公開された： 2025-03-05 起源： パワード
エアロゲルは低密度であり、主に低密度、高い比表面積、低誘電率、超低熱伝導率など、優れた特性を持つメソポーラス固体です。例には、グラフェンまたはカーボンナノチューブのエアロゲル、ポリウレタンおよびポリイミドエアロゲル、セルロース、キトサン、タンパク質エアロゲルなどのバイオポリマーエアロゲル、およびそれらの複合材料とハイブリッドが含まれます。特に過去10年間で、熱断熱材、送達システム、環境修復、触媒、音響などの領域をカバーする新しいエアロゲル材料、生産プロセス、および用途を説明する科学論文や特許が爆発的に増加してきました。
Airgelフィールドの重要性が高まっているにもかかわらず、またはおそらくそのために、"Airgel "の定義は議論の余地があります。初期の定義は、多くの場合、超臨界乾燥からのエアロゲル、凍結乾燥からの凍結、蒸発乾燥からのゼロゲルなど、生産プロセスで使用される乾燥技術に基づいていました。ただし、より最近の定義は、材料特性、特にメソポーリスの割合が高いことに焦点を当てる傾向があります。最終的に、Aerogelsの最も広い定義は、細孔液を空気に置き換えることにより、細孔サイズやその他の特性を制限することにより、ゲルから派生した材料を指します。このより広い定義には、主に、凍結乾燥セルロースフォームなど、メソポロシオン、高い表面積、または一般的にエアロゲルに関連する超低い熱伝導性を持たないマクロロス材料が含まれます。
シリカアロゲルは、リソースとコスト効率を高めるためにさまざまな変更が提案されているソルゲルプロセスを通じて生産されます。ただし、ほとんどのプロセスは依然として同じ基本的な手順に従います。シリカゾルのゲル化は、通常、ナノ粒子の電荷安定性を低下させるために酸または塩基を添加することによりトリガーされます。ゲル化後、シリカの溶解前処置反応は粒子間相互作用を強化し、それによりゲルの機械的安定性を高めます。 Silica Aerogelsの産業的成功は、熱断熱用途での性能にほぼ完全に起因しています。それらの熱伝導率は、主に固相の熱伝導を制限する粒子ネットワークの多孔性と拷問が高いため、0.012 W/（M・K）という低い場合があります。さらに、Knudsen効果により、細孔サイズが小さく、ガス分子の平均自由経路長を産むと、ガス相の熱伝導が低下します。この超低熱伝導率（周囲空気と従来の断熱材の半分のみ）は、数億ドル相当の急速に成長している市場を生み出しています。
図1に示すように、総熱伝導率は材料密度に密接に関連しています。従来の絶縁材料では、放射線が重要な役割を果たし、大規模な細孔サイズの場合、空気対流も逆合成できません。密度が増加すると、放射線熱伝達が減少しますが、固相の熱伝導が増加します。これらの競合効果により、熱伝導率は密度にU字型の依存性を示します。同じ影響がエアロゲル材料に当てはまります。ただし、エアロゲルの孔サイズは空気の平均自由経路よりも小さいため、気相伝導は大幅に減少します。これにより、大気分子の衝突の頻度が減少し、それによってガスの熱伝達が低下します。その結果、最小総熱伝導率は、（複数の）低い電気伝導率を持つより高い密度と領域にシフトします。
シリカエアロ粒子ナノ粒子は、相互接続を通じてマルチネットワーク構造を構築しますが、粒子間の弱い結合は、純粋なシリカアロゲルの不十分な機械的特性、低強度、および高い脆性をもたらします。これらの問題に対処するために、研究者はさまざまな強化戦略を調査しました。密度が低く、熱伝導率が低く、機械的強度が高いアラミッド繊維は、シリカアロゲルを強化するための理想的な選択肢として浮上しています。空気中の約450°Cの分解温度では、アラミッド繊維は高温断熱材アプリケーションに特に適しています。
2016年、アラミッド繊維強化シリカエアロゲル複合材料（AF/エアゲル）が正常に製造されました。その後、グリシジルプロピオキシトリメトキシシラン（GPTMS） - グラフトアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン（PTFE）コーートされたアラミド繊維エアゲルコンポジットが導入されました。これらの複合材料は、低密度と低熱伝導率を保持するだけでなく、圧縮強度と曲げ強度を大幅に改善しました。
さらなる研究により、アラミッド繊維の熱的および機械的特性により、弾道保護用途に非常に効果的であることが実証されています。アラミッド布地だけと比較して、エアロゲル統合された弾道試験サンプルは、布地穿孔速度の72％の減少を示しました。 2021年、Almeida et al。シリカアロゲルとアラミッド繊維とフェルトの強化効果を比較し、細長い繊維が組み込まれた複合材料がより低いバルク密度と柔軟性を示し、形状適応および振動ダンピングアプリケーションに適していることを発見しました。
Aramid FiberとAirgelの組み合わせは、材料特性の補完的な強化を実現します。補強コンポーネントとして、Aramidファイバーはエアロゲルに強力な機械的サポートを提供し、機械的性能を向上させ、エアロゲルは熱断熱材と音吸収能力に寄与し、アラミッド繊維と相乗的に働きます。
たとえば、ウェットレイドの用紙プロセスを使用して調製されたアラミッド/エアロゲル複合材料は、アラミッド紙の機能的特性を保持するだけでなく、耐熱性の改善も示します。これらの複合材料は、熱絶縁に幅広いアプリケーションの見通しを持ち、材料科学の進歩のための新しい洞察と可能性を提供します。