Airgel هو مادة خفيفة مسامية اصطناعية مشتقة من هلام ، حيث تم استبدال المكون السائل للهل بغاز. والنتيجة هي مادة صلبة ذات كثافة منخفضة للغاية وموصلية حرارية منخفضة. تشمل الألقاب الدخان المتجمد ، والدخان الصلب ، والهواء الصلب ، والسحابة الصلبة ، والدخان الأزرق بسبب طبيعتها الشفافة وطريقة تشتت الضوء في المادة. إنه شعور مثل البوليسترين الموسع الهش لللمس. يمكن صنع Aerogels من مجموعة متنوعة من المركبات الكيميائية.
تم إنشاء شركة Airgel لأول مرة بواسطة Samuel Stephens Kistler في عام 1931 ، نتيجة رهان مع Charles Learned حول من يمكنه استبدال السائل في “الهلام” بالغاز دون التسبب في الانكماش.
يتم إنتاج Aerogels عن طريق استخراج المكون السائل للهلام من خلال التجفيف فوق الحرج. هذا يسمح للسائل أن يجف ببطء من دون التسبب في انهيار مصفوفة الصلبة في الجل من العمل الشعري ، كما يحدث مع التبخر التقليدي. تم إنتاج الأيروجين الأول من هلام السيليكا.عمل Kistler في وقت لاحق تشارك aerogels على أساس الألومينا ، chromia وثاني أكسيد القصدير. تم تطوير aerogels الكربون لأول مرة في أواخر 1980s.
لا يعتبر الـ Airgel مادة مفردة ذات تركيبة كيميائية محددة ، بل يستخدم المصطلح لتجميع كل المواد ببنية هندسية معينة.
تعريف IUPAC
Airgel: جل يتألف من مادة صلبة صغيرة يسهل اختراقها فيها الطور المتشتت هو غاز.
ملاحظة 1: السايكا الصغيرة المعقمة الصغيرة ، والزجاج المسلف الصغيرة ، والزيوليت هي أمثلة شائعة على aerogels.
ملاحظة 2: مصححة من المرجع ، حيث يكون التعريف تكرارًا للتعريف الخاطئ للجيل متبوعًا بمرجع غير مباشر لمسامية البنية.
الخصائص
على الرغم من الاسم ، aerogels هي مواد صلبة ، جامدة ، وجافة لا تشبه الهلام في خصائصها الفيزيائية: الاسم يأتي من حقيقة أنها مصنوعة من المواد الهلامية. الضغط بهدوء على airgel عادة لا يترك حتى علامة طفيفة ؛ الضغط بشكل أكثر حزما سيترك الكساد الدائم.يؤدي الضغط بشدة إلى حدوث انهيار كارثي في البنية المتناثرة ، مما يؤدي إلى تحطيمها مثل الزجاج (خاصية معروفة بالفرار) ، على الرغم من أن الاختلافات الحديثة لا تعاني من ذلك. على الرغم من أنها عرضة للتحطم ، إلا أنها قوية من الناحية الهيكلية. قدراته الحاملة المثيرة للإعجاب ترجع إلى البنية المجرية الشجيرية ، حيث يتم دمج الجزيئات الكروية ذات الحجم المتوسط (2-5 نانومتر) معًا في العناقيد. تشكل هذه العناقيد بنية ذات ثقوب عالية ثلاثية الأبعاد لسلاسل كسورية تقريبًا ، مع مسامات تقل عن 100 نانومتر. يمكن التحكم في متوسط حجم المسام وكثافتها أثناء عملية التصنيع.
Airgel هو مادة الهواء 99.8 ٪. تحتوي Aerogels على شبكة صلبة مسامية تحتوي على جيوب هوائية ، حيث تأخذ الجيوب الهوائية غالبية المساحة داخل المادة. إن نقص المواد الصلبة يسمح للهواء النقي بأن يكون عديم الوزن تقريباً.
Aerogels هي عوازل حرارية جيدة لأنها تكاد تقضي على اثنين من الطرق الثلاث لنقل الحرارة – التوصيل (تتكون في الغالب من الغاز العازل) والحمل الحراري (البنية المجهرية تمنع حركة الغاز الصافية). فهي عازلة موصلة جيدة لأنها تتكون بشكل شبه كامل من الغازات ، وهي عبارة عن موصلات للحرارة ضعيفة للغاية. (يعتبر السليكون هو عازل جيد بشكل خاص لأن السيليكا هو أيضًا موصل فقير للحرارة ؛ أما من ناحية أخرى ، فإن الفلوجين المعدني أو الكربون سيكون أقل فاعلية). وهي مثبطات جيدة للحمل الحراري لأن الهواء لا يمكن أن ينتشر عبر الشبكة. Aerogels هي عوازل إشعاعية ضعيفة لأن الأشعة تحت الحمراء (التي تنقل الحرارة) تمر عبرها.
