Als Kind haben Sie wahrscheinlich schon einmal davon geträumt, einmal eine Wolke zu berühren. Obwohl dieser Traum zu dieser Zeit scheinbar unmöglich war, ist er nicht so weit hergeholt, wie Sie vielleicht erwarten würden. dieser Traum, ein Stück vom Himmel zu halten, könnte doch erreichbar sein.

Ob Sie es glauben oder nicht, es gibt ein festes Material, das als Aerogele bekannt ist und zu 99,8 % aus Luft besteht. Um es aus einer anderen Perspektive zu betrachten: Es bräuchte 150 ziegelgroße Aerogele, um das Gewicht einer Gallone Wasser zu berücksichtigen. Sie sind das leichteste feste Material auf diesem Planeten, das 1400° C Hitze aushält!

Was ist das Besondere an Aerogelen?

Um zu verstehen, wie ein Aerogel hergestellt wird , müssen wir zunächst verstehen, was ein Hydrogel ist. Hydrogele sind dreidimensional vernetzte Polymere, die viel Wasser speichern können.

Aerogele sind im Wesentlichen Hydrogele, außer dass das Wasser durch Luft ersetzt wird. Dies verleiht ihm unglaubliche mechanische Eigenschaften :

1. Das Potenzial, als extrem leichtes Material (99,8 % Luft) für industrielle Anwendungen verwendet zu werden.
2. Extrem niedrige Dichten im Bereich von 0,0011 bis ~0,5 g cm³ tragen zu seinem geringen Gewicht bei.
3. Die hohe Porosität von > 85 %.
   Hinweis: Porosität ist das Verhältnis des Hohlraums im Material zum Volumen des Materials (im Grunde bedeutet das, dass das Aerogel viele Löcher oder Zwischenräume enthält).
4. Eine sehr große Oberfläche von ca. 500–1500 m²/g. Es mag seltsam erscheinen, dass ein so leichtes Material eine so große Oberfläche hat. Das Geheimnis liegt in den Nanoporen: Es sind so viele dieser Nanoporen in das Material eingepresst, dass es, aufgefächert, bis zu einem halben Fußballfeld bedecken kann!
5. Es hat wirklich kleine Poren , etwa 20–40 nm, was bedeutet, dass sich Luft- und Gasmoleküle nicht frei bewegen können (Gasmoleküle benötigen mindestens 1 mm, um sich um die Poren herum zu bewegen). Folglich verteilt sich die Wärme nicht leicht im gesamten Material, wodurch das Material unglaublichen Temperaturen standhält und es gleichzeitig zu einem unglaublichen Wärmeisolator macht!
6. Aerogele können bis zum 4000-fachen ihres Eigengewichts standhalten! Allerdings sind viele Aerogele aufgrund ihrer geringen Dichte noch sehr spröde. Das Fallenlassen eines Aerogel-Würfels kann ihn in Millionen Stücke zerbrechen, da er amorph ist (keine kristalline Struktur hat). Silica- Aerogele sind ein Beispiel für diese amorphen Materialien.

Industrieanwendungen:

Seine erstaunliche Fähigkeit, so viel Wärme einzufangen, macht es zu einem großartigen Kandidaten für die Isolierung von Gebäuden, Fahrzeugen und sogar Kleidung. Aerogelkügelchen werden mit Baumaterialien wie Polymerfolien gemischt, um Wärme in Gebäuden und sogar Fahrzeugen einzufangen.

Auf den Gebäudesektor entfallen fast 40 % des weltweiten Energieverbrauchs . Als Wärmeisolatoren eingesetzte Aerogele konnten eine Reduzierung um 15 % erreichen ! Dadurch wurden Millionen Tonnen CO2 eingespart.

Diese Aerogelkügelchen können sogar zu Kleidungsfasern hinzugefügt werden , um die Wärme zu maximieren. In einer Studie von Oros , einem Unternehmen, das Aerogel-Technologie für seine Kleidung verwendet, schloss eine Aerogel-Verbundjacke Wärme bei einer Temperatur von 89 Grad Fahrenheit in einem Raum mit -321 Grad Fahrenheit ein.

