Anorganische Aerogele

Vortrag zum HauptseminarModul AC V22.01.2013

Eva Fürsattel

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Gliederung

1. Definition

2. Synthese

3. Anorganisch-organische Hybrid-Aerogele

4. Eigenschaften und Anwendungen

5. Quellen

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1. Definition - Aerogele

• Porenflüssigkeit des Gel gegen Luft ausgetauscht

• Erhalt der typischen Poren- und Netzwerkstruktur

- geringe Dichte

- große spezifische Oberfläche

- große offene Poren

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2. Synthese – Sol-Gel-Prozess

Variierbare Parameter

• Art der Vorstufen

• Art des Lösungsmittels

▫ Homogenisierung der Vorstufen

▫ Beeinflusst partikel- und netzwerkbildende

Reaktionen und die Dichte des Aerogels

Areogel Vorstufe

SiO2 TMOS, TEOS

Al2O3 Al(OsBu)3

TiO2 Ti(OiPr)4

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessVariierbare Parameter

• pH-Wert (für SiO2-Aerogele)

▫ Hydrolyse:

Si(OR)4 + H2O Si(OR)3(OH) + ROH

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessVariierbare Parameter

• pH-Wert (für SiO2-Aerogele)

▫ Kondensation

Wasserkondensation

(OR)3-Si-OH + OH-Si-(OR)3 (OR)3-Si-O-Si(OR)3+H2O

Alkoholkondensation

(OR)3-Si-OR + OH-Si-(OR)3 (OR)3-Si-O-Si(OR)3+ROH

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessPartikelwachstum und Ausbildung eines Netzwerks

pH abhängig

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessMetallalkoxide

Ti(OiPr)4 + 4 H2O Ti(OH)4 + 4 HOiPr

TiO2 + 2 H2O

• Reaktionsgeschwindigkeit durch Liganden vermindern

• [M(OR)y (L)x]n zeigt veränderte Reaktivität, Struktur

und Funktionalität

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessAlterung• Erhöhung der Steifigkeit des Gels

Schrumpfung des Gels

Synärese

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessAlterung• Ostwald-Reifung

▫ Abtragung von Masse an

thermodynamisch ungünstigen

Stellen

▫ Kondensation an thermodynamisch

günstigeren Stellen

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessTrocknung

• Problem bei Trocknung an Luft: Schrumpfen des

Gels und Rißbildung

Kapillarkräfte müssen vermieden werden

überkritische Trocknung

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2. Synthese – Sol-Gel-ProzessTrocknung• Überkritische Trocknung

▫ Porenflüssigkeit wird oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Drucks entfernt

keine Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche keine Kapillarkräfte

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3. Anorganisch-organische Hybrid-Aerogele

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4. Eigenschaften und Anwendungen

•Wärmeleitfähigkeit

▫ Hohe Porosität (bis 99,8 %)

Sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit

(0,012 Wm-1K-1)

Einsatz als Wärmeisolatoren

nicht entflammbar

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5. Quellen• http://stardust.jpl.nasa.gov/photo/aerogel.html#row2

• Hüsing, N.; Schubert, U. Angew. Chem. 1998, 110, 22-47

• Zeitler, I. Dissertation, Silika-Hybridmaterialien für Antifogging-Beschichtungen, Bayreuth, 2008

• Dorcheh, A. S., Abbasi, M. H. J. Mater. Process. Tech. 2008, 199, 10-26

• Adebajo, M. O., Frost, R. L., Kloprogge, J. T., Carmody, O., Kokot, S. J. porous Mat. 2003, 10, 159-170

• Wiener, M. Dissertation, Synthese und Charakterisierung Sol-Gel-basierter Kohlenstoff-Materialien für die

Hochtemperatur-Wärmedämmung, Würzburg, 2009

• Schaefer, D. W. Science 1989, 243, 1023-1027

• Schmidt, H. K. ChiuZ 2001, 35, 176-184

• ftp://data.cc-nanochem.de/SummerSchool2005/loebmann1.pdf

• Burchell, M. J., Graham, G., Kearsley, A. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2006, 34, 385-418

• Schwertfeger, F. J. Sol-Gel-Sci. Tech. 1994, 2, 103-108

• Alnaief, M. Dissertation, Process Development for Production of Aerogels with Controlled Morphology as

Potential Drug Carrier Systems, Hamburg, 2011