MATERIALE DE CONSTRUCTII CONTEMPORANE

Sem. 2, An III

Material: AEROGEL

Studenti: Anghelus Radu 34BDanaila Adrian 34A

Luscan Roxana 36B

Tone Alexandru 36BCUPRINS

1. Istoric2. Detalii tehnice3. Variante de utilizare4. Exemple de cladiri5. Bibliografie

1.Istoric

Mulți oameni presupun ca aerogelul este un produs al tehnologiei moderne, în realitate, primii aerogeli au fost produși încă din 1931. La acea vreme, Steven S. Kistler de la Collage of the Pacific din Stockton, era hotărât să arate lumii că un “aerogel” conține o rețea solidă de aceeași formă și mărime ca și gelul în stare lichidă. Cel mai evident mod de a demostra această ipoteză este de a scoate tot lichidul din gelul ud fără a degrada componenta solidă. Ca de obicei acest lucru nu e la fel ușor de făcut decât de zis. Dacă un gel în stare lichidă ar fi lăsat să se usuce de la sine, acesta s-ar micșora pur și simplu în proporții la jumatate. Micșorarea ar fi de cele mai multe ori însoțită de fisuri în material și rezultatul ar fi compromis.

Kistler a presupus, în mod corect, ca această componentă solida a gelului este microporoasă, și ca interfata de lichid-vapori în timpul uscării exercită forte de tensiune puternice care sfărâmă structura solida. Atunci Kistler a descoperit răspunsul pentru producerea aerogelului: “Evident, dacă cineva dorește să produca unui aerogel, acesta trebuie să înlocuiască lichidul cu aer in așa manieră încât suprafața lichidului să nu contracte. Daca un lichid este ținut sub presiune continuă mai mare decat presiunea exterioară și temperatura în crestere, ajungand la temperatura critica, lichidul ar trece în stare gazoasă fără ca structura să se degradeze.”

Primele geluri studiate de Kistler au fost gelurile silicate rezultate din condensarea acidă a silicatului de potasiu. Cu toate aceastea, încercarile de a prepara aerogelul prin transformarea apei din aceste geluri a fost un eșec. În loc să lase în un urmă aerogelul silicat, apa a redizolvat silicatul , apoi s-a precipitat odată ce apa a fost scoasă. Kistler a încercat să spele gelul cu apă (pentru a îndeparta sarurile din gel) apoi a înlocuit în compoziție apa cu alcool. Folosind alcool ca un fluid supercritic și evaporândul , primul adevarat aerogel a fost creat. Acesta era similar cu aerogelii silicați din prezent, erau transparenți, cu densitate mica și foarte poroși starnind un interes academic

puternic. În următorii ani Kistler a studiat aerogelul și a folosit diverse materiale precum alumină, oxid de wolfram, oxid de fier, oxid de staniu, nichel tartrat, celuloză, azotat de celuloză, gelatină, agar, albumina de ou, și cauciuc .

După cativa ani, Kistler a părăsit colegiul și a luat un post in Monsanto Corp. La scurt timp, Monsanto a început să comercializeze produsul sub denumirea de “aerogel” . Puțin se știe despre modul în care aceștia produceau aerogelul dar se presupune ca producția a urmat procedurile lui Kistler. Aerogelul Monsanto a fost folosit și ca un agent tixotropic în cosmetică și pastă de dinți. Noutați in producție nu au fost aduse pentru urmatoarele 3 decenii. În 1960 Monsanto a considerat că acest produs nu mai e folositor și producția lui a fost oprită.

