< Terug naar vorige pagina

Project

Dispersies met aerogel en water voor de productie van nieuwe producten voor de bouwsector

Kooldioxide (CO2) en methaan (CH4), de twee meest overvloedig aanwezige broeikasgassen, blijven ieder jaar in onze atmosfeer toenemen, wat leidt tot wereldwijde klimaatveranderingen, ondanks de internationale inspanningen om de uitstoot van voornamelijk CO2 te minimaliseren. Onmiddellijke actie is vereist bij het ontwikkelen van oplossingen die de energie-efficiëntie in gebouwen aanzienlijk verbeteren door thermische superisolatie te installeren, waardoor de energie-behoefte voor verwarming of koeling en de daarmee gepaard gaande CO2 uitstoot drastisch wordt verminderd. De omzetting van het veel krachtigere methaan naar een minder schadelijk alternatief zou verder atmosferisch herstel mogelijk maken. De klasse van materialen die een oplossing kan bieden voor deze uitdagende maar noodzakelijke doelen is aerogel. Aerogels worden momenteel nog weinig gebruikt, voornamelijk vanwege hun hoge kostprijs, de behoefte aan grote hoeveelheden organisch solvent bij drogen onder omgevingsdruk, of de combinatie van hoge drukken en temperaturen bij superkritisch drogen. Bovendien blijft hun kwaliteit vaak twijfelachtig, aangezien commercieel verkrijgbare aerogels relatief grote afwijkingen kunnen vertonen van hun nominale eigenschappen. Dit proefschrift richtte zich daarom op nieuwe synthese-, functionalisatie- en implementatieprotocollen voor aerogels met uitstekende eigenschappen en lage standaarddeviaties terwijl ze compatibel zijn met massaproductie. Dit werk is onderverdeeld in drie hoofd-onderdelen: de synthese van hydrofobe silica-aerogeldeeltjes, de dispersie van hydrofobe silica-aerogel in gipspleisterslurries en de synthese en het gebruik van met koper gedoteerde polyimide-aerogels om methaan om te zetten in CO2.

 

Ondanks het vele onderzoek naar de synthese van voornamelijk silica-aerogel in de voorbije decennia, wordt er nog steeds actief gezocht naar minder kostenintensieve en veiligere productieprocessen. In dit proefschrift zijn drie verschillende protocollen voor de synthese van silica-aerogels ontwikkeld, waarbij alle silicagels werden bereid uit waterglas, een waterige natriumsilicaatoplossing, aangezien het een goedkope en relatief onschadelijke precursor is. Het doel was om de aerogel in deeltjesvorm te verkrijgen, bij voorkeur poeder.

Voor ieder protocol werd een andere sol-gel-stap ontwikkeld voor verdunde waterglasoplossingen met een silicagehalte van 6 tot 8 gewichtsprocent, evenals een oplossing die een gecombineerde hydrofobisatie en solventuitwisseling van de gel mogelijk maakt. Elke sol-gel was niet alleen van cruciaal belang omdat deze de uiteindelijke eigenschappen van de aerogel zou bepalen, maar er moest ook speciaal rekening gehouden worden met de natriumionen, die vóór de gelering moesten worden verwijderd of nadien uitgewassen. Alle aerogels werden gekarakteriseerd op dichtheid, porositeit, porievolume, BET-oppervlak, poriegrootteverdeling en thermische geleidbaarheid. De poriestructuren werden gevisualiseerd met scanning-elektronenmicroscopie.

