Airgel
Airgel เป็น สังเคราะห์ พรุน วัสดุเบา ที่ได้จาก เจล ซึ่งส่วนประกอบ ของเหลว สำหรับเจลถูกแทนที่ด้วย ก๊าซ โดยไม่มีการยุบตัวของโครงสร้างเจลอย่างมีนัยสำคัญ ผลลัพธ์ที่ได้คือของแข็งที่มีความหนาแน่น ต่ำมาก และการนำความร้อน ต่ำมาก ชื่อเล่น ได้แก่ ควันเยือกแข็งควันทึบอากาศทึบเมฆทึบควันสีน้ำเงินเนื่องจากลักษณะ โปร่งแสง และวิธี แสงกระจาย ในวัสดุ ซิลิกาแอโรเจลให้ความรู้สึกเหมือน พอลิสไตรีนที่เปราะบางขยายตัว เมื่อสัมผัสในขณะที่แอโรเจลที่ทำจากโพลีเมอร์บางชนิดให้ความรู้สึกเหมือนโฟมแข็ง Aerogels สามารถสร้างได้จากสารประกอบทางเคมีหลายชนิด
Airgel ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกโดย Samuel Stephens Kistler ในปี 1931 อันเป็นผลมาจากการเดิมพันกับ Charles Learned ว่าใครสามารถแทนที่ของเหลวใน “เยลลี่” ด้วยแก๊สโดยไม่ทำให้เกิดการหดตัว
Aerogels ผลิตขึ้นโดยการแยกส่วนประกอบที่เป็นของเหลวของเจลผ่าน การทำให้แห้งแบบวิกฤตยิ่งยวด หรือ การทำให้แห้งแบบเยือกแข็ง สิ่งนี้ช่วยให้ของเหลวถูกทำให้แห้งอย่างช้าๆโดยไม่ทำให้เมทริกซ์ที่เป็นของแข็งในเจลยุบตัวจาก การกระทำของเส้นเลือดฝอย เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับ การระเหย แบบเดิม แอโรเจลรุ่นแรกผลิตจาก ซิลิกาเจล งานในภายหลังของ Kistler เกี่ยวข้องกับ aerogels ที่ใช้ alumina , chromia และ tin dioxide คาร์บอน aerogels ได้รับการพัฒนาครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1980
คุณสมบัติ
ดอกไม้อยู่บนชิ้นส่วนของแอร์เจลซึ่งห้อยอยู่เหนือเปลวไฟจาก เตา Bunsen แอร์เจลมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยมและดอกไม้ยังได้รับการปกป้องจากเปลวไฟ
แม้จะมีชื่อ แต่แอโรเจลเป็นวัสดุที่แข็งแข็งและแห้งซึ่งไม่มีลักษณะคล้ายเจลในคุณสมบัติทางกายภาพ: ชื่อนี้มาจากข้อเท็จจริงที่ว่า ทำจากเจล โดยทั่วไปแล้วการกดเบา ๆ บน airgel จะไม่ทิ้งรอยแม้แต่น้อย การกดให้แน่นมากขึ้นจะทำให้เกิดภาวะซึมเศร้าอย่างถาวร การกดให้แน่นมากจะทำให้เกิดการสลายหายนะในโครงสร้างเบาบางทำให้แตกเป็นเสี่ยง ๆ เหมือนแก้ว (คุณสมบัติที่เรียกว่า ความเปราะบาง ) แม้ว่ารูปแบบที่ทันสมัยกว่าจะไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งนี้ แม้ว่าจะมีแนวโน้มที่จะแตกเป็นเสี่ยง ๆ แต่ก็มีโครงสร้างที่แข็งแรงมาก ความสามารถในการรับน้ำหนักที่น่าประทับใจเกิดจากโครงสร้างจุลภาค dendritic ซึ่งอนุภาค ทรงกลม ขนาดเฉลี่ย 2–5 นาโนเมตร ถูกหลอมรวมกันเป็นกลุ่มก้อน คลัสเตอร์เหล่านี้ก่อตัวเป็นโครงสร้างสามมิติ พรุน สูงเกือบ แฟร็กทัล โซ่โดยมีรูพรุนต่ำกว่า 100 นาโนเมตร สามารถควบคุมขนาดและความหนาแน่นโดยเฉลี่ยของรูขุมขนได้ในระหว่างกระบวนการผลิต
