1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi
Transcript of 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi
![Page 1: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/1.jpg)
Aerogelovi
Hrvoje Ivankovi�, Ivan Kramer, Tomislav Filetin
AEROGELOVI
1. UVOD
Aerogelovi su materijali �elijaste strukture nanometarskih dimenzija i vrlo visoke poroznosti koja ponekad iznosi i više od 99 %. Veli�ina �elija (pora) može biti u rasponu od 10-10 m do 10-6 m. Gusto�a aerogelova se kre�e od 3 kg/m3 pa naviše iz �ega je vidljivo kako se radi o izuzetno laganim materijalima. Kemijski sastav tako�er može biti vrlo raznolik: silikatni aerogelovi, aerogelovi od metalnih oksida, organskih polimera, uglji�ni itd. U idu�im poglavljima bit �e više rije�i o strukturi aerogelova, na�inima proizvodnje, svojstvima te o mogu�nostima primjene. Na slici 1. je prikazan silikatni aerogel.
Slika 1. Silikatni aerogel
2. POVIJEST AEROGELOVA
Slika 2. pokazuje tijek razvoja ovih materijala i neke važnije godine i doga�aje.
Prvi aerogel pripravio je 1931. godine profesor Steven S. Kistler – College of the Pacific, Stockton, Kalifornija. Želio je ukloniti kapljevitu komponentu
121
![Page 2: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/2.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
iz mokrih gelova i na taj na�in bi mu ostala samo kruta mrežasta struktura. No u po�etku je zbog naprezanja kod sušenja dolazilo do urušavanja krute mrežaste strukture. Zaklju�io je kako kapljevinu mora zamijeniti zrakom te je došao do spoznaje da ako se kapljevina uvijek nalazi pod tlakom koji je ve�i od tlaka isparavanja, na odre�enoj kriti�noj temperaturi on �e se transformirati u plinovitu fazu. Kasnije je vodu zamijenio alkoholom. Ti prvi aerogelovi su napravljeni na bazi kapljevitog natrijevog silikata, no Kistler je kasnije pokušavao napraviti i gelove na bazi aluminijskog, željeznog, volframovog te olovnog oksida, celuloze, gume itd.
1960-ih godina aerogel se upotrebljavao vrlo rijetko i to samo kao aditiv ili tiksotropni agens u kozmetici i u zubnim pastama.
1970-ih godina francuska je Vlada željela razviti metodu skladištenja kisika i raketnog goriva u porozne materijale. Za pomo� se obratila profesoru Stanislausu Teichneru sa sveu�ilišta Claud Bernard u Lyonu. On je razvio proizvodnju silikatnih aerogelova pomo�u sol-gel postupka. Umjesto natrijevog silikata koristio je TMOS (tetrametilortosilikat) �ija je formula Si(OCH3)4. Hidrolizom TMOS-a u otopini metanola stvorio je alkogel �ijim je sušenjem pod superkriti�nim uvjetima dobio vrlo kvalitetni silikatni aerogel.
Slika 2. Tok razvoja aerogelova
122
![Page 3: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/3.jpg)
Aerogelovi
Ranih 1980-ih otkriveno je kako su ti materijali idealan medij za detekciju Cherenkove radijacije. U to vrijeme je otvorena i prva tvornica za proizvodnju silikatnih aerogelova u Sjobu, Švedska. U njoj je bio i spremnik kapaciteta 3000 l koji je morao izdržati temperaturu od oko 240 °C i tlak od 80 atm. 1984. je došlo do curenja spremnika i eksplozije pa je tvornica zatvorena. 1983. je Arlon Hunt iz Microstructured Materials Group (Berkley Lab) otkrio da se vrlo otrovna komponenta TMOS može zamijeniti s TEOS-om (tetra-etilortosilikat) �ija je formula Si(OCH2CH3)4. Ta zamjena nije utjecala na kvalitetu aerogelova. Tako�er su otkrili da se alkohol u gelu može zamijeniti teku�im CO2 prije superkriti�nog sušenja. Na taj se na�in ublažavaju uvjeti (31 °C i 52,5 atm.) �ime se i pove�ava sigurnost. 1985. profesor Jochen Fricke organizira prvi International Symposium on Aerogels (ISA) u Würzburgu u Njema�koj.