In het eerste protocol was het streefdoel het garanderen van de herhaalbaarheid, zodat aerogels zouden worden verkregen met eigenschappen, met name thermische geleidbaarheid, vergelijkbaar met de huidige normen, maar met onbeduidende afwijkingen van de nominale waarden. Er werd een gel verkregen na gedeeltelijke neutralisatie van een verdunde waterglasoplossing tot een pH van niet minder dan 10,5, terwijl de solventuitwisseling, uitwassen van natriumzouten en hydrofobisatie gelijktijdig werden bereikt met een hexaan/trimethylchloorsilaan/isopropylalcohol-oplossing met een trimethylchloorsilaan/poriewater-verhouding van slechts 0,11 en een hexaanvolume ongeveer 35 keer kleiner dan typische processen in de literatuur. Tijdens en na drogen bij omgevingsdruk werd praktisch geen krimp waargenomen voor het uiteindelijke aerogelpoeder bestaande uit 8 gew.% Silica. Latere monsters werden gehydrofobeerd met hexamethyldisiloxaan in plaats van trimethylchloor-silaan om het vrijkomen van het sterk corrosief waterstofchloride te voorkomen. Thermische geleidbaarheid in het bereik van 22 tot 25 mW m-1 K-1 werd gemeten met standaarddeviaties niet groter dan 0,3, vergeleken met een commercieel verkrijgbaar aerogelpoeder waarvoor een thermische geleidbaarheid van 22 ± 1,4 mW m-1 K-1 werd gemeten met dezelfde apparatuur.

 

Een tweede protocol werd vervolgens ontwikkeld waarin de belangrijkste focus lag op het verkrijgen van aerogelpoeder met vergelijkbare eigenschappen als in het vorige protocol, maar op korte tijd door het elimineren van de afzonderlijke gelering- en rijpingstap in een zogenaamde co-precursormethode. Er werd opnieuw een licht gemodificeerde hexaan/trimethylchloorsilaan/isopropylalcohol-oplossing gebruikt, maar het waterstofchloride van trimethylchloorsilaan werd nu gebruikt om gelering te induceren en om tegelijkertijd het groeiende gelnetwerk te hydrofoberen. Aangezien in dit syntheseprotocol grotere hoeveelheden waterstofchloride aanwezig waren in vergelijking met het voorgaande, was de poriestructuur van de gel anders. Er werd een thermische geleidbaarheid van minder dan 24 ± 0,9 mW m-1 K-1 gemeten.

 

Ten slotte werd een laatste syntheseprotocol ontworpen met als doel hydrofobe silica-aerogeldeeltjes te produceren met uitstekende eigenschappen. Daarom werd een ionenuitwisselingsstap opgenomen om verdunde waterglasoplossingen vóór gelering in kiezelzuur te veranderen om homogene mesoporeuze gels te verkrijgen. Een gecombineerde hydrofobisatie en uitwisseling van oplosmiddelen was opnieuwe een essentiële stap in het syntheseproces, dit keer verkregen door twee varianten van een hexamethyldisiloxaan/ethanol-oplossing waaraan ofwel trimethylchloor-silaan ofwel salpeterzuur werd toegevoegd om respectievelijk aerogel in poeder- of monolithische vorm te verkrijgen. In het geval van trimethylchloorsilaan had dit silyleringsmiddel nog drie andere functies naast het hydrofoob maken van de gels vanwege de afgifte van waterstofchloride: het katalyseren van hexamethyldisiloxaan, het verpulveren van de gels en uiteindelijk het terugwinnen van de ionenwisselings-hars. Aerogels werden vervolgens verkregen met een dichtheid van ongeveer 0,09 g cm-3, een porositeit van meer dan 90%, een BET-oppervlak van 900 m2 g-1 en een thermische geleidbaarheid van 16 mW m-1 K-1.

De toevoeging van hydrofobe aerogel aan traditionele bouwmaterialen biedt vele voordelen, namelijk de mogelijkheid om dunnere isolatiepanelen te bekomen met verbeterde brandveiligheid, bescherming tegen vocht en vermindering van massa. Een tweede grote uitdaging van dit proefschrift was daarom het dispergeren van hydrofobe silica-aerogeldeeltjes in water-gebaseerde slurries, meer bepaald gips-pleister. Aerogel P300-deeltjes van Cabot Corporation werden dicht gepakt in een laag met gips gecementeerd in de resulterende gipsplaat. Deze aerogelrijke lagen waren effectief in het elimineren van koudebruggen, vooral wanneer de laagdikte minder dan 25% was van de totale dikte van de composietplaat. Als zodanig voor gipscomposietplaten die in totaal slechts 15 vol.% aerogel bevatten, kon een reductie van 63% in thermische geleidbaarheid worden bereikt in vergelijking met een zuivere gipsplaat. In het geval van een aerogelgehalte hoger dan 60 vol.% binnen de aerogel-pleisterlaag zelf, was (3-aminopropyl) triethoxysilaan vereist om stabiele dispersies te verkrijgen. De dikte van de aerogel bevattende pleisterlaag en het aerogelgehalte warden gevarieerd, terwijl aerogel zowel in granulaat- als in poedervorm was gebruikt na het verpulveren van de eerste. De invloed van de toevoeging van hydrofobe aerogeldeeltjes en additieven op de zetting en uitharding van de gipspleisterslurrie werd opgevolgd en onderzocht. Röntgen-computertomografie werd gebruikt om de aerogel-dispersie in de platen te karakteriseren.