Airgel เป็นวัสดุที่มีอากาศ 99.8% Aerogels มีโครงข่ายทึบที่มีรูพรุนซึ่งมีช่องอากาศโดยที่กระเป๋าอากาศใช้พื้นที่ส่วนใหญ่ภายในวัสดุ การขาดแคลนวัสดุที่เป็นของแข็งช่วยให้แอร์เจลแทบไม่มีน้ำหนัก
Aerogels เป็นฉนวนกันความร้อน ที่ดี เพราะเกือบจะทำให้สองในสามวิธีของ การถ่ายเทความร้อน เป็นโมฆะ – การนำ (ส่วนใหญ่ประกอบด้วยก๊าซฉนวน) และการพาความร้อน (the โครงสร้างจุลภาคป้องกันการเคลื่อนที่ของก๊าซสุทธิ) เป็นฉนวน นำไฟฟ้า ที่ดีเนื่องจากประกอบด้วยก๊าซเกือบทั้งหมดซึ่งเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดีมาก (ซิลิกาแอร์เจลเป็นฉนวนที่ดีเป็นพิเศษเนื่องจากซิลิกาเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดีในทางกลับกันแอร์เจลที่เป็นโลหะหรือคาร์บอนจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่า) เป็นสารยับยั้ง การหมุนเวียน ที่ดีเนื่องจากอากาศไม่สามารถไหลเวียนได้ ผ่านตาข่าย Aerogels เป็นฉนวน radiative ที่ไม่ดีเนื่องจากรังสีอินฟราเรด (ซึ่งถ่ายเทความร้อน) ผ่านเข้าไป
เนื่องจากธรรมชาติของ ดูดความชื้น แอร์เจลจึงรู้สึกแห้งและทำหน้าที่เป็น สารดูดความชื้น ที่แข็งแกร่ง ผู้ที่ต้องใช้แอร์เจลเป็นเวลานานควรสวมถุงมือเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดจุดเปราะแห้งบนผิวหนัง
สีเล็กน้อยเกิดจาก การกระเจิงของ Rayleigh ของความยาวคลื่น ที่สั้นกว่า ของ แสงที่มองเห็น โดยโครงสร้าง dendritic ขนาดนาโน ทำให้มีสีฟ้าควันเมื่อพื้นหลังสีเข้มและสีเหลืองตัดกับพื้นหลังที่สว่าง
Aerogels ด้วยตัวเองคือ ชอบน้ำ และหากดูดซับความชื้นก็มักจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเช่นการหดตัวและเสื่อมสภาพ แต่การย่อยสลายสามารถป้องกันได้โดยการทำให้ ไม่ชอบน้ำ ผ่านการบำบัดทางเคมี แอโรเจลที่มีการตกแต่งภายในที่ไม่ชอบน้ำมีความไวต่อการย่อยสลายน้อยกว่าแอโรเจลที่มีเพียงชั้นนอกที่ไม่ชอบน้ำแม้ว่ารอยแตกจะทะลุผ่านพื้นผิวก็ตาม
Knudsen effect
Aerogels อาจมี การนำความร้อน น้อยกว่าก๊าซที่มีอยู่ สิ่งนี้เกิดจาก Knudsen effect การลดการนำความร้อนในก๊าซเมื่อขนาดของโพรงที่ล้อมรอบก๊าซเทียบได้กับ เส้นทางว่างเฉลี่ย อย่างมีประสิทธิภาพโพรงจะ จำกัด การเคลื่อนที่ของอนุภาคของก๊าซทำให้การนำความร้อนลดลงนอกเหนือจากการกำจัดการพาความร้อน ตัวอย่างเช่นการนำความร้อนของอากาศประมาณ 25 mW / m · K ที่ STP และในภาชนะขนาดใหญ่ แต่ลดลงเหลือประมาณ 5 mW / m · K ในรูพรุน 30 นาโนเมตรที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง
โครงสร้าง
