Pagtatasa ng pagganap ng thermal pagkakabukod at mga patlang ng aplikasyon ng aramid fiber reinforced airgel composite

Ang mga aerogels ay mababang-density, lalo na ang mga mesoporous solids na may mahusay na mga katangian, kabilang ang mababang density, mataas na tiyak na lugar ng ibabaw, mababang dielectric na pare-pareho, at ultra-mababang thermal conductivity. Kasama sa mga halimbawa ang graphene o carbon nanotube aerogels, polyurethane at polyimide aerogels, biopolymer aerogels tulad ng cellulose, chitosan, at protein aerogels, pati na rin ang kanilang mga composite at hybrids. Lalo na sa nakaraang dekada, nagkaroon ng pagsabog na pagtaas sa mga papeles na pang -agham at mga patent na naglalarawan ng mga bagong materyales sa hangin, mga proseso ng paggawa, at mga aplikasyon, sumasaklaw sa mga lugar tulad ng thermal pagkakabukod, mga sistema ng paghahatid, remediation ng kapaligiran, catalysis, at acoustics.

Sa kabila ng pagtaas ng kahalagahan ng patlang ng airgel, o marahil dahil dito, ang kahulugan ng "airgel " ay nananatiling kontrobersyal. Ang mga maagang kahulugan ay madalas na batay sa mga pamamaraan ng pagpapatayo na ginamit sa proseso ng paggawa, tulad ng mga aerogels mula sa supercritical drying, cryogels mula sa freeze-drying, at xerogels mula sa evaporative drying. Gayunpaman, ang mga kamakailang mga kahulugan ay may posibilidad na tumuon sa mga materyal na katangian, lalo na ang mataas na proporsyon ng mesoporosity. Sa huli, ang pinakamalawak na kahulugan ng mga aerogels ay tumutukoy sa anumang materyal na nagmula sa isang gel sa pamamagitan ng pagpapalit ng pore fluid na may hangin, nang walang mga paghihigpit sa laki ng butas o iba pang mga katangian. Ang mas malawak na kahulugan na ito ay pangunahing kasama ang mga macroporous na materyales na hindi nagtataglay ng mesoporosity, mataas na lugar sa ibabaw, o ultra-mababang thermal conductivity na karaniwang nauugnay sa mga aerogels, tulad ng mga freeze na pinatuyong cellulose foams.

Ang mga silica aerogels ay ginawa sa pamamagitan ng isang proseso ng sol-gel, na may iba't ibang mga pagbabago na iminungkahi upang mapahusay ang kahusayan ng mapagkukunan at gastos. Gayunpaman, ang karamihan sa mga proseso ay sumusunod pa rin sa parehong mga pangunahing hakbang. Ang gelation ng silica sols ay karaniwang na -trigger sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga acid o base upang mabawasan ang katatagan ng singil ng nanoparticle. Matapos ang gelation, ang reaksyon ng pag-uulat ng pag-uulat ng silica ay nagpapalakas ng mga pakikipag-ugnay sa interparticle, sa gayon pinapahusay ang mekanikal na katatagan ng gel. Ang pang -industriya na tagumpay ng silica aerogels ay halos ganap na maiugnay sa kanilang pagganap sa mga aplikasyon ng thermal pagkakabukod. Ang kanilang thermal conductivity ay maaaring maging mas mababa sa 0.012 w/(M · K), lalo na dahil sa mataas na porosity at tortuosity ng particle network, na pinipigilan ang solid-phase heat conduction. Bilang karagdagan, dahil sa epekto ng Knudsen, ang maliit na laki ng butas-ay humihiwalay sa ibig sabihin ng libreng landas ng haba ng mga molekula ng gas-binabawasan ang gas-phase thermal conduction. Ang ultra-mababang thermal conductivity na ito (kalahati lamang ng nakapaligid na hangin at maginoo na mga materyales sa pagkakabukod) ay nagbigay ng pagtaas sa isang mabilis na lumalagong merkado na nagkakahalaga ng daan-daang milyong dolyar.

