آئروژل چیست و چگونه تولید می شود؟
آئروژل ها عمدتاً مواد متخلخل، بسیار سبک وزن، کم چگالی (~0.003 گرم بر سانتی متر مکعب) و عایق حرارتی هستند. طی سال‌ها، آئروژل‌ها به دلیل خواص خارق‌العاده خود از جمله سبکی، مقاومت حرارتی، عایق صدا، عایق الکتریکی و استحکام مکانیکی و پتانسیل‌کاربرد در زمینه‌های مختلف، مورد توجه فزاینده‌ای قرار گرفته‌اند. مطالعات متعددی در مورد تهیه آئروژل و کاربردهای آن در صنایع مختلف انجام شده است. در ادامه، مروری بر روش های آماده‌سازی رایج ارائه شده است.
آئروژل‌ها: ساختار، ویژگی‌ها و کاربردها در صنعت و علم
آئروژل ها عموماً به عنوان هوای جامد، دود جامد، دود منجمد یا دود آبی شناخته می شوند. بر اساس اتحادیه بین المللی شیمی خالص و کاربردی (IUPAC)، آئروژل ها به عنوان ژل هایی تعریف می شوند که شامل یک جامد ریز متخلخل هستند که فاز پراکنده در آن گاز است. همچنین، آئروژل ها را می توان به عنوان ژل هایی تعریف کرد که در آن ها مایع با هوا جایگزین شده است، در حالی که شبکه جامد کمی منقبض می شود.
یک آئروژل با استفاده از روش سل – ژل تهیه می شود که به طور کلی شامل تبدیل یک سیستم مایع (سل) به فاز ژل از طریق واکنش های شیمیایی است. پس از خشک شدن طی فرایند خاص، حلال از ساختار ژل خارج می شود و به دنبال آن شبکه با هوا پر می شود، به این ترتیب محصول خشک شده آئروژل نامیده می شود. سیلیس، آلومینا و کربن، منابع اصلی برای ساخت آئروژل ها هستند.
رسانایی حرارتی پایین ویژگی معمولی ایروژل است که به طور برجسته در عایق حرارتی با کارایی بالا استفاده شده است. به عنوان مثال، سیلیکا ایروژل یک عایق حرارتی فوق العاده است که دارای هدایت حرارتی کمتر از 12 mW/(mK) است. در مقایسه با عایق های معمولی، این ایروژل سیلیکا به دلیل اندازه حفره های کوچک خود رسانایی حرارتی کمتری دارد که می تواند رسانایی فاز گاز را محدود کند.
آئروژل ها همچنین می توانند در حذف فلزات سنگین، جذب گاز، محصور کردن زباله های رادیواکتیو، رهایش دارو، حسگرها، شناسایی ذرات هسته ای (چرنکوف)، اپتیک (راهنماهای نور)، پمپ نادسن، دستگاه های الکترونیکی (سلول های خورشیدی، خازن ها)، کاتالیز و پوشش‌های سطحی (پوشش‌های خود تمیز شونده، پوشش‌های مقاوم در برابر مواد شیمیایی و غیره) استفاده شوند.
با این حال، آئروژل ها دارای معایبی مانند شکنندگی، صلبیت، تشکیل گرد و غبار، حجیم بودن و غیره هستند که کاربرد گسترده آن ها را محدود می کند. سنتز کامپوزیت های ایروژل تقویت شده با الیاف یکی از موثرترین روش ها برای کاهش شکنندگی آئروژل ها است. با این حال، کامپوزیت ایروژل تقویت شده با الیاف یک مشکل عمده دارد و آن انتشار گرد و غبار از الیاف است. پوشش آئروژل ها بر روی بسترهای مختلف از جمله راه حل های رفع مشکل فوق می باشد.
پوشش‌های سطحی آئروژل‌ها بر روی بسترهای مختلف را می‌توان با تکنیک پوشش سل – ژل انجام داد. سایر روش‌های پوشش هواژل عمدتاً شامل پوشش‌های غوطه‌وری، پاشش و چرخش و همچنین پوشش‌های میله و جریان است.
فرایند شگفت‌انگیز تهیه آئروژل
همان طور که قبلا ذکر شد، یک آئروژل به طور کلی از طریق فرآیندی به نام فرآیند سل – ژل سنتز می شود. فرآیند سنتز آئروژل ها تقریباً بین همه انواع آئروژل ها رایج است. روش سنتز سل – ژل شامل سه مرحله اصلی است: 1. آماده سازی ژل، 2. پیر شوندگی ژل و 3. خشک کردن ژل.
مسیر کلی در شکل زیر نشان داده شده است.
انواع آئروژل‌های رایج: شاهکارهای سبک و متخلخل علم مواد
از انواع آئروژل‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. آئروژل های مبتنی بر سیلیس
از زمان اختراع فرآیند سل – ژل توسط کیستلر، آئروژل های مبتنی بر سیلیس (SBA) اولین آئروژل های معدنی شناخته شده در جهان هستند. SBA نوعی مواد با ویژگی‌های منحصر به فرد مانند تخلخل بالا و سطح ویژه، چگالی کم و هدایت حرارتی پایین هستند. و همچنین ثابت دی الکتریک بسیار کم (k = 1.0-2.0) و ضریب شکست کم (حدود 1.05) از ویژگی هی منحصر به فرد آن ها است.
