Aerojel Isı Yalıtım Malzemeleri

Aerojel yalıtım

Aerojel, bir jelin içerisindeki sıvı bileşenin hava ile değiştirilmiş olan katı maddelerdir. Duman gibi görüntü verdikleri için Donmuş duman veya "mavi duman" diye de adlandırılırlar. İlk olarak Steven Kistler tarafından 1931 yılında silika jel kullanılarak oluşturuldular. Büyük oranda havadan oluşurlar. En önemli özellikleri arasında çok hafif ve çok yalıtkan olmaları gelir. Çeşitli bilimsel araştırmalarda, tıpta, boyacılık, havacılık, kozmetik ve başka birçok sektörde, ayrıca NASA çalışmalarında da aerojeller kullanılmaktadır.
 

Aerojellerin Karakteristik Özellikleri


Yıllar boyunca, çok sayıda araştırmacı ve şirket, birçok benzersiz katı özelliğe sahip olduğu bilinen yüksek Silika Aerojel potansiyelinin iyileştirilmesine yönelik çalışmalarla ilgilenmiştir. 

Gözenek Yapısı

Silika Aerojeller oldukça gözenekli katı malzemelerdir. Yapıları esas olarak SiO2 zincirlerinin çapraz bağlı bir içyapısından ve hava ile dolu çok sayıda küçük gözeneklerden oluşur. Gözenek ağları, gözeneklerin birbirine bağlı olduğu açık gözenekli bir yapıdan oluşur. Dolayısıyla, sıvılar bir gözenekten diğerine akabilir ve malzeme içinde dolaşabilir. Bu çok benzersiz özellik sayesinde, Aerojeller, katalizör ve katalizör destekleri olarak olağanüstü bir şekilde kullanılmaktadır.

Aerojeller, yapılarında toplam hacmin%85 -%99.9'unu oluşturan çok sayıda gözeneğe sahip olması nedeniyle, özünde birçok benzersiz fiziksel, termal, optik ve akustik özelliğe sahiptir. Bununla birlikte, bu özelliklerin çoğu, Aerojellerde çok düşük olan olumsuz mekanik özellikleri etkiler.

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 'e göre katı maddelerde bulunan gözenekler boyutlarına göre üç farklı grupta sınıflandırılır. IUPAC, 2 nm'den küçük çaplara sahip gözenekleri mikro gözenekler olarak tanımlar. Mezogözenek olarak ise 2-50 nm arasında değişen çapa sahip olanlar olarak tanımlanmaktadır. 50 nm'den büyük çaplara sahip gözenekler makro gözenekler olarak adlandırılır. Aerojeller, gözeneklerinin çoğu mezo gözenekler olmak üzere yukarıda belirtilen tüm gözeneklere sahiptir. Gözenek çapları, ortalama 20-40 nm gözenek çapı ile 2-100 nm arasında değişir.

Aerojel mikroyapısının araştırılması ve gözenek boyutunun değerlendirilmesi için en yaygın kullanılan teknikler Taramalı elektron mikroskopları (SEM) ve transmisyon elektron mikroskoplarıdır (TEM). Ancak bu tekniklerin kullanımı, iki boyutlu görüntüler sundukları için numune hazırlama ve bilgilerin yorumlanması gibi çeşitli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Bu, özellikle Aerojeller gibi oldukça gözenekli malzemelerden elde edilen sonuçların işlenmesini ve yorumlanmasını çok zorlaştırır.

SEM ve TEM dışında, pozitron anihilasyon spektroskopisi (PAS), küçük açılı X-ışını saçılması (SAXS), atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve nükleer manyetik rezonans (NMR) gibi bir dizi tahribatsız teknikleri Aerojel özelliklerinin değerlendirilmesi için kullanılır.

Yoğunluk

Aerojellerin, insanlar tarafından şimdiye kadar yapılmış en hafif katı malzemeler olduğu bilinmektedir. Oldukça hafif olmaları, hava ile dolu %85 -%99,8 gözeneklerden oluşan yüksek gözenekli yapılarından kaynaklanmaktadır. Son derece ilginç gözeneklilikleri ve hafiflikleri nedeniyle Aerojeller şu anda NASA tarafından katalizör, emici, sensör, yakıt depolama, ICF için iyon değişim hedefleri, X-ışını lazerleri, deniz altı boru hatları, uzay giysileri ve toz toplayıcı üretiminde kullanılmaktadır. Aerojellerin katı kısmının dokusu, ultra ince parçacıklardan oluşur. Silika Aerojeller, değeri %1 ila %10 arasında değişen küçük bir katı Silika fraksiyonuna sahiptir.