Aerogele haben Anwendungen, die sogar über die Wärmeisolierung hinausgehen – sie können verwendet werden, um Verschmutzungspartikel im Wasser zu absorbieren, die durch Öl- und Chemikalienverschmutzungen verursacht werden können . Durch die Verwendung der negativ geladenen anionischen Vorläufer des Aerogels oder Basisgelmaterialien wie Alginat ziehen die Ionen die in schädlichen Schadstoffen enthaltenen Metallionen an.

Shaoqin „Sarah“ Gong , ein Forscher am BIONATES des Wisconsin Institute for Discovery , hat zusammen mit dem Doktoranden Qifeng Zheng und dem Projektleiter Zhiyong Cai am USDA Forest Products Laboratory kürzlich ein Aerogel auf Zellulosebasis patentieren lassen , das absorbieren kann Partikel von Ölverschmutzungen! Diese Technologie wird sogar mit der Entsalzung (dem Prozess der Entfernung von Salz und Mineralien aus Wasser) erforscht, da anionische Vorläufer in der Lage sind, die kationischen Chloridionen von NaCl anzuziehen und zu absorbieren, wodurch diese Verbindung vom Wasser getrennt wird!

Am bemerkenswertesten sind Aerogele, die derzeit von der NASA in der Weltraumforschung eingesetzt werden , um Kometenstaub für Forschungszwecke einzufangen und zu untersuchen ; Es wird auch zur Isolierung von Rovern verwendet, die den Mars bereisen und erkunden.

Mit Blick auf die Zukunft könnten Aerogele Kunststoffprodukte in verschiedenen Branchen durchaus ersetzen. Beispielsweise können Kunststoffteile für die Luft- und Raumfahrt aus Aerogelen hergestellt werden, um das Gewicht der Flugzeuginfrastruktur zu reduzieren und aufgrund der hohen Wärmeisolierung des Aerogels Geld und Treibstoff zu sparen.

⭐ Schauen Sie sich einige der Begriffsdefinitionen an, die im Glossar zu finden sind!

Arten von Aerogelen auf dem Markt

• Kieselsäure-Aerogele
• Kohlenstoff-Aerogele
• Aerogele aus Kohlenstoffnanoröhren
• Metalloxid-Aerogele
• Metallaerogele
• Halbleitende nanostrukturierte Aerogele

Silizium

• Hohe Hitzebeständigkeit und elektrische Isolierung
• Verwendet für Isolierung, Bau, Computerchips

• Hohe Transparenz
• Hohe Hitzebeständigkeit
• Verwendet in Glas, Glasfasern, Keramik

• Hohe Schmelz- + Siedepunkte
• Halbleiter für Chips und Elektronik, Klebstoffe, elektrische Isolierung

Aerogel- Materialien sind als sich entwickelnde Technologie ziemlich neu, aber sie werden voraussichtlich bis 2028 einen Wert von rund 2 Milliarden USD haben, mit einer CAGR von 15,1 % von 2020 bis 2028. Diese Technologieentwicklung wurde durch die Pandemie im Jahr 2020 verzögert, aber Polymer-Aerogele werden für viele Dämmstoffe angewendet. Die beliebtesten Aerogele sind Silica-Aerogele , die im Jahr 2020 einen Umsatzanteil von über 67 % einer globalen Aerogel-Marktgröße von 818,9 Millionen USD (548,6 Millionen USD) hatten. Unterdessen erzielte der Einsatz von überkritischer Trocknungstechnologie zur Entwicklung von Aerogelen im Jahr 2020 einen Umsatzanteil von 74 % (605,9 Millionen USD) und war damit führend in der Öl- und Gasindustrie.

Aerogele werden auf dem derzeitigen Einzelhandelsmarkt in verschiedenen Formen und Formen verkauft, von Partikeln und Scheiben bis hin zu Zylindern und Gummitüchern. (Der günstigste Aerogel-Preispunkt, den wir finden konnten, ist ein Silica-Aerogel, das bei eBay für 9,95 $ verkauft wird .)

Aktuelle Entwicklungsfragen

Ohne Zweifel haben diese Materialien das Potenzial, die Verwendung nachhaltiger Materialien in der Welt neu zu gestalten. Aber sie haben ein Problem – ihre Kosten.

