Ανάπτυξη θερμομονωτικών και καταλυτικών υλικών με δομή αεροπηκτώματος
Authors: Οικονομόπουλος Ευάγγελος 
Published: August 2021

Τα αεροπηκτώματα (aerogels) είναι υλικά με πολύ χαμηλή πυκνότητα, τα οποία παρασκευάζονται από πηκτώματα μέσω ξήρανσης του διαλύτη υπό υπερκρίσιμες συνθήκες. Τυπικό υλικό παρασκευής αεροπηκτωμάτων είναι το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και η παρασκευή τους στηρίζεται στη μέθοδο sol-gel. Η παρούσα εργασία αναφέρεται στη μελέτη της σύνθεσης υπερδιαφανών αεροπηκτωμάτων SiO2 με χρήση της μεθόδου sol-gel δύο σταδίων και καταλυτών του τύπου N(R)4F κατά το δεύτερο στάδιο δημιουργίας του πηκτώματος. Στόχος της εργασίας είναι η βελτιστοποίηση της μεθόδου παρασκευής αεροπηκτωμάτων με υψηλό βαθμό οπτικής διαφάνειας και ο χαρακτηρισμός της δομής τους. Ο ρόλος του καταλύτη είναι σημαντικός αναφορικά με τις ιδιότητες του λαμβανόμενου αεροπηκτώματος, αλλά και με το χρόνο που απαιτείται για τη δημιουργία του πηκτώματος. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής μελέτης παρασκευάσθηκε μεγάλος αριθμός υδρόφιλων και υδρόφοβων αεροπηκτωμάτων SiO 2 . Ως πρόδρομη ένωση του πυριτίου χρησιμοποιήθηκε το TEOS (Si(OC2H5)4). Τυπικοί διαλύτες στο δεύτερο στάδιο ήταν οι: ακετονιτρίλιο, ακετόνη, ethylacetoacetate, κ.α. και τυπικοί καταλύτες οι: ΤMF (N(CH3)4F), TBF (N(C4H9)4F) και TOF (N(C8H17)4F). Η υδροφοβία των δειγμάτων επιτεύχθηκε με τη χρήση HMDS (C6H19NSi2). Η οπτική διαπερατότητα των δειγμάτων μετρήθηκε με φασματοφωτόμετρο UV -Vis και η ειδική επιφάνεια, ο όγκος πόρων και η κατανομή του μεγέθους πόρων βασίστηκε στη φυσική προσρόφηση Ν2. Τα δείγματα που παρασκευάσθηκαν ήταν κυλινδρικά δισκία διαμέτρου 25 mm και πάχους 10 mm και πυκνότητας στην περιοχή 0.05-0.20 g cm-3. H υπερκρίσιμη ξήρανση έγινε με δύο τρόπους: με χρήση CO2 (μέθοδος CO2) και σε υπερκρίσιμες συνθήκες του οργανικού διαλύτη (μέθοδος ΗΤ). Βρέθηκε ότι το είδος του διαλύτη καθώς και του καταλύτη κατά το δεύτερο στάδιο δημιουργίας του πηκτώματος, επιδρούν σημαντικά στην οπτική διαφάνεια του λαμβανόμενου αεροπηκτώματος. Η χρήση ακετονιτριλίου και καταλυτών ΤBF και ΤΟF οδηγούν σε βελτίωση της οπτικής διαπερατότητας. Η μέση τιμή της οπτικής διαπερατότητας για τα υδρόφιλα δείγματα που υπολογίστηκε με βάση το πρότυπο του ΕΛΟΤ ΕΝ 401 ξεπερνά το 93%, ενώ για τα υδρόφοβα το 80%. Οι τιμές αυτές είναι οι υψηλότερες που έχουν αναφερθεί παγκοσμίως για τέτοια υλικά. Οι ειδικές επιφάνειες των αεροπηκτωμάτων είναι στην περιοχή 620-950 m2 g-1 και η μέση διάμετρος των πόρων τους στην περιοχή 15 - 30 nm. Ο όγκος πόρων των υλικών είναι στην περιοχή 5-10 cm3 g-1. Τα διαφανή αεροπηκτώματα έχουν δυνατότητα εφαρμογής ως θερμομονωτικά υλικά, καθώς η θερμική τους αγωγιμότητα είναι μόλις 13 mW m-1 K- 1 στους 25 ο C. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, εξετάστηκε η διαδικασία σχηματισμού αεροπηκτωμάτων άνθρακα-οξειδίου του μαγγανίου με καταλυτικές ιδιότητες και μελετήθηκε η συμπεριφορά τους στην καταλυτική οξείδωση της αιθανόλης. Η σύνθεση των εν λόγω υλικών επιτεύχθηκε μέσω πυρόλυσης ή οξείδωσης αεροπηκτωμάτων ρητινών ρεζορκινόλης-φουρφουράλης, οι οποίες περιείχαν νιτρικό μαγγάνιο ως πρόδρομη ένωση του οξειδίου του μαγγανίου. Για λόγους σύγκρισης παρασκευάστηκαν τα ίδια υλικά με συμβατική ξήρανση. Ο χαρακτηρισμός των καταλυτών έγινε με διάφορες τεχνικές, όπως ρόφηση Ν2, περίθλαση ακτίνων-Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία. Τα ληφθέντα υλικά εμφανίζουν άμορφη ή ελαφρώς κρυσταλλική δομή και υψηλές τιμές ειδικής επιφάνειας, ενώ το μέγεθος των πόρων τους καθορίζεται από τον τρόπο ξήρανσης. Η καταλυτική τους ενεργότητα στην οξείδωση της αιθανόλης είναι αντίστοιχη αυτής άλλων καταλυτών οξειδίου του μαγγανίου παρασκευασμένων με διαφορετικές μεθόδους