Hohle Silicakolloide als Bausteine für hochporöse, aus wässriger Dispersion abzuscheidende Aerogele mit verbesserter mechanischer Festigkeit

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Möller
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung in 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465124805

Die Erzeugung von Aerogelen über einen wässrigen Sol-Gel-Prozess führt zwar zu hochporösen und transluzenten Materialien mit exzellenten thermischen Isolationseigenschaften, erfordert aber gleichzeitig besondere Maßnahmen, damit die sehr fragilen Strukturen nicht bereits beim Trocknen durch die Kapillarkräfte des Wassers kollabieren. Etabliert sind Verfahren zur Substitution des Wassers und zur Trocknung aus dem superkritischen Zustand der flüssigen Komponenten. Mit diesem Vorhaben richten wir uns auf die Synthese von hochporösen Silica-Gelen mit verbesserter mechanischer Festigkeit, die direkt aus wässrigen Dispersionen abgeschieden werden können. Unser Ansatz zielt auf eine hierarchische Strukturkonstruktion, indem Submicron-große Silica-Hohlkapseln in einem zweiten Schritt zu einem 3D-Material verknüpft werden. Hierzu nutzen wir eine Templatsynthese für die Hohlkapseln und eine Silsesquioxan-Entwicklung des russischen Partners. Für die Templatsynthese setzen wir flüssige hydrophobe hochverzweigte Polydialkoxysilane ein, die zunächst als Tenside die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser auf Werte von kleiner 0,5 mN/m absenken und zur Herstellung von o/w Microemulsionen geeignet sind. Durch die nachfolgende Hydrolyse scheidet sich SiO2 auf der Tröpfchenoberfläche ab. Nach Verdampfen der Flüssigkeiten können hohle Submicron-Kapseln intakt isoliert werden. Noch in der Dispersion werden die Kapseln aber in einem zweiten Schritt mit hydrophilen Silsesquioxanen in Wasser/Alkohol-Lösung versetzt. Ziel ist ein Sol-Gel-Prozess bei dem die Kapseln in definierter Weise miteinander verklebt werden und auch zwischen den Kapseln ein möglichst großes Porenvolumen stabilisiert wird. Bei hohen Nanokapselkonzentrationen ergibt sich so eine doppelte Templatsynthese: Zunächst die Abformung der Öltröpfchen, dann die Füllung der Zwischenräume der im Idealfall bereits geordneten Hohlkugeln. Der stufenweise Einsatz einer hydrophoben und einer hydrophilen Precursorverbindung ermöglicht zusammen mit der Emulsionstechnik und einer Kontrolle der Reihenfolge mit der die Flüssigkeiten verdampfen (Alkohol vor Wasser vor Öl) die Kontrolle des Strukturaufbaus. Anwendungsbezogene Orientierungsgrößen sind (i) maximale Porosität und Poren kleiner 60 nm, (ii) die Stabilität der Gelstruktur gegenüber den Kapillarkräften während des Trocknungsprozesses; (iii) die Hydrophobierung der porösen Gele durch Abscheidungen aus der Öl-Phase, um beim Gebrauch als Isolationsmaterial eine Wasserkondensation in den Poren zu vermeiden und (iv) die Möglichkeit, zusammen mit den Silsesquioxanen mechanisch verstärkende Komponenten wie exfolierte Hectorite, Nanofasern oder organische Gelatoren zugeben zu können. Anzustreben ist eine mechanische Belastbarkeit von 10 N/cm2.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Aziz Muzafarov, bis 3/2022