Ab 2022 kosten Aerogele 1 Dollar pro Kubikzentimeter. Im Vergleich dazu kostet PET, der am weitesten verbreitete Kunststoff, 10,14 Cent pro Pfund.

Eine einzelne 500-ml-Plastikwasserflasche, hergestellt in den USA, kostet etwa 2 Cent ; Sie können 50 Plastikwasserflaschen im Vergleich zu einem Kubikzentimeter Aerogelmaterial für nur einen Dollar herstellen.

Ein Kubikzentimeter entspricht einem Gramm, und ein Pfund enthält ungefähr 454 Gramm. Wenn Sie etwas rechnen, bedeutet dies, dass PET-Kunststoff ungefähr 0,0002 Dollar pro Gramm kostet und damit 10.000-mal billiger ist als Aerogele! Puh!

Dies behindert jede kommerzielle Fähigkeit drastisch und beschränkt dieses Material darauf, nur unter sehr spezifischen Bedingungen und Anwendungen verwendet zu werden.

Wie können wir das ändern? Wie können wir diese Materialien für die Massenproduktion billiger machen?

Um unsere Hypothese zur Lösung dieses Problems zu entwickeln, werden wir den Herstellungsprozess durchlaufen, der dieses Material so kostspielig macht.

Zusammenfassung der Hauptprobleme:
1) Der Herstellungsprozess kostet viel Energie, Zeit und Geld .
2) Die Haltbarkeit von Aerogelen muss optimiert werden, um einen amorphen Kollaps zu verhindern.
3) Die Kosten für Aerogel müssen im Vergleich zum Markt für nachhaltige Materialien skaliert werden ( wenn wir einen Weg entwickeln würden, den CO2-Verbrauch bei der überkritischen Trocknung zu vermeiden, der zu negativen Kohlenstoffemissionen beitragen würde ).

⚒️ Ideenforschung & Entwicklung

Werte

Wir müssen zuerst die Werte und Eigenschaften identifizieren, die wir mit diesen Materialien aufrechterhalten wollen. Mit anderen Worten, wie soll dieses Material aussehen?

Haltbarkeit ✅

Zum einen muss das Gel haltbar und stark genug sein, um mit Kunststoffen konkurrieren zu können.

Aerogele haben derzeit einen Kompressionsmodul von etwa 176 kPa. Dies würde einer Kraft von 1,76 kg entsprechen, die auf einer Fläche von 1 cm im Quadrat ruht. Im Vergleich dazu haben Kunststoffe ein kPa von rund 1.000.000.

Trotz dieser enormen Lücke haben bestimmte Aerogele wie Airloys von Aspen Aerogels und X-Aerogele ihre Fähigkeit bewiesen, dem 20.000-fachen ihres Eigengewichts und mehr standzuhalten!

Um eine solche Haltbarkeit zu erreichen, erfordern sie jedoch viel mehr Schritte als herkömmliche Aerogele; zusätzliche Vernetzungsmittel und Polymerbeschichtungen sind erforderlich, um mechanische Festigkeit zu erreichen (dazu später).

Nachhaltigkeit ✅

Darüber hinaus möchten wir ein Aerogel-Material entwickeln, das eine Art Nachhaltigkeit fördert , um in einer grüneren Umgebung anwendbar zu sein. Wenn dieses Material in großem Umfang kommerzialisiert werden soll, müssen wir sicherstellen, dass es der ohnehin schon fragilen Umwelt keinen Schaden zufügt. Diese Aerogele, meist aus organischen Polymeren wie Zellulose und Alginat, gibt es bereits heute.

Jetzt, da wir das geklärt haben, fangen wir mit dem Prozess an!

Aerogel-Herstellungsprozess

Zuerst müssen wir einen Vorläufer oder ein Basismaterial vorbereiten. Beispiele sind Zellulose, Alginat und am häufigsten: Kieselsäure. Für unsere Zwecke verwenden wir Zellulose, da sie unsere beiden Hauptwerte abdeckt: Haltbarkeit und biologische Abbaubarkeit.

Als nächstes kommt die Auflösung dieses Materials in einem Lösungsmittel. Ein Lösungsmittel ist eine Flüssigkeit, die in der Lage ist, einen gelösten Stoff aufzulösen, wie z. B. unseren Vorläufer.

