थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन और Aramid फाइबर प्रबलित Airgel कंपोजिट के अनुप्रयोग क्षेत्रों का विश्लेषण

एरोगेल कम घनत्व, मुख्य रूप से उत्कृष्ट गुणों के साथ मेसोपोरस ठोस होते हैं, जिनमें कम घनत्व, उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र, कम ढांकता हुआ स्थिरांक और अल्ट्रा-लो थर्मल चालकता शामिल हैं। उदाहरणों में ग्राफीन या कार्बन नैनोट्यूब एरोगेल, पॉलीयुरेथेन और पॉलीमाइड एरोगेल, बायोपॉलिमर एरोगेल जैसे सेल्यूलोज, चिटोसन और प्रोटीन एरोगेल, साथ ही साथ उनके कंपोजिट और हाइब्रिड शामिल हैं। विशेष रूप से पिछले एक दशक में, नई एयरगेल सामग्री, उत्पादन प्रक्रियाओं और अनुप्रयोगों का वर्णन करने वाले वैज्ञानिक कागजात और पेटेंट में विस्फोटक वृद्धि हुई है, जिसमें थर्मल इन्सुलेशन, डिलीवरी सिस्टम, पर्यावरणीय उपचारात्मक, कटैलिसीस और ध्वनिकी जैसे क्षेत्रों को कवर किया गया है।

एयरगेल क्षेत्र के बढ़ते महत्व के बावजूद, या शायद इसकी वजह से, "Airgel " की परिभाषा विवादास्पद बनी हुई है। शुरुआती परिभाषाएं अक्सर उत्पादन प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली सुखाने की तकनीकों पर आधारित होती थीं, जैसे कि सुपरक्रिटिकल ड्रायिंग से एरोगेल्स, फ्रीज-ड्राई से क्रायोगेल्स, और वाष्पीकरणीय सुखाने से ज़ेरोगेल्स। हालांकि, अधिक हाल की परिभाषाएँ भौतिक गुणों पर ध्यान केंद्रित करती हैं, विशेष रूप से मेसोपोरोसिटी के उच्च अनुपात। अंततः, एरोगेल की व्यापक परिभाषा एक जेल से प्राप्त किसी भी सामग्री को तात्कालिक आकार या अन्य विशेषताओं पर प्रतिबंध के बिना, हवा के साथ ताकना तरल पदार्थ को बदलकर संदर्भित करती है। इस व्यापक परिभाषा में मुख्य रूप से मैक्रोपोरस सामग्री शामिल है जो मेसोपोरोसिटी, उच्च सतह क्षेत्र, या अल्ट्रा-लो थर्मल चालकता के अधिकारी नहीं होती हैं, जो आमतौर पर एरोगेल से जुड़ी होती हैं, जैसे कि फ्रीज-सूखे सेल्यूलोज फोम।

सिलिका एरोगेल्स को एक सोल-जेल प्रक्रिया के माध्यम से उत्पादित किया जाता है, जिसमें विभिन्न संशोधनों के साथ संसाधन और लागत दक्षता बढ़ाने के लिए प्रस्तावित किया जाता है। हालांकि, अधिकांश प्रक्रियाएं अभी भी एक ही मूल चरणों का पालन करती हैं। सिलिका सोल्स का जेल आमतौर पर नैनोकणों की चार्ज स्थिरता को कम करने के लिए एसिड या ठिकानों को जोड़कर ट्रिगर किया जाता है। जेल के बाद, सिलिका की विघटन-पूर्ववर्ती प्रतिक्रिया इंटरपार्टिकल इंटरैक्शन को मजबूत करती है, जिससे जेल की यांत्रिक स्थिरता बढ़ जाती है। सिलिका एरोगेल्स की औद्योगिक सफलता लगभग पूरी तरह से थर्मल इन्सुलेशन अनुप्रयोगों में उनके प्रदर्शन के लिए जिम्मेदार है। उनकी थर्मल चालकता 0.012 w/(m · k) के रूप में कम हो सकती है, मुख्य रूप से कण नेटवर्क के उच्च छिद्र और यातना के कारण, जो ठोस-चरण गर्मी चालन को प्रतिबंधित करता है। इसके अतिरिक्त, नूड्सन प्रभाव के कारण, छोटे छिद्र का आकार-गैस अणुओं की औसत मुक्त पथ लंबाई को कम करता है-गैस-चरण थर्मल चालन को कम करता है। यह अल्ट्रा-लो थर्मल चालकता (केवल आधी परिवेशी वायु और पारंपरिक इन्सुलेशन सामग्री) ने सैकड़ों मिलियन डॉलर के तेजी से बढ़ते बाजार को जन्म दिया है।