نظرا لطبيعة استرطابي ، يشعر aerogel الجافة ويعمل كمجفف قوي. يجب على الأشخاص الذين يتعاملون مع الهيروغيل لفترات طويلة ارتداء قفازات لمنع ظهور بقع هشة جافة على الجلد.
يرجع اللون الطفيف الذي تتميز به إلى تناثر رايلي للأطوال الموجية الأقصر للضوء المرئي من خلال البنية التغصنية ذات الحجم النانوي. هذا يجعلها تظهر بلون أزرق دخاني مقابل الخلفيات الداكنة والصفراء مقابل الخلفيات الساطعة.
Aerogels في حد ذاتها هي ماء ، ولكن العلاج الكيميائي يمكن أن يجعلها مسعور. إذا كانت تمتص الرطوبة فإنها عادة ما تعاني من تغير هيكلي ، مثل الانكماش ، والتدهور ، ولكن يمكن منع التدهور بجعلها كارهة للماء. تكون Aerogels ذات المساحات الداخلية غير الكارهة للماء أقل عرضة للتدهور من aerogels مع طبقة مسعور خارجية فقط ، حتى إذا كان الكراك يخترق السطح.
تأثير كنودسن
قد يكون للهيدروجين موصل حراري أصغر من الغاز الذي تحتوي عليه. يحدث هذا بسبب تأثير Knudsen ، وهو انخفاض في الموصلية الحرارية في الغازات عندما يصبح حجم التجويف المحيط بالغاز قابلاً للمقارنة مع المسار الحر الوسطي. على نحو فعال ، يقيد التجويف حركة جزيئات الغاز ، مما يقلل من التوصيل الحراري بالإضافة إلى القضاء على الحمل. على سبيل المثال ، يبلغ التوصيل الحراري للهواء حوالي 25 ميغاواط / م • K في STP وفي حاوية كبيرة ، لكنه يتناقص إلى حوالي 5 mW / m • K في قطر مسام 30 نانومتر.
بناء
وينتج هيكل Airgel من بلمرة sol-gel ، وهي عندما تتفاعل مونومرات (جزيئات بسيطة) مع مونومرات أخرى لتشكيل sol أو مادة تتكون من جزيئات ضخمة مرتبطة ببعضها البعض مع رواسب محلول سائل بينهما. عندما يتم تسخين المادة بشكل حرج ، يتم تبخر السائل خارجًا ويتم ترك الإطار الجزيئي المترابط المرتبط. إن نتيجة البلمرة والتدفئة الحرجة هي إنشاء مادة لها بنية قوية مسامية مصنفة كمكونات هوائية.التباينات في التوليف يمكن أن تغير مساحة السطح وحجم المسام من الهيركل. كلما كان حجم المسام أصغر كلما كان الهوائي أكثر عرضة للكسر.
تسرب المياه
يحتوي Airgel على جسيمات قطرها 2-5 نانومتر. بعد عملية إنشاء الهوائي ، سيحتوي على كمية كبيرة من مجموعات الهيدروكسيل على السطح. يمكن أن تسبب مجموعات الهيدروكسيل تفاعلًا قويًا عندما يوضع الهوائي في الماء ، مما يؤدي إلى تذويبه بشكل كارثي في الماء.إحدى طرق مقاومة الهيدرجيل المائي للماء هي نقع الهوائي مع بعض القواعد الكيميائية التي ستحل محل مجموعات هيدروكسيل السطح (–OH) مع المجموعات غير القطبية (–OR) ، وهي العملية الأكثر فعالية عندما تكون R مجموعة أليفاتية.
