Termal ve Akustik Yalıtım Malzemesi Olarak Silika Aerojeller

Kasım 06, 2018, 3:44 pm
12 dakika


Burcu Karakuzu İkizler

Ar-Ge Mühendisi
Ömer Lütfü Özgül Kimyevi Maddeler
İthalat İhracat ve Ticaret A.Ş.

 


Emine Yapıcı

Biyomühendis
Ömer Lütfü Özgül Kimyevi Maddeler
İthalat İhracat ve Ticaret A.Ş.

 


Prof. Dr. Sevil Yücel

Ar-Ge Danışmanı
Ömer Lütfü Özgül Kimyevi Maddeler
İthalat İhracat ve Ticaret A.Ş.

 

Aerojeller ve kompozitleri, ultra hafif (0.003-0.15 g/cm3) katı malzemeler olarak tanınmakla birlikte, yüksek gözeneklilik (%80–99,8) ve yüksek yüzey alanına (500–1200 m2/g) sahip olmasının sağladığı eşsiz özellikleri ile birçok akademik ve endüstriyel uygulama alanında kendine yer edinmiştir. Sıklıkla sol-jel metodu ile üretilen aerojeller birçok farklı başlatıcı hammadde kullanılarak elde edilmektedir. Kullanılan hammaddenin çeşidine göre veya üretim parametrelerinde değişiklikler yapılarak aerojellerin gözenek büyüklüğü ve yüzey alanı gibi yapısal özellikleri istenilen şekilde değiştirebilmektedir. Ayrıca istenen mekanik ve fiziko-kimyasal özellikleri sağlamak için farklı fonksiyonel gruplar (amin grupları vb.) eklenerek aerojeller modifiye edilebilmektedir [1]. Aerojeller yüksek yüzey alanı ve gözenekliliği sayesinde adsorban olarak, düşük termal iletkenliği sayesinde yalıtım malzemesi olarak, yüksek yüzey aktif bölge ve gözenek boyutu sayesinde ise katalizörlerde ve sensör teknolojilerinde kullanılmaktır [2].

Termal Yalıtım
Üzerinde en çok çalışılan aerojel çeşidi olan silika aerojeller, düşük oranda (%1-10) katı silika içerdiklerinden daha düşük ısı iletimi katsayısına (0.02 W/mK) sahiptir [2]. Aerojelde por çapı küçüldükçe, taşınım yoluyla ısının iletimi azalır. Radyasyon yoluyla ısı iletimi ise; gözenekli malzemenin tanecik sınırları, ara yüzey, absorpsiyon ve emisyona bağlı olarak saçılmasına bağlıdır [3]. Yüksek gözenekliliği ve gözeneklerinin nanometrik boyutlu olması sayesinde havadan daha düşük termal iletkenlik katsayısına sahiptirler.

Aerojel içinde ısı aktarımı 3 temel prensip ile gerçekleşir (Şekil 1) [4].
1- Katı iskelet üzerinden, kondüksiyonla gerçekleşen ısı aktarımı: Katı iskelet üzerindeki ısı aktarımı fonon mekanizması ile gerçekleşir. Atom titreşimleri ısı aktarımı üzerinde nano boyutta etkindir. Katı iskelet ne kadar ince olursa ısı aktarımı o kadar az olacaktır. Bu nedenle yoğunluğu düşük aerojeller termal olarak daha başarılıdır.

2- Gözenekler içinde bulunan gaz faz ile gerçekleşen ısı aktarımı: Kinetik gaz teorisine göre açık havada gaz molekülleri birbirleriyle ortalama serbest yol ölçüsüne bağlı olarak düzensiz şekilde çarpışma gösterirler. Ortalama serbest yol, bir atom ya da molekülün başka bir atom ya da molekül ile çarpışması için gerekli yoldur. Ancak, aerojel içindeki gözenek boyutları, ortalama serbest yol ölçüsüne göre çok küçük olduğundan, gözenek içindeki hava molekülleri açık havada olduğu gibi çarpışma gösteremezler. Bu sebeple aerojelin ısı aktarım katsayısı havadan bile düşük olmuştur.

3- Radyasyon ile gerçekleşen ısı aktarımı: Aerojelin optik özellikleri ve optik kalınlık kavramları belirleyicidir. Diğer ısı aktarım mekanizmalarına göre tatmin edici değildir. Ancak, bu engel bazı katkı maddeleri ile ortadan kaldırılmıştır [5].

Silika aerojellerin yalıtım için en uygun materyallerden biri olması, birçok farklı endüstride ve alanda kullanılan oldukça ekonomik ve pratik bir yalıtım malzemesi haline gelmesini sağlar.

Binada, buzdolaplarında ve pencerelerde: Silika aerojeller, çok düşük ısıl iletkenliği, iyi termal kararlılığı, tek parça halinde monolit olarak üretilmeleri ve sahip oldukları optik özellikler sayesinde yalıtım pencerelerinde kullanılabilen mükemmel yalıtım malzemeleridir. Ayrıca, binalarda ve buzdolaplarında termal ve akustik yalıtım malzemeleri olarak kullanılabilir. Silika aerojeller çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir ve bu sayede bina yangınları da önlenebilir.

Uzayda: Silika aerojeller, havacılık alanındaki uygulamalarda özellikle süper yalıtım özellikleri ile dikkat çekmektedir. NASA Ames Araştırma Merkezi (U.S) tarafından geliştirilen alüminyum silikat refrakter fiber/silika aerojel kompozit uzay aracında kullanılmıştır. Rus “Mir” uzay istasyonu da yalıtım malzemesi olarak silika aerojel kullanmıştır. Mars Keşif Aracı’nda yalıtım amaçlı aerojel kullanılmıştır. Kuyruklu yıldız parçacıkları yakalamak için Stardust Uzay Aracı’nda yıldız tozunun toplanıp dünyaya ulaştırılması görevinde aerojel kullanılmıştır.

