1431695393 0 Suvremeni Materijali Aerogelovi

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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