مسامية الهواء
هناك عدة طرق لتحديد مسامية الهواء: الطرق الثلاث الرئيسية هي امتزاز الغاز ، وقياس porosimetry الزئبق ، وطريقة الانتثار. في امتصاص الغاز ، يتم امتصاص النيتروجين عند نقطة الغليان في عينة الهوائي. يعتمد الامتصاص بالغاز على حجم المسام الموجود داخل العينة وعلى الضغط الجزئي للغاز بالنسبة لضغط التشبع. يقاس حجم الغاز الممتز باستخدام صيغة بروناور وإيميت وتيلر (BET) ، والتي تعطي مساحة السطح المحددة للعينة. عند الضغط الجزئي العالي في الامتزاز / الامتصاص ، تعطي معادلة كلفن توزيع حجم المسام للعينة. في porosimetry الزئبق ، يضطر الزئبق إلى نظام مسامي airgel لتحديد حجم المسام ، ولكن هذه الطريقة غير فعالة إلى حد كبير لأن الإطار الصلب من airgel سوف ينهار من قوة الانضغاط العالية. تتضمن طريقة الانتثار الانحراف المعتمد على الزاوية للإشعاع داخل عينة الهوائي.يمكن أن تكون العينة عبارة عن جسيمات صلبة أو مسام. يدخل الإشعاع إلى المادة ويحدد الهندسة الفركتلية لشبكة المسام الهوائية. أفضل أطوال موجات الإشعاع للاستخدام هي الأشعة السينية والنيوترونات. كما أن Airgel عبارة عن شبكة مسامية مفتوحة: الفرق بين شبكة مفتوحة يسهل اختراقها وشبكة مسامية مغلقة هو أنه في الشبكة المفتوحة ، يمكن للغازات الدخول والخروج من المادة دون أي قيود ، بينما تقوم الشبكة المسامية المغلقة بحبس الغازات داخل المادة المؤثرة لهم بالبقاء داخل المسام. تسمح المسامية العالية والمساحة السطحية من aerogels السيليكا باستخدامها في مجموعة متنوعة من تطبيقات الترشيح البيئي.
المواد
السيليكا
السليكا الهوائية هي النوع الأكثر شيوعًا من الهيركل ، والأكثر دراسةً واستخدمًا على نطاق واسع. هو قائم على السيليكا ويمكن استخلاصه من هلام السيليكا أو عن طريق عملية Stober معدلة. ويزن وزن النانو بسماكة أقل كثافة 1000 غم / م 3 ، وهي النسخة التي تم إخلاؤها من سجل الهواء المضغوط البالغ 1،900 غم / م 3. كثافة الهواء هي 1،200 غ / م 3 (عند 20 درجة مئوية و 1 أجهزة الصراف الآلي). اعتبارًا من عام 2013 ، كانت كثافة الأقطاب الجوية عند 160 جم / م 3 ، أو 13٪ من كثافة الهواء عند درجة حرارة الغرفة.
تتوطد السيليكا في مجموعات ثلاثية الأبعاد متداخلة تشكل 3٪ فقط من الحجم. لذلك فإن التوصيل من خلال المادة الصلبة يكون منخفضًا جدًا.وتتكون نسبة 97٪ المتبقية من الحجم من الهواء في نانوبور صغيرة للغاية. لا يحتوي الهواء على مساحة كافية للتحرك ، مما يمنع كل من الحمل الحراري ومرحلة الطور الغازي.
كما تتمتع aerogels السيليكا بنقل بصري عال بنسبة ~ 99٪ ومؤشر انكسار منخفض يبلغ 1.05 ~.
لها خصائص مضادة للحرارة رائعة ، لديها الموصلية الحرارية منخفضة للغاية: من 0.03 واط / (م • ك) في الضغط الجوي إلى 0.004 واط / (م • ك) في فراغ متواضع ، والتي تتوافق مع قيم آر من 14 إلى 105 (حسب الطلب الأمريكي) أو من 3.0 إلى 22.2 (متري) لـ 3.5 بوصة (89 مم). وعلى سبيل المقارنة ، فإن عازل الجدار النموذجي هو 13 (عادة أمريكية) أو 2.7 (متري) لنفس السماكة. نقطة الانصهار هي 1،473 كلفن (1200 درجة مئوية ، 2،192 درجة فهرنهايت).
حتى عام 2011 ، احتوت السيليكا ايروسول 15 مدخلاً في موسوعة غينيس للأرقام القياسية لخصائص المواد ، بما في ذلك أفضل عازل وأقل كثافة صلبة ، على الرغم من أنه تم إقصاؤها من العنوان الأخير من خلال المواد الأيروغايتية الأخف في عام 2012 ومن ثم أيروجيرين في عام 2013.
كربون
تتألف aerogels الكربونية من جسيمات ذات أحجام في نطاق نانومتر ، ترتبط تساهميًا معًا. لديهم مسامية عالية جدا (أكثر من 50 ٪ ، مع قطر المسام تحت 100 نانومتر) ومناطق سطح تتراوح بين 400-1000 m2 / g. غالباً ما يتم تصنيعها على شكل ورق مركب: ورق غير منسوج مصنوع من ألياف كربونية ، مشربة ببروتين ريسورسينيول – فورمالديهايد ، وبيرولازيد. اعتمادا على الكثافة ، قد يكون aerogels الكربون موصلا كهربائيا ، مما يجعل ورقة aerigel المركب مفيدة للأقطاب في المكثفات أو الأقطاب deionization. نظرا لمساحة سطحها العالية للغاية ، تستخدم aerogels الكربون لإنشاء المكثفات الفائقة ، مع قيم تتراوح ما يصل إلى الآلاف من farads على أساس كثافة مكثف من 104 F / g و 77 F / cm3. Aerogels الكربون هي أيضا “سوداء” للغاية في الطيف تحت الحمراء ، والتي تعكس 0.3 ٪ فقط من الإشعاع بين 250 نانومتر و 14.3 ميكرومتر ، مما يجعلها فعالة لمجمعات الطاقة الشمسية.