Endüstrilerde: Silika aerojel ve kompozitleri; petrol, kimya ve metalurji endüstrilerinde borular, fırınlar ve diğer termal cihazlarda geleneksel yalıtım malzemeleri yerine kullanılarak ısı kaybını büyük ölçüde azaltırken termal enerjinin kullanımının da iyileştirilmesini sağlar. Ayrıca, motorlarda ve araç, uçak egzoz borularında da yalıtım malzemesi olarak kullanılabilir.

Giyim ve battaniyeler: Yalıtım malzemesi olarak silika aerojeller binalar, endüstriler dışında başka bazı alanlarda da kendine yer bulmuştur. Dondurucularda, yüksek sıcaklıklarda ve hatta kışlık kıyafetlerde kullanılmak üzere tasarlanmış farklı formülasyonları vardır. NASA’da çalışan bir mühendisin, uzay mekiğindeki sıvı yakıt depolama ve transfer tankında sıfırın yüzlerce derece altındaki sıcaklıklarda yalıtım sağlamak amacı ile esnek bir yalıtım malzemesi üretilmesi fikri ile esnek bir yalıtım battaniyesi geliştirilmiştir [6].

Akustik Yalıtım
Yaşam standartlarında artış sağlamak için konut binasının ses kalitesinin artırılması da giderek önem kazanmaktadır. Müzik salonları, çok amaçlı salonlar ve konferans salonları gibi mimari binaların planlanmasında amacına uygun olarak maksimum ses özelliklerine sahip sistemlerin kullanılması gerekir. Binalarda ve iç mekanlarda cam yünü, kaya yünü, üretan köpüğü, köpük gibi geleneksel ses absorplayıcılar yalıtımın düşüklüğü ve yanıcı olmalarının yanı sıra sağlık ile ilgili ve çevresel bazı sorunlara neden olmuştur. Bu nedenle, yüksek alev direnci ve yüksek yalıtıma sahip, aynı zamanda iyi ses absorplama özelliklerine sahip çevre dostu malzemeler gerekli görülmektedir [7].

Aerojeller diğer özellikleri gibi ses yalıtımı konusunda da mükemmel avantajlara sahip malzemelerdir. Aerojel içindeki ses yayılımı aerojelin yoğunluğuna, içi hava dolu boşluklara ve genellikle hazırlanma yöntemine bağlıdır. Gaz fazdan katı faza doğru yayılan sesin bir miktarı yok olur, ses dalgalarının genliğinde ve hızında azalmalar meydana gelir. Ses hızının 100 m/s’ye düştüğü gözlemlenir. Bu yeteneği sayesinde silika aerojeller akustik yalıtım amacıyla kullanılacak en uygun malzemelerden biri olarak görülebilir. Akustik empedansın değişken bir aralığına sahiptir ve ultrasonik detektörler için akustik empedans bileşim malzemesi olarak kullanılmaktadır. Burada akustik empedans belirli bir frekanstaki belirli bir akustik ortamın moleküllerinin titreşimiyle ne kadar ses basıncının üretildiğini göstermektedir [6]. Düşük ses hızı iletimi özelliklerinden dolayı, silika aerojellerin ideal bir akustik geciktirme veya yüksek sıcaklıkta iyi bir akustik yalıtım malzemesi olarak kullanılabilineceği kanıtlanmıştır
[8].

Silika aerojeller evlerin yer kaplamalarında kullanılarak ayak seslerinin yalıtımını sağlamak için kullanılabilir. Yüksek ses gerektirecek ortamlarda, örneğin, konserlerde sesin çevredeki insanları rahatsız etmesini önlemek için yalıtım malzemesi olarak kullanılabilir. Bunların yanı sıra silika aerojellerin ses geçirmeyen oda yapımında kullanılması ile ilgili araştırılmalar devam etmektedir. Silika aerojeller yalıtım malzemesi olarak, iç ve dış cephe boyalarına eklenerek, yanmaz ve enerji korunumu yüksek binaların yapımında kullanılabilir. Çok hafif malzemeler olan silika aerojellerin termal ve akustik yalıtımda kullanımı ile geleneksel yalıtım malzemelere kıyasla büyük oranda enerji tararrufu sağlanacaktır.

Kaynaklar
[1] Wang Q. et al., (2016). “Synthesis, characterization, and adsorption properties of silica aerogels crosslinked with diisocyanate under ambient drying,” Journal of Material Science.
[2] Gurav, J. L., Jung, I. K., Park, H. H., Kang, E. S., & Nadargi, D. Y. (2010). Silica aerogel: synthesis and applications. Journal of Nanomaterials, 2010, 23.
[3] Ülker Z., Sanli D., Erkey C., Applications of aerogels and their composites in energy-related Technologies, Chapter 8, Koç University, Turkey.
[4] Ebert, H.-P. (2015) ‘Functional materials for energy-efficient buildings’, EPJ Web of Conferences, 98, p. 08001.
[5] Ebert, H. P. (2011). Thermal properties of aerogels. In Aerogels handbook (pp. 537-564). Springer, New York, NY.
[6] Huang, L. (2012). Feasibility of using silica aerogel as insulation for buildings.
[7] Chandradass, J., Kang, S., & Bae, D. S. (2008). “Synthesis of silica aerogel blanket by ambient drying method using water glass based precursor and glass wool modified by alumina sol.” Journal of Non-Crystalline Solids, 354(34): 4115-4119.
[8] Hrubesh, L. W., 1998. Aerogel applications. Non-Crystalline Solids, 225(335-342), p. 8.

  • (gizli tutulacaktır)