Kasnih 1980-ih su u Lawrence Livermore National Laboratoryju (LLNL) proizveli silikatni aerogel najmanje gusto�e koja je iznosila 3 kg/m3 te aerogelove na bazi organskih polimera.
U devedesetim godinama prošlog stolje�a pojavljuje se sve više proizvo-�a�a aerogelova koji imaju sve širu primjenu tako da se danas koriste i u svemirskim istraživanjima. 3. POSTUPCI PROIZVODNJE AEROGELOVA
U ovom poglavlju se detaljnije opisuje postupak proizvodnje aerogelova. Posebno je naglašena proizvodnja silikatnih aerogelova jer su oni danas najzastupljeniji. Tabela 1. prikazuje neke zna�ajnije pomake u proizvodnji aerogelova tijekom godina. Tabela 1: Pomaci u proizvodnji aerogelova
Godina KRATKI OPIS POSTUPKA
1930. Koriste se anorganske soli kao prekursor te alkohol kao agens za superkriti�no sušenje. Kako bi se uklonila voda iz gela, nužan je korak zamjene otapala.
1960.
Kao prekursor se koriste alkoksidi i alkohol kao agens za superkriti�no sušenje.
Više nije nužan korak zamjena otapala.
1980.
Kao prekursor (ishodna tvar) se i dalje koriste alkoksidi, me�utim kao agens se sada koristi uglji�ni-dioksid. Proces postaje polukontinuiran, a samo sušenje je puno brže i sigurnije. Pojava organskih aerogelova.
1990. Sve se više razvija postupak aerogelova bez superkriti�nog sušenja.
123
![Page 4: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/4.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
Kada bi se pojednostavljeno htio objasniti postupak nastanka aerogela, tada bi se moglo re�i da on ima dvije faze:
� stvaranje "vlažnog" gela, � sušenje kojim se uklanja kapljevita komponenta i nastaje aerogel. Slika 3. shematski prikazuje nastajanje aerogela.
Slika 3. Shematski prikaz nastajanja aerogela
Kao što je ve� navedeno, aerogelovi su se prvo dobivali od natrijevog
silikata. U ovom postupku su se stvarale neželjene soli koje je trebalo ukloniti brojnim ispiranjima. Danas ve�ina aerogelova nastaje sol-gel postupkom u kojem se kao ishodne tvari (prekursori) koriste alkoksidi. Metalni alkoksidi su spojevi u kojima je metal vezan s jednom ili više alkilnih grupa pomo�u atoma kisika.
124
![Page 5: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/5.jpg)
Aerogelovi
Sol-gel postupak kod anorganskih materijala se sastoji od dviju faza: � stvaranje sola koji je suspenzija krutih �estica u teku�ini, � nastajanje gela koji je dvofazni materijal (kruta tvar sadrži otapalo).
Postupak se sastoji od dviju reakcija:
HIDROLIZA
– M – OR + H2O – M – OH + ROH
KONDENZACIJA
– M – OH + – HO – M – – M – O – M – + H2O
gdje je M–OR metalni alkoksid, M–OH metalni hidroksid i M–O–M metalni oksid.
Kod dobivanja silikatnih aerogelova kao alkoksid se najprije koristio TMOS (tetrametilortosilikat, Si(OCH3)4), a zatim je zamijenjen s TEOS-om (tetraetilortosilikat, Si(OCH2CH3)4). Kemijska jednadžba reakcije nastajanja silikatnog aerogela iz TEOS-a iznosi:
Si(OCH2CH3)4) (tek.) + 2H20 (tek.) = SiO2 (kruto) + 4HOCH2CH3 (tek.)
Gore prikazana reakcija naj�eš�e se doga�a u etanolu. Gusto�a tako dobivenog silikatnog aerogela ovisi o koncentraciji monomera alkoksida u otopini.
