Yazarlar: Nazan SARAÇ ve Nil TOPLAN Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Esentepe Kampüsü, 54187 Sakarya, Türkiye, nazansarac08@hotmail.com
The Light Solid Material In The World: Aerogels
ÖZET
Tarihi geçmişi 1930’lu yıllara kadar uzanan aerojeller; dünyanın en hafif katı malzemesi olarak bilinmektedir. Termal ve mekanik özellikleri, yüksek yüzey alanı, düşük elektrik iletkenliği, gözenek yapısının kontrol edilebilirliği ve fiziksel dayanımının yüksek olması gibi üstün özelliklerinden dolayı çok fazla kullanım alanına sahiptir. Aerojel, dondurulmuş duman görünümünde cama benzer bir malzemedir, kinetik enerjiyi absorbe eden yapısı sayesinde, geleceğin arabalarında kazaların etkilerini önlemede ve oksijen kaynağıyla direkt verilen ateşi yalıtabilmesi ile güvenlik ve yalıtım alanlarında kullanım alanı bulacaktır. Yakın gelecekte, dizüstü bilgisayarlar ya da elektronik uçak kontrol mekanizmaları gibi değerli malzemelerin yapımında aerojeller önemli yer tutacaktır. Aerojeller, genellikle sol-jel tekniği kullanılarak jel hazırlama, jelin yaşlandırılması ve kurutulması olmak üzere üç aşamada üretilmektedir. Jelin sıvı fazının gaz fazı ile yer değiştirmesiyle elde edilen düşük yoğunluktaki aerojeller aynı zamanda çevre dostu malzemelerdir.
Anahtar kelimeler: Silika, karbon ve alümina aerojeller, üretim ve kullanım alanları.
Anahtar kelimeler: Silika, karbon ve alümina aerojeller, üretim ve kullanım alanları.
ABSTRACT
Aerogels are known a lightest solid material in the world, which of history dating back to the 1930s. It has too many usage areas because of superior properties such as high surface area, low electrical conductivity, controllability of the pore structure, high physical strength, thermal and mechanical properties. Aerogel is a material similar to glass. Aerogel has structure which can isolate the fire with oxygen supply and absorb kinetic energy. This structure of aerogel makes it possible to use in security and insulation area. Aerogels will create advantage as a preventing effects of the accident in the future car. Aerogels will hold an important place in the production of valuable materials such as laptop or electronic flight control mechanisms in the near future. Aerogels are produced in three stages using the sol-gel process. These stages are gel preparation, aging of the gel and drying. Low density aerogels are obtained by replacing the gas phase with the liquid phase of the gel. Aerogels are also environmentally friendly materials.
Keywords: Silica, carbon and alumina aerogels, production and usage areas.
1- Giriş
Steven Kistler 1931 yılında Kaliforniya Stockton’daki Pasifik Üniversitesinde silika esaslı ilk aerojelleri üretmiş; 1940-1945 yılları arasında Pasifik üniversitesindeki çalışmalarından sonra Monsanto’da ürününü Aerojel Santocel adında ticarileştirmiştir. Fransız hükümetinin Amerikalı bilim adamlarından Fransa’nın uzay roketlerinin yakıt ve oksijenini depolamak için bir malzeme geliştirilme talebi aerojelin gözde malzeme olmasını sağlamıştır. Basf aerojel damlacıkları üretimine 1983 yılında başlamış, Tewari ve Hunt, 1986 yılında kısmen düşük sıcaklık ve basınçlarda, süperkritik kurutma ile kuru aerojel üretim prosesiyle patent almayı başarmıştır. Karbon aerojeller (KA) 1990’lı yılların başlarında elde edilmiştir [1]. Aspen Systems NASA ile anlaşarak Aerojel geliştirmeye 1993 yılında başlamış 1999’da Aspen Systems aerojeller SBIR ödülü ile yılın teknolojisi ödülüne layık görülmüştür. Bu ödülün ardından 2001 yılında Aspen Aerojel şirketi kurulurken iki yıl sonra Cabots Aerojel ticari üretimine Nanojel markasıyla başlamıştır [2].
