Ver­stär­kung aus der Natur

Herstellungsprozess der neuen hybriden Aerogele. (Bild: Angewandte Chemie)

Herstellungs­prozess der neuen hybriden Aero­gele. (Bild: Wiley-VCH)

Luftig, luftiger, Aerogel: Das schwam­martige Netz­werk dieser hoch­porösen Fest­körper kann bis zu 99,98 Pro­­zent aus Poren bestehen. Am weitesten ver­brei­tet sind Aero­gele auf Silikat­­basis, die unter an­derem auf­grund ihrer außer­ge­wöhnlich geringen ther­mischen Leit­fähig­keit als Isolations­­material ein­ge­setzt werden. Gra­vie­­render Nach­teil ist ihre Brüchig­keit. Ein schweizerisch-französisches Team stellt jetzt eine neue Klasse hybrider Aero­gele aus Silikat und pflanz­lichen Pek­tinen vor, die bei ver­gleich­baren ther­mischen Eigen­­schaften mechanisch weit­aus sta­biler sind. Zu­dem werden sie aus bio­­basier­ten Pro­duk­ten in einem wäss­rigen „grünen“ Pro­zess her­gestellt.

Silikat-Aero­gele ent­stehen, wenn aus einer Natrium­silikat-Lösung mit Salz­säure Kiesel­säure­­partikel aus­gefällt werden, die zu einem Gel mit Netz­­struktur aggre­gieren, das an­schlie­ßend ge­waschen und ge­trock­net wird. Ihre sehr hohe Porosität und spezi­fische Ober­fläche macht sie für An­wen­dungen in Kata­lyse, Pharmazie und Chemie interessant, die super­­isolie­renden Eigen­­schaf­ten z.B. als transparente Wärme­dämmung in der Solar­­thermie oder als Wärme­­dämmung bei Reno­vie­rungen, wenn für herkömmliche Dämm­­stof­fe nicht genügend Platz vor­handen ist.

Problema­tisch ist die Brüchig­keit der Silikat-Aero­gele. Grund für den zer­brech­­lichen Charak­ter ist die per­len­­ket­ten­­artige Struk­tur des Netz­werks: Silikat-Nano­­partikel von circa 3 bis 10 nm Durch­­messer sind über wesent­lich dünnere Stege mit­einander ver­bunden. Auf der Suche nach Aero­gelen mit besseren mecha­nischen Eigen­­schaften sind auch bio­basierte Pro­dukte in den Fokus ge­rückt, z.B. Pektine, pflanz­lichen Ballast­­stoffe, die u.a. in der Lebens­mittel­industrie als Gelier­­mittel ver­wendet werden. Aller­dings hapert es an den ther­mischen Dämm­­eigen­­schaften von Pektin-Aero­gelen.

Im Rahmen des euro­päischen Aero­coins Projekt ist es dem Team um Matthias Koebel vom Schweizer Ma­terial­­forschungs­institut Empa und Tatiana Budtova von MINES ParisTech jetzt ge­lungen, ein Hy­brid-Aero­gel aus in­einander ver­wobenen Pektin- und Silikat-Netz­werken her­zustellen, das maß­ge­schnei­derte mecha­nische Eigen­schaf­ten hat und nur mini­male Staub­mengen frei­setzt – bei aus­ge­zeichneten ther­mischen Eigen­schaften.

Abgesehen vom optimalen Kon­zen­tra­tions­verhältnis zwischen Pektin und Silikat war der pH-Wert während des Gelierens Schlüssel zum Erfolg. So geliert Kiesel­säure bei pH 1,5 innerhalb von ca. 14 Tagen, bei pH-Werten oberhalb 4 dagegen in wenigen Minuten. Pektin geliert unterhalb von pH 2,0 sehr langsam, zwi­schen pH 2 und 3 innerhalb von Minuten und oberhalb pH 3,5 gar nicht. Optimale Ergebnisse erzielten die Wissen­schaftler bei pH 1,5: Beide Kom­­ponenten gelieren langsam, aber ge­meinsam zu homogene Hybriden. Nach Waschen und Hydro­phobisieren wurde mit über­kritischem Kohlen­dioxid ge­trocknet. An­ders als die em­pfind­­lichen Perlen­ketten-Struk­turen der reinen Silikat-Aero­gele weisen die Hybrid-Gele wesent­lich dickere und damit stabilere Ver­stre­bungen auf – sie sind mechanisch stabil. (Quelle: Angewandte Chemie)

Referenz: Strong, Thermally Superinsulating, Biopolymer-Silica Aerogel Hybrids by Cogelation of Silicic Acid with Pectin, Angew. Chem., online 8. Oktober 2015, doi: 10.1002/ange.201507328

Links: Abt. Bau- und Ingenieurswesen, Eidgenösssiche Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa, Dübendorf, Schweiz Europäisches Aerocoins Projekt AG BIObased polymer and composite activities (T. Budtova), Dept. Polymers and Composites, Centre de mise en forme de materiaux, École nationale supérieure des mines de Paris MINES ParisTEch

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