إن المصطلح “airgel” لوصف كتل الهواء النانوية من الأنابيب النانوية الكربونية التي يتم إنتاجها من خلال بعض تقنيات ترسيب البخار الكيميائي غير صحيح. يمكن نسج هذه المواد إلى ألياف ذات قوة أكبر من الكيفلار ، وخصائص كهربائية فريدة من نوعها. هذه المواد ليست aerogels ، ومع ذلك ، لأنها لا تملك بنية داخلية متجانسة وليس لديها بنية المسام العادية مميزة من aerogels.
أكسيد المعادن
تستخدم aerogels أكسيد معدني كمحفزات في مختلف التفاعلات / التحولات الكيميائية أو كسلائف لمواد أخرى.
تعرف Aerogels المصنوعة من أكسيد الألومنيوم باسم aerogels الألومينا. وتستخدم هذه aerogels كمحفزات ، وخصوصا عندما “مخدر” مع معدن آخر غير الألومنيوم. والنيكل – ألومينا ايروجيل هو التركيبة الأكثر شيوعا. كما تجري وكالة الفضاء الأمريكية (ناسا) دراسة جزيئات الألومينا الهوائية من أجل التقاط جسيمات فائقة السرعة. يمكن أن تتشكل تركيبة مخدر مع الجادولينيوم والتيربيوم في موقع تأثير الجسيمات ، مع كمية من الفلورة تعتمد على طاقة التأثير.
واحد من الفرق الأكثر ملحوظة بين aerogels السيليكا وهيروكسيد أكسيد معدني هو أن aerogels أكسيد المعادن غالبا ما تكون ملونة بشكل مختلف.
| ايروجيل | اللون |
|---|---|
| السيليكا ، الألومينا ، تيتانيا ، زركونيا | واضح مع Rayleigh نثر أزرق أو أبيض |
| أكسيد الحديد | الصدأ الأحمر أو الأصفر ، غير شفاف |
| Chromia | أخضر داكن أو أزرق عميق ، معتم |
| Vanadia | الزيتون الأخضر ، مبهمة |
| نيوديميوم أكسيد | الأرجواني ، شفافة |
| السامرة | أصفر وشفافة |
| Holmia ، erbia | وردي شفاف |
آخر
يمكن استخدام البوليمرات العضوية لإنشاء aerogels. SEAgel مصنوع من أجار. يمكن استخدام السليلوز من النباتات لإنشاء airgel مرنة.
Chalcogel هو الهباء الجوي المصنوع من chalcogens (عمود العناصر على الجدول الدوري بدءا بالأكسجين) مثل الكبريت والسيلينيوم وعناصر أخرى. استخدمت المعادن الأقل تكلفة من البلاتين في إنشائها.
تم تطوير Aerogels المصنوعة من النقاط الكمومية selenide الكادميوم في شبكة ثلاثية الأبعاد مسامية للاستخدام في صناعة أشباه الموصلات.
يمكن زيادة أداء Airgel لتطبيق معين من خلال إضافة dopants ، وتعزيز الهياكل ومركبات التهجين. تقوم Aspen Aerogels بتصنيع منتجات مثل Spaceloft وهي عبارة عن مركب من الهيركل مع نوع من الضجيج الليفي.
البدائل الحيوية القائمة (biioerogels)
إن أفضل أنواع الهلام الجوي المعتمد هو السيليكا ، لكن الباحثين يتطلعون إلى إنتاج الهباء الجوي الحيوي ، وربما أقوى من السيليكا.
و seagel هو مادة مشابهة لالهيل الجوي العضوي المصنوعة من أجار ، مع طعم وملمس يذكرنا كعك الأرز.
يتكون Maerogel في أرزها الأساسي (يُلقى في الغالب في صناعة الأرز) ويقلل التكاليف مقارنة بالعمليات الأخرى. هذه العملية تجعل من الممكن تقسيمها بستة تكاليف.
يتم إنتاج الأيروبكتين من قشور الحمضيات (2015) ، ولكن من المستحيل جدًا أن يصنع عازلًا ،
النشا aerigel (في الواقع خليط من أميلوز وأميلوبكتين) التي يمكن أن تأتي على سبيل المثال الذرة أو أفضل البازلاء. كما أنه ماص للرطوبة للغاية ، ولكن ربما يمكن تغطيته بطبقة تجعله أكثر استقرارًا وكارهة للماء. إنه أقوى من الهليوكلي السيليكا ولكن مع معامل التوصيل الحراري أقل جودة ولكن أقل من ذلك حوالي 0.021 W m -1 K -1 (0.025 إلى حوالي 0.035 والهواء W m -1 K -1 للصوف الصخري والبوليسترين.
