Ursache des Springback-Effektes in den bei Raumtemperatur und Normaldruck hergestellten Silica und anderen metalloxidischen Aerogelen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Fratzl, seit 1/2024; Professor Dr. Aleksander Gurlo
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454019637

Aerogele sind hochporöse, nanostrukturierte, feste Materialien, welche aus Gelen hergestellt werden und durch eine niedrige Dichte, sehr hohe spezifische Oberfläche, Porosität und niedriger Wärmeleitfähigkeit ausgezeichnet sind. Eine konventionelle Prozessierung beinhaltet meist eine überkritische Trocknung (SCD). Während der Trocknung bei Raumtemperatur und Normaldruck (APD) zieht sich das Material auf bis zu halber Größe zusammen. Thermische Nachbehandlung und Silylation der Oberfläche des Gels, was durch Oberflächenmodifikation mit z.B. Trimethylchlorosilan (TMCS) vollzogen wird, ermöglichen Reversibilität dieser Schrumpfung. Dieses Phänomen wird allgemein als Springback-Effekt bezeichnet und ist vor allem interessant, weil es eine überraschend große Volumenveränderung für ein keramisches Material beschreibt und Porositäten vergleichbar zur überkritischen Trocknung bei Raumdruck und –temperatur ermöglicht. Dieses Phänomen muss zunächst im gut erforschtem Silica-System untersucht werden, um das Verhalten während der Prozessierung hervorzusagen um dieses Wissen auf andere Systeme übertragen zu können. Hauptziel dieses Antrages ist (i) die Erforschung des Auftretens und Ursprunges des Springback-Effektes in Aerogelen, (ii) die zugrundeliegenden Mechanismen des Springback-Effektes von Nano- zu Mikrostruktur zu beschreiben und (iii) die Prozessschritte und das Phänomen in APD-Aerogelen zu kontrollieren. Wir vermuten, dass die Schrumpfung der Aerogele und das Auftreten des Springback-Effektes direkt mit dem Aerogelnetzwerk zusammenhängt, dessen Nanostruktur durch die fraktale Dimension beschrieben werden kann. Letztere kann durch Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS), sowohl ex-situ als auch in-situ während der Aerogel-Synthese, charakterisiert werden. In Vorversuchen wurde gezeigt, dass es möglich ist das vorgeschlagene Silica Modellsystem zu synthetisieren, der Springback-Effekt wurde in einer Messzelle demonstriert und es wurden erfolgreich nanostrukturelle Eigenschaften während der unterschiedlichen Prozessierungsschritte der Aerogele aufgezeigt. Eine umfassende in-situ Untersuchung mit mehreren Methoden und Fokus auf SAXS, sowie Auswertung der fraktalen Dimension und weiterführender Charakterisierung mit mehreren ex-situ Methoden, wird die Untersuchung auf allen strukturellen hierarchischen Ebenen erlauben. Die Silica, Titandioxid und Zirconiumdioxid Systeme werden mit den jeweiligen Alkoxiden synthetisiert. Dieses Modell wird anschließend mit dem Silica-Titandioxid und Silica-Zironiumdioxid system überprüft werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Wolfgang Wagermaier, Ph.D., bis 1/2024