Ove reakcije se vrlo sporo odvijaju na sobnim temperaturama (ponekad i nekoliko dana) tako da im se �esto dodaju kiseli ili lužnati katalizatori koji ih ubrzavaju. Jasno je kako �e o vrsti i koli�ini katalizatora ovisiti mikro-struktura i svojstva aerogela. Kao kiseli katalizator naj�eš�e se koristi klorovodi�na kiselina, HCl. Kod ove vrste katalizatora skupljanje tijekom superkriti�nog sušenja je nešto ve�e i aerogelovi nisu toliko prozirni. Kao lužnati katalizator naj�eš�e se koristi amonijak.
Slika 4. pokazuje mikrostrukturu silikatnih aerogelova u slu�ajevima kada su korišteni kiseli i lužnati katalizatori.
Nakon kondenzacije kruti gel se vadi iz kalupa. Za to vrijeme on mora biti prekriven alkoholom kako ne bi došlo do isparavanja kapljevine koja se nalazi u porama gela.
Aerogelovi koji nastaju iz TEOS-a na ovaj na�in nazivaju se još i "single-step" gelovi. U novije vrijeme koristi se predpolimerizirani TEOS koji nastaje zagrijavanjem otopine TEOS-a u etanolu, supstehiometrijske koli�ine vode i kiselog katalizatora. Gelovi koji nastaju na ovaj na�in zovu se "two-step"
125
![Page 6: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/6.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
aerogelovi. Zbog ipak nešto razli�itih postupaka proizvodnje razlikuju se i svojstva: "single-step" aerogelovi imaju nešto bolja mehani�ka svojstva, dok "two-step" aerogelovi imaju nešto manje pore i prozirniji su.
Nakon stvaranja gela procesi hidrolize i kondenzacije još uvijek traju zato što on sadrži zna�ajan broj alkoksidnih grupa koje još nisu reagirale. Da bi silikatna mreža oja�ala, mora pro�i odre�eno vrijeme. Taj se proces naziva starenje. U slu�aju aerogelova s lužnatim katalizatorom taj se proces sastoji u uronjenju gela u mješavinu alkohola i vode s pH 8-9. To traje oko 48 sati. Nakon starenja gel s uranja u �isti alkohol kako bi se uklonila sva voda iz pora prije procesa sušenja.
a) b)
Slika 4. Mikrostruktura silikatnih aerogelova u slu�aju kada je korišten kiseli katalizator (a) i lužnati (b)
Superkriti�no sušenje je najvažnija faza u postupku nastajanja aerogela.
Njime se uklanja sva vlaga i ostaje samo kruta silikatna mreža. Proces se može odvijati u etanolu (vrlo visoka temperatura i tlak) ili se etanol može zamijeniti s CO2. Alkogel se stavlja u posebne spremnike u kojima je tlak 5,17-5,86 MPa i temperatura 5-10 °C. Zatim se kroz cijevi uvodi teku�i CO2 koji istiskuje etanol. Kada u gelu više nema etanola, on se zagrijavana na 31°C što je kriti�na temperatura za CO2 i tlak mu raste na oko 7,24 MPa, što je tako�er kriti�na vrijednost za CO2. Gel se u tim uvjetima drži kratko nakon �ega slijedi ispuštanje CO2. Sveukupno taj proces traje izme�u 12 sati i 6 dana. Slika 5. prikazuje uvjete procesa u oba slu�aja superkriti�nog sušenja (sušenje pomo�u CO2 i alkohola).
126
![Page 7: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/7.jpg)
Aerogelovi
Slika 5. Uvjeti procesa u oba slu�aja superkriti�nog sušenja (sušenje pomo�u CO2 i alkohola)
Slika 6. pokazuje jedan od takvih sustava za superkriti�no sušenje.
