Aerożel (aerogel) – to materiał będący rodzajem sztywnej piany o wyjątkowo małej gęstości. 90-99,8% objętości aerożelu stanowią pory, reszta to materiał tworzący jego strukturę.
Pierwsze aerożele, mające tendencję do zapadania się, otrzymał Samuel Stephens Kistler w 1931, jednak bardzo długo nie znalazły one żadnego praktycznego zastosowania i dlatego w dużym stopniu zostały one zapomniane.
Aerogel – produkcja
Aerożele otrzymywano pierwotnie w wyniku stapiania idealnie czystej krzemionki w atmosferze nadkrytycznego dwutlenku węgla i “rozdumuchiwanie” jej za pomocą par rozpuszczalników organicznych poprzez stopniowe zmniejszanie ciśnienia. Technologia ta została rozwinięta przez NASA we współpracy z firmą Aspen Systems, Inc.
Obecnie częściej stosuje się metody chemiczne, polegające na reakcji skrajnie rozrzedzonych czterofunkcyjnych alkoksysilanów (np. Si(OCH3)4) z parą wodną w atmosferze gazu obojętnego. W pierwszym etapie na skutek kondensacji hydrolitycznej powstaje miękki żel krzemionkowy.
Tak wygląda najlżejszy materiał świata – aerogel o porowatości dochodzącej do 99,8%
Zanim powstająca piana krzemionkowa całkowicie zastygnie, powoli zmniejsza się ciśnienie w reaktorze, aż do uzyskania niemal zupełnej próżni, w efekcie czego następuje gwałtowny wzrost objętości żelu. W końcowym etapie produkcji reaktor wypełnia się ponownie ostrożnie gazem obojętnym i jednocześnie podnosi się temperaturę, co prowadzi do zakończenia reakcji kondensacji, usztywnienia się piany i powstania trwałego aerogelu.
Aerożel – charakterystyka
Aerożele są obecnie najlżejszymi substancjami stałymi. Mają gęstość rzędu 1,9-150 mg/cm³, a zatem niewiele większą od gęstości powietrza (1,2 mg/cm³); dla porównania najlżejsze drewno, stosowana m.in. w lotnictwie i modelarstwie balsa, ma gęstość 40-180 mg/cm³. Najlżejsze aerogele węglowe mają gęstość 0,16-0,18 mg/cm³.
Aerożele są też obecnie materiałami o najmniejszym dla ciał stałych współczynniku przewodnictwa ciepła.
Mimo pozornie delikatnej budowy, wiele aerogeli ma wyjątkowo dobre własności mechaniczne, a zwłaszcza są odporne na ściskanie i rozciąganie. Wytrzymują nacisk na gładką powierzchnię masy rzędu 4000 razy ich masy własnej. Są jednak bardzo kruche i nieodporne na uderzenia, skręcanie i ścinanie.
Aerożele krzemionkowe są stabilne do temperatury topnienia krzemionki, czyli ok. 1200°C.
Większość aerożeli jest zbudowana z krzemionki. Znane są też aerożele na bazie innych związków chemicznych, np. zeolitów i aluminoksanów – nie wyszły one jednak poza fazę testów laboratoryjnych.
W 2007 opublikowano informację o tzw. chalcożelach, zbudowanych z tio- i selenogermanianów i cynianów platyny. Istnieją też aerożele grafitowe oraz wyprodukowane z nanorurek węglowych i grafenu.
Najważniejsze cechy aoerożelów (na przykładzie POROGELU firmy Inn-Therm):
- odznacza się wyjątkowym, niespotykanym w innych izolacjach współczynnikiem przewodzenia ciepła Lambda = 0,014 przy 5 mm oraz 0,016 przy 10 mm
- ma wyjątkowo cienki profil (od 2 do 10 mm), co prowadzi do zwiększenia wewnętrznej objętość w ciasnych przestrzeniach
- odznacza się stałą, wysoką skutecznością izolacji w okresie użytkowania urządzenia
- odznacza się łatwością modelowania w procesie wykrawania, laminowania mocowania czy składania
- odznacza się ekologicznymi właściwościami – są przyjazne dla środowiska i nie stwarzają żadnego zagrożenia chemicznego dla otoczenia przyrodniczego, gdyż wykonane zostały na bazie krzemionki, czyli w zasadzie z piasku
- posiada wyjątkową wytrzymałość na ogień oraz emisję dymów
- możne zostać zastosowany w zmiennych temperaturach w zakresie od -270°C do +650°C
- odznacza się niewielką wagą w porównaniu z innymi materiałami izolacyjnymi
- odznacza się wyjątkową odpornością na wilgoć (hydrofobowość ) – stanowią materiał oddychający, przez co można je stosować jako izolację wewnętrzną, czego nie spełniają konkurencyjne materiały izolacyjne
- idealnie sprawdza się przy likwidacji mostków termicznych, co pozwala zaoszczędzić nawet do 40% energii i zmniejszyć emisję CO2, dzięki czemu ich koszt zakupu może być refundowany przez dedykowane programy unijne.
Zastosowania aerożelów
Wszystkie te cechy powodują, że są one odpowiednim materiałem do budowy statków kosmicznych. Są one także stosowane jako warstwa izolacyjna w skafandrach kosmonautów. Zaczynają być wykorzystywane w lotnictwie jako wypełnienia termoizolacyjne w samolotach.