Aerojel dünya üzerinde üretilen gözenekli malzemeler arasında en düşük yoğunluğa (0,001 ile 0,5 g/cm3) sahip, açık gözenekli bir malzemedir. % 99 oranında içerisinde hava bulunduran, içerisindeki hava alındığında havadan 7,5 kat daha hafif olarak üretilen Grafen Aerojelin hafifliğinden dolayı uçması beklenirken; bu malzemenin yoğunluğu içi hava ile doluyken hesaplandığından ve yerçekimini yenemediğinden dolayı uçamamaktadır [1]. Şekil 1 ve 2’ deki Aerojele ait görüntülerde mavi duman olarak da adlandırılan yaprak ve çiçeklerin üzerine yerleştirilen malzemenin ne kadar hafif olduğu, alevi iletmediği ve gökyüzüne tutulan aerojelin ışığı geçirdiği görülmektedir [1].
2. Aerojel Türleri
2.1. Karbon Aerojel (KA)
Karbon aerojeller, organik aerojellerin pirolizinden elde edilen yüksek gözenekli (%50’nin üzerinde), düşük yoğunluğa (0,1 g/cm3), 100 nm’den daha az gözenek çapına ve yüksek yüzey alanına sahip malzemelerdir. Karbon aerojeller, sol-jel prosesi ile resorsinol-formaldehit (RF), fenol-furfural (PF), melamin-formaldehit (MF), poliüretan ve poliüreden sentezlenebilmektedir. Şekil 3’de sol-jel teknolojisi ile sentezlenmiş silindirik monolit, öğütülmüş toz şeklindeki KA görüntüleri mevcuttur [6].
Karbon aerojel kontrollü gözenekli yapısı, yüksek yüzey alanı ve farklı yüzey kimyası ile tipik gözenekli karbon esaslı malzemedir. Son zamanlarda gözenekli karbon aerojelin yeni bir formu ortaya çıkmıştır. Yeni bir adsorpsiyon malzemesi olarak aerojel reaktif boya atık işleme uygulamalarında da kullanılmaktadır. Karbon aerojelin mikro ve mezo gözenekli yapısı adsorpsiyon kapasitesine önemli katkı sağlamaktadır [7].
Şekil 1. Aerojel en hafif katı malzeme [3-5]
Şekil 2. Aerojel makro görüntüleri [2]
2.2. Silika Aerojel
Silika aerojel, yüksek gözenekli, açık hücreli ve düşük yoğunluklu, yüksek spesifik yüzey alanı, yüksek termal yalıtım değeri, çok düşük dielektrik sabiti ve düşük kırılma katsayısı gibi sıra dışı özelliklere sahiptir. Yüksek gözeneklilik ve düşük yoğunluk özellikleri sayesinde silika aerojeller katalizör, sensör ve adsorbant olarak kullanılmaktadır [8]. Yüksek spesifik yüzey alanı ve büyük gözenek hacmi ile silika aerojel; kurutma yolu ile yağ kili kullanılarak sentezlenebilmektedir. Silika aerojel düşük yoğunluğu, sürekli gözenekli yapısı, yüksek spesifik yüzey alanı, düşük termal iletkenlik gibi arzu edilen özellikleri ile mezo-gözenekli malzemedir [9]. Bu üstün özellikleri nedeniyle silika aerojeller; termonükleer füzyon reaksiyonları için iç hapsetme füzyonu, solar enerji sistemleri için verimli termal yalıtım, uzay, inşaat ve havacılık uygulamaları gibi bilimsel ve teknolojik alanda potansiyel malzemelerdir [10].