Slika 6. Sustav za superkriti�no sušenje
Dva su osnovna postupka ("recepta") za nastajanje silikatnog aerogela:
Postupak za single-step silikatni aerogel (lužnati katalizator):� miješanje dviju otopina: silikatna otopina s 50 ml TEOS-a i 40 ml
etanola i katalizatorska otopina s 35 ml etanola, 70 ml vode, 0,275 ml 30 % vodene otopine amonijaka i 1,21 ml amonijeva fluorida;
127
![Page 8: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/8.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
� u katalizatorsku otopinu polako se dodaje silikatna i miješa; � mješavina se ulijeva u kalup; � postupak proizvodnje kao što je opisano u prvom dijelu poglavlja.
Postupak za two-step silikatni aerogel (lužnati i kiseli katalizator):� miješanje dviju otopina: silikatna otopina s 50 ml Silbond H-5 i 50 ml
etanola i katalizatorska otopina s 35 ml etanola, 75 ml vode i 0,35 ml 30 % vodene otopine amonijaka;
� katalizatorsku otopinu polako se dodaje silikatnoj i miješa; � mješavina se ulijeva u kalup; � postupak proizvodnje kao što je opisano u prvom dijelu poglavlja.
Osim anorganskih postoje i organski aerogelovi. Prvi takav je napravljen vodenom polikondenzacijom resorcinola s formaldehidom (lužnati katalizator je bio natrijev karbonat). Kemijski postupak je vrlo sli�an sol-gel postupku kod anorganskih materijala. Resorcinol-formaldehid gelovi su tamno crveni i ne propuštaju svijetlo. Prozirni organski gel može se dobiti reakcijom melamina s formaldehidom (lužnati katalizator je natrijev hidroksid). Prvo se formiraju –CH2OH (hidroksimetil) grupe, a zatim –NHCH2NH (diamino metilen) i –NHCH2OHC2H (diamino metilen eter) mostovi. Kako bi se pospješilo nastajanje gela, dodaje se i HCl. Slika 7. pokazuje sol-gel poli-merizaciju resorcinola s formaldehidom (a) i melamina s formaldehidom (b).
Slika 7. Sol-gel polimerizacija resorcinola s formaldehidom (a) i melamina s formaldehidom (b)
128
![Page 9: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/9.jpg)
Aerogelovi
Da bi se izbjegao loš utjecaj vode na gelove, �esto se kao otapalo koristi alkohol. Tako nastaju fenolno-furfuralni gelovi koji su tako�er tamnocrvene boje.
Uglji�ni aerogelovi mogu se dobiti od fenolno-furfuralnih gelova super-kriti�nim sušenjem s CO2 i zagrijavanjem u inertnoj atmosferi.
Danas se sve više razvijaju sol-gel postupci kojima se stvaraju materijali koji sadrže i organsku i anorgansku komponentu. Takvi se materijali nazivaju i hibridni nanokompoziti. Na taj se na�in dobivaju specijalni materijali koji imaju željena fizi�ka, kemijska i strukturalna svojstva. Organsko-anorganski hibridni materijali se naj�eš�e opisuju �vrsto�om veze izme�u organske i anorganske komponente. Veza može biti:
� slaba: organski dijelovi su zarobljeni u anorganskoj mreži, i obratno, � vrlo jaka: sustavi koji imaju kovalentne veze.
U slu�aju jakih kemijskih veza povezivanje može biti inducirano pomo�u funkcionaliziranih prekursora kao što su: anorganski modificirani organski polimeri, organski funkcionalizirani oksidi i prekursori koji sadrže i organsku i anorgansku grupu.
Nanokompozit se može pripraviti i tako da se na silikatni aerogel nataloži ugljik redukcijom ugljikovodika (metan, acetilen itd.) pri tempera-turama od 500-850 °C. 4. STRUKTURA I SVOJSTVA AEROGELOVA
4.1 Struktura aerogelova
Kao što je navedeno, aerogelovi su visokoporozni materijali. Njihova poroznost ponekad iznosi i preko 99 %. Radi se materijalu �elijaste strukture otvorenog tipa. Slika 8. nam shematski pokazuje strukturu aerogela.