Aerogelul a fost uitat o perioada până când în anii ’70, când guvernul francez l-a contactat pe Stanislaus Teichner de la Universite Claud Bernard, Lyon pentru a găsi o metodă să stocheze oxigen și combutibil de rachetă în materiale poroase. Teichner a dat unui absolvent de-al sau sarcina de a crea și de a studia aerogelul pentru această aplicare. Cu toate acestea, utilizând metoda Kistler, ce includea 2 mari etape de preparare, primul lor aerogel a durat câteva săptămâni pentru a fi gata. Dându-și seama că acesta metodă va necesita ani pentru a avea suficiente exemplare pentru a se putea face experimente, studentul a gasit o altă metodă de a sintetiza materialul mult mai rapid. Acest proces înlocuia silicatul de sodiu din reteta lui Kistler cu un alcoxisilan. Hidrolizare TMOS într-o soluție de metanol a produs un gel într-o singură etapă (numit un "alcogel"). Acest lucru a eliminat 2 din problemele procedurii lui Kistler, și anume, etapa de schimbare apă-alcool și prezența sărurilor anorganice în gel. În anii ce au urmat, Teichner și colaboratorii au extins procedurile și au creat o mare varietate de aerogeli din oxizi metalici.

După aceaste descoperiri, noi evoluții în domeniul științei și tehnologiei aerogelului au apărut din partea unor numeroși cercetători. Unele dintre cele mai importante realizări sunt:

La începutul anilor 1980, cercetatorii de fizica particulelor și-au dat seama că aerogelul din siliciu ar fi un mediu ideal pentru producerea și detectarea radiațiilor Cerenkov, aceste experimente necesită placi mari transparente de aerogel.

Prima fabrică pilot de productie a monoliților din aerogelului din siliciu, folosind metoda TMOS a fost creată de membrii grupului Lund in Sjobo, Suedia. Fabrica includea o autoclavă de 3000 litrii, proiectată pentru a

face față temperaturilor ridicate și presiunii necesare producerii aerogelului (240 grade Celsius șsi 80 de atmosfere), în 1984 acest rezervor a cedat, a apărut o scurgere de metanol care a provocat o expozie. Nu s-au înregistrat victime dar instalația a fost complet distrusă. A fost reconstruită ulterior și functioneaza și în prezent operată de Airglass Corp.

În 1983 Arlon Hunt și Microstructured Material Group din Berkeley Lab au descoperit că elementul toxic TMOS poate fi înlocuit cu tetraetilat de siliciu , un reactiv mult mai sigur. Această schimbare nu a afectat calitatea produsului.

De asemenea Materials Group Microstructuratal a constatat că alcoolul într-un gel ar putea fi înlocuit cu dioxid de carbon lichid înainte de uscare, fără a afecta aerogelul și reducând riscul de explozie.

BASF din Germania a dezvoltat simultan un substitut din CO2, acest nou material a fost produs până în 1996 sub denumirea de BASOGEL

În 1985, profesorul Jochen Fricke a organizat primul Simpozion International de pe Aerogels în Wurzburg, Germania. Douăzeci și cinci de lucrări au fost prezentate la această conferință de cercetatori din intreaga lume. ISA ulterioare au avut loc în 1988 (Montpellier, Franța), 1991 (Wurzburg), și 1994 (Berkeley, California, Statele Unite ale Americii). În al patrulea rând ISA a stabilit un record de participare cu 151 de participanți, 10 lucrări invitate, 51 de lucrări au contribuit, și 35 de prezentari de postere. A cincea ISA a avut loc la Montpellier, din nou, cu aproape 200 de participanti. A șasea a avut loc în Albuquerque, NM în anul 2000 în timp ce a șaptea a avut loc la Washington, DC, în 2003.

La sfârșitul anilor 1980, cercetatorii de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), conduși de Larry Hrubesh au produs aerogelul de siliciu cu cea mai mică densitate. Acest aerogel a avut densitatea de 0.003g/cm3, doar de 3 ori cea a aerului.

Thermalux, LP a fost fondată în 1989 de către Arlon Hunt, și alții, în Richmond California. Thermalux a operat cu o autoclavă de 300 litri pentru producerea de siliciu monoliți aerogel de TEOS utilizează procedeul de substituție dioxid de carbon. Thermalux pregătit o cantitate mare de aerogeluri, dar, din păcate, a încetat operațiunile în 1992.

Aerogel de siliciu, produs la Jet Propulsion Laboratory, a zburat la mai multe misiuni Space Shuttle. La aceste zboruri aerogel cu densitate

foarte scăzută a fost utilizat pentru a colecta și de a recupera probe de praf cosmic.