Silika Aerojellerin yoğunluğu genellikle kütle yoğunluğu (ρb) ve iskelet yoğunluğu (ρs) olarak bilinen iki farklı özelliğe göre belirlenir. ASTM D3766'ya göre iskelet yoğunluğu, ayrı katı malzeme parçalarının kütlesinin, parçalardaki katı malzeme hacimlerinin toplamına ve parçalar içindeki kapalı gözeneklere oranıdır. Kütle yoğunluğu ise, “ayrı ayrı katı malzeme parçalarının kütlesinin, her parçadaki katıların hacimlerinin toplamına, parçalar içindeki boşluklara ve belirli koleksiyonun parçaları arasındaki boşluklara oranıdır”.

Aerojellerin gözenek ağının açık gözenekli bir yapı olduğu gerçeği göz önüne alındığında, partiküllerdeki gözeneklerin iskelet yoğunluğu, dökme katı ile aynı veya çok yakın olmalıdır. Ayrıca, Aerojeller gibi katı malzemelerin yoğunluğu doğrudan gözenekliliğe ve havanın yoğunluğuna bağlı olduğundan, Aerojel sentezinde kullanılan yöntem ve prosedür, Aerojellerin nihai yoğunluğu üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

Hidrofobiklik

Kullanım ve üretim tekniğine bağlı olarak Silika Aerojelleri hidrofilik veya hidrofobik olarak üretilebilir. İnşaat sektöründe Aerojellerin hidrofobikliği nem ile temas etmeleri nedeniyle büyük önem taşımaktadır. Aerojel ağındaki (Si-OH) silanol polar grubu, suyun emilmesine neden olur ve hidrofilik bir davranışa yol açar. Aerojellerin nem ile teması, gözeneklerdeki yüzey gerilimi nedeniyle Aerojellerin bozulmasına ve tahrip olmasına yol açar. Ayrıca, Aerojellerin gözeneklerini dolduran suyun varlığı, hafiflik ve gözeneklilik gibi Aerojellerin birçok önemli özelliğini bozar ve böylece termal iletkenlik gibi olumsuz özellikleri etkiler. Aerojellerin bu istenmeyen etkilerden korunması için, Aerojellerin su ve buhar itici olacak şekilde hidrofobik bir durumda üretilmesi gerekir. Silika Aerojeller genellikle, gözenek yüzeyine sililasyon ajanı gibi polar olmayan yan fonksiyonun eklenmesiyle hidrofobik hale getirilir. Polar olmayan yan fonksiyonun tanıtılması genellikle ortak öncü yöntemi ve türetme yöntemi olarak bilinen en yaygın iki yöntem kullanılarak gerçekleştirilir.

Ortak öncü yöntemi esas olarak, sol-jel adımı sırasında sol ile karıştırılan organik grubu içeren hidrofobik bir reaktiften oluşur ve daha sonra jel, metanolden yüksek sıcaklıkta süper kritik olarak kurutulur. Bu yöntem ortam basıncında kurutma yöntemlerinde de kullanılmaktadır.

Türetme yöntemi, jelin hidrofobik reaktif ve bir çözücü içeren bir kimyasal banyoya batırılmasından oluşur. Daha sonra jel, metanolden süper kritik olarak kurutulur.
TMOS ve TEOS ile birlikte eş öncüllerde veya türevlendirme reaktiflerinde en yaygın olarak kullanılan Organik gruplar, metiltrimetoksisilan, feniltrietoksisilan, dimetilklorosilan, trimetilklorosilan, trimetiletoksisilan ve heksametildisilazan gibi organosilan bileşikleridir. Ayrıca, Methyltrimethoxysilane bir öncü olarak da kullanılabilir.

Mekanik Özellikleri

Katı malzemelerin basınç dayanımı gibi mekanik özelliklerin genellikle gözeneklilikle doğru orantılı olduğu iyi anlaşılır. Bu nedenle, Silika Aerojellerin oldukça gözenekli yapısı göz önüne alındığında, mekanik mukavemetlerinin daha düşük olacağı sürprizlerle karşılaşmaz. Bununla birlikte, Silika Aerojellerin basınç dayanımının nispeten makul derecede yüksek olduğu kabul edilir. Literatürde daha önce bildirilen değerler, iyi bir yük taşıma olarak kabul edilen 300 kPa'ya kadar çıkmaktadır. Öte yandan, yaklaşık 16 kPa olan çok düşük gerilme mukavemetleri, Aerojelleri çok kırılgan hale getirir. Literatürde, bir fiber matris dahil edilerek Aerojellerin gerilme mukavemetinin iyileştirilmesine yönelik çalışmalar bildirilmiştir.

