تحليل أداء العزل الحراري وحقول التطبيق من مركبات Airgel الألياف المعززة

الهباء الجوي منخفض الكثافة ، وخاصة المواد الصلبة المتوسطة مع خصائص ممتازة ، بما في ذلك منخفضة الكثافة ، ومساحة سطح محددة عالية ، وانخفاض العزل الكهربائي ، والتوصيل الحراري المنخفض للغاية. ومن الأمثلة على ذلك الجرافين أو الهباء الجوي للأنابيب النانوية الكربونية ، والبولي يوريثان والبوليميد الهووجيل ، والهواء البوليمر الحيوي مثل السليلوز ، والشيتوزان ، والبروتين الهوائيات ، وكذلك المركبات والهجينة. في العقد الماضي ، كانت هناك زيادة متفجرة في الأوراق العلمية وبراءات الاختراع التي تصف مواد Airgel الجديدة وعمليات الإنتاج والتطبيقات ، وتغطية مناطق مثل العزل الحراري ، وأنظمة الولادة ، والعلاج البيئي ، والحفز ، والصوتيات.

على الرغم من الأهمية المتزايدة لحقل Airgel ، أو ربما بسبب ذلك ، فإن تعريف "Airgel " لا يزال مثيرًا للجدل. غالبًا ما تستند التعاريف المبكرة إلى تقنيات التجفيف المستخدمة في عملية الإنتاج ، مثل الهباء الجوي من التجفيف فوق الحرجة ، والكراغي من تجفيف التجميد ، والزيتوجيل من التجفيف التبخري. ومع ذلك ، تميل التعريفات الأكثر حداثة إلى التركيز على خصائص المواد ، وخاصة النسبة العالية من mesoporosity. في نهاية المطاف ، يشير التعريف الأوسع للأيروجيل إلى أي مادة مشتقة من هلام عن طريق استبدال سائل المسام بالهواء ، دون قيود على حجم المسام أو الخصائص الأخرى. يتضمن هذا التعريف الأوسع في المقام الأول مواد ماكروبوروس التي لا تمتلك mesoporosity ، أو مساحة السطح العالية ، أو الموصلية الحرارية المنخفضة للغاية المرتبطة عادةً بالهواء ، مثل رغاوي السليلوز المجففة بالتجميد.

يتم إنتاج Aerogels السيليكا من خلال عملية SOL-GEL ، مع تعديلات مختلفة مقترحة لتعزيز الموارد وكفاءة التكلفة. ومع ذلك ، لا تزال معظم العمليات تتبع نفس الخطوات الأساسية. عادةً ما يتم تشغيل Gelation of Silica Sols عن طريق إضافة الأحماض أو القواعد لتقليل استقرار الشحن للجسيمات النانوية. بعد الجيل ، يعزز تفاعل الانحلال للسيليكا التفاعلات بين الجسيمات ، وبالتالي تعزيز الاستقرار الميكانيكي للهلام. ينسب النجاح الصناعي لسيليكا Aerogels تقريبًا إلى أدائها في تطبيقات العزل الحراري. يمكن أن تكون الموصلية الحرارية منخفضة تصل إلى 0.012 واط/(م · ك) ، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى المسامية العالية والتعميمة لشبكة الجسيمات ، والتي تقيد توصيل حرارة المرحلة الصلبة. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لتأثير Knudsen ، فإن حجم المسام الصغير-يتوسط طول المسار الحرة لجزيئات الغاز-يحمل التوصيل الحراري للطور الغازي. أدت هذه الموصلية الحرارية المنخفضة للغاية (نصفها فقط للهواء المحيط والمواد العازلة التقليدية) إلى ظهور سوق سريع النمو بقيمة مئات الملايين من الدولارات.

