Aerojel Nedir? Nasıl Üretilir?

Aerojel, hava ile içerisindeki sıvı bileşenin yer değiştirmesi sonucunda oluşan yüksek miktardaki nano poroziteli (%99), çok yalıtkan, hafif, sürekli gözeneklilik, düşük yoğunluğa sahip ve yüksek çapraz bağlanma yapılarına sahip silika esaslı katı malzemelerdir. Aerojeller, 1931 yılında Samuel Stephens Kistler tarafında üretilmeye başlanmıştır. Ürettiği aerojelleri diş macunu ve kozmetik endüstrisinin içinde ilave madde olarak kullanmıştır.

Dünyanın en hafif ve yoğunluğu en düşük katısı olan aerojel, görüntüsü itibari ile donmuş duman olarak da adlandırılır.

Aerojeller, Dünyanın en düşük yoğunluğuna sahip açık gözenekli malzemelerdir. Yaklaşık olarak %95’i hava olan bu katı malzemenin yoğunluğu 0,001 ile 0,5 g/cm³ aralığında değişmektedir. Aerojeller de hava ile içerisindeki sıvı bileşenin yer değiştirmesi hacminin genişleyip, yüzey alanının artmasına neden olur. Sahip oldukları geniş yüzey alanı ve yüksek poroziteli yapılarından dolayı, Dünyanın en düşük yoğunluğuna sahip katılarıdır. 1 gramı 250 m² ’den 3000 m² ’ye kadar değişen aralıkta yüzey alanına sahiptir.

Aerojellerin yoğunluğu, havanın yoğunluğundan 6 kat daha yoğunluğu düşüktür. Havadan daha düşük yoğunluğa sahip olmasına rağmen aerojellerin uçmamasının sebebi, aerojellerin yoğunluk hesabı yapılırken içinde ihtiva ettiği havanın dikkate alınmaması ve yer çekimini yenememesidir.

Aerojeller yeni bir gözenekli nanomalzemeler sınıfına aittir. Aerojellerin yapısında yüksek miktarda gözenek bulunduğundan dolayı, ısı ve elektrik iletiminde süper yalıtkan olarak da bilinmektedirler.

Nano teknoloji kullanılarak üretilen muadillerine kıyasla 2-5 kat daha düşük ısıl iletkenlik katsayısına sahiptir. Yeni bir yalıtım malzemesi olan aerojeller ile yapılan uygulamalarda en yüksek ısıl verimlilik hedeflenmektedir.

Tablo 1. Malzemelerin Isı İletim Katsayıları

Aerojeller 1300 °C ısıya kadar dayanabilmektedir. Aerojellerin tüm yüzeyi delikli porlardan oluşmaktadır ve bu porlar sayesinde kinetik enerjiyi emer kurşun geçirmezler.

Aerojeller, çevre dostu malzemelerdir. Doğaya parçalanmak için bırakıldığı zaman, doğaya zararları bulunmaz, tek kalıntıları kumdur.

Aerojel çeşitleri;

1. Karbon (Organik) Aerojeller: Yüksek gözenekliliğe, düşük dielektrik katsayısına ve yüksek yüzey alanına sahiptirler. Gözenek yapısı, kontrol edilebilir özelliğe sahiptir.
2. Silika (İnorganik) Aerojeller: açık hücreli, yüksek gözenekliliğe sahip, oldukça düşük yoğunluklu, yüksek yüzey alanı ve termal yalıtım özelliği, çok düşük kırılma indeksi ve dielektrik sabiti gibi sıradışı ve üstün özelliklere sahiptir. Doğal hammaddelerden sentezlendiği ve çevre dostu olduğu için en yaygın kullanılanı silika aerojellerdir.
3. Alümina Aerojeller: Metal elementleri başlangıç malzemesi olarak kullanılarak, sol jel yönteminin proses süresinin uzatılması yolu ile metal oksit aerojeller üretilmiştir. Bu malzemenin olumsuz özellikleri, viskozitesi yüksek ve atmosferde bulunan nem ile hidroliz reaksiyonları oluşmaktadır. Bu problemi ortadan kaldırmak için şırınga yardımıyla havayı çıkartmak ve bir kısım alkoksitleri ayırmaktır.
4. Diğer Aerojeller: nanotüp ve yarı iletken metal aerojeller örnek olarak verilebilir.

Aerojeller Nasıl Üretilir?

Aerojeller, ilk zamanlarda sedace silika esaslı sıvı jellerden üretilmekteydi. Son zamanlarda ise aerojeller doğal ve atık silika kaynakları, atık metaloksitler, karbon ve karbon nanotüpler, organik polimer hammaddelerinden üretilebilmektedir

Aerojeller, sol-jel tekniği kullanılarak üretilmektedir. Sol-jel tekniği; jelin hazır hale getirilmesi, jelin yaşlandırılması ve kurutulma aşamalarından meydana gelmektedir.

İlk olarak sol çözeltisi oluşturulmakta ve bu sol çözeltisini jelleştirmek için katalizör katılmaktadır. Elde edilen jelin bağ sayısını arttırmak ve dayanımını arttırmak için yaşlandırma aşaması gerçekleştirilir. Son aşamada uygulanan kurutma işlemi, yaşlandırılmış jelin bağ düzeninin devamlılığını sağlamk içindir.

KAYNAKÇA

1. Saraç, N. (2018). Silika Esaslı Doğal Hammadde ve Atıklardan Aerojel Tozu Üretimi ve Karakterizasyonu. Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı.
2. Gürsoy, M. (2019). Bor Atıklarının Aerojel Üretiminde Değerlendirilmesi. Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı.
3. Çimen, E. A., Toplan, N. (2020). Döküm Kumu ve Atık Döküm Kumundan Silika Esaslı Aerojel Toz Eldesi. Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği.