هواژل چیست؟ آشنایی با سبک ترین ماده جهان

ایروژل (هواژل) یک ماده فوق سبک است که به طور مصنوعی از ژلی تولید می شود که در آن جزء مایع با گاز جایگزین شده است. این ماده شفاف به عنوان سبک‌ترین ماده جامد در جهان شناخته می شود که چگالی آن برابر 3 میلی گرم بر سانتی متر مربع است. چگالی کم در کنار مشخصات فوق العاده عالی این ماده، آن را به یک انتخاب عالی برای اجرا در پروژه های مختلف عایق کاری تبدیل کرده است

هواژل (ایروژل) علی رغم سبکی فوق العاده آن که بین 50 تا 99 درصد حجم ماده اصلی است، به دلیل ساختار دندریتی که دارد از نظر ساختاری بسیار قوی است. این ساختار که طول موج های مرئی را می شکند و به ژل رنگ آبی دودی می دهد، ذرات کروی در خوشه هایی به یکدیگر متصل می شوند که زنجیره‌های فراکتالی سه بعدی و بسیار متخلخل را تشکیل می‌دهند. از آنجایی که منافذ، که در محدوده نانومتری قرار دارند، برای عبور هوا بسیار کوچک هستند، این ماده یک عایق بسیار موثر است. در حالی که اندازه و چگالی منافذ را می توان در فرآیند ساخت کنترل کرد، اما آرایش ساختاری خاص، هواژل ها آن ها را مستعد شکنندگی می کند

اصطلاح ایروژل (هواژل) برای اولین بار در سال 1932 توسط دانشمند و مهندس شیمی آمریکایی ساموئل استیون کیستلر (1900 – 1975) به جهان معرفی شد. تجاری سازی هواژل ها در سال 1942 با همکاری مونسانتو که Santocel انجام شد. موسانتو این محصول را به عنوان یک ماده جامد سبک، شکننده و کمی مادی که حاوی 95 درصد حجم هوا است، توصیف کرد. این یک ماده عایق حرارت بسیار موثر است. با این حال به دلیل هزینه های بالای تولید و توسعه سیلیس ارزان قیمت، این شرکت تحقیقات خود را در مورد ایروژل ها را در دهه 1960 متوقف کرد. علاقه به این ماده و به ویژه رسانایی حرارتی بسیار پایین آن، در دهه 1980 با اهمیت بیشتر و با هدف حفاظت از انرژی دوباره ظهور کرد. با این حال، هزینه های بالای ساخت همچنان مانع از کاربرد بیشتر آن می شود

●سیلیس

●اکسیدهای فلز گذار مانند اکسید پراسئودیمیوم

●چندین گروه اصلی اکسید فلز از جمله اکسید قلع

●پلیمرهای آلی از جمله رزورسینول فرمالدئید، پلی

●اکریلات، پلی استایرن، فنل فرمالدئید، پلی اورتان و

●ماده اپوکسی

●پلیمرهای بیولوژیکی مانند ژلاتین و پکتین

●نانوساختارهای نیمه رسانا

●کربن

●نانو لوله های کربنی

●فلزات سنگین مانند مس و طلا

مروری بر ویژگی ها و مزایای ایروژلها (هواژل)

عایق حرارتی عالی

ایروژل یا هواژل (ایروژل) محصولی است که با خاصیت عایق حرارتی بسیار خوب، می تواند در بسیاری از پروژه ها به بهترین شکل استفاده شود. این نوع عایق، رسانای حرارتی بسیار ضعیفی است و می تواند به خوبی در برابر انتقال حرارت از نوع رسانایی و همرفت مقاومت کند.

خاصیت آبدوستی

ایرووژل ها دارای خاصیت آبدوستی هستند و اگر رطوبت را جذب کنند، باعث ایجاد تغییرات ساختاری و انقباض مانند خواهند شد. از این رو استفاده از آن برای آبگریز ساختن آن ها در یک تصفیه شیمیایی بسیار مهم بوده و می تواند از تخریب نیز جلوگیری کند.

تخلخل بسیار بالا

ساخت هواژل به گونه ای انجام می شود که تخلخل این ماده بسیار بالا رود. تخلخل بالای این ماده باعث می شود تا شبکه گازهای درون مواد را به دام خود بیندازد و آن ها را مجبور کند تا در منافذ موجود در ماده باقی بمانند. از این رو آن ها برای فیلتراسیون محیطی نیز قابل استفاده اند.

عایق ضد آب

ایروژل ها حاوی ذرات با قطر 2 تا 5 نانومتر هستند. پس از فرآیند ایجاد هواژل، مقدار زیادی گروه های هیدروکسیل روی سطح باقی می مانند که این گروه های هیدروکسیل می توانند هنگامی که ایروژل ها در آب قرار می گیرند، واکنش شدیدی را ایجاد کنند و باعث حل شدن آن در آب گردند. یکی از راه های ضد آب کردن ایروژل های آبدوست این است که آن ها را در پایه های شیمیایی خیسانده شوند.

خواص نوری

ایروژل ها بسته به نوع تولید و مواد اولیه تشکیل دهنده، خواص نوری متفاوتی را در اختیار قرار می دهند. این مواد در هنگام مواجهه با نور به رنگ زرد و در تاریکی به رنگ آبی هستند. البته اگر هواژل (ایروژل) از نوع فلزی و کربنی باشد، رنگ آن کاملا متفاوت از هواژل های سیلیکاتی است که ذکر کردیم.

خواص مکانیکی

شکنندگی، انعطاف پذیری و پایداری ابعاد از جمله خواص مکانیکی هواژل ها محسوب می شوند. فشار الاستیک در ایروژل ها در حدود 2 الی 4 درصد بوده و استحکام کششی نیز بالا است. این ایروژل ها از طریق کاتالیزورهای اسیدی و خنثی تهیه می شوند که ویژگی های مکانیکی آن ها تا حد زیادی بستگی به مواد تشکیل دهنده و نوع کاتالیزورهای استفاده شده دارد

ایروژل با چه فرآیندهایی تولید میشود؟

ایروژل (هواژل) به عنوان سبک ترین ماده جامد در دنیا به گونه ای تولید می شود که بخش آبی آن حذف و با گاز جایگزین می گردد. فرایند تولید این ماده بسته به مواد تشکیل دهنده، نوع کاتالیزورها و شرایط دیگر متفاوت است؛ اما به طور کلی، در مرحله اول ذرات سیلیکاتی الیگومر خطی به وجود می آورند و در مرحله بعدی این مواد می توانند در حلال به هم متصل گردند و یک ژل با ساختار مناسب را به وجود آورند. ژل بدست آمده اگر از نوع نانوذره باشد با نام کلوئید و اگر به شکل خطی باشد، با نام پلیمر شناخته می شود. آماده سازی ایروژل ها به ویژه ایروژل های سیلیسی شامل سه مرحله متمایز است که شامل انتقال سل به ژل و ژل شدن، تشکیل شبکه و انتقال ژل به ایروژل یعنی خشک کردن هستند

انواع هواژل

هواژل سیلیکاتی (Silica Aerogel)

هواژل فلزی (Metal Aerogel)

هواژل کربنی (Carbon Aerogel)

هواژل پلیمری (Polymer Aerogel)

هواژل سیلیکا – کربن (Silica-Carbon Aerogel)

هواژل سیلیکاتی چیست و چرا رایجتر است؟

یکی از متداول‌ترین انواع ایروژل های موجود در بازار، ایروژل سیلیکاتی است. این محصول بر پایه سیلیس تولید می شود و با نام دود یخ زده و دود جامد نیز شناخته می شود. چگالی هواژل سیلیکاتی 1000 گرم بر متر مکعب است. سیلیس در واقع خوشه های سه بعدی در هم تنیده ای است که تنها 3 درصد حجم این هواژل را تشکیل می دهد. رسانایی این جامد بسیار کم است و به دلیل داشتن 97 درصد حجم باقی مانده از هوا در نانو منافذ بسیار کوچک، می تواند از انتقال گاز و حرارت نیز جلوگیری کند.انتقال نوری هواژل (ایروژل) بالای 99 درصد است و ضریب شکست آن پایین می باشد. با توجه به پرتوهای ورودی با توان بالا، هیچ گونه جوش یا ذوبی را در اثر شرایط خاص از خود نشان نمی دهد. شاید بتوان ژل سیلیکاتی را به عنوان یک محصول نامیرا شناخت که هیچ گاه از بین نمی رود. این ایروژل (هواژل) دارای خواص حرارتی بسیار عالی است و رسانایی حرارتی بسیار کمی دارد.