Analyse der thermischen Isolationsleistung und Anwendungsfelder von Aramidfaserverstärkten -Lufthegelverbundstoffen

Aerogele sind niedrige Dichte, hauptsächlich mesoporöse Feststoffe mit hervorragenden Eigenschaften, einschließlich niedriger Dichte, hoher spezifischer Oberfläche, niedriger Dielektrizitätskonstante und ultra-niedriger thermischer Leitfähigkeit. Beispiele sind Graphen- oder Kohlenstoffnanoröhrchen -Aerogele, Polyurethan- und Polyimid -Aerogele, Biopolymer -Aerogele wie Cellulose, Chitosan und Protein -Aerogele sowie deren Verbundwerkstoffe und Hybride. Insbesondere in den letzten zehn Jahren hat es zu einer explosiven Zunahme von wissenschaftlichen Arbeiten und Patenten, die neue Lufthämpfermaterialien, Produktionsprozesse und Anwendungen beschreiben, die Bereiche wie Wärmeisolierung, Abgabesysteme, Umweltsanierung, Katalyse und Akustik abdecken.

Trotz der zunehmenden Bedeutung des Airgelfeldes oder vielleicht wegen dessen bleibt die Definition von "Airgles" umstritten. Frühe Definitionen basierten häufig auf den im Produktionsprozess verwendeten Trocknungstechniken wie Aerogelen aus überkritischer Trocknung, Kryogelen aus dem Freeze-Trocknen und Xerogelen aus der Verdunstungstrocknung. Neuere Definitionen konzentrieren sich jedoch tendenziell auf Materialeigenschaften, insbesondere auf den hohen Anteil an Mesoporosität. Letztendlich bezieht sich die breiteste Definition von Aerogelen auf ein Material, das von einem Gel abgeleitet wird, indem die Porenflüssigkeit durch Luft ersetzt wird, ohne Einschränkungen der Porengröße oder anderer Eigenschaften. Diese breitere Definition umfasst in erster Linie makroporöse Materialien, die nicht über die Mesoporosität, die hohe Oberfläche oder die ultra-niedrige thermische Leitfähigkeit verfügen, die typischerweise mit Aerogelen assoziiert sind, wie z. B. gefriergetrocknete Zelluloseschaum.

Silica-Aerogele werden durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt, wobei verschiedene Modifikationen vorgeschlagen werden, um die Ressourcen- und Kosteneffizienz zu verbessern. Die meisten Prozesse folgen jedoch immer noch den gleichen grundlegenden Schritten. Die Gelierung von Silica -Sols wird typischerweise durch Hinzufügen von Säuren oder Basen ausgelöst, um die Ladungsstabilität von Nanopartikeln zu verringern. Nach der Gelation stärkt die Auflösungsreaktion von Siliciumdioxid Interaktionen Interpartikel und verbessert damit die mechanische Stabilität des Gels. Der industrielle Erfolg von Silica -Aerogelen wird fast ausschließlich auf ihre Leistung in thermischen Isolationsanwendungen zurückgeführt. Ihre thermische Leitfähigkeit kann nur 0,012 W/(M · K) betragen, hauptsächlich aufgrund der hohen Porosität und Tortuosität des Partikelnetzwerks, was die Wärmeleitung der Festphasen einschränkt. Aufgrund des Knudsen-Effekts reduziert die kleine Porengröße-die mittlere freie Pfadlänge von Gasmolekülen ist-die thermische Leitung von Gasphasen. Diese ultra-niedrige thermische Leitfähigkeit (nur die Hälfte der von Umgebungsluft und konventionellen Isolationsmaterialien) hat zu einem schnell wachsenden Markt im Wert von Hunderten von Millionen Dollar geführt.

