Development of composites of silica aerogels with hydroxy-terminated poly(dimethylsiloxane)

Abstract

Tipik olarak 3 ila 5 mW/mK ısı iletim katsayısına sahip olan vakum izolasyon panelleri (VİP) günümüzde bina ve beyaz eşya uygulamalarında mükemmel ısı yalıtımı sağlayan sistemler olarak ortaya çıkar. Vakum izolasyon panellerinde düşük ısı iletimi katsayısı, gaz faz iletiminin vakum koşulları altında yüksek oranda azalmasıyla sağlanır. Vakum izolasyon panelleri, bir çekirdek izolasyon malzemesi ve onu çevreleyen zarf film tarafından oluşturulur. Özellikle vakum koşulları altındaki düşük ısı iletim katsayılarından dolayı, vakum izolasyon panellerinde çekirdek malzeme olarak en çok silica ya da cam yünü kullanılır. Fakat saydam olmadıklarından dolayı bu malzemeler, saydam vakum izolasyon panellerinde kullanım için uygun değildir. Saydam vakum izolasyon panelleri binalarda kullanılan pencerelerin görevini yapabilmek üzere geliştirilmeye çalışılmaktadır. Saydam vakum izolasyon panelleri fikri ilk ortaya atıldığından itibaren, saydam çekirdek yalıtım malzemesi ve zarf filmlerin geliştirilmesi günden güne artak bir ilgi uyandırmıştır. Silika aerojeller, düşük ısı iletim katsayıları ve saydamlıklarından dolayı, saydam vakum izolasyon panellerinde çekirdek yalıtım malzemesi olarak kullanılabilecek en yüksek potansiyele sahip malzemelerdir. Fakat silika aerojeller zayıf mekanik özelliklere sahiptir ve bu sebeple monolit ve kırıksız olarak üretimleri çok zordur. Silika aerojellerin zayıf mekanik özellikleri, polimerler ile kompozitlerinin geliştirilmesi ile iyileştirilebilir. Bu çalışmada, silika aerojellerin hidroksil-son gruplu-poli(dimetilsilokzan) (PDMS(OH)) ile monolit komozitleri geliştirilmiştir. Kompozitler, ilk olarak sol-jel metodunun farklı aşamalarında polimerin eklenmesiyle elde edilmiştir. Ayrıca sentez aşamasında tetrahirofuran (THF) ve toluene gibi farklı ikincil çözücüler de kullanımıştır. Polimer miktarı, çözücü cinsi ve polimerin eklenme aşaması gibi farklı parametrelerin, kompozitlerin özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu yöntemle sentezlenen kompozitler, PDMS(OH) suda çözünmediğinden dolayı opak olarak elde edilmiştir. THF ve toluenin ikincil çözücü olarak kullanılması çözünürlük problemini ortadan kaldırmış ancak kompozitlerin mekanik özelliklerini olumsuz yönden etkilemiştir. Kompozitlerin üretiminde ikinci yol olarak, reaktif süperkritik depozisyon yöntemi kullanımış ve polimerin süperkritik karbon dioksitten silika aerojellere depozisyonu gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem iki aşamadan oluşur. Birinci aşamada polimer süpercritik karbon dioksitte çözülür ve tek fazda ikili karışım (PDMS(OH)-CO2) oluşturulur. İkinci aşamada ise silika aerojel, tek fazdaki bu karışıma maruz bırakılır ve polimerin depozisyonu gerçekleştirilir. Depozisyon deneylerinde tek faz PDMS(OH)-CO2 karışımları kullanıldığından dolayı, öncelikle bu karışımların faz ayrım basınçları, geniş bir bileşim aralığında ve 24 MPa basınç değerlerine kadar ölçülmüştür. Bu ölçümler neticesinde, faz ayrım basıncının karışımdaki polimer konsantrasyonunun artmasıyla azaldığı görülmüştür. Faz ayrım deneylerinin ardından, polimerin depozisyonu gerçekleştirilmiş ve monolit kompozitler elde edilmiştir. Elde edilen kompozitler ATR-FTIR ve BET yöntemleriyle analiz edilmiş ve özellikleri belirlenmiştir. Depozisyon sırasında polimerin, silika aerojelin yüzeyinde bulunan hidroksil gruplarıyla reaksiyona girdiği ortaya çıkarılmıştır. Polimer konsantrsayonu, depozisyon sıcaklığı, depozisyon süresi ve polimer molekül ağırlığı gibi birçok parametrenin, kompozitlerin özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Kompozitlerdeki polimer miktarı, artan polimer konsantrasyonu, depozisyon süresi ve depozisyon sıcaklığı ile artmıştır. Kompozitlerin saydamlığının, depozisyon yapılan polimer miktarıyla kontrol edilebildiği görülmüştür. Ayrıca polimerin silika aerojel yüzeyini yaklaşık 1 nm kalınlığında bir tabaka halinde kapladığı ortaya çıkarılmıştır. Yapılan ısı iletim katsayısı simülasyonlarıyla, bu miktardaki polimer tabakasının silika aerojelin ısı iletim katsayısını etkilemediği gözlemlenmiştir. Ayrıca yapılan mekanik testlerle, kompozitlerin mekanik özelliklerinin silika aerojelin mekanik özelliklerinden 3 kat daha iyi olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, bu çalışmada üretilen silika aerojel-PDMS(OH) kompozit malzemelerinin, saydam vakum izolasyon panellerinde çekirdek yalıtım malzemesi olarak kullanılmak üzere çok uygun malzemeler olduğu ortaya çıkarılmıştır.

