АЭРОГЕЛЬ

АЭРОГЕЛЬ — аэрогели (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твердость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода. В технике безопасности аэрогелем также называется пыль, осевшая на стенах, потолках, конструктивных частях оборудования и т. д. 
Варианты термина из других источников
С точки зрения специалистов пожарной безопасности, аэрогель — отложенная пыль на поверхности различных конструкций (оборудования). Аэрогель представляет собой смесь частиц твердого мелкодисперсного материала с воздухом, в которой соседние частицы касаются друг друга. Отложения пыли находятся преимущественно на горизонтальной поверхности (например, на полу помещения). Определенная часть отложений пыли может удерживаться силами адгезии на вертикальных поверхностях (например, на стенах) и открытых снизу горизонтальных поверхностях (например, на потолках). Аэрогель может образовываться из взвешенной в воздухе пыли (аэровзвеси). Это происходит вследствие оседания частиц аэровзвеси под действием силы тяжести или при рассеянии потока запыленного воздуха на препятствии.

Пожарная опасность аэрогеля, состоящего из частиц горючего материала, проявляется в способности распространять пламя (см. ПЛАМЯ) в виде волны горения (см. ГОРЕНИЕ) или тления (см. ТЛЕНИЕ). Специфика аэрогелей некоторых дисперсных материалов проявляется в способности самовозгораться (см. САМОВОЗГОРАНИЕ), которой благоприятствует развитая поверхность контакта дисперсного горючего материала с воздухом. В результате технологических операций (например, пересыпания) или воздействия газодинамического возмущения (например, ветра или ударной волны) возможен переход аэрогеля во взвешенное состояние с образованием взрывоопасной аэровзвеси (см. АЭРОВЗВЕСЬ). Другой причиной возникновения опасности взрыва (см. ВЗРЫВ) может являться выделение взрывоопасных газов (см. ВЗРЫВООПАСНЫЙ ГАЗ) при термодеструкции и тлении аэрогеля. [1]

Вместе с тем аэрогель в своем классическом варианте является необычным материалом, обладающим уникальными свойствами.

Аэрогель — почти невесомая прозрачная субстанция, напоминающая природную дымку. Прочный, легкий и экологически чистый материал является отличным утеплителем строительных конструкций и инженерных коммуникаций.

Его название aergelatus, состоящее из двух словообразующих корней, можно перевести как «замороженный воздух». Другое распространенное название — «замороженный дым». Действительно, по внешнему виду, а также весу аэрогель напоминает густую дымку.

История создания этого продукта весьма неоднозначна и оригинальна, так же как и сам материал. Дело в том, что он был получен в лабораторных условиях уже довольно давно (около 100 лет назад — в 1931 году), и что интересно — во многом случайно. Это оказался, можно сказать, побочный продукт при кристаллизации в супернасыщенных и суперкритических жидкостях при проведении лабораторных исследований американским ученым Сэмюэлем Кислером. В результате замены воды в обычном геле на метанол и его последующего нагрева до температуры до 240 градусов при высоком давлении спирт из состава улетучивался, но образовавшаяся пена не становилась меньше в объеме. В итоге получился мелкопористый, легкий и почти прозрачный материал — аэрогель.

Особенности материала

Уникальность материала состоит в полном отсутствии в его составе какой бы то ни было жидкой фазы, которая в процессе производства вся полностью переходит в газообразное состояние. В результате аэрогель, представляющий собой уникальную молекулярную решетку с порами размером всего около 2 мкм, практически на 99,8 % состоит из воздуха, полностью обездвиженного. Благодаря этому фактору аэрогель обладает очень низкой плотностью, по параметрам превосходящей только плотность воздуха и всего в полтора раза. В то же время материал имеет высокую прочность, которая позволяет ему выдержать нагрузку, превышающую его собственный вес в 2000 раз. Например, блок аэрогеля, массой всего 2,4 грамма, способен выдержать весовую нагрузку кирпича в 2,5 кг.

А где обездвиженность газов — там и особые термоизоляционные качества. И что интересно, сопротивление теплопередаче аэрогеля даже выше, чем у полностью неподвижной воздушной прослойки. Просто по той причине, что поры материала не оставляют никакой свободы движения молекулам, составляющим воздух. То есть здесь неподвижность рассматривается буквально на молекулярном уровне.