Ang kabuuang thermal conductivity ay malapit na nauugnay sa materyal na density, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Sa maginoo na mga materyales sa pagkakabukod, ang radiation ay gumaganap ng isang mahalagang papel, at sa mga kaso ng malalaking sukat ng butas, ang air convection ay nagiging hindi mabibigat din. Habang tumataas ang density, bumababa ang radiative heat transfer habang tumataas ang solid-phase heat conduction. Dahil sa mga epekto ng pakikipagkumpitensya na ito, ang thermal conductivity ay nagpapakita ng isang U-shaped dependence sa density. Ang parehong impluwensya ay nalalapat sa mga materyales sa airgel; Gayunpaman, dahil ang mga sukat ng pore ng airgel ay mas maliit kaysa sa ibig sabihin ng libreng landas ng hangin, ang pagpapadaloy ng gas-phase ay mabawasan. Binabawasan nito ang dalas ng mga pagbangga ng molekula ng hangin, sa gayon ang pagbaba ng paglipat ng init ng init. Dahil dito, ang minimum na kabuuang thermal conductivity ay lumilipat patungo sa mas mataas na mga density at rehiyon na may (maramihang) mababang kondaktibiti ng kuryente.

Ang Silica airgel nanoparticle ay nagtatayo ng isang istraktura ng multi-network sa pamamagitan ng magkakaugnay, ngunit ang mahina na pag-bonding sa pagitan ng mga particle ay nagreresulta sa hindi magandang mekanikal na mga katangian, mababang lakas, at mataas na brittleness sa purong silica aerogels. Upang matugunan ang mga isyung ito, ginalugad ng mga mananaliksik ang iba't ibang mga diskarte sa pampalakas. Ang Aramid fiber, na may mababang density, mababang thermal conductivity, at mataas na lakas ng mekanikal, ay lumitaw bilang isang mainam na pagpipilian para sa pagpapahusay ng mga silica aerogels. Sa pamamagitan ng isang temperatura ng agnas na humigit-kumulang na 450 ° C sa hangin, ang aramid fiber ay partikular na angkop para sa mga aplikasyon ng pagkakabukod ng mataas na temperatura.

Noong 2016, ang Aramid fiber-reinforced silica airgel composite (AF/Airgel) ay matagumpay na gawa-gawa. Kasunod nito, ang glycidyl propyloxy trimethoxysilane (GPTMS) -grafted aramid fiber at polytetrafluoroethylene (PTFE) -coated aramid fiber airgel composite ay ipinakilala. Ang mga composite na ito ay hindi lamang pinanatili ang mababang density at mababang thermal conductivity ngunit makabuluhang napabuti din ang compressive at flexural na lakas.

Ang mga karagdagang pag -aaral ay nagpakita na ang mga thermal at mechanical na mga katangian ng aramid fiber ay ginagawang lubos na epektibo para sa mga aplikasyon ng ballistic protection. Kung ikukumpara sa tela ng aramid lamang, ang aerogel-integrated ballistic test sample ay nagpakita ng isang 72% na pagbawas sa rate ng perforation ng tela. Noong 2021, Almeida et al. Inihambing ang mga nagpapatibay na epekto ng mga silica aerogels na may hibla ng aramid at nadama, sa paghahanap na ang mga composite na nagsasama ng mga pinahabang mga hibla ay nagpakita ng mas mababang bulk density at higit na kakayahang umangkop, na ginagawang maayos ang mga ito para sa hugis-adaptive at vibration-damping application.

Ang kumbinasyon ng aramid fiber at airgel ay nakakamit ng isang pantulong na pagpapahusay ng mga materyal na katangian. Bilang isang pampalakas na sangkap, ang aramid fiber ay nagbibigay ng malakas na suporta sa mekanikal sa mga aerogels, pagpapabuti ng kanilang mekanikal na pagganap, habang ang mga aerogels ay nag -aambag ng kanilang thermal pagkakabukod at mga kakayahan sa pagsipsip ng tunog, nagtatrabaho synergistically na may mga aramid fibers.

Halimbawa, ang mga composite ng aramid/airgel na inihanda gamit ang wet-inilatag na proseso ng paggawa ng papel ay hindi lamang nagpapanatili ng mga functional na katangian ng aramid paper ngunit nagpapakita rin ng pinabuting paglaban ng init. Ang mga composite na ito ay may malawak na mga prospect ng aplikasyon sa thermal pagkakabukod, na nag -aalok ng mga bagong pananaw at posibilidad para sa pagsulong ng agham ng mga materyales.