Аэрогели и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История открытия

2. Структура

3. Свойства аэрогелей

4. Виды аэрогелей

5. Способ производства

6. Недостатки

7. Применение

Заключение

Список литературы

аэрогель высокопористый сушка

Введение

Аэрогели (от лат.aer-воздух и gelatus замороженный) - класс материалов, представляющий собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной.

Гель (от лат. gelo - «застываю»)- система, характеризующаяся структурой, придающей гелю механические свойства твердых тел.

Гель - аморфный, некристаллический материал, состоящий из трехмерной сетки атомов и достаточно прочных ковалентных (обычно полярных) связей между ними, а также молекул растворителя, «застрявших» в пустотах геля.

Аэрогель - это легкий высокопористый материал, обладающий рядом исключительных и даже уникальных физических свойств, которые привлекают внимание исследователей, работающих в различных областях науки и техники [1].

1. История открытия

Согласно Кистлеру, аэрогель представляет собой гель, в котором жидкая фаза замещена газообразной. Это позволяет избежать усадки, которая происходит, если гель высушивается непосредственно из жидкости. Таким образом, по-видимому, аэрогель можно было бы идентифицировать как гель, дающий усадку и теряющий объем пор при смачивании жидкостью и последующем высушивании. Для его получения необходима жидкость, такая, как м-пропиловый спирт, которая смачивает поверхность пор, имеет очень низкое поверхностное натяжение и испаряется при комнатной температуре.

В соответствии с таким определением разработаны способы приготовления аэрогелей, исключающие процесс, предложенный Кистлером. Некоторые из подобных аэрогелей получили название «эстерсилы».

Кистлер приготовлял кремнеземные аэрогели посредством замещения большей части воды в геле спиртом, нагревания такого геля в автоклаве выше критического температуры спирта с тем, чтобы отсутствовал мениск между жидкостью и газовой фазой, и последующего удаления паров. В таком способе при удалении жидкой фазы структура геля не подвергалась воздействию сил сжатия, которые возникают на границе -раздела жидкость--газ благодаря поверхностному натяжению.

Тот факт, что структура аэрогеля близка к структуре исходного влажного геля. Автор проводил гелеобразование кремневой кислоты в водно-спиртовых растворах при различных концентрациях кремнезема и затем превращал такие гели в аэрогели. Кажущаяся плотность аэрогеля прямо пропорциональна концентрации SiO₂ в спирте, в котором кремнезем застудневал. Плотность упаковки частиц кремнезема в аэрогеле, близка к плотности упаковки первоначально получаемого геля. Приготовленный Кистлером аэрогель, содержащий до 0,02 г/см3 кремнезема, представлял собой очень легкое, прозрачное, слегка опалесцирующее твердое вещество.

Пор по размерам, причем наибольший объем пор наблюдался в капиллярах, имевших диаметр 40 нм. Адсорбция воды вызывала коалесценцию первичных частиц в таком геле и усадку геля с потерей объема пор. Было сделано заключение, что по поверхностным свойствам аэрогель подобен другим силикагелям, но отличается от них по объему и размеру пор. Кроме того, было обнаружено, что крупнопористый аэрогель SiO₂ давал усадку при обработке водой, а после высушивания образовывал структуру мелкопористого ксерогеля с незначительным изменением в величине удельной поверхности. Значения удельных поверхностей до и после усадки соответственно составляли 796 и 813 м2/г, тогда как объем пор понижался от 3,90 до 0,66 см3/г, а диаметр пор уменьшался от 20 до 3,2 нм [2].

2. Структура

Аэрогели относятся к классу материалов, в которых полости занимают не менее 50% объема. Как правило, этот процент достигает 90-99, а плотность составляет от 1 до 150 кг/мі. Структуру аэрогеля образуют сферические кластеры из кварца диаметром примерно 0,004 мкм, формирующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом. Размеры пор в десять и более раз превышают размеры кластеров, что и позволяет получать очень легкий материал. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм[3].