Şekil 3. Sol-jel teknolojisi ile sentezlenmiş a. silindirik monolit, b. öğütülmüş toz şeklinde ve c. Resornisol formaldehit aerojel (soldaki) ve karbon aerojel (sağdaki) görüntüleri [6]
2.3. Alümina Aerojeller
Sol jel yönteminin süresinin uzatılması ile çoğunlukla metal elementleri kullanarak metal oksit aerojeller sentezlenmiştir. Günümüzde yaygın olarak bilinen alümina aerojellerin hazırlanışı hidroliz olayıyla meydana gelmektedir. Hidroliz sırasında metalle bir hidroksil metalin merkezinde bir araya gelerek (Al-OH) yapısını meydana getirir ve sonrasında metalin merkezinde hidroksiller daha da yoğunlaşmaya başlar. Bu aşamaların sonucunda metal-oksit-metal köprüsü (Al-O-Al) yapıyı meydana getirir [11-13].
2.4. Diğer Aerojeller
Aerojel türlerine örnek olarak yarı iletken bakır içerikli metal aerojeller ve nanotüp aerojeller verilebilir. İlk olarak 2002 yılında üretilen bakır içerikli metal aerojeller geçirgenlik, optik saydamlık ve fotolüminesas özellikleri açısından benzersiz bir yapıya sahiptir. Farklı metodlarla nanotüp ve aerojelin bir araya gelmesi sağlanmıştır. Bu malzeme mezo gözeneğe sahip olmamasından ve tek parça olamamasından dolayı bilinen aerojel tanımına uymamış donmuş duman tanımı yerine elastik duman olarak adlandırılmıştır [14].
3. Aerojellerin Üretimi
Aerojeller sol-jel tekniği kullanılarak jel hazırlama, jelin yaşlandırılması ve kurutulması olmak üzere üç aşamada sentezlenmektedir. Sol jel hazırlamadaki ön ürün uygun bir çözücüde çözünen ya bir metal tuz/alkoksid ya da oluşmuş solun kararlı bir kolloidal süspansiyonu olabilir. Hazırlanan çözelti kullanılarak sol hazırlanmakta ve buna katalizör eklendiğinde jelleşme meydana gelmektedir. Oluşan jeller dağıtıcı ara maddesine göre hydrojel, akuajel, alkojel ve aerojel olarak adlandırılmaktadır. Yaşlandırma işlemi, ağa yeni monomerlerin eklenmesi ve çapraz bağ derecesinin artmasıdır. Yaşlanma sırasında oluşan aerojelin katılık ve mukavemet değeri artmakta ve jel bağları kuvvetlenmektedir. Yaşlandırma süresi kuruma sırasında büzülmeler olmasın diye minimumda tutulmaya çalışılır. Kurutma işleminin yapılmasındaki amaç ise jel yapısının yığılmasına engel olmak, jelin iskelet yapısını korumak ve büzülmeyi en aza indirgemektir. Bu amaçla çözücüyü jelden uzaklaştırmak gerekir. Kurutma, atmosfer basıncında yapılan kurutma ve süper kritik kurutma olmak üzere iki şekilde gerçekleştirilir [8]. Şekil 4’de sol-jel yöntemi ile aerojel üretimi; sol ve jelden elde edilen yapılar gösterilmiştir.
