Si-Bazlı Aerojellerin Üretimi ve Uygulamaları

Abstract

Bu tez, Si-bazlı polimerik ve seramik aerojellerin ve kompozit yapılarının polimer türevli seramik (polymer derived ceramic, PDC) yaklaşımıyla üretimini ve uygulamalarını araştırmaktadır. Polimerik, hibrit ve seramik yapıdaki saf aerojeller ve köpük-aerojel kompozitleri, işleme-yapı-özellik ilişkileri açısından derinlemesine analiz edilmiştir. İlk bölüm aerojeller, PDC'ler, motivasyon ve hedeflere genel bir bakış sunmaktadır. 2. Bölüm, ortam basıncında kurutma (ambijeller) ve CO2 süperkritik kurutma yoluyla kolayca temin edilebilen bir polisiloksan polimeri kullanılarak üretilen SiOC ambi/aerojellerinin tasarımı ve performansına ilişkin araştırmayı sunmaktadır. Bu malzemeler, oda sıcaklığında (0,046 W·m–1·K–1) ve 500 °C'de (0,073 W·m–1·K–1) düşük ısıl iletkenlikle birlikte umut verici yağ emilimi (3,1 g·g–1'e kadar) ve su temizleme performansı sergilemiştir. Bölüm 3, ticari yalıtım panellerine kıyasla 1200 °C'ye kadar bütan meşalesi altında üstün yalıtım ve mekanik özelliklerini koruyabilen, çeşitli formlara işlenebilir, yüksek gözenekli aerojel monolitlerinin üretim fizibilitesini gösteren SiOC köpük-aerojel kompozit yaklaşımını ele almaktadır. Bölüm 4, monolitik hibrit ambi/aerojellerin geliştirilmesini inceleyerek, yağ/organik çözücü temizliği için potansiyellerini vurgulamaktadır. Bu aerojeller, yağ için 13 g·g–1'e ve çözücüler için 11 g·g–1'e kadar ulaşan yüksek sorpsiyon kapasiteleri göstermektedir ve organik çözücülerle birden fazla rejenerasyon döngüsü boyunca kararlı sorpsiyon sağlamaktadır. Bölüm 5, yüksek ve düşük sıcaklıklarda olağanüstü termal yönetim elde etmek için SiOC köpüğü ve silika aerojeli birleştiren inorganik kompozitlerin tasarımını incelemektedir. Genel olarak, Si bazlı polimerik ve seramik aerojeller, düşük termal iletkenlik, verimli termal yalıtım, yüksek sıcaklık stabilitesi ve atık su arıtımı dahil olmak üzere umut verici çok işlevli özellikler sergilemiştir.

This dissertation explores the production and applications of Si-based preceramic and ceramic aerogels and their composites through the polymer-derived ceramic (PDC) approach. Neat aerogels and their composites in polymeric, hybrid, and ceramic states were analyzed deeply for processing-structure-property relationships. The first section provides an overview of aerogels, PDCs, motivation, and goals. Chapter 2 presents research on the design and performance of SiOC ambi/aerogels produced via using a readily available polysiloxane by ambient pressure drying (ambigels) and CO2 supercritical drying. Such materials exhibited promising oil sorption (up to 3.1 g·g–1). and water cleaning performance, coupled with low thermal conductivity (0.046 W·m–1·K–1) at RT and (0.073 W·m–1·K–1) 500 °C. Chapter 3 covers the manufacturing of novel SiOC foam-aerogel composites to demonstrate the manufacturing feasibility of highly porous aerogel monoliths, machinable into various forms while preserving their superior insulating abilities up to 1200 °C under a butane torch hit compared to commercial insulation panels. Chapter 4 investigates the developments of monolithic hybrid preceramic ambi/aerogels, highlighting their potential for oil/organic solvent cleanup. These aerogels demonstrate high sorption capacities, reaching up to 13 g·g–1 for oil, and 11 g·g-1 for solvents, maintaining stable sorption over multiple regeneration cycles with organic solvents. Chapter 5 examines the design of inorganic composites, combining SiOC foam and silica aerogel, to achieve outstanding thermal management at high and low temperatures. Overall, Si-based preceramic and ceramic aerogels exhibited promising multifunctional properties, including low thermal conductivity, efficient thermal insulation, high-temperature stability, and wastewater treatment.