Slika 8. Struktura aerogela
129
![Page 10: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/10.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
Slika 9. pokazuje aerogel pove�an elektronskim mikroskopom.
Slika 9. Aerogel pove�an elektronskim mikroskopom
Odre�ivanje strukture poroznih materijala �esto se problem jer za to još uvijek ne postoje dovoljno precizne metode. Postoje tri vrste pora:
� mikropore – promjer je manji od 2 nm, � mezopore – promjer je izme�u 2 nm i 50 nm, � makropore – promjer je ve�i od 50 nm.
Aerogelovi imaju pore svih triju vrsta, me�utim naju�estalije su mezopore. Slika 10. pokazuje raspodjelu veli�ine pora u "single-step" aerogelovima.
Slika 10. Raspodjela veli�ine pora u "single-step" aerogelovima
Naju�inkovitija metoda za odre�ivanje poroznosti aerogela je PLIN/PARA
APSORPCIJA. U ovoj metodi uzorak aerogela apsorbira odre�enu koli�inu
130
![Page 11: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/11.jpg)
Aerogelovi
plina – dušika. Ta koli�ina ovisi o veli�ini pora i o parcijalnom tlaku plina. Brunauer, Emmit i Teller (BET) jednadžbom se dobiva površina materijala. 4.2 Svojstva aerogelova
Sva svojstva aerogelova �e ovisiti o njihovoj poroznosti. U ovom poglavlju bit �e rije�i o fizi�kim, mehani�kim, toplinskim i opti�kim svojstvima. U tabeli 2. su prikazana svojstva silikatnih aerogelova zato što su oni danas najzastupljeniji u primjeni. Tabela 2: Svojstva silikatnih aerogelova
SVOJSTVO VRIJEDNOST NAPOMENA
Gusto�a 3-350 kg/m3
Uglavnom iznosi oko 100 kg/m3
Unutarnja površina 600-1000 m2/g
Odre�eno pomo�u apsorpcije i desorpcije dušika
Poroznost 75-99,9 % Naj�eš�e 95 %
Srednji promjeri pora ~ 20 nm Odre�eno pomo�u apsorpcije i desorpcije dušika
Primarni promjer �estica 2-5 nm Odre�eno elektronskim mikroskopom
Poissonov faktor 0,2 Ne ovisi o gusto�i. Sli�an je kao kod gustih silikata.
Modul elasti�nosti 106-10
7 N/m
2 Vrlo malen u odnosu prema gustim silikatima
Tla�na �vrsto�a 0,15-0,30 N/mm2
Vla�na �vrsto�a 0,020 N/mm2
Lomna žilavost ~ 0,8 kPam1/2
Odre�eno savijanjem u 3 to�ke
Refrakcijski indeks 1,0-1,05 Vrlo malen za kruti materijal
Talište > 1200 °C
Otpornost na visoke temperature
do 500 °C Odre�ene vrste mogu podnositi i ve�e temperature.
Koeficijent toplinske rastezljivosti
2,0-4,0 * 10-6
Odre�eno ultrazvu�nim metodama
Toplinska vodljivost u zraku 0,016 W/mK
Toplinska vodljivost u vakuumu 0,004 W/mK
Elektri�na otpornost 1015
ohm-cm
Dielektri�na konstanta ~ 1,1 Za gusto�u od 100 kg/m
3. Vrlo
mala za kruti materijal.
Brzina prolaza zvuka 100 m/s Za gusto�u od 70 kg/m
3. Jedna od
najmanjih brzina za kruti materijal.
Ako se zna vrijednost gusto�e � u kg/m3 aerogela, postoje tako�er izrazi pomo�u kojih se mogu pretpostaviti vrijednosti nekih drugih svojstava. Ti izrazi prikazani su u tabeli 3.