Аналогия: поролон или пенопласт. Таким образом, хотя аэрогель классифицируется как твёрдое вещество, до 99% его субстанции - это ни что иное как газ. Однако, по словам учёных, в силу наноразмеров внутренней структуры подобных веществ - пор и "перегородок", одного кубического сантиметра аэрогеля было бы достаточно, чтобы, будучи "развёрнутыми", эти самые "перегородки" покрыли площадь футбольного поля.

3. Свойства аэрогелей

v На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену;

v При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал -- образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса (рис 1.2);

Рис 1.1. Блок аэрогеля выдерживает вес кирпича, который в 2000 раз больше его собственного веса

v Аэрогели, в особенности кварцевые -- хорошие теплоизоляторы (рис 1.1);

Рис 1.2. Аэрогели - хорошие теплоизоляторы

v Они также очень гигроскопичны;

v По внешнему виду аэрогели полупрозрачны;

v Плотность достигает всего 0,3 - 0,03г/смі(во много раз легче пуха);

v Эффективные поглотители солнечного света (показатели преломления 1,006 до 1,060; длина поглощения при л=400нм более 400см);

v Абсорбируют токсичные тяжёлые металлы, например, халькогель сорбирует 99.9% ртути из раствора и всего лишь 40% цинка.

v Этот материал самый лёгкий из твёрдых материалов.

v Также у него высокая акустическая изоляция - показатель скорости звука через аэрогель достигает только 100м/сек.

v Площадь одной унции аэрогеля сравнима с площадью десяти футбольных полей[4].

4. Виды аэрогелей

Ш кварцевые аэрогели: плотность=1,9 кг/мі (в 500 раз меньше плотности воды), пропускают солнечный свет, но сильно поглощают тепловое излучение, имеют низкую теплопроводность (0,003 Вт/(м·К)), температура плавления составляет 1200°C;

Ш «халькогели» (chalcogels),получают, заменив в составе классических аэрогелей кислород серой или селеном, что позволяет пористой структуре аэрогеля более предпочтительно связываться с токсичными металлами, в том числе и ртутью.

Ш углеродные аэрогели: электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторе обладают большой площадью внутренней поверхности (до 800 мІ/грамм); за счет этого углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов ёмкостью в тысячи фарад. Отражают всего 0,3% излучения в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм, что делает их эффективными поглотителями солнечного света;

Ш кремнезёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов[5].

5. Способ производства

Типичный способ производства аэрогеля - извлечение жидкой фазы геля путём закритической сушки, то есть, высушивание при температуре и давлении, превышающих критические для данного вещества. Таким образом удаётся медленно отвести жидкость, не нарушая при этом матричную структуру твёрдой фазы, без коллапса капилляров, как это происходит в случае обычного испарения.

В целом процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций, гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе удаляется вода. Полное ее удаление - залог успешности всего процесса.

Ван Нордстранд и Крегер отметили эффекты спекания и измельчения аэрогеля при сопоставлении с ксерогелем. Они использовали измерение изотерм низкотемпературной адсорбции азота, чтобы проследить за изменением структуры такого геля. Спекание в вакуумных условиях вызывало пропорциональное понижение адсорбции при всех значениях давлений. Аэрогель прежде всего терял свои наиболее крупные поры. Измельчение аэрогеля, очевидно, ведет к достаточному диспергированию структуры, что способствует появлению больших микропор или пустот между отдельными фрагментами геля в результате помола. Когда р/р0 приближается к 1,0, количество адсорбированного азота бесконечно возрастает, так что не представляется возможным найти определенное значение объема пор.

Уайт и Уилсон запатентовали аэрогели с высокой прозрачностью, пригодные для термоизоляции. Такой аэрогель должен быть исключительно чистым (с содержанием менее чем 0,01 % примесей металлов), чтобы не происходил рост частиц при получении геля.

В других модификациях способа получения аэрогеля к кислому золю в смеси этанол--вода добавляют мочевину, чтобы вызвать разложение с образованием аммиака и получить нейтральный продукт. Вместо спирта при изготовлении аэрогеля под давлением можно использовать гидрогель в смеси с крезолом, при нагревании которого вначале выпаривается вся вода, а затем крезол. Очевидно, что при такой повышенной температуре поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз оказывается настолько низким, что гель испытывает только очень небольшую усадку. Остаточный крезол, вероятно в хемосорбированном состоянии, удаляется нагреванием на воздухе до 800°С.