Vacuum insulation panels (VIPs) with typical thermal conductivity values of 3 to 5 mW/mK are emerging as excellent systems nowadays for effective thermal insulation in buildings and household applications. The achievement of such low thermal conductivities in VIPs relies on the suppression of the gaseous convection by applying vacuum. A VIP structure is composed of a core insulation material and an envelope film covering the core material. Among different materials, fumed silica and glass fiber are the most commonly utilized core materials owing to their appreciably low thermal conductivity values, especially under vacuum conditions. However, these materials are not transparent and thus cannot be used in the development of transparent vacuum insulation panels. The idea of transparent VIPs has been recently established in order to replace the conventional window glazing. Since then, research about transparent core materials and barrier films that can be utilized in the development of transparent vacuum insulation panels has been gaining increasing interest. Silica aerogels appear as the most promising nanostructured materials to be implemented as filler materials in transparent vacuum insulation panels due to their transparency in addition to extremely low thermal conductivity. One drawback of silica aerogels is their poor mechanical properties which makes their utilization as monolithic and crack-free materials challenging. This problem can be solved by reinforcing aerogels with polymers which results in improved resilience that would allow for practical utilization. In this study, monolithic composites of silica aerogels with hydroxyl-terminated poly(dimethylsiloxane) (PDMS(OH)) were developed. The first route that was followed for the synthesis of the composites was the modification of the conventional two-step sol-gel process. The incorporation of the polymer in the synthesis was performed at different stages of the sol-gel process. Additionally, different co-solvents such as THF and toluene were used. The effects of several processing parameters such as polymer amount, type of co-solvent and the polymer addition step, on the properties of the composites were investigated. The composites synthesized with this route were obtained as opaque materials since PDMS(OH) was not soluble in the sol mixture. Utilization of THF and toluene as the co-solvents avoided the solubility problem, however the mechanical durability of the aerogel composites was very low which resulted in very high volumetric shrinkage during the supercritical drying. Reactive supercritical deposition technique was employed as the second route and the composites of silica aerogels with PDMS(OH) were developed by the deposition of the polymer from supercritical CO2. The technique is composed of two stages; the first stage includes the dissolution of PDMS(OH) in supercritical CO2 that results in a single phase binary mixture of PDMS(OH)-CO2 and the second stage is the exposure of the silica aerogel samples to the single phase binary mixture. Initially, the demixing pressures of PDMS(OH)-CO2 binary mixtures at various compositions were measured up to 24 MPa to determine the single phase region of the binary mixture. The demixing pressures were observed to decrease with increasing polymer content of the binary mixture. Subsequently, deposition experiments were performed and monolithic aerogel composites were obtained. The deposited samples were characterized by ATR-FTIR and BET analysis. It was revealed that during the course of the deposition, the polymer molecules react with the surface –OH groups of the aerogel. The effects of various parameters such as polymer concentration, deposition temperature, deposition time and polymer molecular weight on the properties of composites were investigated. The polymer uptake of the deposited aerogels increased with increasing PDMS(OH) concentration, deposition time and deposition temperature. It was found that the transparency of the aerogels can be controlled by the amount of the polymer loaded to the samples. It was also demonstrated that the deposition resulted in the coating of silica aerogel surface with a thin layer (~1-2 nm) of polymer molecules. According to the thermal conductivity model simulations, such a thin coating layer did not cause a noticeable increase in the thermal conductivity of the composites. Moreover, compression tests revealed a threefold improvement in the mechanical strength of the composites when compared to native silica aerogels. Hereby, this work presents silica aerogel-PDMS(OH) composite materials as novel candidates to be used as core insulation materials in transparent VIPs.