Universität zu Köln

Steffens, Kai ORCID: 0000-0003-4310-7775 (2024). Advanced Optimization of Organofunctionalized Silica Aerogels for Lightweight Insulations. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Organic-inorganic hybrid-silica aerogels can be made of methyltrimethoxysilane (MTMS, CH3Si(OCH3)3) and dimethyldimethoxysilane (DMDMS, Si(OCH3)2(CH3)2) in a typical sol-gel process yielding flexible and hydrophobic structures. They possess a low density, thermal conductivity, and high sound absorption, all a result of their highly nanostructured porous network, and are ideal candidates for lightweight insulation applications. Their synthesis depends on several fundamental parameters. One of these is the precursor-to-water ratio, which can be modified during the sol-gel process. With appropriate variation, the density of the final aerogel product can be systematically controlled, thus influencing the final aerogel properties. The incorporation of a fiber matrix exhibited improved stability and handling while maintaining lightweight properties. A flame-retardant agent (vinylphosphonic acid, VPA), chemically bound to the aerogel network via thiol-ene click reaction at the introduced VTMS (which partially substituted MTMS), was implemented to enhance fire resistance. This modification increased the fire resistance but also led to a higher density, an increase in thermal conductivity, and a loss of flexibility. A reduction in the proportion of VTMS and lower quantities of the flame retardant VPA were identified as future optimization potential. The synthesis of flexible hybrid-silica aerogel particles using emulsion technology was investigated. In this process, VTMS could be successfully integrated up to a proportion of 50%, which offers the potential for further functionalization. The produced particles exhibited densities of about 0.05 g/cm³, which is less than half the density of monolithic reference samples, while still retaining a remarkable insulation performance. The inclusion of commercially available hydrophobic, highly insulating silica particles (Cabot ENOVA® IC3110) as fillers should result in silica aerogel-aerogel composites with lower thermal conductivities than their respective monoliths. Other than expected, this led to increased densities and thermal conductivities due to the collapse of the particles during the drying process. The resulting aerogels and composites have been carefully investigated regarding their density, microstructure, and surface chemistry by various characterization techniques, such as helium pycnometry, scanning electron imaging, water drop shape analysis, thermogravimetric/simultaneous thermal analysis, and spectroscopic methods, e.g., energy-dispersive x-ray spectroscopy and solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy. The thermal conductivity was measured by transient-/steady-state methods and acoustic properties by an acoustic tube. The mechanical characteristics were investigated by uniaxial compression tests. The samples’ reaction to fire was measured with a self-build test. Particle sizes were analyzed with a particle size analyzer and via digital microscopy.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Organisch-anorganische Hybrid-Silica-Aerogele können aus Methyltrimethoxysilan (MTMS, CH3Si(OCH3)3) und Dimethyldimethoxysilan (DMDMS, Si(OCH3)2(CH3)2) in einem typi-schen Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, das zu flexiblen und hydrophoben Strukturen führt. Sie besitzen eine niedrige Dichte, Wärmeleitfähigkeit und hohe Schallabsorption, die alle auf ihr stark nanostrukturiertes poröses Netzwerk zurückzuführen sind, und sind ideale Kandi-daten für leichte Isolationsanwendungen. Die Synthese hängt von mehreren grundlegenden Pa-rametern ab: Einer davon ist das Verhältnis von Präkursor zu Wasser, das während des Sol-Gel-Prozesses leicht verändert werden kann. Bei entsprechender Variation kann die Dichte des ferti-gen Aerogel-Produkts systematisch gesteuert werden, wodurch die endgültigen Eigenschaften des Aerogels beeinflusst werden. Durch den Einbau einer Fasermatrix wurden die Stabilität und die Handhabung verbessert, während die Leichtbaueigenschaften erhalten blieben. Ein Flamm-schutzmittel (Vinylphosphonsäure, VPA), das über eine Thiol-En-Klick-Reaktion am einge-brachten VTMS (welches MTMS teilweise ersetzt) chemisch an das Aerogel-Netzwerk gebun-den ist, wurde zur Verbesserung der Feuerbeständigkeit eingesetzt. Diese Modifikation führte aber auch zu einer höheren Dichte, einem Anstieg der Wärmeleitfähigkeit und einem Verlust an Flexibilität. Eine Verringerung des VTMS-Anteils und geringere Mengen des Flammschutzmit-tels VPA wurden als zukünftiges Optimierungspotenzial identifiziert. Die Synthese von flexib-len Hybrid-Silica-Aerogel-Partikeln mittels Emulsionstechnologie wurde untersucht. Dabei konnte VTMS ebenfalls bis zu einem Anteil von 50% erfolgreich integriert werden, was das Potenzial für eine weitere Funktionalisierung bietet. Die hergestellten Partikel wiesen Dichten von ca. 0,05 g cm-3 auf, was weniger als die Hälfte der Dichte von monolithischen Referenz-proben ist, wobei sie ihre bemerkenswerte Isolationsleistung beibehalten. Die Verwendung han-delsüblicher, hydrophober und hochisolierender Silica-Partikel (Cabot ENOVA® IC3110) als Füllstoffe sollte zu Silica-Aerogel-Aerogel-Verbundwerkstoffen mit niedrigeren Wärmeleitfä-higkeiten als die entsprechenden Monolithen führen. Anders als erwartet, führte dies zu höheren Dichten und Wärmeleitfähigkeiten, da die Partikel während des Trocknungsprozesses kollabier-ten. Die entstandenen Aerogele und Komposite wurden hinsichtlich ihrer Dichte, Mikrostruktur und Oberflächenchemie mit verschiedenen Charakterisierungstechniken wie Helium-Pyknometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Wasser-Kontaktwinkelanalyse, thermogravimetri-sche/simultane thermische Analyse und spektroskopische Methoden, z. B. energiedispersive Röntgenspektroskopie und Festkörper-Kernresonanzspektroskopie, sorgfältig untersucht. Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit Transienten-/Stationärmethoden und die akustischen Eigenschaf-ten mit einem Schallrohr gemessen. Die mechanischen Eigenschaften wurden durch einachsige Druckversuche untersucht. Das Brandverhalten der Proben wurde mit einem eigens entwickel-tem Versuchsaufbau gemessen und verglichen. Die Partikelgrößen wurden mit einem Partikel-größenanalysator und mittels digitaler Mikroskopie analysiert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Steffens, Kai UNSPECIFIED orcid.org/0000-0003-4310-7775 173870056
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-746179
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Inorganic Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Silica Aerogels UNSPECIFIED Insulation Materials UNSPECIFIED Hybrid-Silica Aerogels UNSPECIFIED
Date of oral exam:	9 December 2024
Referee:	Name Academic Title Milow, Barbara Prof. Dr. Wickleder, Mathias S. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74617