Таулли запатентовал органофильный аэрогель с улучшенной способностью к диспергированию в органической среде. Автор нагревал полученный аэрогель под давлением в присутствии паров спирта, которые могли покрывать поверхность геля этоксигруппами, хотя природа органической добавки в продукте не была ясна. Прозрачные кремнеземные аэрогели с очень низкими значениями кажущейся плотности в области 0,18-- 0,35 г/см3, согласно данным Тейшнера и др., оказались подходящими при изучении эффекта Черенкова для частиц с высокими энергиями, получаемых на протонном ускорителе. Аэрогели с такими низкими плотностями получали гидролизом этилсиликата в спирте с минимальным содержанием воды с удалением паровой фазы при температуре выше критической. Некоторые разновидности полученных прозрачных аэрогелей имели удельную поверхность 1000 м2/г (что соответствует диаметру частиц кремнезема всего лишь 20--30 А), объем пор 18 см3/г и кажущуюся плотность 0,05 г/см3. Смесь, состоящую из метилортосиликата Si(OCH₃)₄ в метаноле (10 % по объему), уксусной кислоты с концентрацией 0,175 н. и воды (4 моль воды на 1 моль сложного метилового эфира), нагревали в автоклаве до 250°С (критическая температура СНзОН равна 242°С). Пары удаляли в вакуумных условиях и охлаждали аэрогель в атмосфере азота. На использование низших спиртов от метилового до бутилового в таком способе был получен патент.

Николаон и Тейшнер описали методы приготовления и превращения гидрогелей в спиртовые гели, механическую и термическую стабильность и химическую структуру аэрогелей. Аэрогель, вероятно, является наиболее легким (с наименьшей кажущейся плотностью) связанным твердым веществом, которое вообще можно приготовить[6].

6. Недостатки аэрогеля

На данный момент времени технология изготовления аэрогеля остаётся дорогостоящей. Также его распространение в качестве теплоизолятора сдерживает факт недостаточной прозрачности - аэрогель пока имеет слегка жёлтый цвет на светлом фоне и светло-голубой на чёрном.

Поэтому сейчас учёными решаются две основные задачи. Первая - довести уровень прозрачности аэрогеля до максимума. Вторая - удешевить технологию его производства[7].

7. Применение

В черенковских радиаторах: как известно, черенковское излучение возбуждается в веществе заряженной частицей, если ее скорость превышает в нем скорость света, которая обратно пропорциональна показателю преломления вещества. Последний зависит от плотности вещества, которую в аэрогеле можно варьировать в широких пределах путем изменения его пористости.

Физика низких температур. Аэрогель оказался очень эффективным инструментом при исследовании свойств сверхтекучего гелия. Введение в поры аэрогеля сверхтекучего гелия привело к существенному изменению его свойств. Особый интерес к "загрязненной" таким образом сверхтекучей жидкости возник в связи с тем, что неизвестно о существовании каких либо веществ, которые бы в ней растворялись. Твердые частички аэрогеля, случайно разбросанные по всему объему жидкости, будучи чрезвычайно малыми, выполняют в ней роль псевдопримесей, концентрацию которых нетрудно изменять в широких пределах, используя аэрогель с различной пористостью, вплоть до 99,5 процента. Это вызвало большой интерес к аэрогелю и появлению фактически нового направления в исследованиях сверхтекучести. Немаловажным обстоятельством при этом является то, что имеется много общего в характере влияния примесей на свойства текучего гелия-3 и сверхпроводящих материалов.

Лазерные эксперименты. При облучении мишени, состоящей из плотной и легкой среды (аэрогеля), мощным импульсным лазером возникает сильный терморадиационный удар, который приводит к смешиванию этих сред и другим явлениям в месте их соприкосновения. Изучение такого эффекта важно, в том числе, и для объяснения явлений, возникающих при взрыве сверхновых звезд.

Микроэлектроника. Аэрогели обладают самыми низкими диэлектрическими константами, и использование их, например, в качестве изоляционных слоев в многослойных печатных платах позволяет значительно повысить быстродействие электроники.

