آیروژل (هواژل) ماده‌ای نانو متخلخل سنتز شده از یک ژل است که در آن جزء مایع ژل با یک گاز بدون افت حجمی جایگزین شده است. معمولا آیروژل ها با روش سل-ژل تولید می شوند.آیروژل‌ها در موارد مختلفی مانند عایق حرارتی در شیشه‌ها و سقف‌های نیمه شفاف، کاتالیست به علت سطح ویژه بالا، مواد آبگریز، عایق‌بندی لباس فضانوردان، محافظت حرارتی غواصان و سیستم‌‌های انتقال دارو به کار میروند.
1. مقدمه
آیروژل (هواژل) ماده‌ای نانو متخلخل سنتز شده از یک ژل است که در آن جزء مایع ژل با یک گاز بدون افت حجمی جایگزین شده است. معمولا آیروژل ها با روش سل-ژل تولید می شوند. آیروژل‌ها در موارد مختلفی مانند عایق حرارتی در شیشه‌ها و سقف‌های نیمه شفاف، کاتالیست به علت سطح ویژه بالا، مواد آبگریز، عایق‌بندی لباس فضانوردان، محافظت حرارتی غواصان و سیستم‌‌های انتقال دارو به کار میروند. شکل (1) نمایی از خاصیت‌های حائز اهمیت این ماده را نشان می‌دهد.
شکل1. 1) عایق بسیار مناسب حرارت 2) تحمل بار 2.5 کیلوگرمی توسط یک تکه 2 گرمی از آیروژل
2. فناوری و ویژگی‌ها
1 .2 خواص و انواع آیروژل‌ها
بطور کلی خواص متعددی برای این مواد درنظر گرفته می‌شود که در جدول (1) مختصرا به آن پرداخته شده است.
آیروژل‌ها برحسب ترکیب شیمیایی ژل آنها، به چهار گروه دسته‌بندی می‌شوند که شامل آیروژل‌های معدنی (شامل سیلیکا آئروژل، آلومینا آئروژل و…) ایروژل‌های آلی، آیروژل‌های کربنی و آیروژل‌های هیبریدی دسته بندی می‌شوند. شکل (2) دسته بندی کلی این مواد را نشان می‌دهد.
شکل2. دسته بندی کلی آیروژل‌ها
2 .2 کاربرد گسترده در صنایع مختلف
آیروژل، به دلیل دارا بودن ساختار نانو و مقدار تخلخل زیاد، خواص بسیار جالب و بی‌نظیری دارند. این خواص باعث می‌شوند تا از آیروژل ها در کاربردهای متنوع و گسترده‌ای استفاده شود. در جدول (2) برخی از این کاربردها گزارش شده است.
سیلیکا آیروژل‌ها در پنجره های عایق کاربرد دارند که مانع از ورود و خروج گرما می شوند. از جمله مزایای دیگر آیروژل ها آتشگیر نبودن آن هاست. این عایق ها در سیستم های گرمایش و سرمایش، باتری های با کاربرد دمای بالا، عایق لوله ها، مخازن تحت گرما و سرما، لوله اگزوز ماشین، به‌عنوان پوشش جاذب انرژی خورشید در سلول های خورشیدی جهت ذخیره سازی انرژی و... می توانند به کار برده شوند. خواص نوری آیروژل ها به شرایط تولید آنها بستگی دارد. این مواد در روشنایی به رنگ زرد و در تاریکی به رنگ آبی دیده می شوند. روش های مختلف حذف حلال، حذف آب یا رطوبت از ساختار آیروژل و شرایط واکنش از جمله پارامترهای مهم و موثر در خاصیت نوری آئروژل‌ها مطرح هستند. در حال حاضر در سطح دنیا از ترکیبات آیروژلی برای عایق‌کاری دما استفاده می‌کنند؛ زیرا کارایی آنها نسبت به عایق‌های مرسوم قدیمی از نظر میزان مصرف و فضای اشغال‌شده بسیار بیشتر است. همچنین ایروژل‌ها در مقایسه با عایق‌های مضر مانند آزبست‌ها و پشم شیشه، معضلات محیط‌زیستی ندارند. اگرچه قیمت این محصولات می‌تواند بالا باشد اما نسبت به قیمت انرژی درکشورهای غربی به‌خصوص آمریکا و با توجه به واقعی بودن قیمت انرژی از ایروژل‌ها برای عایق‌کاری و جلوگیری از هدررفت انرژی استفاده ، شکل (3).
شکل3. نمایی از عایق‌کاری لوله‌های خطوط سرد و گرم
یکی دیگر از کاربردهای این محصول در حوزه پاکسازی لکه‌های نفتی می‌باشد، هرچند کاربرد فناوری نانو برای پاکسازی آلودگیهای نفتی هنوز در مراحل ابتدایی است، ولی برای آینده امیدوارکننده است. در پنج سال گذشته، علاقه به جستجوی روشهای یافتن راه حلهای مناسب برای پاکسازی آلودگیهای نفتی با استفاده از نانومواد به صورت جهانی رشد چشمگیری داشته است. به طور کلی دو مسیر تصفیه اصلی برای آلودگی شناخته شده است: جذبی و واکنشی. هردوی این روش‌ها می توانند به عنوان فرآیندهای پاکسازی در محل یا خارج از محل به کار برده شوند. درمورد آبهای آلوده نفتی، روشهای مرسوم برای حل مشکل نشت حجیم نفت معمولا کافی نیستند.