Cercetătorii de la Universitatea din New Mexico, condusă de C. Jeff Brinker și Doug Smith, și la alte instituții au ajuns la punctul de a crea aerogel eliminand etapa de super uscare prin modificarea prin procese chimice a suprafeței de gel în timpul uscării. Munca lor a condus la fondarea Nanopore ce comercializează aerogel cu costuri mai mici.

În 1992, Hoechst Corp din Frankfurt, Germania, a început, de asemenea, un program de produce a aerogelului granular cu costuri minime.

Aerojet Corp din Sacramento, California, a început un proiect de cooperare cu Berkeley Lab, LLNL, și alții pentru a comercializa aerogels prin procesul de înlocuire de dioxid de carbon în 1994. Acesta initiativa a incetat in 1996.

Cercetarea și dezvotarea produsului continuă în ritm alert, este preconizat ca mai multe procese si aplicații pentru aerogel să fie descoperite.

2.Detalii tehnice

Aerogelul este o spumă solidă, mezoporoasă cu celulele deschise compusă dintr-un sistem de nanostructuri interconectate care expune o porozitate mai mare de 50%.Termenul "mezoporos" înseamnă că materialul conține pori care variază ca dimensiune între 2 si 50 de nanometri în diametru.În general majoritatea porilor dintr-un aerogel au cam aceeași dimensiune. În practică, majoritatea aerogelulilor au porozitate de pană la 99.8 % si conțin o

cantitate semnificativă de micropori, pori care sunt mai mici de 2nm în diametru. Aerogelul face parte dintr-o clasă de materiale poroase, solide care afișează o serie de proprietăți extreme. Acest material este bine cunoscut pentru densitatea lui extrem de mică ( între 0.0011 și 0.5 g cm-3). De fapt, materialele solide cu densitatea cea mai mică care au fost produse vreodată sunt toate aerogeluri, incluzând aerogelul pe bază de siliciu care este doar de 3 ori mai greu ca aerul, și ar putea sa fie chiar mai ușor ca acesta dacă i s-ar extrage aerul din pori. De exemplu, ar fi nevoie de 150 bucăți de aerogel de dimensiunea unei cărămizi pentru a cantări în total cât un galon de apă( ~ 4 litri). Și dacă "David" statuia lui Michelangelo ar fi facută din aerogel de densitate 0,02 g cm-3 ar cantări în total doar 2 kg în loc de 6500 de kg. De obicei aerogelul este compus din 95-99% aer sau alt gaz, dar cel

mai ușor aerogel produs a avut în componența 99.98% aer.Aerogelul este partea uscată, de densitate redusă, poroasă dintr-un gel ( partea din gel care îi dă consistență solidă) izolat de fapt de componenta lichidă a gelului ( partea principală a gelului). Are porii deschiși, ceea ce înseamnă ca aerul sau gazul nu sunt prinse în niste capsule și pot circula. Cuvântul aerogel se referă la faptul că acesta derivă dintr-un gel, pastrând doar componenta uscată și solidă dintr-un gel umed, având gaz sau aer în pori în loc de lichid.Termenul de aerogel nu se referă la o

substanță finită, ci mai degrabă la o geometrie pe care o substanță o poate îmbrăca. La fel cum o sculptură poate fi facută din piatră, plastic, hârtie și aerogelul poate fi obținut dintr-o varietate de materiale:-siliciu-din majoritatea oxizilor de metale, de exemplu oxid de fier-polimeri organici ( poliacrilat, poliuretan, fenol-formaldehide etc.)-polimeri biologici (gelatină, pectină etc.)-nanostructuri semiconductoare-carbon-nanotuburi de carbon-metale ( cupru, aur)Se obțin de asemenea și aerogeluri compozite, de exemplu aerogeluri cu înveliș polimeric sau aerogeluri care conțin nanoparticule magnetice.