Рис 1.3. 132 ячейки с аэрогелем аппарата Стардаст (NASA)

Захватывающая среда. Аэрогель используется для регистрации космической пыли и мелких высокоскоростных частиц разного рода происхождения (проект «Стардаст»(NASA)).

При соударении с плотным твердым веществом такие частицы расплавляются или даже испаряются, Аэрогель обеспечивает достаточно плавное снижение скорости частиц, а также, будучи прозрачным материалом, дает возможность наблюдать их треки.

Ведутся работы (в США) по обнаружению с помощью аэрогеля вредоносных микроорганизмов в воздухе. Введенные в поры аэрогеля бактерии определенного сорта теряют там свою подвижность. При взаимодействии с ними микроорганизмов, содержащихся в потоке воздуха, образуется сцинтиллирующее вещество, свет из которого регистрируется фотодетектором.

Благодаря большой суммарной площади пор аэрогеля возможно изготовлять на его основе высокоэффективные фильтры различного назначения. (например, для очистки воды)

Теплоизоляция. Аэрогель привлекателен тем, что обладает очень низкой теплопроводностью и сильно поглощает инфракрасное излучение.

Аэрогель планируется использовать в космических скафандрах американского производства, создаваемых для марсианского проекта НАСА. Так же НАСА анонсировало применение аэрогеля в качестве теплового щита новых моделей шаттла.

В 2008 году Aspen Aerogels начала сотрудничество с канадским производителем клюшек для гольфа Element 21. Они хотят научиться «упаковывать» аэрогель в формы, удобные для пошива одежды. В январе компании представили аэрогелевую ткань под названием Zeroloft. Название указывает на то, что аэрогель, в отличие от гусиного пуха, не надо взбивать, чтобы добиться лучшей термоизоляции[8].

Заключение

Применение аэрогелей очень эффективны в различных областях - от очистки воды до удаления остатков тяжелых металлов из продуктов органического синтеза (халькогели);

Также аэрогель используют для изготовление стёкол из аэрогеля.

Согласно некоторым оценкам аэрогель стоит в три раза дороже стекла, и его стоимость составляет около 10% общей стоимости окна. Широкая коммерциализация применения аэрогеля в окнах ожидается через 10-15 лет. Типичный аэрогель кварца имеет полную тепло-проводность около 0,017 Вт/м2 0С. Аэрогель содержит в своих порах газы, которые являются хорошим "транспортным средством" для передачи тепла. Существует три способа повышения сопротивления теплопередаче окон с аэрогелем:

Увеличивая среднюю длину свободного пробега молекул газа по сравнению с диаметром пор аэрогеля, в результате чего газовые молекулы сталкивались бы более часто со стенками пор, чем друг с другом, путем замены воздуха газом с более низкой молекулярной массой.

Уменьшая диаметр пор аэрогеля во время его изготовления.

Снижая давление газов в пределах аэрогеля.

Самым простым и доступным способом повышения сопротивления теплопередаче стеклопакетов с аэрогелем является создание небольшого вакуума (около 90%). Это небольшой вакуум, который можно легко получить и поддерживать. При этом можно достичь значения теплопроводности аэрогеля кварца около 0,008 Вт/м2 0С. Окно с таким аэрогелем кварца толщиной один дюйм (25,4 мм) может иметь сопротивление теплопередаче около 2,0 м2 0С/Вт и это эквивалентно сопротивлению теплопередаче окна с десятью двойными панелями стекол.

Полное сопротивление теплопередаче окна размерами 1x1 м со стеклопакетом из аэрогеля с небольшим вакуумом, полученное в Лаборатории Теплоизоляции Датского Технического Университета в ноябре 1995 года составляет 1,79 м2 0С/Вт. По периметру стеклопакет с аэрогелем должен быть надежно загерметизирован, так как аэрогель теряет свои свойства.

Ещё одним из перспективных направлений является возможность их использования в подушках безопасности.

Список литературы

1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - Москва: Наука-Физматлит, 2007. - 416 с. Gusev A.I. Rempel A.A. Nanocrystalline Materials. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004

2. Химия кремнозема ч.2.-автор Айлер Р. М.Мир под редакцией д-ра наук проф. В.П. Пряшникова.г1982

Размещено на Allbest.ru