エアロゲルの改良

エアロゲルは物性値だけ見れば優れた材料(構造体)ですが、機械的強度が低すぎるため特殊用途以外ではほとんど実用化されていません。

エアロゲルの改良には、化学合成のみならず表面処理・洗浄・乾燥などを含むさまざまな過程での技術が欠かせません。1990年代・2000年代までにNASAを中心として積極投資・研究が行われた結果、シリカエアロゲルは進歩しましたが、それ以降は大きな進展が見られていません。

しかし現在もさまざまな方面からエアロゲルを改良する研究が行われています。以下では断熱材の例を紹介します。

物理的な複合化

繊維などと物理的に複合化したシリカエアロゲルがAspen Aerogelsなどから市販されています。これら製品は曲げが可能であり、シリカエアロゲル単体に比べればハンドリングが改善されたものだといえます。しかし、熱伝導率の上昇や粉落ちなど、デメリットもあります。複合化により可視光は透過しなくなるため、配管の断熱など光学特性を必要としない目的で用いられています。耐久性など長期的な使用においては優れている面もありますが、コストグラスウールやポリマーフォームなどの断熱材に比べると初期コストがかなり高いため、さほど普及していないようです。
近年ではポリプロピレン発泡体内部にシリカエアロゲルを形成するなど新しい複合体も発表されています。[1]

有機―無機ハイブリッド化

シリカ—有機ポリマー複合体

シリカエアロゲルに関して、各種物性を損なわず、機械強度を上げるさまざまな試みがなされてきました。代表的な方法としては有機—無機ハイブリッド化が上げられます。例えば、シリカ骨格表面をシランカップリング剤 3-アミノプロピルトリメトキシシラン(APTES)で処理し、生成したアミド基を足場にエポキシなどの有機ポリマーで補強する方法では、大きな曲げも可能なエアロゲル(X-aerogel)が得られます。[2] しかしこの処理によりシリカ骨格は粗大化するため、可視光透過性や断熱性が犠牲になってしまいます。

PMSQエアロゲル

CH3SiO1.5組成をもつポリメチルシルセスキオキサン(PMSQ)エアロゲルは、最適条件下ではシリカエアロゲルと同等の透明度と断熱性をもちながら、全高に対し50—80 %の一軸圧縮を行っても完全に元に戻る性質を備えています(曲げ・ねじれ・摩擦には脆弱)。[3] 一部の組成・密度範囲内では蒸発乾燥によって塊状体(パネル)を得ることも可能ですが、[4] 歩留まりや作製時間など実用化へのハードルが高いのが状況です。装置・法令さえクリアすれば超臨界乾燥の方が作製は圧倒的に簡単です。高圧技術は日々進歩し続けており、蒸発乾燥が工業的に優れているとは断言できません。

有機ポリマーエアロゲル

ポリウレタン系やポリイミド系[4] など、各種有機ポリマーエアロゲルが開発され、一部市販もされています。可視光透過性は犠牲になりますが、市販の断熱材よりも優れた断熱材をもち、シリカエアロゲルよりも扱いやすいのが特徴です。断熱以外での応用も提案されています。

超低密度エアロゲル

近年さまざまな組成で、かさ密度が5 mg cm−3を下回る超低密度構造体に関する報告が出てきています。自重により崩壊しない均質な微細構造の形成には工夫が必要です。応用性はまだはっきりしていません。

参考

  1. -ポリプロピレン発泡体とシリカエアロゲルの複合化により実現-
  2. Mary Ann B. Meador, Eve F. Fabrizio, Faysal Ilhan, Amala Dass, Guohui Zhang, Plousia Vassilaras, J. Chris Johnston and Nicholas Leventis, “Cross-linking amine-modified silica aerogels with epoxies: Mechanically strong lightweight porous materials”, Chem. Mater., 17, 5, 1085–1098 (2005). doi:10.1021/cm048063u
  3. Kazuyoshi Kanamori, Mamoru Aizawa, Kazuki Nakanishi and Teiichi Hanada, “New Transparent Methylsilsesquioxane Aerogels and Xerogels with Improved Mechanical Properties”, Adv. Mater., 19, 1589–1593 (2007). doi:10.1002/adma.200602457
  4. Mary Ann B. Meador, Eve F. Fabrizio, Faysal Ilhan, Amala Dass, Guohui Zhang, Plousia Vassilaras, J. Chris Johnston and Nicholas Leventis, “Mechanically Strong, Flexible Polyimide Aerogels Cross-Linked with Aromatic Triamine”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 536–544 (2012). doi:10.1021/am2014635
  5. Gen Hayase, Kazuyoshi Kanamori, Ayaka Maeno, Hironori Kaji, Kazuki Nakanishi, “Dynamic spring-back behavior in evaporative drying of polymethylsilsesquioxane monolithic gels for low-density transparent thermal superinsulators”, J. Non-Cryst. Solids., 454, 115-119 (2016). doi:10.1016/j.jnoncrysol.2015.12.016