بیش از 96 درصد از ماتریس SBA توسط هوا اشغال شده است. بخش باقیمانده ماتریس wispy SiO2 است. تا به حال، سنتز SBA عمدتاً از طریق روش سل – ژل با تراکم کنترل شده ذرات کوچک کلوئیدی در محلول آبی الکل و به دنبال آن یک فرآیند خشک کردن فوق بحرانی انجام شده است. روش سنتز به طور کلی سه مرحله دارد: 1. آماده سازی ژل، 2. پیری و 3. خشک کردن
همانطور که گزارش شد، پرکاربردترین پیش سازها در تهیه SBA آلکوکسیدهای سیلیکونی هستند که می توان با خلوص بالا به دست آورد. SBA را می توان به اشکال مختلف سنتز کرد، به عنوان مثال، یکپارچه، دانه، پودر و فیلم، مطابق با کاربردهای مورد نظرشان.
2. آئروژل های مبتنی بر پلیمر
برخلاف SBA که شکننده و مرطوب است، آئروژل های مبتنی بر پلیمر (PBA) معمولاً پایداری بالاتری را برای کاربردهای مختلف، به ویژه در محیط های شدید انجام می دهند. PBAها معمولاً شامل آئروژل‌های مبتنی بر سلولز، رزین، پلی‌آمید و پلی وینیل الکل هستند. این PBA های متنوع می توانند ساختارها و خواص متفاوتی را نشان دهند.
تحت تأثیر نوع پلیمر و شرایط آماده سازی، ساختار PBA ها می تواند از نانو ذرات کلوئیدی گرفته تا شبکه های نانوفیبریل/میکروفیبریل و حتی اسکلت های ورقه مانند متفاوت باشد. علاوه بر این، پارامترهای ساختار (شامل ترتیب، اندازه منافذ و شکل) تا حد زیادی بر عملکرد ماکروسکوپی نهایی PBA ها تأثیر می گذارد. سنتز اکثر PBA ها معمولاً یک فرآیند دو مرحله ای دارد.
علاوه بر آئروژل های پلیمری فوق الذکر، سایر ذرات آئروژل پودری با اندازه های مختلف از زیر میکرومتر تا چند صد میکرومتر نیز می توانند با استفاده از روش سل – ژل از پیش سازهای پلیمری ساخته شوند. موادی که به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفتند آئروژل‌های مبتنی بر رزورسینول فرمالدئید و ملامین فرمالدئید بودند. از طریق پلی تراکم بین رزورسینول یا ملامین و فرمالدئید در محلول آبی ضعیف قلیایی که معمولاً توسط NaOH یا NaHCO3 کاتالیز می شود، این آئروژل ها می توانند با موفقیت آماده شوند.
به طور کلی، این آئروژل‌ها غیرشفاف بودند و دارای سطح ویژه تقریباً 300 متر مربع بر گرم و چگالی حجمی 0.24 گرم بر سانتی‌متر مکعب بودند.
3. آئروژل های کربنی
آئروژل‌های کربنی (CAs) عموماً از طریق کربن دار‌کردن آئروژل‌های پلیمری، که توسط مسیر سل – ژل از چند تراکم مونومرهای آلی مختلف تهیه می‌شوند، تهیه می‌شوند. آن ها به عنوان یک دسته از مواد کاربردی جذاب برای عایق در دمای بالا در اتمسفرهای غیر اکسید کننده یا خلاء در نظر گرفته می شوند.
گسترده‌ترین آئروژل‌های پلیمری مورد مطالعه برای کربن‌سازی آن هایی هستند که از مخلوط های آبی رزورسینول و فرمالدئید حاوی کاتالیزور بازی یا اسیدی ساخته می‌شوند. به طور کلی، چهار مرحله اصلی را می توان در سنتز CAs طبقه بندی کرد: 1. آماده سازی مخلوط سل و ژل شدن بیشتر، 2. پخت ژل، 3. خشک کردن ژل مرطوب و 4. کربن دار کردن ژل خشک شده و گاهی اوقات فعال کردن بیشتر مشتق کربن شده.
CA ها جامدات متخلخل و باز هستند که از شبکه ای سه بعدی از ذرات اولیه کروی و به هم پیوسته تشکیل شده اند. با تغییر شرایط سنتز، قطر منافذ و اندازه ذرات را می توان به طور خاص در محدوده چند نانومتر تا چند میکرومتر تنظیم کرد، و تخلخل تا 99٪ برای CA را می توان به دست آورد، بنابراین CA ها را به تطابق با کاربردهای عایق حرارتی سوق داد. به ویژه در دماهای بالا و همچنین برای کاتالیزور، دستگاه های پوشیدنی و الکترودها در ابرخازن ها.
به غیر از کربن دار کردن آئروژل های پلیمری، سنتز مستقیم آئروژل های کربنی از گرافیت (اکسید گرافن، GO) در سال های اخیر گزارش شده است.
کلام آخر
آئروژل‌ها، این مواد شگفت‌انگیز و فوق‌سبک، با ساختارهای متخلخل و ویژگی‌های بی‌نظیر، به عنوان یکی از نوآوری‌های برجسته در علم مواد شناخته می‌شوند. از سیلیس و کربن گرفته تا آلومینا، هر نوع آئروژل کاربردها و ویژگی‌های منحصر به فردی دارد که آن را برای صنایع مختلف، از عایق‌های حرارتی و حذف فلزات سنگین گرفته تا کاربردهای دارویی و حسگرها، ایده‌آل می‌سازد.
با وجود معایبی چون شکنندگی و گرد و غبار، تلاش‌های فراوانی برای بهبود این مواد از طریق سنتز کامپوزیت‌ها و پوشش‌های پیشرفته انجام شده است. این پیشرفت‌ها، پتانسیل آئروژل‌ها را برای تغییر صنایع مدرن دوچندان کرده و راه را برای کاربردهای گسترده‌تر در آینده باز می‌کند. آئروژل‌ها به‌راستی نماینده‌ای از نوآوری بی‌پایان علم مواد هستند.