 

De laatste focus van dit proefschrift was de verwijdering van het broeikasgas methaan, dat vanwege het veel hogere aardopwarmingspotentieel in vergelijking met CO2 en de relatief korte levensduur in de atmosfeer zou resulteren in een groter en meer direct effect op klimaatmitigatie.

Polyimide-aerogels werden gesynthetiseerd op basis van een recent proces ontwikkeld door NASA, waarbij twee diamines werden gemengd, namelijk 4,4'-oxydianiline en 2,2'-dimethylbenzidine, gecombineerd met 3,3', 4,4'-bifenyltetra-carbonzuurdianhydride . De resulterende oligomeren werden vervolgens gecrosslinkt met triisocyanaat Desmodur N3300A. Vóór chemische imidisatie van het resulterende polyaminezuur werden echter oplosbare koperzouten opgenomen, zodat tijdens de sol-gel koperverbindingen homogeen zouden worden gedispergeerd en afgezet of geïmpregneerd in de resulterende polyimidegel, vergelijkbaar met een protocol ontworpen door Aspen Aerogels. De gels werden vervolgens met solvent uitgewisseld en gedroogd via extractie van superkritisch CO2. Vanwege het hoge specifieke oppervlak en de vele functionele groepen van polyimide-aerogels, werden deze in dit werk beschouwd als potentieel effectievere katalysatoren in vergelijking met de typische door koper uitgewisselde zeolieten.

Er werd gekozen voor omzetting van methaan in CO2 in plaats van het traditionele methanol, omdat dit verscheidene voordelen biedt in de werking en het onderhoud van de katalysator zoals aangewezen in recente literatuur. CO2 is een gas en kan dus de katalysator eenvoudig verlaten, hetgeen de ontwikkeling van een continu proces significant vergemakkelijkt. Methanol daarentegen moet worden geëxtraheerd uit de actieve groepen, wat bovendien vaak leidt tot beschadiging van de laatste terwijl het energie vereist, evenals een opvangsysteem voor de vloeibare methanol. De ver-mindering van stralingsforcering door de verwijdering van methaan zou nog steeds enorm gunstig zijn voor het milieu en het klimaat, zelfs met de extra uitstoot van CO2 uit dit katalytische proces.

Naast het continu maken van het katalytische proces, werd het ook minder energie-intensief gemaakt door een temperatuur van slechts 100°C te gebruiken gedurende het volledige proces in vergelijking met temperaturen die typisch hoger zijn dan 400°C, zonder de behoefte aan extra druk op de gasstromen. De polyimide-aerogels hadden vervolgens omzettingsrendementen vergelijkbaar met die in recente literatuur.

 

Aangezien dit proefschrift de synthese omvatte van zowel anorganische silica als organische polyimide-aerogels, gedroogd via twee significant verschillende technieken, namelijk verdamping bij kamerdruk en superkritische extractie van de porievloeistof, respectievelijk, werd een diepgaand begrip en praktische ervaring in het synthetiseren van aerogels uitgebouwd. Bovendien werden ook nieuwe ideeën voor optimalisatie in de productie en gebruik van aerogels met succes ge-ïmplementeerd.

 

Datum:18 apr 2016 →  8 jul 2020
Trefwoorden:Aerogel
Disciplines:Metallurgie
Project type:PhD project