Aerojellerin Karakterizasyonu

Aerojellerin karakterizasyonu için genellikle bir dizi teknik kullanılır. Sık kullanılmasına rağmen, bu tekniklerin her birinin avantajları ve sınırlamaları vardır. Bunlardan bazıları aşağıda sıralanmıştır.

Aerojel'in ısı yalıtımlı çimento esaslı kompozitlerin üretiminde kullanılmasıyla, amorf Aerojelin çimento esaslı kompozitlerin kristallik yapısı üzerindeki etkisinin belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu genellikle X ışını difraksonu (XRD) analizi kullanılarak elde edilir. XRD, nanoyapıya sahip kompozitlerde kristalinitenin değerlendirilmesi için güvenilir bir teknik olarak bilinir.

Malzemelerin morfolojik ve yapısal özelliklerinin temel detaylarının değerlendirilmesi için Elektron mikroskobu teknikleri, özellikle taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve transmisyon elektron mikroskobu (TEM), en çok kullanılan iki tekniktir.

Çimentolu malzemelerin termal yayılımını, yoğunluğunu ve mekanik dayanımını büyük ölçüde etkileyen ana özelliklerin, gözeneklerin boyutu, şekli, sayısı ve bağlayıcılığı olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, en çok aranan tekniğin, nitrojen gazı fizisorpsiyonu ve püskürtmeli civa porozimetrisi (MIP) olduğu sonucuna varılır.

Nitrojen absorbsiyon ölçümleri kullanılarak spesifik yüzey alanının belirlenmesi gerçekleştirilebilir. Genel olarak, Aerojel spesifik yüzey alanının BET'i 200-1000 m2 .g-1 arasında değişir. Bununla birlikte, bu tekniğin yalnızca yaklaşık 30 nm'ye kadar olan gözenekleri tespit edebilmesi nedeniyle, çıkarılan gözenek boyutu dağılımının ve toplam gözenek hacminin tamamen doğru ve güvenilir olmadığına inanılmaktadır.

Cıva Porozimetrisinin kullanımına gelince, cıvadaki yüzey gerilimi göz önüne alındığında, gerçekte mevcut olandan çok daha büyük gözenek boyutlarının elde edilmesine yol açan penetrasyon değil, yalnızca ince iskeletin sıkışması gerçekleşir.

Termal Özellikler

Termal özelliklerin anlaşılması, farklı malzemelerin termal davranışlarının anlaşılmasında önemli bir yere sahiptir. Tablo 2, termal özelliklere genel bir bakışı göstermektedir. Isıl iletkenlik (λ), bir maddenin ısıyı iletme kabiliyetidir ve W / mK cinsinden ölçülür. U-değeri olarak da bilinen ısıl geçirgenlik (U), bir yapının bir metrekaresi boyunca ısı transfer oranını tanımlar ve W / m2K cinsinden ölçülür. R-değeri olarak da bilinen termal direnç (R), ısı transfer mekanizmasının ortadan kaldırılması nedeniyle ısı akışına karşıdır ve m2K/W cinsinden ölçülür.

Isı yalıtım malzemeleri düşük ısı iletkenliğine sahiptir ve bu nedenle ısı akışını geciktirir. Termal geçirgenlik, bir bölme veya yapı boyunca termal akışı değerlendirmek için en çok kullanılan özelliktir. Düşük ısı iletkenliği, düşük ısı geçirgenliğine sahip ince bina zarflarının kullanılmasına izin verir.
 

Aerojelin Yapı Sektöründe Uygulanması


Cephe kaplaması vasıtasıyla binadan kaynaklanan ısı kaybı, yapı sektörünün tükettiği enerji miktarının artmasına büyük ölçüde katkıda bulunmaktadır. Bu nedenle, enerji kayıplarının azaltılması, daha az enerji tüketimine ve dolayısıyla karbondioksit emisyonlarının azalmasına neden olacaktır. Şu anda hemen hemen her inşaat projesinde binanın dış cephesi büyük bir kısmını beton, harç, sıva, diş ve iç kaplama ve tuğla gibi çimento esaslı malzemelerden oluşturmaktadır. Bu nedenle, binaların enerji kayıplarını azaltmanın en iyi yolu, bu çimento esaslı malzemelerin ısıl iletkenliğinin azaltılmasıdır. Daha az enerji kullanarak her yaşam alanındaki yaşam koşullarının iyileştirilmesi, dünyadaki birçok araştırmacının ilgisini çeken bir araştırma olmuştur.
Sizlere daha iyi hizmet sunulabilmesi için kişisel verileri koruma politikamız doğrultusunda çerezler kullanılmaktadır. Detaylı bilgi almak için Çerez Politikası metnini inceleyiniz.