Planowane jest wykorzystanie ich jako materiałów izolacyjnych w budownictwie oraz warstw izolacyjnych w odzieży codziennego użytku. Jak na razie jednak przeszkodą jest ich wysoka cena. Ze względu na bardzo rozwiniętą powierzchnię są one także stosowane jako podkłady dla katalizatorów niektórych reakcji chemicznych.
Aerożele z otwartymi porami posiadają też zdolność kumulowania drobnych pyłów, poruszających się (w próżni) nawet z prędkością kilkanaście razy większą od pocisku wystrzelonego z pistoletu. Ta zdolność została wykorzystania przez NASA w projekcie o nazwie Stardust. Specjalny kolektor z aerogelu wyłapywał drobinki pyłu (ziarenka) i pył kosmiczny, aby zbadać skład warkocza komety Wild 2.
Innowacje z Aerogeem
NASA, wraz z partnerami przemysłowymi, zbadała wykorzystanie różnych rodzajów aerożeli do wielu zastosowań. NASA opracowało dwie nowatorskie metodyki, które zrewolucjonizowały technologię aerożeli.
Pierwsza innowacja to metoda tworzenia aerożeli wzmacnianych polimerami. Metoda ta zmienia powierzchnię żelu w miarę jak reaguje on z polimerem. W wyniku tego na wewnętrzną powierzchnię aerożelu nakładana jest cienka warstwa polimeru, która znacznie wzmacnia aerożel.
Te aerożele wzmocnione polimerami oferują te same właściwości izolacyjne co typowe aerożele i mogą być przezroczyste. Posiadają te same pozytywne właściwości co aerożele krzemionkowe i są znacznie mniej kruche. Zespół firmy Glenn stworzył wiele różnych aerożeli z różnymi polimerami przy użyciu ich opatentowanej metody. Glenn współpracował również z Aspen Aerogel z Northborough, Mass. w celu stworzenia aerożelu wzmocnionego polimerami, który został połączony z włóknami w celu stworzenia nowego produktu.
Druga innowacja to metoda tworzenia aerożeli wykonanych w całości z polimerów. Te oparte na polimerach aerożele są niezwykle mocne i elastyczne. Mogą być również wykonane w formie zginanej cienkiej warstwy.
Aerożele w lotach kosmicznych
NASA pracuje obecnie nad projektem o nazwie Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator (HIAD). HIAD to nadmuchiwany pojazd powrotny, który jest składany i przechowywany w pojeździe startowym. Przed wejściem do atmosfery, HIAD jest nadmuchiwany i staje się sztywny. Dzięki temu statek spowalnia, bezpiecznie opada i ląduje na Ziemi, Marsie lub jakiejkolwiek innej planecie, która ma atmosferę.
HIAD pozwala na wolniejsze i bezpieczniejsze przenoszenie większych mas przez atmosferę, a także redukuje ciepło, na jakie narażony jest pojazd. HIAD jest objęty elastycznym systemem ochrony termicznej, który wykorzystuje aerożele jako izolator do ochrony ładunku.
Cienkowarstwowy aerożel na bazie polimerów jest dobrze dopasowany do potrzeb HIADa. Zespół ustalił, że obecność krzemionki w aerożelu zaniża jego elastyczność, więc zaczął poszukiwać sposobów na stworzenie aerożelu wykonanego w całości z polimerów. Opracowali metodę tworzenia aerożeli na bazie polimerów, które są całkowicie elastyczne i mogą być ustawione w wyjątkowo cienkiej warstwie – co nie było wcześniej możliwe. Aerożele te są również stabilne nawet w wysokich temperaturach.
Aerogel na bazie polimerów jest w 85-95% porowaty, co oznacza, że posiada te same zalety co tradycyjne aerożele. Jest on równie lekki i ma takie same właściwości przewodności cieplnej jak aerożele na bazie krzemionki. Te aerożele oferują niespotykaną dotąd elastyczność wraz z ich trwałością i wytrzymałością oraz możliwością przekształcenia w cienką warstwę.
Inne zastosowania
- Wewnętrzne i zewnętrzne tynki izolacyjne dla oddychających obudów i elewacji budynków
- Płyty izolacyjne dla wewnętrznych izolacyjnych systemów wykończeniowych
- Powłoki termoizolacyjne dla bezpiecznych w dotyku powierzchni, efektywności energetycznej, zapobiegania korozji pod izolacją, przekładek termicznych i kontroli kondensacji pary wodnej
- Pakiety izolacyjne dla podmorskich rurociągów naftowych i gazowych
- Architektoniczne panele świetlne, szyby zespolone i systemy dachów rozciąganych
- Włókniny do architektonicznych pokryć dachowych z membranami
- Izolacja przemysłowa
- Ultra niskopołyskowe matowe powłoki lakiernicze do powierzchni przemysłowych
- Sprzęt i odzież zewnętrzna
- Produkty osobiste, w tym do pielęgnacji skóry i urody
Źródło:
[1] http://www.inn-therm.pl/aerogel.php | 23.06.2013
[2] http://www.aerogel.org/?cat=21 | 23.06.2013
[3] Sharpie on aerogel by Rich Kaszeta, flickr.com, CC BY-SA 2.0