ترتبط الموصلية الحرارية الكلية ارتباطًا وثيقًا بكثافة المواد ، كما هو مبين في الشكل 1. في مواد العزل التقليدية ، يلعب الإشعاع دورًا مهمًا ، وفي حالات أحجام المسام الكبيرة ، يصبح الحمل الحراري الجوي أيضًا غير مؤهل. مع زيادة الكثافة ، يتناقص نقل الحرارة الإشعاعي مع زيادة توصيل حرارة المرحلة الصلبة. بسبب هذه الآثار المتنافسة ، تظهر الموصلية الحرارية اعتمادًا على شكل حرف U على الكثافة. تنطبق نفس التأثيرات على مواد Airgel ؛ ومع ذلك ، نظرًا لأن أحجام مسام Airgel أصغر من المسار الحر المتوسط ​​للهواء ، يتم تقليل توصيل مرحلة الغاز بشكل كبير. هذا يقلل من تواتر تصادم جزيء الهواء ، وبالتالي خفض نقل الحرارة الغازية. وبالتالي ، فإن الحد الأدنى من إجمالي الموصلية الحرارية يتحول نحو الكثافة والمناطق المرتفعة ذات الموصلية الكهربائية المنخفضة (المتعددة).

تقوم الجسيمات النانوية للسيليكا Airgel ببناء بنية متعددة الشبكات من خلال التوصيل البيني ، لكن الترابط الضعيف بين الجزيئات ينتج عنه خصائص ميكانيكية سيئة ، وقوة منخفضة ، وهش في الهباء الجوي السيليكا النقي. لمعالجة هذه القضايا ، استكشف الباحثون استراتيجيات التعزيز المختلفة. ظهرت ألياف Aramid ، ذات الكثافة المنخفضة ، الموصلية الحرارية المنخفضة ، والقوة الميكانيكية العالية ، كخيار مثالي لتعزيز الهباء الجوي للسيليكا. مع درجة حرارة التحلل حوالي 450 درجة مئوية في الهواء ، فإن ألياف الأراميد مناسبة بشكل خاص لتطبيقات عزل درجة الحرارة العالية.

في عام 2016 ، تم تصنيع بنجاح بنجاح بنجاح بنجاح بنجاح من مركبات Airgel Airgel التي تعزز الألياف Aramid التي تعززها الألياف (AF/Airgel). بعد ذلك ، تم إدخال ألياف أراميد جليسيديل بروبيثوكسيسيلان (GPTMS) وألياف الألياف البوليتيتابلورو إيثيلين (PTFE). هذه المركبات لا تحتفظ فقط بكثافة منخفضة وانخفاض الموصلية الحرارية ولكن أيضا تحسن بشكل كبير قوة الضغط والانثناء.

وقد أظهرت المزيد من الدراسات أن الخواص الحرارية والميكانيكية لألياف الأراميد تجعلها فعالة للغاية لتطبيقات حماية البالستية. بالمقارنة مع نسيج Aramid وحده ، أظهرت عينات اختبار البالستية المتكاملة للهواء انخفاضًا بنسبة 72 ٪ في معدل ثقب النسيج. في عام 2021 ، الميدا وآخرون. مقارنة تأثيرات تعزيز الهباء الجوي للسيليكا مع ألياف أراميد وشعرت بها ، وجدت أن المركبات التي تتضمن أليافًا ممدودة أظهرت كثافة منخفضة ومرونة أكبر ، مما يجعلها مناسبة تمامًا لتطبيقات التكيف مع الشكل والاهتزاز.

مزيج من ألياف Aramid و Airgel يحقق تعزيزًا تكميليًا لخصائص المواد. كمكون معزز ، توفر ألياف Aramid دعمًا ميكانيكيًا قويًا للهواء ، مما يحسن من أدائها الميكانيكي ، في حين أن الهووجيل يساهم في عزلها الحراري وقدرات امتصاص الصوت ، ويعمل بشكل تآزري مع ألياف Aramid.

على سبيل المثال ، لا تحتفظ المركبات Aramid/Airgel التي تم إعدادها باستخدام عملية صنع الورق الرطبة المبللة فقط للخصائص الوظيفية لورق Aramid ولكن أيضًا تظهر مقاومة حرارة محسنة. هذه المركبات لديها آفاق تطبيق واسعة في العزل الحراري ، حيث توفر رؤى وإمكانيات جديدة للتقدم في علوم المواد.