Аэрогель — происхождение, характеристики и области применения

Общая информация об Аэрогеле

Аэроге́ли (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.

Общий вид аэрогеля

Аэрогель уникален еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!

Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Аэрогель – весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 % объёма. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

На ощупь Аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы.

Кварцевые Аэрогели наиболее распространены, им также принадлежит текущий рекорд по самой малой плотности у твердых тел — 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха.

Кварцевые Аэрогели также популярны благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (

0,017 Вт/(м•К) в воздухе при нормальном атмосферном давлении), меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м•К)).

Применение Аэрогеля

Аэрогели применяются в строительстве и в промышленности в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов для теплоизоляции стальных трубопроводов,различного оборудования с высоко- и низкотемпературными процессами, зданий и других объектов. Он выдерживает температуру до 650°C, а слоя толщиной 2,5 см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы.

Температура плавления кварцевого Аэрогеля составляет 1200°C.

Производство Аэрогеля

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. Следующий шаг – “суперкритическое” высыхание. Оно производится в автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует сжиженный углекислый газ.

Первенство в изобретении аэрогеля признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшего в 1931 году в журнале Nature свои результаты.

Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240°C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь.

Утеплитель на основе аэрогеля: характеристики, виды, плюсы и минусы теплоизоляции аэрогелем

Аэрогель представляет собой материал, который обладает уникальными свойствами. Он считается самым легким твердым веществом. Исследования показали необычные качества продукта в механике, акустике, оптике.

Характеристики аэрогелевой теплоизоляции

Материал имеет нанопоры. Это существенно влияет на его вес. Среди свойств особенно выделяют:
• небольшую плотность;
• незначительную диэлектрическую проницаемость;
• невысокую теплопроводность;

Отмечается большая удельная площадь поверхности. Такие характеристики позволяют считать утеплители из аэрогеля самыми лучшими. Продукт внедряется в военную, медицинскую, аэрокосмическую сферы. Сегодня особенно активно аэрогель используется в строительной области.

Нанопоры имеют такой диаметр, который не позволяет молекулам воздуха свободно двигаться. Они застывают в одном положении, защищая помещение от холодных или горячих воздушных потоков. Таким образом, статическое положение молекул предупреждает развитие конвекции, т.е. быстрое выветривание тепла.

Качество аэрогелевой изоляции во многом зависит от числа стенок пор. Чем их больше, тем утеплитель будет лучше удерживать тепло. Отмечается возможность материала задерживать его в самом себе. Продукт принадлежит к пожаробезопасным веществам. Гель относят к огнестойкому стандарту А1 класса. Что касается водонепрорицаемости, то ее степень достигает практически 100%. Поэтому при попадании на изделие воды теплоизоляционные качества утеплителя не ухудшаются. Это связано с возможностью материала отталкивать влагу. После попадания на поверхность она оседает, не проникая внутрь.

Структура продукта такова, что при существенном увеличении температуры она предупреждает спекание частиц. Особое пространственное строение также способствует медленной изнашиваемости прокладок. Высокая прочность – еще одна уникальная характеристика изделия. Оно способно сопротивляться разным видам растяжения. Отлично противостоит напряжению, которое происходит от усадки и температурных перепадов. Выдерживает воздействие неорганических растворителей.

Важно! Материал состоит только из веществ неорганического происхождения. В его структуре не обнаружены небезопасные для человека и окружающей среды компоненты. Специалисты отмечают незначительное испарение хлоридного иона во время эксплуатации. Однако, он не может нанести вред живым организмам и привести к развитию ржавчины техники или труб.

Во время использования аэрогелевая теплоизоляция хорошо защищает помещение от внешних звуков и шумов благодаря структуре низкой плотности. Теплопроводность вещества колеблется от -250°С до 1200°С.

Виды аэрогелевого утеплителя

Для строительных нужд продукт выпускается в виде рулонов. Это стекловолокнистый материал, который содержит в себе порошок из аэрогеля. На свойства теплоизолятора влияют:
• химический состав материала;
• структура основы;
• внешнее покрытие изделия.

Выделяют несколько типов аэрогелевых утеплителей. Классификация учитывает температуру применения продукта. Чаще всего используют кремниевые изоляторы с незначительным введением оксида алюминия. Такие материалы могут выдерживать до 450°С. Есть компоненты, которые не боятся температуру в 700°С. Для получения такого продукта прибегают к добавке оксида титана. При увеличении теплотворных показателей у аэрогеля начнут ухудшаться другие важные параметры. Это связано с окислением вещества.

Выпускают композиции и для низких температур. Они обладают многослойной структурой. Качество паропроницаемости у таких материалов отсутствует. Их активно применяют для утепления холодных помещений. Показатели аэрогеля не ухудшатся даже при достижении области абсолютного нуля.

Сегодня производители предлагают несколько видов энергоэффективных изоляторов. Пирогель – материал для утепления промышленных трубопроводов, техники, работающей с высокой температурой. Криогель предназначен для утепления труб и техники, работающей с низкими температурами. Спейслофт создан экспертами для изоляции конструкций, расположенных в разных климатических условиях.


Обособленно в группе теплоизоляторов стоит Спейслофт Сабси. Данный материал используют для утепления системы типа «труба в трубе», которая находится на большой глубине. Чехлы съемные применяют для изоляции промышленных установок, работающих с высокими температурами. Цена теплоизоляции с аэрогелем зависит от ее назначения и толщины.
Материал позволяет решать различные задачи. Он утепляет конструкции любых размеров. Кроме трубопроводов, прокладка используется при монтаже:
• емкостей:
• запорно-регулирующей арматуры;
• приборов, контролирующих производственных процессы.
Продукт применяют для утепления систем внутри помещения.