โครงสร้างของ Airgel เป็นผลมาจาก sol-gelพอลิเมอไรเซชัน ซึ่งเมื่อ โมโนเมอร์ (โมเลกุลอย่างง่าย) ทำปฏิกิริยากับโมโนเมอร์อื่นเพื่อสร้างโซลหรือ a สารที่ประกอบด้วย โมเลกุลขนาดใหญ่ที่เชื่อมโยงและเชื่อมโยงกันโดยมีการสะสมของสารละลายของเหลวอยู่ เมื่อวัสดุได้รับความร้อนขั้นวิกฤตของเหลว จะระเหย และถูกผูกมัด cross-linked macromolecule frame จะถูกทิ้งไว้ข้างหลัง ผลของการเกิดพอลิเมอไรเซชันและการให้ความร้อนขั้นวิกฤตคือการสร้างวัสดุที่มีโครงสร้างแข็งแรงที่มีรูพรุนซึ่งจัดว่าเป็นแอร์เจล การเปลี่ยนแปลงในการสังเคราะห์สามารถเปลี่ยนพื้นที่ผิวและขนาดรูพรุนของแอร์เจลได้ ขนาดรูพรุนที่เล็กลงก็จะยิ่งเสี่ยงต่อการแตกหักของ airgel ได้มากขึ้น
การกันน้ำ
Airgel ประกอบด้วยอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2–5 นาโนเมตร หลังจากขั้นตอนการสร้างแอร์เจลจะมี หมู่ไฮดรอกซิล จำนวนมากบนพื้นผิว หมู่ไฮดรอกซิลสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยารุนแรงเมื่อวางแอร์เจลลงในน้ำทำให้ละลายในน้ำอย่างย่อยยับ วิธีหนึ่งในการกันน้ำของ ไฮโดรฟิลิก แอร์เจลคือการแช่แอร์เจลด้วยฐานเคมีบางส่วนที่จะแทนที่หมู่ไฮดรอกซิลที่พื้นผิว (–OH) ด้วยกลุ่มที่ไม่มีขั้ว (–OR) ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อ R คือ aliphaticgroup.
ความพรุนของ airgel
มีหลายวิธีในการตรวจสอบความพรุนของ airgel: สามวิธีหลักคือการดูดซับก๊าซ รูพรุนของปรอทและวิธีการกระจาย ในการดูดซับก๊าซไนโตรเจนที่จุดเดือดจะถูกดูดซับเข้าไปในตัวอย่างของแอร์เจล ก๊าซที่ถูกดูดซับขึ้นอยู่กับขนาดของรูพรุนภายในตัวอย่างและความดันบางส่วนของก๊าซเทียบกับ ความดันอิ่มตัว ปริมาตรของก๊าซดูดซับวัดโดยใช้สูตร Brunauer, Emmit และ Teller (BET ) ซึ่งให้ พื้นที่ผิว เฉพาะของตัวอย่าง ที่ความดันบางส่วนสูงในการดูดซับ / การดูดซับสมการเคลวินจะให้การกระจายขนาดรูพรุนของตัวอย่าง ในรูพรุนของปรอท ปรอท ถูกบังคับให้เข้าไปในระบบรูพรุนของ airgel เพื่อกำหนดขนาดของรูพรุน แต่วิธีนี้ไม่มีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากโครงทึบของ airgel จะยุบตัวลงจากแรงอัดที่สูง วิธีการกระเจิงเกี่ยวข้องกับการเบี่ยงเบนขึ้นอยู่กับมุมของรังสีภายในตัวอย่างแอร์เจล ตัวอย่างอาจเป็นอนุภาคของแข็งหรือรูพรุน รังสีจะเข้าไปในวัสดุและกำหนดรูปทรงเรขาคณิตเศษส่วนของโครงข่ายรูพรุนของแอร์เจล ความยาวคลื่นรังสีที่ดีที่สุดที่จะใช้คือรังสีเอกซ์และนิวตรอน นอกจากนี้แอร์เจลยังเป็นเครือข่ายรูพรุนแบบเปิดความแตกต่างระหว่างเครือข่ายรูพรุนแบบเปิดและเครือข่ายรูพรุนแบบปิดคือในเครือข่ายแบบเปิดก๊าซสามารถเข้าและออกจากสารได้โดยไม่มีข้อ จำกัด ใด ๆ ในขณะที่เครือข่ายรูพรุนแบบปิดจะดักจับก๊าซภายในวัสดุบังคับ ให้อยู่ภายในรูขุมขน ความพรุนสูงและพื้นที่ผิวของซิลิกาแอโรเจลทำให้สามารถใช้ในการกรองสิ่งแวดล้อมที่หลากหลาย
