Nano yapılı silika yünü aerogel kompozitleri, düşük ısıl iletkenlikleri ve esneklikleri nedeniyle yalıtım malzemelerinde kullanım için çekici olmaktadır. Ancak, pratik uygulama koşullarında yüksek kızılötesi ışınların geçirgenliği ve sınırlı ısıl stabilite nedeniyle ısı yalıtım performansını karşılayamamaktadırlar. Bu blog yazısında, ısı yalıtım özellikleri iyileştirilmiş yeni bir nano yapılı silika yünü aerojel kompozitleri yaklaşımını keşfedeceğiz.
Yaklaşım, elektrospinning kullanılarak titanyum oksit nanoparçacıklarının nano yapılı silika yünlerine gömülmesini içeriyor. Bu, nano yapılı silika yünleri ve matlaştırıcı nanoparçacıklar arasındaki bağ kuvvetini arttırır ve matlaştırıcının nano yapılı silika yünü içinde homojen dağılımını sağlar. Sonuçta elde edilen kompozit, lamellar bir yapıya sahiptir ve ultra-düşük yoğunluğa (5,8 mg/cm3), üstün sıkıştırma dayanımına (40% gerilimde 6,71 kPa) ve sıkıştırma sonrası hızlı toparlanmaya sahiptir.
Mekanik özelliklerinin yanı sıra, aerojel kompozit de düşük kızılötesi ışın geçirgenliği (%60 3 µm’de) ve düşük ısıl iletkenlik (oda sıcaklığında 0,0257 W/mk) sergiler. Bu özellikler, aşırı koşullarda ısı yalıtımı için ideal bir aday yapar. Ayrıca, kompozit mükemmel yanmaz özelliklere sahiptir, bu da yalıtım malzemelerinde kullanımının ek bir güvenlik katmanı eklediği anlamına gelir.
Genel olarak, bu yeni yaklaşım, aşırı koşullara dayanabilen son derece etkili ısı yalıtım malzemeleri yaratmak için umut verici bir çözüm sunar. Titanyum oksit nanoparçacıklarının nano yapılı silika yünlerine gömülmesi, elde edilen nano yapılı silika yünü aerojel kompozitin mekanik, ısıl ve yanmaz özelliklerinin benzersiz bir kombinasyonuna sahip olmasını sağlar.
Isı Yalıtımında Yeni Trend: Mekanik Güçlü Seramik Nano Lifli Aerojeller
Isı yalıtımı, özellikle uzay ve buhar boruları gibi aşırı koşullar altında çalışan sistemlerde, karmaşık, geleneksel olmayan yükler ve büyük ısı gradyanlarına maruz kaldığı için kritik bir zorluktur. Doğru çalışma, güçlü mekanik stabilite, ve verimli yüksek sıcaklıkta yalıtım gereklidir. Seramik aerojeller, düşük yoğunluğu, düşük ısıl iletkenliği, ve yüksek yüzey alanı nedeniyle ısıl yalıtım malzemeleri için ideal adaylardır. Ancak, geleneksel seramiklerin doğasındaki kırılganlık nedeniyle, seramik aerojeller genellikle önemli mekanik veya ısıl şoklara maruz kaldıklarında yapısal bütünlüklerini kaybederler ve ısıl yalıtım performansının başarısız olmasına neden olabilirler. Bu nedenle, ısıl yalıtım malzemelerinin yapısal bütünlüğünün korunması güvenilir ısıl yalıtımın önkoşuludur.
Mükemmel elastikiyeti, esnekliği, ve yüksek sıkıştırma dayanımı olan seramik nano lifler, mekanik olarak güçlü seramik nano lifli aerojeller oluşturmak için umut verici bir yaklaşım sunar. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, seramik nano liflerin, nano liflerin fiziksel veya kimyasal bağlanmasıyla bir poröz çerçeve oluşturmak için kullanılabileceğini göstermiştir. Bu, seramik aerojellere ek mekanik özellikler kazandırır. Amorf SiO2 seramik nano liflerin mükemmel kimyasal stabilitesi ve yüksek sıcaklık direnci, ısıl yalıtım için çekici malzemelerdir. Seramik nano liflerin esnekliği için kilit önkoşullardan biri olan amorf yapıdaki kayma bantları, geliştirilmiş şekil değiştirme performansı sunar. Ancak, yüksek sıcaklıklarda (> 500 °C) radyatif ısıl iletkenlik baskın bir ısı transferi olgusu haline gelir. Seramik nano liflerinin yüksek kızılötesi geçirgenliği, kompozit malzemelerin ısıl yalıtımına uygun olmayan kızılötesi ışınım termal transferini arttırır.
Aerojellerin opaklaştırıcının tanıtımı yoluyla radyatif iletkenliği önemli ölçüde azalttığını gösteren çalışmalar yapılmıştır. Opaklaştırıcıların optik sabitlerinin mutlak değeri belirli dalga boylarında önemli olduğundan, kızılötesi ışınların önemli ölçüde emilmesi ve saçılması oluşur. Aerojellere TiO2, SiC, karbon siyahı vb. opaklaştırıcıların eklenmesi, malzemenin ısıl yalıtım performansını etkili bir şekilde iyileştirebilen radyasyon iletimini engelleme harika bir yeteneğe sahiptir. Pristine silika aerojel, opaklaştırıcı katkılarıyla radyatif ısıl iletkenliği azaltarak uygun bir ısıl yalıtım malzemesi haline gelebilir.