Cellulose kann nicht mit organischen Lösungsmitteln gelöst werden, daher muss ein synthetisches, Natriumhydroxid, verwendet werden. Die Auflösung wird gewöhnlich bei Raumtemperatur durchgeführt, wenn die Lösungsmittel flüssig sind, wobei ein basischer pH-Wert verwendet wird, um zu einer längeren Gelbildungszeit zu führen.

Eine längere Gelbildungszeit ist günstig, um ein gleichmäßigeres Material zu ergeben. Um die Auflösung zu erleichtern, mischen Sie die Lösung mindestens 24 Stunden lang mit einem Homogenisator. Diese Maschinen kosten normalerweise etwa 300–1000 Dollar .

Nachdem die Lösung zu einem Gel verfestigt wurde (dies wird Gelierung genannt), müssen wir es vernetzen, um zusätzliche Haltbarkeit und Struktur zu verleihen. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten:

1. Chemisches Vernetzen umfasst ein chemisches Vernetzungsmittel wie Zitronensäure, das es ermöglicht, dass der Vorläufer in der Lösung mit dem Lösungsmittel vernetzt wird.
2. Eine andere Alternative wäre, das Gel physikalisch zu vernetzen . Dabei würden extreme Temperaturen genutzt, um die Polymerketten im Monolithen zu aktivieren. Die gebräuchlichste Methode ist die Frei-Auftau-Methode . Dieser Prozess friert das Gel ein, damit sich die Ketten des Vorläufers denen im Lösungsmittel annähern können, und wird normalerweise aktiviert, indem das Aerogel für mindestens 24 Stunden in einen Kühlschrank gestellt wird .

Koagulation ist der Prozess, bei dem die in einer Lösung suspendierten Ladungskolloide neutralisiert werden, wodurch die Kräfte, die die Kolloide auseinander halten, destabilisiert und sie somit näher zusammengebracht werden. Dies ist eine übliche Mechanik, die im Blut zu sehen ist.

Im Falle von Zellulose und Natriumhydroxid enthalten sie eine Tonne negativ geladener Hydroxidgruppen. Durch die Zugabe von Ethanol werden diese Gruppen neutralisiert, um näher zusammengebracht zu werden.

Sobald dies geschehen ist, wird ein Lösungsmittelaustausch durchgeführt, um das Gel zu reinigen . Dazu wird das Material mindestens 24 Stunden lang in entionisiertes (oder destilliertes) Wasser getaucht, um sicherzustellen, dass alle zurückbleibenden Lösungsmittel entfernt werden. Dies ist notwendig, um zu verhindern, dass das Gelgerüst beim endgültigen Trocknen zusammenfällt (dazu später!)

An diesem Punkt ist das Hydrogel bereit, zu einem Aerogel getrocknet zu werden, aber das Material wäre sehr spröde. Hier kommen Airloys und X-Aerogele ins Spiel. Um Aerogele stärker und besser für den kommerziellen Einsatz geeignet zu machen, hat Aspen Aerogels einen Weg gefunden, dieses Material stärker zu machen. Es beinhaltet viele Lösungsmittelaustausche und das Hinzufügen einer sogenannten Polymerbeschichtung um die Hydrogelketten.

Diese Polymerbeschichtung reagiert mit den klebrigen OH-Gruppen (Wasserstoffbindung!), um die Gelstruktur weiter zu verstärken.

Lassen Sie es uns aufschlüsseln:

Zunächst wird das bereits im Gel vorhandene Lösungsmittel gegen ein Lösungsmittel ausgetauscht, das das zusätzlich zuzugebende Polymer lösen kann. Derzeit sind nur synthetische Polymere für diese Beschichtungsbasis verfügbar, daher ist es schwierig, eine organische zu finden.

Wir schlagen im Fall von Zellulose vor, Zelluloseacetat als Polymer zusammen mit Aceton als Lösungsmittel zu verwenden, da die in diesem Polymer vorhandenen Hydroxidgruppen ihm helfen werden, sich mit der Zellulose in unseren Gelen sowie dem Natriumhydroxid zu verbinden.

Zunächst wird Celluloseacetat in Aceton gelöst. Je mehr Polymer, desto stärker das Gel. Das Hydrogel wird dann für mindestens weitere 24 h in diese Lösung getaucht. Dadurch können die Lösungsmittel wieder ausgetauscht werden.