يمكن تحسين أدائها الحراري أثناء التصنيع: يتم تبريد النشاء المذاب في الماء تحت ضغط ودرجة حرارة معينة ويتم تحريكه ميكانيكياً لكسر وتفريق الحبوب ثم يتم تبريده إلى 4 درجات مئوية (“مرحلة الارتداد”) وتشكيل الهلام قبل استبداله مذيب أثناء مرحلة التجفيف فوق الحرج (الأسيتون يمكن أن يحل محل الإيثانول هناك) ومن ثم يتم امتصاص المذيب واستبداله بالهواء. يدرس مركز اللياقة لمواد (Cemef) مناجم باريس للتكنولوجيا هذه المادة.
تصنيع
من حيث المبدأ ، يتكون تصنيع الهوائي من استبدال المكون السائل لجيل السيليكا (للهواء النفاث السليكي) بالغاز. من الناحية الفنية ، فإن العملية أكثر تعقيدًا. في الواقع ، يميل هيكل الهلام إلى الانهيار عندما يجف ببساطة. يصبح مسامي وانهار.
في الممارسة العملية ، يتم تجفيف هيدروجيل ، وهو هلام السيليكا يستخدم على وجه الخصوص في العدسات اللاصقة اللينة ، في ظروف الحرارة والضغط الشديدة عن طريق استبدال الماء بسائل مثل الإيثانول في وجود “سليفة” ، ألكوكسايد السيليكا. و alkoxide هو نوع من محفز للتفاعل. وهو يتألف من الكحول والسيليكون. صيغته هي Si (OR) 4. ينتج هذا التفاعل السيليكا:
إذا كانت (OCH 2 CH 3 ) 4 (Liq.) + 2H 2 O (Liq.) → SiO 2 (solid) + 4HOCH 2 CH 3 (Liq.) .
السيليكا هي مركب معدني ثابت من الصيغة SiO 2. ثم تأتي عملية تسمى التجفيف فوق الحرج (باللغة الإنجليزية: التجفيف فوق الحرج). في الديناميكا الحرارية ، النقطة الحرجة هي مرحلة انتقالية بين السوائل والغازات. في الأساس ، تكون حالات السائل والبخار متطابقة مجهريًا: فهي تتميز باضطراب الذرات أو الجزيئات. أيضا ، هناك ضغط ودرجة حرارة (تسمى حرجة) يتوقف من أجلها هذا منحنى التعايش ببخار السائل فجأة. أبعد من ذلك ، فإن الجسم ليس سائلا ولا غازيا: إنه طور مائع. ومن خلال هذه العملية يتم إزالة الكحول من الجل. تتم هذه العملية في موصدة ضغط تتراوح من 50 إلى 60 بار ودرجات حرارة تتراوح من 5 إلى 10 درجات مئوية ومن 12 ساعة إلى 6 أيام. ثم يتم الوصول إلى الهدف ، وقد تم استبدال السائل بغاز دون أن ينهار هيكل الهلام أو يقلل من حجمه.
هناك عمليات لصنع airgel في درجة الحرارة المحيطة والضغط ، ولكنها ، في الوقت الراهن ، تبقى سرية من قبل الصناعيين.
إنتاج
يتم صنع Aerogels عن طريق تجفيف هلام من مادة هلامية ، معظمها من السيليكا ، في ظروف قاسية. تم إنجاز أول توليفة من aerogels سيليكات بواسطة Samuel Stephens Kistler في 1931/32. طور طريقة لأول مرة لتجفيف المواد الهلامية بدونها كان لها انكماش.
سيليجات التهوية وفقا ل Kistler
استخدم Kistler سيليكات الصوديوم ، والتي خلطها بالماء لصنع محلول (زجاج الماء). بعد إضافة كاشف حامض هيدروجين مفعول يعمل مع زمن السيليكا (تفاعل رد فعل) ، الذي تسببه الحركة البراونية الموزعة غير المنسقة في المحلول وبالتالي تصادم أيضا.