Şekil 4. Sol-jel Yöntemi ile Aerojel Üretim akış şeması [15]
Şekil 5. Selüloz esaslı aerojel hazırlama evreleri [17]
4. Selüloz Aerojel Üretimi
Selüloz esaslı nano malzemeler; büyüleyici özelliklerinden dolayı bilim dünyasında büyük ilgi görmektedir. Selüloz nanokristal aerojel hazırlanmasında, atık kağıt malzemelerin kullanılması çevre dostu dönüşüme de destek sağlamaktadır [16]. Selüloz aerojel ile ilgili bir çalışmada; atık gazeteler toplanmış ve küçük parçalar halinde mekanik olarak parçalanmıştır. Atık parçalar bir beher içinde 10 gr AmlmCl (1-allyl -3- methyimidazolium) maddesinin içine dağıtılmıştır. Beher, homojen bir karıştırma sağlamak için 80 °C ‘de 4 saat yağ banyosuna daldırılmış, koyu sarı renkli WNP (waste newspaper) süspansiyonu elde edilmiş ve elde edilen WNP solüsyonu teflon kalıplara dökülüp, bir vakum fırında hava kabarcıkları alınmıştır. Daha sonra suyla rejenere edilerek hidrojel elde edilmiştir. Etanol-su değişimi ve etanol-tert bütanol değişimi yapılarak hidrojel kurutmaya hazır hale getirilmiştir. Hidrojeller -50°’de 48 saat vakum altında dondurucuda kurutulmuştur (Şekil 5) [17]. Selüloz hidrojel hazırlamak için NaOH/Tiyoüre/Su solvent sistemi kullanılarak hazırlanan bir diğer çalışmada; selüloz aerojel dondurucu kurutma teknoloji kullanılarak üretilmiştir. Shi ve ark. selülozu NaOH + Üre + H₂O karışımına ekleyerek; ağırlıkça selüloz oranı %2-5; sodyum hidroksit oranı % 9.5; tiyoüre oranı %4.5 olarak belirlemişlerdir. Hazırladıkları selüloz dispersiyon çözeltisini 750 devir/dk hızla homojen olarak karıştırmışlardır. Daha sonra bu karışım -18 °C’de 24 saat dondurucuda bekletildikten sonra, çözelti oda sıcaklığında bekletilerek hidrojel elde edilmiştir. Elde edilen hidrojel distile su ile yıkanmıştır ve dondurucu kurutma yöntemi ile selüloz aerojel elde edilmiştir. Bu çalışma ile selüloz aerojellerin izolasyon malzemesi olarak kullanım potansiyellerinin olduğu tespit edilmiştir [18].
5. Aerojellerin Uygulama Alanları
Aerojel, termal yalıtım, akustik yalıtım, uzay ve havacılık uygulamaları, katalizör ve katalizör dolguları, yakıt hücreleri, kimyasal sensörler, ilaç salım sistemleri, pencere uygulamaları gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Sızıntı temizliğinde kimyasal adsorbant, boyalarda yalıtıcı yoğunlaştırıcı ve emici olarak kullanım işlevleri bulunmaktadır. Çin’deki araştırmalar sonucunda petrol sızıntıları ile mücadelede önemli bir kalkan görevi olmak gibi birçok kullanım alanı mevcuttur [2]. Aerojeller yalıtım kabiliyeti sayesinde tekne kazanlarında minimum yalıtım kalınlığı ile maksimum enerji tasarrufu sağlamaktadır [19]. Şekil 6’ da aerojelin çeşitli uygulama alanları gösterilmektedir Bu malzemelerin mimari binalarda kullanımı yaygındır. Genelde dış cephede ışığı geçiren dolgu malzemesi olarak pencere gibi yapı bileşenlerinde, dış cephede mantolamada kullanılan klasik yapı malzemelerinin yerine fiber katkılı aerojel kullanımı şeklindedir. Aerojeller, vakumlu yalıtım panellerinin içine yerleştirilerek de kullanılmaktadır [3, 20-22].
Şekil 6. Aerojelin çeşitli uygulama alanları [3, 20-22]
Sonuç
Aerojeller, benzersiz fiziksel özelliklere sahip, oldukça gözenekli ve hafif malzemelerdir. Yüksek yüzey alanına sahiptirler ve genelde doğada bulunan malzemelerden ve atıklardan üretilirler. Gözenekli malzemelerle gibi aerojeller de hayatımızın birçok alanında kullanılmaktadır. Birçok araştırmacı kontrol edilebilir gözenek özelliklerinden dolayı aerojel üretimi ve uygulama alanları üzerine yoğun araştırmalar yapmakta, birçok bilimsel ve teknolojik problemin çözümüne yardımcı olması sayesinde özellikle son yıllarda aerojellerin sentezi ve karakterizasyonu ile ilgili araştırmalar yoğunlaşmaktadır. Aerojel üretiminde; süper kritik kurutma şartlarının sahip olduğu avantajlar (düşük viskozite ve yüksek yayınıma sahip olması, üretim süresinin azalması ve klasik çözücü ekstraksiyon yöntemlerine oranla üretimin daha kısa sürede gerçekleşmesi) nedeniyle ticarileşme başlamıştır. Aerojeller üstün özellikleri ve avantajlı üretim koşulları sayesinde geleceğin en kıymetli çevre dostu malzemelerinden biri olmaya adaydır.