Das Gel wird dann in einen Ofen ( normalerweise etwa 60°C ) gegeben, um das Polymerbeschichtungsmittel zu aktivieren und es mit der OH-Gruppe reagieren zu lassen, wodurch die Beschichtung gebildet wird.

Eine erneute Reinigung ist erforderlich, um alle zurückgebliebenen Zugangslösungsmittel mit destilliertem Wasser zu entfernen.

Schließlich trocknen wir das Hydrogel, saugen die Flüssigkeit ab und ersetzen sie durch Luft. Leider ist das Trocknen von Hydrogelen nicht so einfach, wie es scheinen mag; man kann das Lösungsmittel nicht einfach verdampfen.

Dies liegt an der Kapillarwirkung . Wird die Flüssigkeit einfach aus dem Gelgerüst gesaugt, werden die klebrigen OH-Gruppen mitgezogen, wodurch die gesamte Gelstruktur zusammenbricht bzw. kleiner/kondensiert wird.

Um dies zu vermeiden, wäre die gebräuchlichste Methode zum Trocknen dieser Gele das überkritische Trocknen. Die überkritische Trocknung umgeht die Flüssiggasphase, wodurch das Problem der Kapillarspannung vollständig vermieden wird.

Wie funktioniert das?

Flüssigkeiten haben einen sogenannten kritischen Punkt, eine bestimmte Temperatur (>400°F) und Atmosphärendruck (>70 Atmosphären), die die Grenzen zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase verwischen. Dieser Punkt nimmt dem Lösungsmittel die Fähigkeit, Kapillarspannung auf das Gerüst auszuüben, wodurch sich das Aerogel bilden kann.

Als Lösungsmittel wird am häufigsten flüssiges CO2 verwendet, da das Fehlen von Hydroxidgruppen sowie seine im Vergleich zu Alkoholen weniger flüchtige Natur dieses Lösungsmittel ideal für diesen Prozess machen.

Flüssiges CO2 würde zuerst in das Gel ausgetauscht und anschließend in eine überkritische Trockenkammer geleitet, wo es seiner überkritischen Temperatur und seinem überkritischen Druck ausgesetzt wird und es in Gas umwandelt.

Dieses Verfahren ist zwar effektiv, aber sehr teuer, da die hohen Drücke und Temperaturen teure Maschinen erfordern. Außerdem ist es umweltschädlich, da es viel Energie verbraucht.

Um unsere Werte Nachhaltigkeit und Langlebigkeit zu wahren, gibt es zwei mögliche Alternativen:

1. Unterkritische Trocknung
2. Umgebungstrocknung

️Überkritische Trocknung:

• Prozess unter Druck und Temperatur
• Trocknungsverfahren, bei dem das Aerogel-Material an seinem kritischen Punkt gemessen wird → die höchste Temperatur und der höchste Druck, bei denen das Material existieren kann. Ex. wenn Flüssigkeit bis zu dem Punkt erhitzt wird, an dem sie in Dampf (Gasform) übergeht
• Aerogele im überkritischen Zustand existieren sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form

• Verfahren zum Entfernen von Flüssigkeit aus Aerogelen

Um unterkritisch zu trocknen, würde das Gel zuerst bei der Gefriertemperatur des Lösungsmittels vorgefroren werden. Nachdem Sie es einige Stunden stehen gelassen haben, legen Sie es in einen Vakuum-Gefrierschrank (z. B. BIOBASE BK-FD10S), normalerweise für mindestens 48 Stunden.

Obwohl es viel einfacher als herkömmliche überkritische Methoden ist, führt es dazu, dass der Monolith kondensiert (kleiner wird), was seine Verwendung für größere Gele einschränkt.

️Umgebungstrocknung:

Die andere Methode, die Umgebungstrocknung, ist etwas komplizierter …

Umgebungstrocknung ist die Trocknung von Hydrogelen bei regulären atmosphärischen Drücken.

Warten Sie, läuft das nicht Gefahr, dass das Gel aufgrund von Kapillarstress zusammenbricht?