Majoritatea aerogelurilor au o serie de proprietăți speciale pe care niciun alt material nu le posedă simultan. Aerogelul deține recordul pentru cea mai mică densitate, pentru cea mai scăzută cale liberă de difuzie a unui material solid, cea mai mare suprafață deținută de un material monolitic si cea mai mică viteză de sunet propagată printr-un material solid. Este totuși important de știut că nu toate tipurile de aerogel au aceleași proprietăți speciale.

Alte proprietăți precum transparența, culoarea, forța mecanică și susceptibilitatea la apă depind în primul rand de compoziția materialului.De exemplu, aerogelul pe bază de siliciu, care este cel mai raspândit, este de obicei transparent tinzând spre o nuanță albastră, datorită nanoparticulelor care compun structura acestuia. Pe de alta parte, aerogelul pe bază de carbon este negru si opac. Cele pe bază de oxid de fier sunt puțin translucide si de culoare galbenă sau ruginie.De asemenea, aerogelurile anorganice cu densități reduse ( <0.1 g cm-3) sunt bune izolatoare termice si electrice, pe când cele pe bază de carbon sunt izolatoare termice dar conductoare electrice. Cu toate acestea, ajustând parametrii de procesare și explorand noi compoziții putem obține materiale cu o gamă versatilă de proprietăți si abilități.La atingere un aerogel anorganic din siliciu sau oxid de fier, se simte ca un burete solid, usor de tasat. Este uscat, rigid si foarte usor.În general aerogelurile sunt destul de fragile. Cele anorganice sunt friabile si ușor de rupt sau tasat în momentul în care sunt atinse. Acestea fiind spuse, depinzând de densitatea lor, acestea pot rezista la greutăți de până la 2000 de ori greutatea lor. Dar cum greutatea lor este foarte mică, echivalentul a 2000 de ori este același lucru cu zdrobirea unei cereale de porumb.Aerogelurile pe bază de polimeri organici sunt mai putin fragile decat cele anorganice. Aerogelurile pe bază de carbon care sunt derivate din aerogeluri organice, au consistența carbunelui si de asemenea sunt greu de zdrobit.

Totuși, există cateva exemple de aerogeluri foarte puternice care pot rezista la greutați mari, acestea sunt o clasă de polimeri încrucișați cu aerogeluri anorganice, denumite aerogel-x. Aerogelul-X este foarte flexibil, precum cauciucul, și de asemenea foarte puternic deoarece este realizat din oxid de vanadiu.

3.Variante de utilizareDatorita capacitatii extraordinare de izolare contra diferitilor factori – termic , acustic dar si anumitor zone ale spectului luminos cum ar fi lumina infrarosie – o intrebuintare inovatoare se intampla in domeniul inchiderii golurilor de fereastra. Aerogelul pe baza de siliciu corespunde cel mai bine acestei intrebuintari , factorul definitoriu pentru acest lucru fiind transluciditatea materialului sau uneori aproape transparenta . Un obiect translucid lasa sa treaca lumina , dar nu permite perceperea clara a contururilor formelor . Nuanta de albastrui intalnita la majoritatea sortimentelor de aerogel pe baza de siliciu se datoreaza particolelor si a modului lor de dispunere dar si a porilor dintre acestea . Lungimile scurte de unda ale spectrului luminos vizibil – cum ar fi albastrul – interactioneaza mai mult cu particulele din alcatuire, dispersandu-se in masa materialului si dand astfel nastere nuantei specifice .Cel mai simplu mod de alcatuire a acestor inchideri pe baza de aerogel se constituie din prinderea intre doua foi de sticla a materialului izolant . Rezulta astfel un sistem de tip sendvici, ce filtreaza mult mai bine decat alte sisteme factorii atmosferici nefavorabili. Ferestrele si celelalte inchideri sunt zonele prin care se face cel mai facil transferul de caldura , fapt ce duce la un cost ridicat in controlul mediului ambiant intr-o casa sau la un confort mai scazut decat obisnuinta zilelor noastre . Acest lucru constituie motivul principal ,pentru care o astfel de solutie este necesara . Aceste sisteme functioneaza pe trei sau in functie de alcatuire – patru paliere :*Izolatie termica: – configurarea materialului implica pana la 90% aer in interiorul porilor Iar structura permite un transfer extrem de redus de caldura , astfel performantele in termoizolare sunt nemaintalnite .*izolare acustica:

– punctul cheie in care aerogelul aduce beneficii in izolarea acustica reprezinta undele de viteza mica – zgomotul aerian , care se transmite prin intermeziul porilor. Distanta dintre moleculele structurii seste suficent de mica pentru ca moleculele de aer sa nu poata trece . *Filtrarea rezelor infrarosii –razele infrarosii sunt cele care raspund de incalzirea din lumina solara ( razele patrund prim ferestre , iar cele care nu sunt absorbite de obiecte sunt reflectate fara a putea trece din nou de sticla ferestrei ) . *Dispersarea luminii: – razele paralele ale luminii solare sunt difuzate in toate directiile odata ce trec de stratul de aerogel . Diferenta inte cele doua tipuri de patrundere a luminii consta intr-o luminare mult mai uniforma a incaperii in cazul aerogelului si deci intr-o folosire mult mai eficienta . In cazul une incaperi pentru cursuri sau un birou comun in care conditiile trebuie sa fie cat mai uniforme pentru toti utilizatorii , este o solutie foarte potrivita *capacitati hidrofuge : -in cazul anumitor configuratii – ex : pentru luminatoare sau lucarne – asigura o protectie suplimentara la patrunderea umezelii. Produse pe baza de aerogel pentru ferestre luminatoare sau lucarne sunt produse de firme precum : * Lumira – gama “Aerogel “: panouri compozite pentru luminatoare si fatade ; sisteme structurale din policarbonat pentru luminatoare , sistema policarbonat pentru fatade , etc. . *Kalwall – luminatoare ‘superizolate’. Lumira Aerogel , mai concret Nanogel aerogel , este un gel izolator folosit la umplerea policarbonatului , pentru multe sisteme arhitecturale si aplicatii . Scopul principal al produselor Lumira aerogel este de a creste randamentul termic , dar in acelasi timp de a reduce transmiterea zgomotului. Acest produs consta din mici particule hidrofuge , cu R = 6.5 pentru placi de 35 mm , comparativ cu R=3 pentru unitati ce nu sunt umplute cu aerogel . Dupa de aerogelul este adaugat policarbonatului , transferul de caldura este

drastic scazut , minimizand costurile pentru instalatii. In anumite aplicatii , lumira aerogel poate corespunde cerintelor necesare unui certificat LEED . Achizitionare sustenabila ,eficienta energetica optima , confort pentru utilizatori , emisii scazute , alaturi de luminazilei si perspectiva , sunt calitati pozibile pentru a atinge acea certificare . La editia din 2007 a evenimentului Solar Dechathlon de la Washington D.C. echipa castigatoare (Technische Universität Darmstadt) a transportat proiectul lor tocmai din Germania. Conceptul pe care acest proiect l-a urmat s-a concentrat pe ‘ energia pasiva ‘. A fost proiectat in esenta ca o cutie cu trei straturi – stratul superficial : stejar – obloane cu lamele orizontale ce produc energie electrica prin panouri electrice , un strat de mijloc ce consta din pereti cu un randament sporit in termoizolare plus ferestre , si un strat de interior ce include bucataria baia si instalatii . Casa a fost proiectata sa foloseasca la maximum lumina solara . petretii sunt translucizi siind constituiti din doua straturi de policarbonat ce tin intre ele un strat de aerogel . Acoperisul este deasemenea translucid Aerogelul mai este folosit si in realizarea unor termoizolatii pentru pereti cu grosimi foarte mici .

4.Exemple

6. Bibliografiea. http://www.cnet.com/news/high-tech-aerogels-wrap-homes-with-

insulation/

b. http://www.aerogel.com.au/industries/building-and-construction#res_ceiling

c. http://www.jetsongreen.com/2010/02/aerogel-ultra-thin-super-insulation.html

d. http://www.aerogel.org/?p=3

e. http://www.colorado.edu/engineering/ASEN/asen5519/1999-Files/presentations/john-creasey.pdf