أو:
بسبب الالتصاق التدريجي ، تم تجميع هذه الجسيمات مع مرور الوقت وخلال يوم واحد تقريبًا ، تم إنتاج هلام بهيكل شبكي. من هذا ، تم شطف كلوريد الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك الزائد بالماء (Aquagel) وتلاه إزاحة بالكحول (alkogel). هذه الخطوة ضرورية وإلا سيدمر الماء بنية الهلام مع تقدم العملية. إذا تبخر الكحول ببطء ، يتم تكوين menisci بسبب القوى السطحية التي تعمل على الجل ، والتي “تدفن” نفسها في الهلام وتسبب بنية ganglike في الجل. ويرتبط ذلك بانكماش الجل ونتيجة لذلك ، تكون بنية مسامية مع مسامية بنسبة 50٪ فقط ، ولكن هذا كان فقط لتجنبها. اعتاد Kistler على تجفيف الأوتوكلاف وارتفاع درجة الحرارة والضغط على النقطة الحرجة من الكحول ، بحيث تم تشكيل سائل فوق الحرج. يسمى هذا الإجراء التجفيف فوق الحرج. وهكذا تم إلغاء حدود الطور بين الغاز والسائل ؛ القوات السطحية ، والتي من شأنها أن تؤدي إلى تكوين menisci في الحالة الأخرى ، لم تعد موجودة. ثم تم تفريغ السائل فوق الحرج من الأوتوكلاف ، مما أدى إلى تجفيف المنتج ، وأصبح في نهاية الأمر من الهباء الجوي. وقد احتفظت الـ airgel بحجم وحجم الهلام الأصلي ، باستخدام aerogels السيليكاتية المصنعة من قبل Kistler ذات الكثافة من حوالي 30 إلى 300 كجم / م 3 ولديها مسامية في نطاق 86 إلى 98٪. ومع ذلك ، فإن طريقة الإنتاج وفقًا لـ Kistler كان لها عيوب كونها طويلة ومكلفة ، والتي تتعلق بشكل خاص بتبادل المذيب قبل تبخر الكحول.
عملية وفقا ل Teichner – عملية هلام سول
حاول Stanislas Teichner إعادة إنتاج إجراء Kistler في جامعة ليون في الستينات ، على الرغم من أنه استغرق منه أسابيع لإنتاج عينات أصغر من الهواء. كبديل ، طور في عام 1968 عملية سول-جل المستخدمة اليوم كطريقة قياسية ، والتي تم تحسينها بشكل أكبر في عام 1986. بداية المواد هنا هي orthosilicate السامة tetramethyl (TMOS) ، والتي تتحلل ببطء إلى حمض السليكون ortho والميثانول وفقا ل معادلة التفاعل أدناه مع كمية محددة من الماء بعد إضافة محفز.
ونتيجة لذلك ، ينقسم الماء من السيليكا ويتشكل SiO 2 رباعي الأسطح. هذه ثم شبكة لتشكيل هلام. مرة أخرى ، يساوي تجفيف Alkogel الناتج طريقة Kistler ، حيث يحتوي الميثانول على قيم حرجة قدرها 239.4 درجة مئوية و 80.9 بار. يمكن التحكم في خصائص الهوائي الجوي ، وبشكل خاص البنية والكثافة ، باختيار المحفز أو الأس الهيدروجيني أو نسبة المواد المستخدمة ، خاصةً الميثانول. يتم استخدام الإجراء اليوم في DESY وفي لوند.
إجراءات أخرى
في عملية أخرى ، تقوم مجموعة بحثية تحت إشراف آرلون هانت في جامعة كاليفورنيا في بيركلي بإنتاج القطع الهوائية بدلا من TMOS السامة من ثلاثي الأثيلين orthosilicate (TEOS). بالإضافة إلى ذلك ، تم استبدال الإيثانول القابل للإشتعال بغاز ثاني أكسيد الكربون ، والذي يستهلك الكثير من الوقت. ميزة واحدة هي درجة الحرارة الحرجة منخفضة نسبيا من ثاني أكسيد الكربون عند 31 درجة مئوية ، مما يسهل عملية التجفيف بشكل كبير.
يتم استخدام عملية أخرى في BASF في Ludwigshafen am Rhein ، حيث يتم على وجه الخصوص إنتاج الكريات الهوائية (الحبيبات) التي يبلغ قطرها من 1 إلى 6 ملليمترات ويتم إنتاج كثافة تبلغ حوالي 200 كجم / م 3. ويتفاعل حمض الكبريتيك وسليكات الصوديوم عن طريق رشها على المكبس مع فوهة الخلط. هذا يؤدي إلى تشكيل أملاح القلوية ، والتي يجب غسلها من قبل ما بعد المعالجة.تكمن ميزة هذه العملية في التكاليف المنخفضة نسبياً ، وينظر إلى الحرمان في الأسوأ ، ولا سيما الخصائص البصرية للحبيبات.
تنتج aerogels الكربون (CRF) في الغالب عن طريق الانحلال الحراري من resorcinol – aerogels الفورمالديهايد (RF). في إعداد الهوائيات resorcinol-formaldehyde يمكن استخدام تجفيف الهواء أرخص بدلا من التجفيف فوق الحرج.