Yeni Nesil Malzemelerde Sıradışı Bir Birleşim: TiO2 Nanopartiküllerin Silika Nanoliflerine Gömülmesiyle Üretilen Aerojeller
Bu çalışmada, silika nanoliflerine gömülü TiO2 nanopartiküllerinin kullanılarak nanolif aerogeller üretildi. Üretim süreci, sol-jel ve elektro-çekimleme stratejilerinin bir kombinasyonunu içeriyordu.
Öncelikle, %5 ağırlıkça polivinil alkol (PVA 1788) sulu çözeltisi hazırlandı. PVA tozu, 10 g su içinde 0,5 g olacak şekilde karıştırılarak 90 °C’de 6 saat boyunca karıştırıldı. Daha sonra, silika öncü çözeltisi, tetraetil ortosilikat (TEOS) ve H3PO4’ün 5 wt% PVA sulu çözeltisinde çözündürülmesiyle elde edildi. TEOS:H3PO4:PVA sulu çözeltisinin kütle oranı oda sıcaklığında 12 saat boyunca 1:0.0125:1.25 olarak karıştırıldı. TiO2 nanopartikülleri %5 wt%, %10 wt% ve %15 wt% kütlenin her birine ayrı ayrı eklenerek, ultrasonik bir şekilde dağıtıldı ve iki saat boyunca karıştırıldıktan sonra, elektro-çekimleme çözeltisi elde edildi. Elektro-çekimleme işlemi, 15 kV yüksek gerilim ve sürekli 0,5 ml/s hızda besleme oranı ile programlanmış bir prosedürle gerçekleştirildi. Elektro-çekimlenmiş %5 TiO2 nanopartikülleri içeren PVA/silika nanolifleri, 60 °C’deki fırında 8 saat kurutulduktan sonra, 5 °C/dk ısıtma hızında 700 °C’de 3 saat boyunca havada kalsine edilerek TiO2 nanopartikülleri gömülü silika nanolifleri elde edildi. Elde edilen nanolifler, TiO2 nanopartiküllerinin kütle oranına göre SNF, %5 TiO2’li SNF, %10 TiO2’li SNF ve %15 TiO2’li SNF olarak adlandırıldı.
Daha sonra, silika nanolifli aerogeller (SNFA) homojenizasyon ve dondurarak kurutma yöntemleriyle sentezlendi. İlk olarak, 0,4 g SNF 0,01 wt% poliakrilamid (PAM) içeren 50 g PAM çözeltisinde kesilerek 0,5 mm x 0,5 mm kareler halinde kesildi. Daha sonra, TEOS:H2O:EtOH:PPA = 1:4:10:0,01 kütlenin oranına sahip silika öncü çözeltisi, kıvamı korumak için karışıma eklenerek, yüksek hızlı bir homojenizatör ile homojenize edildi. Elde edilen homojenize edilmiş nanolifler, belirli bir şekle sahip bir kalıba döküldü, sıvı azot banyosunda donduruldu ve 72 saat boyunca dondurarak kurutuldu. Sonrasında, hazırlanan SNFA’lar, SNF’larla aynı prosedürle kalsine edilerek kolloidin çıkarılması sağlandı. Elde edilen nanolif aerogelleri, TiO2 nanopartiküllerinin kütle oranına göre SNFA, %5 TiO2’li SNFA, %10 TiO2’li SNFA ve %15 TiO2’li SNFA olarak adlandırıldı.
Elde edilen örneklerin mikroyapısı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve alan emisyonlu transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ile incelendi.
Ultrahafif Silika Nanolif Aerojellerinde TiO2 Nanopartikülleri ile Geliştirilen Termal Yalıtım Performansı ve Mekanik Özellikleri
Sonuç olarak, bu çalışmada, silika nanoliflerine gömülü TiO2 nanopartiküllerinin kullanımıyla nanolif aerogeller üretildi. Yapılan ölçümler, TiO2 nanopartiküllerinin kütle oranının artmasıyla birlikte örneklerin yoğunluğunun arttığını gösterdi. Ancak, SNFAs’da %15 TiO2 kütlenin oranı, ultrahafif özellikler sergiledi ve mükemmel sıkıştırma ve geri kazanım özelliklerine sahipti. Ayrıca, SNFAs’daki 15 wt% TiO2, alev geciktirici özelliğe sahip olduğu ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı olduğu kanıtlandı. SNFAs’daki TiO2 nanopartiküllerinin artan miktarı, termal yalıtım özelliklerinde iyileşme gösterdi ve SNFAs’daki 15 wt% TiO2, diğer aerogel benzeri malzemelerin aksine daha düşük yoğunluk ve düşük termal iletkenlik gösterdi. Sonuç olarak, bu çalışma, TiO2 nanopartikülleri ile geliştirilen nanolif aerogel malzemelerinin, sıradışı termal yalıtım performansı ve mükemmel mekanik özellikleri ile gelecekte çeşitli endüstrilerde kullanılabileceğini göstermektedir.
Yayınlanan çalışmana tamamına https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170331 adresinden erişebilirsiniz.