Unbedingt. Um dies zu vermeiden, erfordert die Umgebungstrocknung jedoch die Verwendung von aprotischen Lösungsmitteln, Imprägniermitteln und etwas, das als Spring-Back-Methode bekannt ist .

Damit die Umgebungstrocknung funktioniert, muss das Gerüst des Gels weniger klebrig gemacht werden, indem die Hydroxylgruppen durch etwas Unpolares ersetzt werden . Darüber hinaus kann das Lösungsmittel im Gel weniger „klebrig“ gemacht werden, um zu vermeiden, dass das Gel in sich zusammenfällt, indem es durch eine Flüssigkeit mit niedriger Oberflächenspannung ersetzt wird. Beispiele umfassen aprotische Lösungsmittel, denen Hydroxidgruppen fehlen.

So funktioniert das:

1. Die Porenflüssigkeit im Gel wird mit einem aprotischen Lösungsmittel wie Pentan, Hexan oder Toluol (Lösungsmittel ohne Hydroxylgruppen) ausgetauscht.
2. Die Halb-Halb-Methode des Lösungsmittelaustauschs wird verwendet, um die Rissbildung zu minimieren. Bei dieser Methode wird das Gel in eine Lösung aus der Hälfte des bereits vorhandenen Lösungsmittels und der Hälfte des neuen aprotischen Lösungsmittels gegeben. Dann tauschen Sie die Lösung gegen die eines reinen aprotischen Lösungsmittels aus.
3. Nachdem der Lösungsmittelaustausch abgeschlossen ist, tränken Sie das Gel in einer Lösung aus Imprägnierungsmitteln wie TMSCl, DMDCS oder HMDS.
4. Diese Verbindungen diffundieren dann in die Poren des Gels, um mit den Hydroxylgruppen auf der Oberfläche zu reagieren und sie durch unpolare Gruppen wie Trimethylsilyl- oder Dimethylsilylgruppen zu ersetzen.
5. Etwaige Nebenprodukte werden gereinigt, indem sie (erneut) durch ein aprotisches Lösungsmittel ausgetauscht werden.
6. Schließlich ist das Gel bereit, im Vakuum getrocknet zu werden. Sobald das Trocknen abgeschlossen ist, sollte das Aerogel fast wieder die exakte Größe annehmen, die es einmal hatte.

Puh, das war viel.

Diese Produktionsmethode ist zwar bedeutend, hat aber immer noch viele Probleme: Kosten. Um eine wirtschaftliche Haftung in der Fertigungslinie zu isolieren, müssen wir zunächst die Vor- und Nachteile dieses Herstellungsverfahrens verstehen.

Analyse des Aerogel-Herstellungsprozesses:

Profis zum Ablauf ️

Kontrollierte Regulierung

• Jede Variable (Temperatur, pH-Wert) wird genau kontrolliert und manipuliert, um ein sorgfältig abgestimmtes Material zu erhalten.

Nicht skalierbar

• Die Messungen/Verhältnisse in Bezug auf Vorstufen und Lösungsmittel sind spezifisch.
• Jeder Vorgang (Auflösen, Gelieren, Trocknen) dauert einige Stunden, vielleicht sogar Tage zum Trocknen.
• Es gibt viele Stufen. Das Gel muss mehrfach vernetzt werden, um die gewünschte Haltbarkeit zu erreichen, und mehrfach gereinigt werden, um die Gelstabilität zu gewährleisten.
• Aerogele können nicht in großen Mengen hergestellt werden, da größere Aerogele anfälliger für Kollabieren sind. Größere Gelstrukturen bedeuten eine größere Fehleranfälligkeit beim Austrocknen des Lösungsmittels, da bereits ein Fehler in seinen Ketten zum Versagen der gesamten Struktur führt.

• Vorläufer, wie bakterielle Zellulose, werden ziemlich teuer.
• Es sind viele Lösungsmittel und Mittel notwendig, um dieses Material herzustellen. Das verursacht Kosten.
• Die Ausstattung (Homogenisator, Vakuumfroster) geht in die Tausende.