Kaynaklar
1. http://www.kimyablog.com/?s=aerogel
2. http://www.aerogel.org/?p=71
3. http://www.gelarabul.com/aerojel
4. http://www.hastane.com.tr/dunyanin-en-hafif-maddesi-galerisi-sayfa-32.html
5. http://serious-science.org/aerogold-an-ultra-light-aerogel-gold-nugget-made-of-gold-protein-and-air-5476
6. Derya Balkabak, “Karbon Aerojel Üretimi ve Karakterizasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Fakültesi, 2009.
7. Xinbo Wu, Dingcai Wu, Ruawen Fu, Wei Zeng, “Preparation of carbon aerogels with different pore structures and their fixed bed adsorption properties for dye removal”, Dyes and Pigments, Volume 95, Issue 3, pp: 689–694, 2012.
8. Duygu GÜLER, “Silis Kumu, Feldspat ve Tetraetil ortosilikattan Sol-jel Yöntemi ile Silika Aerojel Sentezi ve Karakterizasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Fakültesi, 2009.
9. Gui-Mei Gao, Da-Rui Liu, Hai-Feng Zou, Lian-Chun Zou, Shu-Cai Gan, “Preparation of silica aerogel from oil shale ash by fluidized bed drying” , Powder Technology, Volume 197, Issue 3, pp: 283-287, 2010.
10. Huijun Yu, Xiaofeng Liang, Junxia Wong, Minmin Wong, Shiyuan Yong, “Preparation and characterization of hydrophobic silica aerogel sphere products by co-precursor method”, Solid State Sciences, pp: 155–162 October 2015.
11. Sam Zhang, Donglıang Zhao, Yen lin Han, ‘Aerojel Materials for Aerospace’, Chapter 14 pp: 710-715, 2012
12. https://pamelanorris.wordpress.com/research/aerogel-lab/
13. http://nuestrosmateriales.arq.upv.es/Materiales/Ver%20Aerogel.htm
14. Du, Bin Zhou, Zhihua Zhang, Jen Shen, “A Rewiew and Reconsideration of the Aerogels A Special Material or New State of Matter”, pp:941-968 Tongji University, Shanghai 200092, P.R. China, 8 March 2013
15. https://yusufbilgen.wordpress.com/2015/01/16/ince-film-teknikleri/
16. Wan Hazman Danial, Zaitan Abdul Majid, Mohd Nazlan Mohd Muhid, Mohd Bakri Bakar, Zainab Ramli, Sugeng Triwahyono, “Preparation of Cellulose Nanocrystal Aerogel from Wastepaper through Freeze-drying Technique”, Advanced Materials Research Vol.1125, pp: 296-300,2015.
17.Chunde Jin, Shenjie Han, Jingpeng Li, Qingfeng Sun, “Fabrication of cellulose-based aerogels from waste newspaper without any pretreatment and their use for absorbents”,Carbohydrate Polymers, pp: 150-156, 2015
18.Jian Jun Shi, Ling Bin Lu, Jing Ying Zhang, “An Environment-Friendly Thermal Insulation Material From Porous Cellulose Aerogels”, Advanced Materials Research, Advanced Materials Research, Vol. 773, Pages: 487-491, 2013.
19. http://www.ayvazyalitim.com
20. http://www.yalitim.net/?pid=31000
21. http://www.bilim.org/wp-content/uploads/aerojel.jpg
22. http://www.gizmag.com/polymer-aerogel-stronger-flexible-nasa/23955/pictures