27.07.2018 - Kyoto University

Ein elastischer Lufthauch

Superflexible Aerogele als hocheffiziente Absorber, Wärmeisolatoren und Drucksensoren

Luftig, luftiger, Aerogel. Hohe Brüchigkeit limitierte bisher allerdings die praktische Anwendung dieser hauchzarten Feststoffe, die fast nur aus luftgefüllten Poren bestehen. Das könnte jetzt anders werden: Japanische Wissenschaftler stellen extrem elastische Aerogele vor, die sich gut bearbeiten und zudem kostengünstig herstellen lassen. Erfolgsgeheimnis ist eine doppelt quervernetzte organisch-anorganische Netzwerkstruktur mit einstellbarer Quervernetzungsdichte.

Aerogele können aus den verschiedensten Materialien hergestellt werden, allen gemein ist ihre Brüchigkeit, die eine Bearbeitung, wie Schneiden, Bohren oder Fräsen, so gut wie unmöglich macht. Zudem ist der benötigte Trocknungsschritt meist eine kostenintensive Angelegenheit.

Die Wissenschaftler um Kazuki Nakanishe, Kazuyoshi Kanamori und Guoqing Zu von der Universität Kyoto (Japan) stellt jetzt eine neue Klasse von außerordentlich elastischen Aerogelen vor. Sie basiert auf den Monomeren Vinyldimethylmethoxysilan und Vinylmethyldimethoxysilan, die zunächst in einer radikalischen Polymerisation über die Doppelbindungen ihrer Vinylgruppen zu Polymerketten verknüpft werden. Diese tragen Silicium-organische Seitenketten (Silane), die, je nach Monomer-Sorte, eine oder zwei Methoxygruppen (–OCH3) am Siliciumatom aufweisen. Über diese Gruppen kann im folgenden Schritt eine Quervernetzung erfolgen – je nach Monomer an einer oder zwei Stellen der Silan-Seitenkette. In einer Polykondensation entstehen dabei Siloxane als Brücken ( –Si–O–Si– ). Je nachdem, in welchem Verhältnis die beiden Monomere gemischt wurden, ist die entstehende Quervernetzung der Polymere (Polyvinylpolydimethylsiloxan-Polyvinylpolymethylsiloxan-Copolymere) dichter oder weniger dicht. In einer anschließenden kostengünstigen Druck- oder Gefriertrocknung entstehen Aerogele mit maßgeschneiderter Porosität.

Dank ihrer flexiblen Siloxan- und Kohlenwasserstoffketten sind die hauchzarten Strukturen hochelastisch. Sie lassen sich biegen, rollen, verdrehen und in eine gewünschte Form zuschneiden. Die dichter vernetzten Versionen weisen eine sehr hohe Wärmeisolation auf, die gängige Materialien wie Polyurethan-Schaum übertrifft.

Interessant ist zudem die selektive Absorption der Aerogele: Aus einer Hexan-Wasser-Mischung saugen sie selektiv das Hexan auf. Anschließend lässt es sich wie aus einem Schwamm ausdrücken oder verdampfen. Der Vorgang kann wiederholt werden, bis die Mischung vollständig getrennt ist. So könnten Lösungsmittel oder Öle, wie Aceton, Toluol, Mineralöl und Kerosin, abgetrennt werden, wenn sie z.B. bei einem Unfall in ein Gewässer gelangt sind.

Die Forscher stellten außerdem Komposite der Polymere mit elektrisch leitfähigen Graphen-Nanoplättchen her. Unter Druck rücken die Graphen-Plättchen näher zusammen, dies erhöht reversibel die Leitfähigkeit. Mögliche Anwendungen könnten Touchpads elektronischer Geräte und anziehbare Elektronik sein.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Vinylmethyldimethoxysilan
  • Polyvinylpolydimeth…
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