Zurück zur vorherigen Kostenvergleichsanalyse: PET-Kunststoffe kosten derzeit 10,14 Cent pro Pfund . Schon seit seiner Gründung dominiert es den Materialmarkt aufgrund seiner niedrigen Kosten, hervorragenden Haltbarkeit und Flexibilität. Indem wir den Herstellungsprozess von Kunststoffen analysieren und besser verstehen, warum er so billig ist, können wir ähnliche Konzepte auf die Herstellung von Aerogelen anwenden, um sie billiger zu machen.

Kunststoffherstellung

1. Alle gängigen Kunststoffe werden entweder aus Erdgas oder Erdöl synthetisiert , PET speziell aus Ethylen und Xylol. Diese Öle enthalten eine als Kohlenwasserstoffe bekannte Verbindung , Moleküle mit 4 Kohlenstoffatomen und 1 Wasserstoffatom.
2. Rohöl enthält eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffverbindungen, die verarbeitet werden müssen. Um Ethylen und Xylol aus Rohöl abzutrennen, wird es in einem Destillationsturm erhitzt und dabei in verschiedene Verbindungen getrennt, die je nach Gewicht aufsteigen oder absinken.
3. Die getrennten Kohlenwasserstoffverbindungen werden dann erhitzt, um ihre langen Ketten in einfachere Moleküle wie Ethylenglykol und Terephthalsäure aufzubrechen .
4. Um diese Moleküle zu synthetischen Polymerketten zu formen, durchlaufen sie einen Prozess, der als Polymerisation bekannt ist . Bei hohen Temperaturen werden Kohlenwasserstoff-Monomere „gecrackt“ oder miteinander verschmolzen, um Kunststoffpellets zu bilden.
5. Diese Pellets bilden nach dem Erhitzen die Form, aus der Einwegkunststoffe entstehen.

Doch obwohl diese Faktoren deutlich mehr kosten würden, trennt die Tatsache, dass Tausende von Kunststoffstücken gleichzeitig hergestellt werden können, Kunststoff und Aerogele.

Derzeit kostet das Öl rund 80,34 USD pro Barrel von rund 159 Litern oder einer Gallone. Obwohl die Anfangsinvestition für eine Kunststofffabrik in die Tausende gehen könnte, wird nur ein Viertelliter Öl benötigt, um eine einzige 1-Liter-Wasserflasche herzustellen. Damit können aus nur einem Fass 636 Ein-Liter-Wasserflaschen produziert werden.

Dies ist nur ein Fass , aber Tausende dieser Fässer werden jeden Tag durch die Fabriken verarbeitet, was Tausende von Flaschen bedeutet. Dies ist definitiv eine Amortisation der Anfangsinvestition und damit einer der Gründe, warum Kunststoff so günstig ist.

Nachdem wir nun verstanden haben, warum Kunststoffe so billig sind, führen wir eine Vergleichs- und Kontrastanalyse durch, um zu sehen, ob irgendwelche wirtschaftlichen Konzepte, die Kunststoffe so billig machen, auf Aerogele angewendet werden könnten:

Kunststoffe vs. Aerogele

Kunststoffe

• Tausende von Kunststoffprodukten können in einem Fertigungslauf hergestellt werden.
• Die Maschinen selbst können für Hunderte von Kunststoffprodukten wiederverwendet werden.
• Das Öl selbst ist als Vorstufe sehr günstig.
• Der gesamte Vorgang dauert etwa ein paar Stunden (abzüglich der Zeit für den Transport).

• Diese Materialien sind sehr laborspezifisch.
• Sie können nicht in großen Mengen hergestellt werden, da ihr gesamtes Gelgerüst zerbröseln würde, wenn der Monolith zu groß ist.
• Die Vorläufer sind sehr spezifisch und schwerer zu finden, daher kosten sie mehr als natürliches Öl.
• Zur Herstellung der Aerogele werden viele Lösungsmittel verwendet, und der Austauschprozess dauert lange.

Hypothese

Wir haben drei Haupthypothesen:

1. Finden Sie einen Weg, Lösungsmittel wiederzuverwenden !
2. Produzieren Sie Aerogele in großen Mengen !
3. Finden Sie eine schnellere und billigere Trocknungsmethode.

