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

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.