تطبيقات
نظرًا لأن مؤشر الانكسار للأيروجيل يقع ضمن نطاق لا يمكن تحقيقه بواسطة الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة التقليدية ، فإنها تلعب دورًا مهمًا لما يسمى بالمواد الراديوية لأجهزة الكشف Cherenkov ؛ aerogels الكربون أيضا بسبب الموصلية الكهربائية العالية والاستقرار في بحوث المواد لمواد الإلكترود في الخلايا الأولية والخلية ، ومحفزات المركبات والمكثفات الفائقة.
ذاكرة متوسطة
ونظراً لمسامتها العالية ، تم تطوير aerogels في البداية بغرض الحفاظ على إمكانيات التخزين للغازات والمواد الصلبة. في 1960s ، تم اختبار aerogels لمدى ملاءمتها كوسيلة تخزين وقود الصواريخ السائل.
تصفية
نظرا لبنيتها الدقيقة ، يمكن استخدام aerogels لجمع المصفوفة لأصغر جزيئات الغبار. ولذلك تم استخدامها على متن “المركبة الفضائية الغبار المذنب” ستاردست. يتم ببطء تباطؤ جزيئات الغبار والجزيئات المحبوسة في الهوائي ، بحيث لا يتم تدميرها حراريا. هكذا نجحت. ا.أيضا لأول مرة ، دون جلب المواد من المذنب (Wild 2) إلى الأرض.
العزل الحراري
تمتلك aerogels السيليكاتية بشكل خاص موصلية حرارية منخفضة جداً ، ولذلك فهي غالباً ما تستخدم كمواد عازلة للتطبيقات الخاصة (مثل العزل الحراري الشفاف) ؛ منذ بداية عام 2013 ، تم بيع جص خاص مماثل مع حبيبات الهواء المضافة في سويسرا.
مستحضرات التجميل والعناية بالشعر
يتم استخدام جسيمات الهولوغرام النافعة والمؤلمة المصنوعة من سيليكات سيليكات ، من بين أمور أخرى ، كمساحيق تثبيت في مستحضرات التجميل وكمساحيق للحجم والتصفيف في العناية بالشعر.
مقابل
يستخدم الهليوكليا السيليكا المستحضرات الصيدلانية كمجفف ومذيب ، وكذلك الناقل.
تستخدم Aerogels لمجموعة متنوعة من التطبيقات:
في عام 2004 تم بيع 25 مليون دولار أمريكي من منتجات العزل الجوي ، والتي ارتفعت إلى حوالي 500 مليون دولار أمريكي بحلول عام 2013. وهذا يمثل التأثير الاقتصادي الأكثر أهمية لهذه المواد اليوم. إن القدرة على استبدال العزل التقليدي من خلال الحلول الهوائية في قطاع البناء والتشييد وكذلك في العزل الصناعي أمر مهم للغاية.
في شكل حبيبي لإضافة العزل إلى المناور. استخدم مشروع معهد نيوكاسل للعوازل الشمسية في معهد جورجيا للتكنولوجيا في عام 2007 هواءًا كعازل في السقف شبه الشفاف.
و adsorber الكيميائية لتنظيف الانسكابات.
محفز أو ناقل محفز.
يمكن استخدام aerogels السيليكا في أجهزة التصوير والبصريات والأدلة الخفيفة.
مادة للترشيح بسبب المساحة السطحية العالية والمسامية ، لاستخدامها في إزالة المعادن الثقيلة.
عوامل سماكة في بعض الدهانات ومستحضرات التجميل.
كمكونات في امتصاص الطاقة.
أهداف الليزر لمرفق الإشعال الوطني للولايات المتحدة.
مادة تستخدم في قساوة المعاوقة للمحولات ومكبرات الصوت وأجهزة كشف المدى.
بدأ التصنيع التجاري للبطانيات “airgel” منذ عام 2000 ، وهو يجمع بين الهليوغلوب والسليكا والتعزيز الليفي الذي يحول الهليوغليل الهش إلى مادة مرنة ودائمة. قد تختلف الخصائص الميكانيكية والحرارية للمنتج بناءً على اختيار الألياف المقوية ومصفوفة الهواء ومضافات العتامة المضمنة في المركب.
استعملت وكالة الفضاء الأمريكية (ناسا) هوائيًا لإدراج جسيمات الغبار في الفضاء على متن مركبة الفضاء ستاردست. تتبخر الجسيمات عند تأثيرها مع المواد الصلبة وتمرر عبر الغازات ، ولكن يمكن حصرها في aerogels. واستخدمت وكالة ناسا أيضا الهواء من أجل العزل الحراري للمريخ روفر والدعاوى الفضائية.