نانوموادی که برای پاکسازی آلودگیهای نفتی شامل به کار میروند، عبارتند از: 1- آیروژل‌ها (آیروژل آبگریز، آئروژل سیلیکایی عامل دار شده با تریفلوئوروکربن، آئرورس‌ها)، 2-پخش کننده‌های نانویی (میسلهای تشکیل-دهنده محلول‌های کلوئیدی مواد شـیمیایی بر پایه زیستی)، 3-نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی (اکسید آهن، نانورسها، آهن/کربن، اکسید آهــن/کربن، نانوکامپوزیت های پلیمری مغناطیسی)، 4- غشاها (بر پایه نانوسیم های اکسید منگنز)، 5-فومها (ابرآب گریزها و ابرچربی دوستها)، 6-فیلترها و پدها (فیلترهای کتانی آبدوست یا دافع چربی، کاغذهای فیلتر ابرچربی دوسـت و یا ابرآب گریز)، 7-نانوساختارهای کربنی (گرافن کرمی شکل، اسفنجهای نانو لوله های کربنی)، 8-ارگانوکلی (رس های آلی) آب گریز نانوساختار، 9- نانو و میکرو اکسید تیتانیوم برای تجزیه فتوکاتالیستی. کارهای اولیه بر روی آیروژل ها، اهمیت این ماده را برای پاکسازی آب نشان می دهد.
بطور کلی کاربرد محصولات بلکنت در صنایع مختلف در شکل(4) نشان داده شده است.
شکل4 کاربرد آیروژل در صنایع مختلف
3 .2 کاربرد فناوری نانو
آیروژل‌ها اگرچه بر اساس تعاریف جزء نانومواد قرارنمی‌گیرند اما خواص ساختاری نانومقیاسی را دارا می‌باشند. آیروژل سیلیس معمول‌ترین نوع آیروژل است که از سیلیکاژل مشتق می‌شود. آیروژل‌ها حاوی میکروتخلخل‌ها (حفرات با قطر کمتر از 2 نانومتر)، مزوتخلخل‌ها (حفرات با قطر بین 2 تا 50 نانومتر) و ماکروتخلخل‌ها (حفرات با قطر بیش از 50 نانومتر) هستند و عمدتا میانگین قطر حفرات حدود 20 نانومتر است. این مواد خواص بی‌نظیری مانند پایداری ابعادی، سطح ویژه (بین 600 تا 1000 مترمربع بر گرم)، تخلخل (85 تا 99.8 درصد)، چگالی پایین، هدایت حرارتی کم، شفافیت بالا و ثابت دی الکتریک بسیار پایین هستند.
3. بازار و چشم انداز آتی
با توجه به گزارش بین المللی futuremarketinsights منتشر شده در سال 2022، حجم بازار جهانی آیروژل‌ها 1.5 میلیارد دلار در سال 2022 ارزیابی شده است که پیشبینی می‌شود که با تجربه یک نرخ رشد مرکب سالیانه 17% به 7.5 میلیارد دلار در سال 2032 برسد. شکل (5) روند کلی این بازار را طی دوره 2022 تا 2032 نشان می‌دهد.
شکل5. روند جهانی محصولات آیروژل طی سال های 2032-2022
-
بازار از منظر موقعیت جغرافیایی
بر اساس گزارش تحلیلی وبگاه Alliedmarketresearch در خصوص بازار ایروژل¬ها طی سال¬های 2027- 2019، آمریکای شمالی پیشتاز بازار محصولات آیروژل در سال 2019 معرفی شد و سهم بازار 39.1 درصد را به خود اختصاص داد که دلیل آن افزایش آگاهی مصرف کنندگان نسبت به گرم شدن کره زمین است که به نوبه خود، پذیرش راه حل های عایق مانند آیروژل را در کاربردهای صنعتی و خانگی مانند ساختمان ها و صنایع مرتبط با پالایشگاه های نفت و گاز افزایش می دهد.
-
بازار از منظر نوع ماده اولیه
در سال 2019، بخش سیلیکا آیروژل بیشترین سهم را با 69 درصد در بازار جهانی به خود اختصاص داد. این امر به این واقعیت نسبت داده می شود که آیروژل‌های سیلیکا دارای خواص منحصر به فرد عایق حرارتی و ویژگی‌هایی مانند سبک وزنی، خنثایی شیمیایی و قابلیت استفاده مجدد می‌باشند، شکل (6).
شکل6. روند جهانی محصولات آیروژل طی سال های 2032-2022
در سال 2019، بلانکت به دلیل افزایش استفاده از آن در عایق کاری ساختمان و صنعت نفت و گاز، با سهم 69 درصدی در بازار جهانی آیروژل، بزرگترین مولد درآمدی در این بازار بود. بیشترین کاربرد این محصولات از منظر نوع پس از بلنکت¬ها به ترتیب مربوط به ذرات، بلوک‌ها و پانل‌ها می‌باشد.
-
بازار آیروژل بر اساس کاربرد در صنایع
در سال 2019، صنایع نفت و گاز با سهم بازار 56 درصد بیشترین درآمدزایی را داشت. این امر به خنثایی شیمیایی و هدایت حرارتی کمتر آئروژل نسبت داده می شود که آن را به ماده ای مناسب برای عایق بندی خط لوله تبدیل می کند.
در این خصوص تعدادی از شرکت های مطرح در حوزه تولید محصولات مرتبط با آیروژل در جدول (3) گزارش شد.