Die Massenproduktion von Aerogelen ist eine weitere mögliche Option, um die Kosten von Aerogelen zu senken. Wie der Kunststoffvergleich zeigt, liegt der Grund für den Erfolg dieses Materials in seiner Fähigkeit, in großen Mengen produziert und in Fabriken automatisiert zu werden. Das Erreichen einer solchen Automatisierung und Produktionsdichte wird es Aerogelen ermöglichen, auf dem Materialmarkt zu konkurrieren.

Schließlich haben wir die Möglichkeit, eine günstigere Trocknungsmethode zu finden. Die größte Herausforderung und größte Einschränkung bei der Skalierbarkeit ist der Trocknungsprozess. Es ist Hit or Miss. Die Verhältnisse und die Alterung müssen perfekt sein, damit die Struktur nicht zusammenbricht.

Trocknungsverfahren wie überkritisches Trocknen und unterkritisches Trocknen verbrauchen viel Energie und Zeit, während das Spring-Back-Verfahren bei der Umgebungstrocknung sehr kompliziert ist und in seinem langen chemischen Prozess viele Lösungsmittel verbraucht.

Letztendlich gehen wir davon aus, dass es der beste Weg ist, diesen Trocknungsprozess zuverlässiger, weniger energieintensiv und billiger zu machen, um die Entwicklung der Aerogel-Technologie voranzutreiben.

Die Frage ist, können wir es schaffen?

Autoren:

Roy Kim ist ein 16-jähriger Forscher und Nithi Byreddy ist eine 17-jährige Autorin, die sich leidenschaftlich für die Erforschung nachhaltiger Materialien und Technologien für bessere Umweltlösungen einsetzt. Sie arbeiten derzeit an einem Projekt, das Anreize für die Massenproduktion von Aerogelen auf dem Verbrauchermarkt schaffen soll.

Glossar der Schlüsselbegriffe

• Anionische Vorläufer – negativ geladene Verbindungen
• Amorph – hat keine kristalline Struktur
• CAGR – Durchschnittliche jährliche Wachstumsrate
• Katalysator – beschleunigt einen chemischen Prozess
• Kationisch (Kation) - positiv geladene Ionen
• Vernetzer – stärkt ein chemisches Material für mehr Effizienz
• Entsalzung – der Prozess der Entfernung von Salz und Mineralien aus Wasser
• Monolith – Substrat (unterliegende Schicht), das einen Katalysator trägt

• Vorläufer – Chemikalien in einer Reaktion, die eine andere Verbindung erzeugt

1) Umgebungsgetrocknet, 3D-druckbar und elektrisch … — Wiley Online Library .https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201909383.

2) Autorenlinks Overlay-Panel öffnenLaraManzoccoaPersonEnvelopeKirsi S.MikkonenbcCarlos A.García-Gonzálezd, et al. „Aerogele als poröse Strukturen für Lebensmittelanwendungen: Smart Ingredients und neuartige Verpackungsmaterialien.“ Lebensmittelstruktur , Elsevier, 23. Februar 2021,https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213329121000149.

3) Gurav, Jyoti L., et al. "Silica-Aerogel: Synthese und Anwendungen." Journal of Nanomaterials , Hindawi, 11. August 2010,https://www.hindawi.com/journals/jnm/2010/409310/.

4) Melden Sie sich bei der Wiley Online-Bibliothek an .https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201502566.

5) Long, Lin-Yu, et al. "Cellulose-Aerogele: Synthese, Anwendungen und Perspektiven." Polymere , US National Library of Medicine, 6. Juni 2018,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6403747/#:~:text=InInsbesondere %2C-Cellulose-Aerogele haben Materialien im 21. Jahrhundert.

6) Synthese von Silica-Aerogel durch überkritisches Trocknungsverfahren .https://www.researchgate.net/publication/237123751_Synthesis_of_Silica_Aerogel_by_Supercritical_Drying_Method.

7) Yang, Xianghua, et al. "Eine einfache Herstellung von bei Umgebungsdruck getrockneten hydrophilen Silica-Aerogelen und ihre Anwendung bei der Entfernung von wässrigen Farbstoffen." Grenzen , Grenzen, 29. April 2020,https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2020.00152/full.

8) Young, Sandra K. und Army Research Lab Aberdeen Proving Ground Md. „Überblick über Sol-Gel-Wissenschaft und -Technologie“. DTIC ,https://apps.dtic.mil/sti/citations/ADA398036.

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