Аэрогели — сверхлёгкие пористые материалы¶
Аэрогели — класс сверхлёгких пористых материалов, получаемых путём замены жидкой фазы в геле на газовую при сохранении пространственной структуры твёрдого каркаса. Впервые получены американским химиком Сэмюэлом Кистлером в 1931 году. Отличительными особенностями аэрогелей являются чрезвычайно низкая плотность (от 1 кг/м³), высокая удельная поверхность (до 1000 м²/г) и низкая теплопроводность.
¶История
Первый аэрогель был синтезирован Сэмюэлом Кистлером в College of the Pacific в Калифорнии. Кистлер запатентовал процесс сверхкритической сушки, позволяющий удалить жидкость из геля без разрушения его каркаса. В 1960-х годах исследователи из Франции и СССР продолжили работы в этом направлении, однако широкий интерес к аэрогелям возник лишь в 1980-е годы, когда группа под руководством Станислава Тевбота в Европейской лаборатории физики частиц (CERN) разработала прозрачные кремнезёмные аэрогели для использования в детекторах черенковского излучения.
¶Получение
Технология производства аэрогелей включает три основных этапа:
- Приготовление золя — коллоидного раствора, который в результате гелеобразования формирует трёхмерную сетку.
- Созревание геля — укрепление каркаса для предотвращения его усадки при сушке.
- Сверхкритическая сушка — удаление растворителя при температуре и давлении выше критической точки, что исключает возникновение капиллярных сил, разрушающих поры.
Для кремнезёмных аэрогелей типичным растворителем выступает этанол, а сверхкритическую сушку проводят при температуре около 250 °C и давлении 8 МПа. Альтернативным методом является сушка с использованием сверхкритического диоксида углерода, позволяющая работать при более низких температурах (около 31 °C).
¶Классификация
По химическому составу аэрогели подразделяются на:
- Неорганические — на основе диоксида кремния (кремнезёмные), оксидов алюминия, титана, циркония.
- Органические — на основе резорцин-формальдегидных смол, полиуретана, целлюлозы.
- Углеродные — получаемые пиролизом органических аэрогелей.
- Гибридные — сочетающие органические и неорганические компоненты, а также модифицированные полимерами.
По структуре различают монолитные аэрогели, гранулы и порошки. Монолитные образцы могут быть прозрачными или полупрозрачными, что определяется размером пор и плотностью материала.
¶Свойства
Ключевые физические характеристики аэрогелей:
- Плотность: минимальные значения достигают 1,0–1,5 кг/м³ (для кремнезёмных), что лишь в три раза превышает плотность воздуха.
- Пористость: 80–99,8 % объёма материала составляют поры размером от 1 до 100 нм.
- Удельная поверхность: 500–1200 м²/г.
- Теплопроводность: 0,012–0,020 Вт/(м·К) при нормальных условиях, что ниже теплопроводности воздуха (0,026 Вт/(м·К)).
- Прозрачность: кремнезёмные аэрогели пропускают до 90 % видимого света.
Механическая прочность аэрогелей невысока: типичный кремнезёмный аэрогель выдерживает давление порядка 0,1–1 МПа, однако хрупок и подвержен растрескиванию. Для повышения прочности применяют армирование волокнами или введение полимерных связок.
¶Применение
Аэрогели находят применение в следующих областях:
- Теплоизоляция: используются в строительстве, нефтегазовой отрасли, авиакосмической технике. Маты на основе аэрогеля применяются для изоляции трубопроводов и оборудования при экстремальных температурах.
- Сбор разливов нефти: гидрофобные аэрогели эффективно поглощают нефтепродукты с поверхности воды.
- Детекторы черенковского излучения: прозрачные кремнезёмные аэрогели используются в физике высоких энергий.
- Космические исследования: материал применяется для улавливания космической пыли (миссия NASA Stardust) и в качестве теплоизоляции марсоходов.
- Химическая промышленность: аэрогели служат носителями катализаторов и адсорбентами.
- Электроника: углеродные аэрогели рассматриваются как материал для суперконденсаторов и электродов.
¶Ограничения и недостатки
Основными недостатками аэрогелей являются высокая стоимость производства, хрупкость и гигроскопичность. Кремнезёмные аэрогели поглощают влагу из воздуха, что ухудшает их теплоизоляционные свойства, поэтому требуют гидрофобизации. Производство остаётся дорогостоящим из-за необходимости использования сверхкритических условий и длительности процесса (от нескольких дней до недель).
¶См. также
¶Источники
- Кистлер С. С. «Способ получения аэрогелей», патент США № 2093454, 1937.
- Hüsing N., Schubert U. «Aerogels — Airy Materials: Chemistry, Structure, and Properties», Angewandte Chemie International Edition, 1998.
- Aegerter M. A., Leventis N., Koebel M. M. (ред.) «Aerogels Handbook», Springer, 2011.
- Материалы NASA о миссии Stardust, 2006.
BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную BFOmetr →