Die gesamte thermische Leitfähigkeit hängt eng mit der Materialdichte zusammen, wie in Abbildung 1 gezeigt. In herkömmlichen Isolationsmaterialien spielt Strahlung eine bedeutende Rolle, und bei großen Porengrößen wird auch die Luftkonvektion nicht zu vernachlässigbar. Mit zunehmender Dichte nimmt die Strahlungswärmeübertragung ab, während die Leitung der Festphasenwärme zunimmt. Aufgrund dieser konkurrierenden Effekte weist die thermische Leitfähigkeit eine U-förmige Abhängigkeit von der Dichte auf. Die gleichen Einflüsse gelten für Luftgehumpenmaterialien; Da die Porengrößen der Airgel jedoch kleiner sind als der mittlere freie Weg der Luft, wird die Gasphasenleitung drastisch reduziert. Dies verringert die Häufigkeit von Luftmolekül -Kollisionen und senkt damit die gasförmige Wärmeübertragung. Infolgedessen verschiebt sich die minimale Gesamtzahl der thermischen Leitfähigkeit in Richtung höherer Dichten und Regionen mit (mehreren) niedrigen elektrischen Leitfähigkeit.

Silica-Airgel-Nanopartikel konstruieren eine Mehrnetzwerkstruktur durch Zusammenhänge, aber die schwache Bindung zwischen Partikeln führt zu schlechten mechanischen Eigenschaften, geringer Festigkeit und hoher Sprödigkeit in reinen Silica-Aerogelen. Um diese Probleme anzugehen, haben Forscher verschiedene Verstärkungsstrategien untersucht. Aramidfaser mit geringer Dichte, niedriger thermischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Stärke hat sich als ideale Wahl für die Verbesserung der Silica -Aerogele herausgestellt. Mit einer Zersetzungstemperatur von ungefähr 450 ° C in Luft ist Aramidfaser besonders für Hochtemperatur-Isolationsanwendungen geeignet.

Im Jahr 2016 wurden Aramidfaser-verstärkte Silica-Airgel-Verbundwerkstoffe (AF/Airgel) erfolgreich hergestellt. Anschließend wurden mit Glycidylpropyloxy-Trimethoxysilan (GPTMs) ausgebildete Aramidenfaser und Polytetrafluorethylen (PTFE) -beschichtete Aramidfaser-Airgel-Kompositen eingeführt. Diese Verbundwerkstoffe behielten nicht nur eine niedrige Dichte und eine geringe thermische Leitfähigkeit bei, sondern verbesserten auch die Druck- und Biegefestigkeit signifikant.

Weitere Studien haben gezeigt, dass die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Aramidfasern es für ballistische Schutzanwendungen sehr effektiv machen. Im Vergleich zu Aramidgewebe allein zeigten Aerogel-integrierte ballistische Testproben eine Reduzierung der Stoffperforationsrate um 72%. Im Jahr 2021 haben Almeida et al. verglichen die Verstärkungseffekte von Silica-Aerogelen mit Aramidfasern und Filz und stellten fest, dass Verbundwerkstoffe mit länglichen Fasern eine geringere Schüttdichte und eine größere Flexibilität aufwiesen und sie für formadaptive und vibrationsdämpfende Anwendungen gut geeignet waren.

Die Kombination von Aramidenfasern und Airgel erzielt eine ergänzende Verbesserung der Materialeigenschaften. Als Verstärkungskomponente bietet Aramidfasern Aerogelen eine starke mechanische Unterstützung und verbessert ihre mechanische Leistung, während Aerogele ihre Wärmeisolierung und Schallabsorptionskapazitäten beitragen und synergistisch mit Aramidfasern arbeiten.

Beispielsweise behalten Aramid/Airgel-Verbundwerkstoffe, die unter Verwendung des feuchtgeleiteten Papierherstellungsprozesses hergestellt wurden, nicht nur die funktionellen Eigenschaften von Aramidpapier auf, sondern weisen auch eine verbesserte Wärmefestigkeit auf. Diese Verbundwerkstoffe verfügen über breite Anwendungsaussichten in der thermischen Isolierung und bieten neue Erkenntnisse und Möglichkeiten für die Weiterentwicklung der Materialwissenschaft.