Aerogel - 's werelds beste isolatiemateriaal | 27-juni-2019 |

Lichter dan lucht!

Het eerste feitje dat veel bouwkunde-studenten leren over isolatie, is dat stilstaande lucht isoleert. Als een isolatiemateriaal daar voor 95-99,98% uit kan bestaan, hebben we dus een superisolator te pakken: aerogel. Toch heeft het sinds de ontdekking van aerogel in 1931 nog lang geduurd voordat het in de bouw toegepast kon worden.

Gel, hoe kom je daar nou bij?

Inderdaad, de naam werkt verwarrend. Aerogel als eindmateriaal is helemaal geen gel; het wordt van een gel gemaakt en is ontdekt in 1931 naar aanleiding van een weddenschap. Onderzoekers Samuel Stephens Kistler en Charles Learned daagden elkaar uit om de vloeistof in een gelei te vervangen door een gas, zonder dat er krimp zou ontstaan. Daarbij was Kistler zijn collega te slim af door als antwoord aerogel te ontwikkelen, waarbij hij de vloeibare component van de gel extraheerde door middel van superkritisch drogen. Dat werkt anders dan bij normale verdamping. Daarbij zou de gel bezwijken door de capillaire werking, maar de inzet was om geen krimp te laten ontstaan. Door superkritisch drogen bezwijkt de vaste matrix in de gel niet. Het resultaat van de polymerisatie en superkritische droging is een materiaal met een poreuze, sterke structuur.

Ondanks de naam is aerogel dus solide, stijf en droog en lijkt niet meer op de gel waar het mee begon. Bij zachte druk blijft er meestal geen indruk achter. Bij hardere druk zul je een blijvende indruk zien. Als je er extreem hard op drukt, dan vernietigt de druk de structuur waardoor het versplintert als glas. Hoewel het vatbaar is voor versplintering, is het structureel toch erg sterk.

De basismaterialen

De als eerste ontwikkelde aerogel kan gezien worden als het lichtgewicht zusje van glas, want het basismateriaal voor glas is ook silica. De meeste gebruikte aerogel wordt nog steeds van silicagel gemaakt. Maar er bestaan ook aerogels op basis van aluminiumoxide, chroomoxide en tindioxide. Koolstof aerogels werden voor het eerst ontwikkeld eind jaren '80.

Eigenschappen

Het feit dat aerogels voor 95-99,98% uit lucht bestaan is niet de enige indrukwekkende eigenschap. De dichtheid van aerogel is zelfs het vermelden waard in het Guinness Book of Records, waarin het nu met het huidige record van 1 mg/cm³ staat genoteerd. Vergelijk dat even met lucht: 1,2 mg/cm³. De nieuwste versie van aerogel is dus lichter dan lucht!

Bevroren rook

De lichte kleur van aerogel ontstaat door de zogenaamde Rayleigh-verstrooiïng van kortere golflengten van zichtbaar licht door de doorschijnende nano-achtige structuur. Hierdoor wordt het rokerig blauw tegen donkere achtergronden en geelachtig tegen heldere achtergronden. Naar aanleiding van dit verschijnsel zijn dan ook de bijnamen als bevroren rook, vaste rook, vaste lucht, vaste wolk en blauwe rook ontstaan.

Waterdichtheid

Wat wel een dingetje is van aerogel, is dat het niet tegen water kan. Zodra het met water in contact komt, is het namelijk gedaan met de hydroxylgroepen in het oppervlak; die lossen op. Deze degradatie kan gelukkig vrij eenvoudig worden voorkomen door ze hydrofoob te maken, via een chemische behandeling. Dat kan zowel van binnen, een hydrofoob interieur, als aan de oppervlakte met een buitenste hydrofobe laag. De eerste is beter bestand tegen aanraking met water, voor het geval er een scheur door het oppervlak dringt.

Thermische isolatie

Aerogel heeft dankzij de extreem lage geleidbaarheid gestaag aan zijn carrière gewerkt: van 0,03 W/(m·K) bij atmosferische druk tot 0,004 W/(m·K) in matig vacuüm. Hieronder kun je dat vergelijken met de waarden van andere veel voorkomende isolatiematerialen:

Toepassingen

De eerste toepassingen van aerogel waren alleen aan de groten der aarde voorbehouden. NASA gebruikte het in ruimtesondes om de elektronica te beschermen tegen extreem lage temperaturen. Maar door de ontwikkelingen om het op grotere schaal te gaan produceren en de huidige energietransitie die ons in renovatieprojecten soms voor ogenschijnlijk onoplosbare problemen stelt, heeft aerogel ook in Nederland zijn weg gevonden naar isolatiematerialen die we in de bouw kunnen gebruiken. Het is bij ons beschikbaar in de vorm van isolatiedekens, isolerende spuitpleister, isolerende gipsplaten en isolatieplaten.

Aerogel zelf voelt als fragiel geëxpandeerd polystyreen. Vanwege zijn hygroscopische aard werkt het als een sterk droogmiddel (denk daarbij aan de bolletjes silicagel in verpakkingen). Mensen die langdurig met aerogel werken, moeten dan ook handschoenen dragen om uitdroging van de huid te voorkomen.

Bronnen
Productinformatie van leveranciers, Wikipedia, foto: baksteen van 2,5 kilo staat op een stukje aerogel van 2 gram (Wikipedia)