131
![Page 12: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/12.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
Tabela 3: Izrazi za predvi�anje nekih svojstava aerogelova
SVOJSTVO IZRAZ
Refrakcijski indeks n = 1+ 2,1*10-4
�
Brzina prolaza zvuka �S ��
Modul elasti�nosti E ��
U slu�aju silikatnih aerogelova � = 3,6, � = (�-1)/2 = 1,3. Iz tabele svojstava je vidljivo kako se radi o vrlo laganim materijalima
koji su u nekim slu�ajevima samo tri puta teži od zraka. Njihova mehani�ka svojstva �e prije svega ovisiti o ja�ini veza u samom materijalu. To pak ovisi o na�inu i uvjetima proizvodnje. Npr. aerogelovi proizvedeni u kiselim ili neutralnim uvjetima imaju dva puta ve�u krutost od onih proizvedenih u lužnatim uvjetima. Jasno je kako mehani�ka svojstva ovih materijala nisu njihova prednost, no oni se i ne�e koristiti za izradu nekih dijelova mehani�ki ja�e optere�enih konstrukcija.
Ovi materijali pokazuju vrlo dobre rezultate u slu�aju apsorpcije kineti�ke energije. U tu svrhu se danas koriste uglavnom polimerne pjene. Iako se možda �ini da aerogelovi nisu pogodni materijali za zaštitu od udara, to nije tako. Prilikom udara do loma mreže u materijalu dolazi postupno, a sila se prenosi kroz njega dulje vrijeme. Odre�enu koli�inu energije �e apsorbirati i zrak koji se nalazi u porama. Slika 11. pokazuje dijagram optere�enje-vrijeme za tri materijala. Crvena krivulja je silikatni aerogel gusto�e 100 kg/m3, žuta je polistiren i zelena je polipropilenska pjena.
Slika 11. Krivulje optere�enje-vrijeme za silikatni aerogel, polistiren i polipropilensku pjenu
Iz ovih krivulja bi se moglo zaklju�iti kako je polistirenska pjena najpo-godniji materijal za apsorpciju udarne energije. Me�utim, to ne mora biti tako. Polistirenska pjena vra�a veliki dio apsorbirane energije natrag na
132
![Page 13: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/13.jpg)
Aerogelovi
objekt koji je udario. Ako se radi o ljudskoj glavi, to svakako nije pogodno. Slika 12. pokazuje krivulje deformacija-vrijeme za silikatni aerogel i polistiren.
Slika 12. Krivulje deformacija-vrijeme za silikatni aerogel i polistiren pri udarnom optere�enju
Iz krivulja se vidi kako je povrat apsorbirane energije manji u slu�aju silikatnog aerogela.
Koeficijent toplinske vodljivosti aerogelova je izuzetno malen što zna�i da su oni jako dobri toplinski izolatori. Provo�enje topline odvija se na tri na�ina:
� kroz plinovitu fazu, � kroz krutu fazu, � zra�enjem. Slika 13. pokazuje udio ovih triju na�ina provo�enja topline u koeficijentu
toplinske vodljivosti u ovisnosti o gusto�i.
Slika 13. Toplinska vodljivost u ovisnosti o gusto�i
133
![Page 14: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/14.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
Zaklju�ilo se kako se toplinsko-izolacijska svojstva aerogelova mogu i poboljšati ako se smanji tlak plina u materijalu. To zna�i da su izolacijska svojstva ovih materijala u vakuumu izvanredna. Slika 14. pokazuje krivulje toplinska vodljivost-tlak za "single-step" i "two-step" silikatne aerogelove.
Slika 14. Krivulje toplinska vodljivost-tlak za "single-step" i "two-step" silikatne aerogelove
Kako bi se smanjio prijelaz topline zra�enjem, pri uporabi < 200 °C, aerogelu se prije ili poslije superkriti�nog sušenja dodaju posebni aditivi. Naj�eš�e je to elementarni ugljik. Slika 15. pokazuje krivulje toplinske vodljivost-tlak za "single-step" silikatni aerogel i "single-step" silikatni aerogel s dodatkom 9 % ugljika.