При изготовлении этого материала в промышленных условиях гелеобразная субстанция проходит полимеризацию, после чего на выходе получается вещество желеобразной формы. Далее из этого «желе» должна быть полностью удалена вода — процесс суперкритического высыхания производится в специальном автоклаве при воздействии высокого давления и температуры при участии в этом процессе углекислого сжиженного газа.

Начало промышленного использования аэрогеля — за компанией Monsanto, которая освоила выпуск термоизоляционных материалов. Впрочем, производство просуществовало не столь долго и было свернуто из-за его дороговизны. Но уже в 90-х же годах прошлого века аэрогели стали вновь применяться, но уже в космической отрасли. Постепенно этот материал «просочился» и в сферу промышленного строительства, где использовался на самых ответвленных участках, например, для термоизоляции технологических трубопроводов и резервуаров.

В 2007 году в США химиками были разработаны и прошли презентацию аэрогели, в состав которых входит платина. Эти материалы предназначены для создания эффективных сорбционных фильтров, позволяющих производить очистку воды от свинца, ртути и других опасных для человека тяжелых металлов.

Одно из перспективных направлений развития аэрогелевых технологий — создание фильтров для очистки океанов планеты от загрязнений.

Однако изготовление этого материала в промышленных масштабах пока еще слишком дорогое из-за необходимости использования драгоценного металла. Поэтому идут лабораторные работы по поиску более доступного по стоимости аналога платине, который предоставит возможность массового производства фильтров. Это, как надеются разработчики, позволит в будущем производить очистку водоемов планеты от различных химических загрязнений.

Не следует полагать, что аэрогель — это действительно гелеобразная субстанция, например, типа краски, которую нужно наносить с помощью кисти. Его следует рассматривать как одно из самых легких из существующих твердых веществ. Кроме того, для практического применения аэрогеля его научились совмещать с керамическими, карбоновыми, стекловолоконными и другими основами, что упрощает использование уникальных качеств этого материала.

Сегодня существует несколько разновидностей аэрогелевых материалов, которые широко используются в разных областях и для различных целей. Это лишь некоторые формы изготовления аэрогелевых материалов:

· кварцевые аэрогели обладают чрезвычайно низкой плотностью, лишь немногим уступая в этом вопросе абсолютным рекордсменам — аэрографитам и аэрографенам. В среднем их плотность составляет всего 1,9 кг/м³, что меньше плотности воды почти в 500 раз, и всего в полтора раза выше плотности воздуха.

Подобный тип аэрогелевых материалов имеет свойство пропускать солнечный свет, однако в то же время поглощать тепловое излучение. Они используются в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов в области строительства. Температура плавления этих аэрогелей составляет 1200 градусов. Материал толщиной всего в 25 мм способен надежно защитить руку от открытого огня паяльной лампы;

· углеродные аэрогели, состоящие из наночастиц, которые ковалентно связаны между собой, отличаются своей электропроводностью. Поэтому их, помимо термоизоляционных функций, часто применяют в качестве электродов в конденсаторах — за счет огромной площади внутренней поверхности можно достигать и огромных показателей электрической емкости. Кроме того, подобные материалы способны отражать всего лишь порядка 0,3 % попадающего на них излучения, поэтому их широко применяют в качестве поглотителей солнечного света;

·   кремнеземные аэрогели чаще всего применяются в качестве катализаторов в ответственных технологических процессах.

Общие преимущества аэрогелевых материалов можно описать следующим образом:

· экологическая безопасность. Материалы не содержат никаких вредных для окружающей среды веществ, поэтому применяются в любых условиях, в том числе внутри жилых и общественных помещений любого предназначения, безо всяких исключений;

·   огнестойкость. Полотна и жидкие составы с включением аэрогеля относятся к негорючим материалам (см. НЕГОРЮЧИЕ ВЕЩЕСТВА (МАТЕРИАЛЫ)) класса НГ. Поэтому отлично подходят для термоизоляции технологических трубопроводов, перекачивающих высокотемпературные вещества или огнеопасные составы, а также различного оборудования, требующего повышенной защиты от воздействия открытого огня и высоких температур;

·  выраженно малая плотность. В связи с тем, что аэрогель состоит на 98 % из воздуха, материал, изготовленный на его основе, не утяжеляет утепляемую конструкцию, а значит, не увеличивает нагрузку на несущую основу.

