрытий методом погружения, состоящий из модификации поверхности с целью стимулирования обратимой усадки при сушке
Предшественником было стеклопластиковое стекло для воды из-за его низкой стоимости и негорючести. Полученный аэрогель имел плотность и пористость, сравнимую с плотностью и пористостью сверхкритического сушильного маршрута.
Были разработаны ультралегкие модифицированные аэрогели, получившие название X-аэрогели путем сшивания дизоцианатов в микроструктуру аэрогелей кремния. Прочность последнего была умножена на 300, а удельная прочность на сжатие - примерно в десять раз больше, чем у стали. Х-аэрогели были получены путем добавления полимера в качестве конформного покрытия на кремнеземный каркас. С другой стороны, полупроводники, изготовленные из халькогенида металла, были представлены в 2005 г..
Они использовали метод окислительного агрегатирования наночастиц металла халькогенида в сочетании с суперкритической сушкой. Полупроводник, получившийся в результате, имел высокую пористость и площадь поверхности, а характерные квантово-определенные оптические свойства были идентичны их наночастичным компонентам.
Следующим годом стало изобретение монолитных нанопористых металлических пенопластов, обладающих чрезвычайно низкой плотностью и большой площадью поверхности - 0,011 г/см3 и 270 м2/г соответственно. Были выбраны железо, кобальт, медь и серебро, в то время как другие потенциальные металлы все еще находятся в стадии изучения.
Углеродные нанотрубчатые аэрогели были изобретены в 2007 году с помощью нового метода синтеза, состоящего из предшественников гидроаэрогеля, за которым последовали сверхкритическая сушка и сублимационная сушка. Нанотрубки можно сделать более прочными благодаря использованию допингового поливинилового спирта, который позволит им выдерживать вес в 800 раз больший, чем их оригинальная версия. Они также являются прекрасными проводниками тепла и электричества.
Технология получения
Коммерческий термин Маерогель означает малайзийский аэрогель. Текстура и физические свойства оказались сопоставимы с традиционными кварцевыми аэрогелями. Маерогель получают путем первого растворения кальцинированного риса в водной гидроксид натрия в соотношении Na2 : SiO2 1 : 3,33, для получения силикатного раствора натрия, содержащего от 1 до 16% по весу SiO2. Затем концентрированная серная кислота добавляется в полученный раствор силиката натрия для преобразования силиката натрия в кремнезем для получения гидрогеля кремния. Далее следует процесс старения, который позволит структуре геля развиваться. Это может длиться до сорока дней. Затем вода вытесняется спиртом, предпочтительно метанолом или этанолом, чтобы получить алкогель.
Последний подвергается сверхкритической сушке после замены спирта на углекислый газ для получения аэрогеля. Сверхкритическая экстракция предпочтительно осуществляется путем помещения алькогеля с дополнительным спиртом в автоклав, оснащенный термопаром и регулятором температуры, и медленным повышением температуры в автоклаве до достижения критической температуры и давления. Температура может быть повышена, например, со скоростью 50∘ C, на время, необходимое для достижения критической температуры. Через некоторое время пары спирта удаляются через контролируемую утечку, постепенно снижая давление и температуру до атмосферных условий.