Slika 15. Krivulje toplinske vodljivost-tlak za "single-step" silikatni aerogel i "single-step" silikatni aerogel s dodatkom 9 % ugljika
134
![Page 15: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/15.jpg)
Aerogelovi
Dodatkom ugljika toplinska vodljivost se smanjila s 0,017 W/mK na 0,0135 W/mK.
Slika 16. pokazuje pri kojim se temperaturama mogu koristi razni aero-gelovi proizvo�a�a Aspen Aerogels Inc.
Slika 16. Temperature na kojima se mogu koristiti razni aerogelovi proizvo�a�a Aspen Aerogels Inc.
Silikatni aerogelovi su u velikoj mjeri prozirni. Ako se promatraju na
crnoj pozadini, primje�uje se plavkasta boja. Ona nastaje kao rezultat Rayleighovog raspršenja. Do njega dolazi zbog interakcije svijetla s raznim nehomogenostima u materijalu. Što je ve�a homogenost mreže u gelu, raspršenje �e biti manje i prozirnost ve�a. Poboljšanja su u�injena razli�itim procesima sušenja, prilagodbom uvjeta sinteze itd.
Brzina prolaza zvuka kroz silikatne aerogelove iznosi 100-300 m/s. To je jedna od najmanjih vrijednosti kada se uzmu u obzir anorganski kruti materijali. Oni tako�er imaju i najmanju zvu�nu impedanciju od svih krutih materijala, Z = 104-105 kgm-2s-1.
5. PRIMJERI PRIMJENE AEROGELOVA
Kao što je ve� naglašeno, ovi materijali imaju vrlo dobra toplinsko-izolacijska svojstva (najbolja od svih krutih materijala). Uz to oni su u velikoj mjeri prozirni i nezapaljivi. Budu�i da za sada nije postignuta potpuna prozirnost, još se ne koriste za izradu prozora. U gra�evinarstvu svakako postoje primjeri gdje plo�e od "mutnog" aerogela imaju svoje mjesto: dijelovi kupaonice, krovni prozori, stepenice itd. Slika 17. prikazuje prozirnost aerogela.
135
![Page 16: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/16.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
Slika 17. Staklo napravljeno od aerogela
Tamo gdje prozirnost nije bitna, ovi materijali se ve� uvelike koriste kao toplinska izolacija: npr. izolacija sustava za grijanje ili hla�enje, cjevovoda, ispušnih sustava automobila, izrada razli�itih vrsti spremnika, akumulatora koji se koriste na visokim temperaturama. Slika 18. pokazuje spremnike u kojima se mogu prenositi hrana, lijekovi, kemikalije itd.
Slika 18. Spremnici od aerogela
Slike 19. i 20. pokazuju General Dynamics AAAV vojno vozilo gdje se ovi materijali koriste za izradu ispušnog sustava te sam ispušni sustav.
Slika 19. General Dynamics AAAV vojno vozilo
136
![Page 17: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/17.jpg)
Aerogelovi
Slika 20. Ispušni sustav vojnog vozila General Dynamics AAAV
Slika 21. pokazuje izolaciju za razne cjevovode. Valja napomenuti kako se ovi materijali mogu koristiti i za izolaciju cjevovoda kroz koje prolaze mediji velikih temperaturnih razlika u odnosu na okoliš (npr. teku�i dušik).
Slika 21. Elementi za izolaciju cjevovoda
Ovi materijali se tako�er mogu koristiti za pasivno iskorištavanje solarne energije (plo�e na zidovima zgrada, prevlake solarnih kolektora itd). Slika 22. pokazuje primjer uštede energije pasivnom uporabom solarne energije.
Slika 22. Primjer uštede energije pasivnom uporabom solarne energije
137
![Page 18: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/18.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
Aerogelovi vrlo dobro apsorbiraju energiju udara tako da se mogu koristiti u industriji vozila za izradu odbojnika. U ovoj grani industrije mogu�e su još brojne primjene:
� plo�e za izolaciju prtljažnika i spremnika za gorivo, � izolacija ispušnog sustava, � tanki slojevi za izolaciju poda i krova, � zaštita unutrašnjosti od požara, � toplinska i zvu�na izolacija dizel-motora.
