CC BY
138
УДК 661.11
Шиндряев А.В., Кожевников Ю.Ю., Лебедев А.Е., Меньшутина Н.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЭРОГЕЛЕЙ
Шиндряев Андрей Васильевич, студент 4 курса факультета информационных технологий и управления РХТУ имени Д.И. Менделеева, e-mail: andrew95x@mail.ru;
Кожевников Юрий Юрьевич, студент 4 курса факультета информационных технологий и управления РХТУ имени Д.И. Менделеева;
Лебедев Артем Евгеньевич, к.т.н., научный сотрудник международного учебно-научный центр трансфера фармацевтических и биотехнологий РХТУ имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия;
Меньшутина Наталья Васильевна, д.т.н., профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
Синтез и исследование свойств высокоэффективных теплоизоляционных материалов являются актуальными задачами в современной науке. В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований полученных композиционных материалов на основе аэрогелей диоксида кремния. Рассмотрено влияние структурных характеристик на теплопроводность пористых материалов.
Ключевые слова: аэрогель, теплоизоляция, плотность, теплопроводность, сверхкритическая сушка
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF OBTAINING THERMAL INSULATING MATERIALS BASED ON AEROGELS
Shindriaev A. V., Kozhevnikov Yu. Yu., Lebedev A. E., Menshutina N. V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Synthesis and study of properties of highly effective thermal insulating materials are actual problems in modern science. The results of experimental studies of obtained composite materials based on silica aerogel are presented in this paper. The effect of structural characteristics on thermal conductivity ofporous materials are considered. Keywords: aerogel, thermal insulation, density, thermal conductivity, supercritical drying.
Аэрогели представляют собой высокопористые материалы, обладающие уникальными физическими свойствами, благодаря которым они привлекают внимание исследователей и ученых, работающих в различных сферах науки и техники. Свойства аэрогелей могут варьироваться в следующих пределах: площадь их удельной поверхности меняется от 500 до 1200 м2/г, пористость достигает 98 %, а плотность лежит в пределах от 0,003 до 0,5 г/см3 [1-4]. Теплопроводность аэрогелей варьируется от 0.005 до 0.1 Вт/(мК), а коэффициент диэлектрической проницаемости от 1 до 2 [5]. Благодаря таким свойствам аэрогели могут применяться в самых различных областях науки и техники: в фармацевтике, аэрокосмической промышленности, в качестве сорбентов, суперконденсаторов. Но особую ценность данный тип материала представляет в качестве теплоизоляционных материалов.
Сохранение и экономия энергии - важнейшие процессы энергетической стратегии в поддержании и улучшении стандартов и качества жизни [6, 7], сокращении загрязнения окружающей среды, вызванного ископаемыми видами топлива, и контроля социальной экономики. В связи с этим, в наши дни использование теплоизоляционных материалов привлекло большое внимание. Теплоизоляционные материалы снижают
интенсивность теплового потока посредством различных механизмов теплопереноса
(теплопроводность, конвекция, излучение) [8]. Потери тепла зависят от типа, формы, механических, физических, тепловых свойств и внутренней структуры материала. Одним из ключевых параметров оценки эффективности
теплоизоляционных материалов является
коэффициент теплопроводности [9]. Традиционные теплоизоляционные материалы (каменная вата, полистирол, полиуретан и т.д.) имеют коэффициент теплопроводности в диапазоне 0,025-0,04 Вт/(мК), а материалы на основе аэрогелей могут иметь в несколько раз более низкий коэффициент теплопроводности [10].
В рамках работы получены аэрогели на основе диоксида кремния и исследовано влияние параметров их получения на конечные свойства. Исследованы структурные характеристики, плотность, усадка и теплопроводность полученных образцов.
Процесс получения аэрогелей включает в себя два этапа: получение геля (гелеобразование) и удаление растворителя из его пор, иначе говоря, его сушка. В роли прекурсора, исходного вещества для получения геля, используется тетраэтоксисилан
(ТЭОС).
На первом этапе получения аэрогелей для получения гелей был применен двухстадийный «золь-гель» процесс. В ходе данного процесса имеют место реакции гидролиза и конденсации прекурсора, скорость которых управляется катализаторами. На первой стадии процесса в роли катализатора используется кислота, которая увеличивает скорость реакции гидролиза прекурсора и из прекурсора образуется золь. На второй стадии в роли катализатора используется основание, за счет чего увеличивается скорость реакции конденсации, частицы золя связываются через кислородные мостики и образуется гель. В роли кислотного катализатора была использована соляная кислота, основного катализатора - гидроксид аммония. Гель получен в растворе изопропилового спирта.
В ходе процесса использовалось следующее суммарное мольное соотношение ТЭОС : Изопропиловый спирт : Н20(кислота) : Н20(основание) = 1,0 : 7,0 : 3,5 : 2,7.
На первом этапе получения аэрогелей закладываются основные свойства получаемого материала. В ходе исследования варьировались следующие параметры:
• концентрация кислотного катализатора (соляной кислоты) 0,1 М и 0,01 М;
• разбавление золя, которое осуществлялось путем добавления дополнительного количества изопропилового спирта в золь.
На второй стадии получения гелей гелеобразование проводилось путем добавления 0,5 М раствора КН4ОН. После добавления основания реакционная смесь подвергалась перемешиванию в течение 3 мин, затем разливалась по формам. Образование гелей происходило в течение 1 часа. Гель выдерживался в формах в течение 24 часов для завершения всех химических реакции, после чего он однократно отмывался от непрореагировавших соединений изопропиловым спиртом.
