Aerogelové textilní vlákno
Aerogelové textilní vlákno je výrobek ze syntetického materiálu s vysokou porozitou a mnoha vynikajícími fyzikálními vlastnostmi.[1]
Z historie aerogelu
[editovat | editovat zdroj]Americký chemik Kistler zveřejnil v roce 1931 svůj vynález aerogelu, což byl v principu gel bez kapaliny, ale se zachovanou porézní strukturou. S průmyslovou výrobou na bázi Kistlerova vynálezu přišla jako první firma Monsanto (monolitní bloky a prášek z křemičitanů). Monsanto však v 70. letech po 30 letech výrobu aerogelu zastavilo, protože byla příliš nebezpečná a drahá.[2] Od 80. let vyrábí několik firem granuláty a monolitní bloky z organosilikátů, od konce 90. let se vyrábějí aerogelové vláknové kompozity, asi od poloviny 2. dekády 21. století jsou na trhu textilie povrstvené aerogelem a kompozity s aerogelovými vlákny.[3]
V roce 2022 se odhadoval celosvětový výnos z prodeje aerogelových produktů na 1,3 miliardy USD, údaje o podílu textilních vláken na této částce nejsou publikovány. Vice než polovina aerogelů je z křemičitanů, asi 40 % z polymerů a uhlíku. Více než polovina byla použita na rohože z největší části pro izolace naftovodů a plynovodů. Hodnotu aerogelových produktů ukazuje např. cenová relace: aerogelová houba o rozměrech 2,5 x 2,5 x 1 cm vyrobená z oxidu křemičitého (SiO2) stojí až 50 USD, zatímco extrudovaná polystyrenová pěna stejné velikosti stojí kolem 7 USD.[4] Většina aerogelových výrobků jsou trojrozměrné bloky, granuláty a fólie. Některé negativní vlastnosti těchto druhů (nízká pevnost v tahu a roztažnost, křehkost) se dají zlepšit aerogelem ve formě vláken. Laboratorní pokusy s výrobou aerogelových vláken začaly teprve ve 2. dekádě 21. století.[1]
V roce 2022 nebyl známý žádný výrobek z aerogelových vláken, který by se mohl prosadit na trhu. Do budoucna se však počítá se snížením výrobních nákladů a s tím, že zákazníci z oboru medicínské techniky a astronautiky pak budou ochotni koupit tyto poměrně drahé produkty.[5]
Výroba aerogelových vláken
[editovat | editovat zdroj]Postup výroby závisí na chemickém složení a požadovaném využití vláken. Nejčastěji se postupuje sol-gelovou syntézou. Připraví se vhodný prekurzor, který se převede na gel a vhodnou metodou se zvlákní. Získané vlákno se skládá z gelu, tzn. pevné fáze, která obsahuje velké množství rozpouštědla. Rozpuštědlo je nutné z gelu odstranit tak, aby nedošlo k narušení 3D struktury gelu. Zpravidla se využívá postupná náhrada rozpouštědla za oxid uhličitý, ten je poté možno odstranit superkritickým sušením. Tím se zabrání zhroucení struktury gelu působením kapilárních sil, a vlákno si uchová porézní strukturu, vysoký měrný povrch a nízkou hustotu.[6] Čínští výzkumníci oznámili v prosinci 2023, že vyvinuli aerogelové vlákno s polururetanovým pláštěm s vynikajícími termoizolačními vlastnostmi. Výroba je však dosud asi desetkrát pomalejší než např. konvenční mokré zvlákňování.[7]
Vhodným materiálem pro přípravu aerogelových vláken může být grafenoxid, oxid titaničitý, celulóza, silika, polyimidy, polyvinylalkohol nebo kevlar.
Vlastnosti a použití
[editovat | editovat zdroj]Vlastnosti vláken jsou z velké části závislé na použití vhodného druhu z uvedených materiálů a výrobních technologií.
Vlákna jsou vhodná pro výrobu příze a všech druhů plošných textilií. Aerogelové vlákno může mít: ⌀ pórů 2-50 nm, poréznost až 99 %, měrný povrch až 1000 m²/g, tepelnou vodivost 0,015 Wm−1K−1,tažnou pevnost 30 MPa, snášet teploty od -200 do +600°C, absorpční kapacita dosahuje až 263 mg.g−1, možná je proměnlivá průhlednost a matnost výrobku, LOI až 46.[6]
Jako možné použití se uvádějí: tepelné izolace, požární ochrana, přenosné nástroje a funkční textilie.
Uvedené vlastnosti vláken a možnosti použití se vztahují na výsledky laboratorních pokusů. Průmyslově vyráběná aerogelová vlákna nebyla do roku 2022 známá. Kapacita evropské výrobní průmyslové jednotky by měla (podle plánu z roku 2022) dosáhnout asi 2000 litrů aerogelu za rok.[8]
Aerogelové kompozity zpevněné textilními vlákny
[editovat | editovat zdroj]jsou známé od posledních let 20. století. Pro zpevnění se používají nejčastěji skleněná vlákna ve formě stříže nebo jako filament. S příměsí vláken se získává především vyšší tažná pevnost (na úkor zvýšení specifické hmotnosti).
Kompozity vznikají tak, že se vlákna přidávají do výchozího sol-gelu, aerogel vstřikuje do plošné textilie, textilie se povrstvuje aerogelem nebo jako plošný útvar z vrstev textilií, aerogelu a příp. jiných materiálů, aerogel jako matrice.
Z kompozitů se vyrábějí skoro výlučně rohože s možným použitím na termální a akustické izolace, ochranné oděvy a mnoho jiných druhů, které jsou prodejné za cca desítinásobnou cenu (až 5000 USD/m3) oproti konvenčním výrobkům.[9][10] [11]
Odkazy
[editovat | editovat zdroj]Reference
[editovat | editovat zdroj]- ↑ a b A review on multifunctional aerogel fibers [online]. Science Direct, 2022-03-31 [cit. 2023-08-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ How Aerogels Work [online]. How Stuff Works, 2023 [cit. 2023-08-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Multiple assembly strategies for silica aerogel-fiber combinations [online]. Science Direct, 2022-11-30 [cit. 2023-08-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Aerogel Market [online]. Allied Market Research, 2023-04-30 [cit. 2023-08-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Veit: Fibers, Springer Nature 2022, ISBN 978-3-031-15309-9, str. 605-608
- ↑ a b The Rising Aerogel Fibers: Status, Challenges, and Opportunities [online]. Wiley Online Library, 2023-01-19o [cit. 2023-08-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Forschende entwickeln extrem isolierende Stofffaser [online]. Spiegel, 2023-12-28 [cit. 2023-12-28]. Dostupné online. (německy)
- ↑ Scale-up of aerogel manufacturing plant [online]. TUHH, 2022-09-29 [cit. 2023-08-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Silica aerogel composites [online]. Journal of Materials Chemistry, 2019 [cit. 2023-08-14]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Multiple assembly strategies for silica aerogel-fiber combinations [online]. Science Direct, 2022-11-30 [cit. 2023-08-14]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Silica aerogel infused hierarchical glass fiber polymer composites [online]. Science Direct, 2023-04-30 [cit. 2023-09-07]. Dostupné online. (anglicky)