Svojstva kao što su velika površina, veliki volumen pora i vrlo dobra
temperaturna stabilnost �ini ih pogodnim pri izradi katalizatora. Mogu se koristiti i za izradu elemenata koji upijaju vlagu, za zvu�nu
izolaciju, za izolaciju u mikroelektronici, za izradu opti�kih senzora itd. Aerogelovi napravljeni od titanovih alkoksida kao što su npr. tetraetoksi-
titanat (Ti(OC2H5)4), tetraisopropoksititanat (Ti(OC3H7)4) i tetrabutoksititanat (Ti(OC4H9)4) mogu se koristiti u medicini kao bioimplantati.
Plo�e aerogela ve� su korištene u svemirskim istraživanja kao dio naprave za skupljanje svemirskih �estica.
Slika 23. prikazuje opti�ki senzor za kisik u kojem je korišten posebni fotoluminiscentni silikatni aerogel. Koncentracija kisika se mjeri na temelju promjene prozirnosti aerogela.
Slika 23. Opti�ki senzor u kojem je korišten aerogel
Danas je mogu�e pripraviti i nanokompozite tako da se solu prije geliranja dodaju razne metalne soli. Nanokompozite prikazuje slika 24.
Ako se na aerogel kemijskim taloženjem doda željezni oksid, on postaje magneti�an. Magneti�ni aerogel je prikazan na slici 25.
138
![Page 19: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/19.jpg)
Aerogelovi
Slika 24. Nanokompoziti Slika 25. Magneti�ni aerogel
Silikatni aerogelovi mogu biti prevu�eni silikatnim nano�esticama postupkom kemijskog taloženja. Takvi kompoziti emitiraju crvenu svjetlost kada su pobu�eni ultraljubi�astim zrakama. Slika 26. pokazuje ovu vrstu materijala.
Slika 26. Fotoluminiscentni silikatni aerogelovi 6. ZAKLJU�AK
Mora se naglasiti kako ovi materijali još uvijek nisu našli veliko tržište. Razlog tome je još uvijek vrlo visoka cijena njihove proizvodnje. U ovom pregledu opisana su njihova svojstva kao i mogu�a podru�ja primjene iz �ega je vidljivo kako se radi o materijalima koji u svakom slu�aju imaju potencijal za primjenu. Postoje zapravo dva problema koji se trebaju riješiti kako bi ovi materijali bili široko prihva�eni:
� treba smanjiti cijenu proizvodnje, � treba na�i nekoliko karakteristi�nih proizvoda koji bi se mogli
masovno proizvoditi.
139
![Page 20: 1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022051005/577c7e8b1a28abe054a1a1a3/html5/thumbnails/20.jpg)
Suvremeni materijali i postupci
LITERATURA
[1] http://eande.lbl.gov/ECS/aerogels/satoc.htm[2] http://www.mrw.interscience.wiley.com/kirk/articles/aeroko.a01/
frame.html[3] http://www.mrw.interscience.wiley.com/ueic/articles/c01_c01/
sect2.html#c01_c01-sec4-0002[4] http://www.sti.nasa.gov/tto/spinoff1998/ip3.htm[5] http://www-cms.llnl.gov/s-t/aerogels.html[6] http://www.mkt-intl.com/aerogels/[7] http://www.llnl.gov/IPandC/tech/aerogels/aer_intro.html[8] http://www.llnl.gov/str/Foxhighlight.html[9] http://eetd.lbl.gov/newsletter/cbs_nl/nl8/Aerogel.html[10] http://www.fbi-biomaterialien.de/pdf/Heidenau_Brighton_1999.pdf[11] http://www.colorado.edu/ASEN/asen5519/john-creasey.PDF[12] http://www.nanopore.com/[13] http://www.taasi.com/contact.htm[14] http://www.mkt-intl.com/aerogels/index.html[15] http://w1.cabot-corp.com/index.jsp
140