Завершающий этап процесса получения аэрогелей - сверхкритическая сушка. Суть данного процесса заключается в замещении растворителя (изопропилового спирта) внутри пор геля на сверхкритический диоксид углерода. Для этого была использована экспериментальная установка сверхкритической сушки. Параметры процесса: давление 120 атм, температура 40°С, расход
диоксида углерода 100 н.л/ч, время процесса 6 - 8 часов.
Были проведены следующие аналитические исследования: усадка, плотность, теплопроводность, сканирующая электронная микроскопия.
Усадка образцов оценивалась путем измерения линейных размеров образцов до сушки и после нее. Плотность рассчитывалась на основании измерения массы и объема аэрогелей. Коэффициент теплопроводности материалов измерялся прибором ИТП-МГ4 «100».
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) была проведена при использовании сканирующего (растрового) электронного микроскопа <^М 6510 LV SSD Х-МАХ». Данные исследования проводились в ЦКП РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Для примера на рисунке 1 приведены фотографии СЭМ полученных образцов аэрогелей с разбавлением золя в 1,4 раза и концентрацией кислотного катализатора 0,01 М.
>5,000 5|лп
7495 15ЯЬу 2017
/ •: - л »
ЗЕ1 15кУ У/ШЗгпт 8616 *1.000 «УВцт Ш/-МЦСТЯ __у 494 Мау 2017
Рис.1. Фотографии СЭМ аэрогеля
Результаты, полученные в ходе экспериментального исследования при различном разбавлении золя и различной концентрации кислотного катализатора, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Свойства полученных аэрогелей
№ Разбавление, раз Концентрация НС1, М Усадка, % Плотность, г/см3 Теплопроводность, Вт/(мК)
1 1,2 0,1 13,12 0,093 0,018
2 1,3 0,1 9,33 0,104 0,019
3 1,4 0,1 10 0,074 0,023
4 1,5 0,1 14,3 0,087 0,018
5 1,2 0,01 10,55 0,090 0,018
6 1,3 0,01 7,67 0,061 0,020
7 1,4 0,01 11,75 0,083 0,015
8 1,5 0,01 8,19 0,072 0,016
Стоить отметить, что плотность образцов неоднозначно зависит от разбавления золя. В большей степени это связано с усадкой аэрогелей, которая, в свою очередь, зависит от проведения процесса сверхкритической сушки. Но в рамках данной работы была поставлена задача выявить влияние структурных характеристик на теплопроводность пористых материалов. Для оценки влияния плотности образцов на теплопроводность материалов на рис. 2 представлена полученная экспериментальная зависимость.
0.025
\ 0,023
£
0.021
■Ч р
£ 0.019
е
| 0,015 0.013
AjtXOlM
......■........... Ц0ДМ
■ i k ■
A
0.05 0,06 0,07 0,08 0,09 Плотность р, г/см3
0,1
0,11
Рис. 2. График зависимости теплопроводности аэрогелей от их плотности при различных концентрациях кислотного катализатора
Из графика следует, что зависимость теплопроводности аэрогелей от их плотности имеет нелинейный характер. Для каждой из зависимостей присутствует ярко выраженный минимум. Причем видно, что с увеличением концентрации кислотного катализатора данный минимум смещается в сторону увеличения плотности. Кроме того, с увеличением этой концентрации в целом происходит увеличение коэффициента теплопроводности. По полученным результатам можно сделать вывод, что для получения минимального значения коэффициента теплопроводности, необходимая плотность аэрогеля должна находится в пределах 0,08-0,085 г/см3, а концентрация соляной кислоты 0,01 М.
Таким образом, были аэрогели на основе аэрогелей диоксида кремния и исследованы их свойства при различных параметрах процесса.
Данные материалы в дальнейшем могут быть использованы для создания композиционных теплоизоляционных материалов.
Список литературы
1. Смирнов Б. М. Аэрогели // Успехи физических наук. - 1987. - T. 152. - C. 133 - 157.
2. Pierre A. C., Pajonk G. M. Chemistry of aerogels and their applications // Chemical Reviews. -2002. - T. 102, № 11. - P. 4243-4265.
3. Maleki H., Duraes L., Portugal A. An overview on silica aerogels synthesis and different mechanical reinforcing strategies // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2014. - V. 385. - P. 55-74.
4. Guo H. Q., Nguyen B. N., McCorkle L. S., Shonkwiler B., Meador M. A. B. Elastic low density aerogels derived from bis[3-(triethoxysilyl)propyl]disulfide, tetramethylorthosilicate and inyltrimethoxysilane via a two-step process // Journal of Materials Chemistry. - 2009. - V. 19, №47. -P. 9054-9062.
5. Boday D. J., Keng P. Y., Muriithi B., Pyun J., Loy D. A. Mechanically reinforced silica aerogel nanocomposites via surface initiated atom transfer radical polymerizations // Journal of Materials Chemistry. - 2010. - V. 20, № 33. - P. 6863-6865.
6. L. Huang, Feasibility Study of Using Silica Aerogel as Insulation for Buildings (Master of Science thesis) KTH School of Industrial Engineering and Management, Stockholm, Sweden, 2012.
7. BahadoriAlireza, Thermal Insulation Handbook for the Oil, Gas, and Petrochemical Industries, School of Environment, Science & Engineering, Southern Cross University, Lismore, NSW, Australia, 2014
8. Ayugi Gertrude, Thermal Properties of Selected Materials for Thermal Insulation Available in Uganda (PhD diss.) Makerere University, 2011.
9. A. Abdou, I. Budaiwi, The variation of thermal conductivity of fibrous insulation materials under different levels of moisture content, Constr. Build. Mater. 43 (2013) 533-544.
10. Fernando Pacheco-Torgal, Maria Vittoria Diamanti, Ali Nazari, C. Goran-Granqvist (Eds.), Nanotechnology in Eco-efficient Construction: Materials, Processes and Applications, Elsevier, 2013.