Плюсы и минусы аэрогелевой изоляции

Среди достоинств утеплителя выделяют:
• незначительную теплопроводность;
• гидрофобность;
• универсальность;
• стабильность к деформациям.
Изделия возможно применять в разных конструкциях и в сочетании с любыми строительными материалами.

Несмотря на вышеперечисленные положительные стороны, аэрогель имеет один существенный недостаток. Изоляция не выдерживает открытой кислородной среды. Попадая в нее вещество мгновенно растворяется.

На сегодняшний день уже есть позитивные отзывы о теплоизоляции аэрогелем. Отечественный институт, занимающийся научными исследованиями, активно использует инновационное изделие листового типа для внутреннего и внешнего утепления в оборудованиях. При этом температура агрегата достигает 310°С.

Аэрогель

Название «аэрогель» произошло от двух латинских слов aer — воздух и gelatus — замороженный.
Поэтому аэрогель часто называют «замороженным дымом». Впрочем, по внешнему виду аэрогель действительно напоминает застывший дым. Аэрогель представляет собой необычный гель, в котором отсутствует жидкая фаза, полностью замещенная газообразной, вследствие чего вещество обладает
рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т.д. Аэрогель удивителен еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!

По структуре аэрогели представляют собой
древовидную сеть из объединенных в однородные группы (кластеры) частиц
размером 2-5 нанометров и пор, заполненных воздухом, размерами до 100
нанометров. Внешне аэрогель больше всего похож на прозрачную или
полупрозрачную застывшую мыльную пену. При взгляде невооруженным глазом,
аэрогель представляется сплошным однородным веществом, что выгодно
отличает его от таких пористых сред как различные пены. На ощупь
аэрогель также напоминает застывшую пену. Это достаточно прочный
материал – аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше
собственного веса. Например, небольшой блок аэрогеля весом 2.38 г.
легко противостоит массе кирпича в 2.5 кг! Кварцевые аэрогели являются
очень хорошим теплоизолятором.

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.
Следующий шаг – “суперкритическое” высыхание. Оно производится в
автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует
сжиженный углекислый газ.

Прикладное использование
кварцевого аэрогеля, как материала для изоляции, началось в сороковых годах двадцатого века. Известная компания Monsanto выпускала этот продукт по лицензионному соглашению с Кистлером. Однако широкого распространения в силу дороговизны аэрогелевые теплоизоляторы не
получили, и в семидесятых годах производство было свернуто. Лишь в самом конце прошлого века аэрогели вновь начали широко использоваться человечеством, прежде всего в космической отрасли.

Именно аэрогель стал важнейшим элементом решетчатого улавливателя, при помощи которого космический зонд Stardust захватил миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2 и доставил спускаемый аппарат с этими образцами на землю. Кстати сказать, среди многообразия уловленных зондом частиц были обнаружены следы глицина – важнейшей для образования белка аминокислоты. Ученым, разделяющим теорию о внеземном происхождении жизни, эта находка стала косвенным доказательством их правоты.

В качестве уникального
теплоизолятора 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.

Перспективны
также аэрогели в микроэлектронике. Главным образом, благодаря тому,
что они обладают самыми низкими диэлектрическими константами.
Использование аэрогелей в качестве изоляционных слоев в многослойных
печатных платах позволит значительно повысить быстродействие
электроники.

В 2007 году американские химики
презентовали созданные ими аэрогели, которые могут служить фильтром для
очистки воды от вредных примесей, таких как ртуть, свинец и другие
ядовитые тяжелые металлы. Пока производство этих материалов достаточно
ограничено из-за высокой цены, т.к. в состав фильтров входит платина, но
когда ей будет найдена замена в виде более дешевого аналога,
очистителями нового образца можно будет избавить от тяжелых металлов
водоемы планеты.

Кроме этого новые аэрогели проявляют свойства полупроводников, следовательно, могут использоваться в фотоэлементах и других оптоэлектронных устройствах.

Кварцевый аэрогель, как уже говорилось, – уникальный теплоизолятор. Он выдерживает температуру до 500 градусов по Цельсию, а слоя толщиной 2,5см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от
прямого воздействия паяльной лампы. Существуют разновидности аэрогелей с температурой плавления до 1200 С. Свойства арогелей в немалой степени зависят от исходного материала, из которого их производят. Существуют аэрогели из глиноземов (с добавкой оксида алюминия), диоксида кремния, а
также оксида олова и хрома. Совсем недавно были получены аэрогели на основе углерода. Есть аэрогели, применяющиеся в качестве катализаторов. В настоящее врмя в НАСА идут испытания алюмооксидных аэрогелей, содержащих редкие элементы – гадолиний и тербий. Эти аэрогели
используются как детекторы высокоскоростных соударений. Некоторые прозрачные разновидности аэрогеля рассматриваются учеными в качестве замены оконному стеклу. Ведь коэффициент преломления у аэрогелей гораздо ниже, чем у стекла (1,05 против 1,5). Изначальную хрупкость этого
перспективного материала науке уже удалось преодолеть, сейчас доступен выпуск упругих и гибких аэрогелей. На повестке дня вопрос о снижении себестоимости производства до пределов, делающих использование в широких масштабах рентабельным. Аэрогели часто называют материалом 21 века. Так
ли это, мы скоро увидим.

Источники:
http://www.aerogel-russia.ru/info/about
http://nastroike.com/stroitelnye-materialy/9937
http://how-make.ru/interesnoye/ajerogel/
http://pro-karkas.ru/tools/insulation-for-frame-house/

Ссылка на основную публикацию