Материалы не впитывают воды и отводят влагу, если она попадает под утеплитель;

·  гидрофобность. Структурное строение открытых ячеек способствует быстрому испарению влаги, если она вдруг попала под слой утеплителя. Таким образом, аэрогелевые полотна способны обеспечить трубопроводам и другим металлическим поверхностям не только утепление, но и эффективную защиту от возникновения коррозии. Кроме того, материалы на основе аэрогеля обладают выраженно влагоотталкивающими способностями даже в условиях очень высоких температур;

· крайне низкая теплопроводность. Аэрогелевые композитные утеплители имеют самую низкую теплопроводность из всех известных ныне изоляторов, поэтому являются оптимальным вариантом для любых конструкций из каких бы то ни было материалов;

·  простота монтажных работ. Легкость и небольшая требуемая толщина материала обеспечивает простое закрепление его на любых поверхностях. Полотна и плиты фиксируются с помощью клеев, используемых для монтажа других утеплителей.

В настоящее время предлагаются следующие продукты на основе аэрогеля:

·   панели на основе кремеземного аэрогеля;

· нетканый материал для термоизоляции различных поверхностей на основе кварцевых аэрогелей;

·   огнестойкий теплоизоляционный порошок кремеземного аэрогеля;

·   стекло на основе аэрогеля;

·   теплоизоляционный нетканый материал на основе углеродного волокна.

Аэрогелевый порошок и краска

Порошок может иметь различные по размеру фракции частиц, самым востребованным вариантом является 20 мкм, характеризующийся коэффициентом теплопроводности 0,017–0,022 Вт/(м × К).

Кремеземный аэрогелевый порошок

Порошок аэрогеля используется для изготовления гидро- и термоизоляционных составов с теми или иными связующими. Для получения желаемого эффекта на поверхность следует нанести один тонкий слой подобной изоляции.

Предлагается в товарном ассортименте и уже готовый состав для нанесения на поверхности — водная суспензия с латексным связующим.

Изоляционный аэрогелевый окрасочный состав

Состав применяется для изоляции гипсокартона, бетонных и полиуретановых поверхностей. Покрытие создает достаточно прочный слой, который способен:

· защитить поверхность от огня (класс горючести НГ);

· придать влагоотталкивающие свойства;

· повысить термическое сопротивление конструкции — теплопроводность материала составляет ≤ 0,02 Вт/ (м × К).

Состав, имея хорошую адгезию, легко наносится на поверхность, эксплуатируется длительное время и является экологически чистым материалом.

Аэрогелевые нетканые материалы используются для теплоизоляции различного технологического оборудования, трубопроводов, иных ответственных конструкций. Эффективность такой термоизоляции уникальна, благодаря рекордно низкой теплопроводности, легкости, достаточной прочности и износостойкости, полному отсутствию влагопоглощения.

К преимуществам аэрогелевых материалов для утепления внутри помещения можно отнести следующие качества:

· прочность полотен;

· гидрофобность;

· длительный срок службы;

· небольшая толщина поможет сохранить площадь внутреннего пространства помещений;

· материал неплохо справляется и с функцией шумоизоляции;

· негорючесть — материал относится к классу НГ; отменная огнестойкость — материал может противостоять распространению открытого пламени.

· экологическая чистота материала. Он не содержит токсичных веществ и не имеет никакого запаха.

Материалы на основе аэрогеля вполне можно назвать универсальными. Они могут иметь различную плотность и толщину, поэтому их применение постоянно ширится. Так, их в настоящее время используют не только в сфере промышленного и жилищного строительства, микроэлектроники, космической отрасли и в различных технологических процессах, но и даже в качестве утеплителя для зимней одежды.

Таким образом, аэрогель, изобретенный более восьмидесяти лет назад, стал материалом XXI века. Ему пророчат большие перспективы, так как уникальные характеристики открывают все новые сферы для его применения. 

Литература

1. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ «ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ», ФГУ ВНИИПО МЧС РОССИИ, 2019.