कुल तापीय चालकता भौतिक घनत्व से निकटता से संबंधित है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। पारंपरिक इन्सुलेशन सामग्री में, विकिरण एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, और बड़े छिद्र आकारों के मामलों में, वायु संवहन भी गैर-परक्राम्य हो जाता है। जैसे-जैसे घनत्व बढ़ता है, विकिरणक गर्मी हस्तांतरण कम हो जाता है जबकि ठोस-चरण गर्मी चालन बढ़ता है। इन प्रतिस्पर्धी प्रभावों के कारण, तापीय चालकता घनत्व पर एक यू-आकार की निर्भरता प्रदर्शित करती है। वही प्रभाव एयरगेल सामग्री पर लागू होते हैं; हालांकि, चूंकि एयरगेल छिद्र आकार हवा के औसत मुक्त पथ से छोटा है, गैस-चरण चालन काफी कम हो जाता है। यह हवा के अणु टकराव की आवृत्ति को कम करता है, जिससे गैसीय गर्मी हस्तांतरण कम हो जाता है। नतीजतन, न्यूनतम कुल तापीय चालकता उच्च घनत्व और क्षेत्रों की ओर (कई) कम विद्युत चालकता के साथ स्थानांतरित हो जाती है।

सिलिका एयरगेल नैनोपार्टिकल्स इंटरकनेक्शन के माध्यम से एक मल्टी-नेटवर्क संरचना का निर्माण करते हैं, लेकिन कणों के बीच कमजोर बंधन के परिणामस्वरूप खराब यांत्रिक गुण, कम ताकत और शुद्ध सिलिका एरोगेल में उच्च भंगुरता होती है। इन मुद्दों को संबोधित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न सुदृढीकरण रणनीतियों का पता लगाया है। कम घनत्व, कम तापीय चालकता और उच्च यांत्रिक शक्ति के साथ अरामिड फाइबर, सिलिका एरोगेल को बढ़ाने के लिए एक आदर्श विकल्प के रूप में उभरा है। हवा में लगभग 450 ° C के अपघटन तापमान के साथ, Aramid फाइबर विशेष रूप से उच्च तापमान इन्सुलेशन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है।

2016 में, अरामिड फाइबर-प्रबलित सिलिका एयरगेल कम्पोजिट्स (एएफ/एयरगेल) को सफलतापूर्वक गढ़ा गया था। इसके बाद, ग्लाइसीडिल प्रोपाइलॉक्सी ट्राइमेथोक्सीसिलेन (जीपीटीएमएस) -ग्राफ्टेड एरामिड फाइबर और पॉलीटेट्रफ्लुओरोइथिलीन (पीटीएफई) -कोटेड एरामिड फाइबर एयरगेल कंपोजिट पेश किए गए थे। इन कंपोजिट ने न केवल कम घनत्व और कम थर्मल चालकता को बनाए रखा, बल्कि संपीड़ित और फ्लेक्सुरल ताकत में भी काफी सुधार किया।

आगे के अध्ययनों से पता चला है कि अरामिड फाइबर के थर्मल और यांत्रिक गुण इसे बैलिस्टिक सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक प्रभावी बनाते हैं। अकेले अरामिद कपड़े की तुलना में, एरोगेल-एकीकृत बैलिस्टिक परीक्षण नमूनों ने कपड़े की वेध दर में 72% की कमी का प्रदर्शन किया। 2021 में, अल्मेडा एट अल। एरामिड फाइबर के साथ सिलिका एरोगेल्स के मजबूत प्रभावों की तुलना में और महसूस किया गया, यह पाते हुए कि लम्बी फाइबर को शामिल करने वाले कंपोजिट ने कम थोक घनत्व और अधिक लचीलेपन का प्रदर्शन किया, जिससे वे आकार-अनुकूली और कंपन-डंपिंग अनुप्रयोगों के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हो गए।

Aramid फाइबर और Airgel का संयोजन भौतिक गुणों के एक पूरक वृद्धि को प्राप्त करता है। एक मजबूत घटक के रूप में, अरामिड फाइबर एरोगेल को मजबूत यांत्रिक समर्थन प्रदान करता है, अपने यांत्रिक प्रदर्शन में सुधार करता है, जबकि एरोगेल्स अपने थर्मल इन्सुलेशन और ध्वनि अवशोषण क्षमताओं में योगदान करते हैं, जो कि अरामिड फाइबर के साथ सहक्रियाशील रूप से काम करते हैं।

उदाहरण के लिए, एरामिड/एयरगेल कंपोजिट गीले-रखे हुए पेपरमेकिंग प्रक्रिया का उपयोग करके तैयार न केवल अरामिड पेपर के कार्यात्मक गुणों को बनाए रखते हैं, बल्कि गर्मी प्रतिरोध में भी सुधार करते हैं। इन कंपोजिट में थर्मल इन्सुलेशन में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं, सामग्री विज्ञान की उन्नति के लिए नई अंतर्दृष्टि और संभावनाएं प्रदान करते हैं।