تقوم البحرية الأمريكية بتقييم الملابس الداخلية للغطاء الهوائي باعتبارها حماية حرارية سلبية للغواصين.
في فيزياء الجسيمات كمشعاعات في أجهزة الكشف عن تأثير Cherenkov ، مثل نظام ACC للكشف حسناء ، المستخدمة في تجربة حسناء في KEKB. يتم تحديد ملاءمة aerogels من خلال انخفاض مؤشر الانكسار ، وملء الفجوة بين الغازات والسوائل ، والشفافية والحالة الصلبة ، مما يجعلها أسهل في الاستخدام من السوائل المبردة أو الغازات المضغوطة. كتلتها المنخفضة هي أيضا مفيدة للبعثات الفضائية.
تستخدم aerogels Resorcinol – formaldehyde (البوليمرات التي تشبه كيميائياً لراتنجات الفورمالدهايد الفينول) كسلائف لتصنيع aerogels الكربون ، أو عندما يكون المطلوب عازل عضوي مع سطح كبير. إنها تأتي كمواد عالية الكثافة ، مع مساحة سطحية تبلغ حوالي 600 م 2 / جم.
يتم تحضير مركبات النانو المعدنية والمعدنية من خلال تشريب الهيدروجيل بمحلول يحتوي على أيونات من معدن انتقالي وتؤدي إلى إشعاع نتيجة مع أشعة جاما ، مما يؤدي إلى ترسيب الجسيمات النانوية للمعادن. يمكن استخدام هذه المواد المركبة كمحفزات ، وأجهزة استشعار ، ودرع كهرومغناطيسي ، وفي التخلص من النفايات. الاستخدام المرتقب للمحفزات البلاتينية على الكربون موجود في خلايا الوقود.
كنظام توصيل الدواء بسبب توافقه الحيوي. نظرًا لمساحة سطحها المرتفعة وبنيتها المسامية ، يمكن امتصاص الأدوية من ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج. يمكن تكييف معدل الافراج عن المخدرات من خلال تغيير خصائص الهوائي.
وتستخدم aerogels الكربون في بناء المكثفات الفائقة الكهروكيميائية طبقة مزدوجة صغيرة. بسبب المساحة السطحية العالية للهواء ، يمكن لهذه المكثفات أن تكون 1/2000 إلى 1/5000 من حجم المكثفات الإلكتروليتية المصنفة بالمثل. يمكن أن تكون لمكيفات الهواء من النوع Airgel مقاومة منخفضة جدًا مقارنة بالمكثفات الفائقة العادية ويمكنها امتصاص أو إنتاج تيارات ذروة عالية جدًا. في الوقت الحاضر ، هذه المكثفات حساسة للقطبية وتحتاج إلى أن تكون سلكية في سلسلة لتحقيق جهد كهربائي أكبر من حوالي 2.75 V.
يستخدم Dunlop Sport airgel في بعض مضاربه للتنس والاسكواش وكرة الريشة.
في تنقية المياه ، أظهرت chalcogels واعدة في امتصاص ملوثات المعادن الثقيلة والزئبق والرصاص والكادميوم من المياه.
يمكن للهواء الجوي إدخال الفوضى في الهيليوم -3 الهائل.
في عملية إزالة الجليد ، يستخدم اقتراح جديد سلاح نانوتيوب كربون نانوتيوب. يتم نسج خيوط رقيقة على اللفاف لإنشاء فيلم بسماكة 10 ميكرون ، وهو ما يعادل ورقة A4. كمية المواد اللازمة لتغطية أجنحة طائرة جامبو تزن 80 غراما (2.8 أوقية). يمكن ترك سخانات Airgel باستمرار عند طاقة منخفضة ، لمنع تكوين الجليد.
نفق نقل العزل الحراري لشفروليه كورفيت (C7).
يستخدم CamelBak airgel كعزل في زجاجة الرياضة الحرارية.
يستخدم 45 North airgel كعزل نخيل في قفازات ركوب الدراجات Sturmfist 5.
سلامة
لا يُعرف الهيروغلاس القائم على السيليكا بأنه مُسرطن أو سام. ومع ذلك ، فهي مهيجة ميكانيكية للعيون ، والجلد ، والجهاز التنفسي ، والجهاز الهضمي. يمكن أن تسبب جسيمات السيليكا الصغيرة احتمالية حدوث داء السليكية عند استنشاقه. يمكن أن تحفز أيضا جفاف الجلد والعينين والأغشية المخاطية. لذلك ، يُنصح باستخدام معدات الحماية بما في ذلك حماية الجهاز التنفسي والقفازات ونظارات العين عند التعامل مع أو معالجة aerogels العارية.