GELSEC – Stossrichtung Massenprodukt

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501462

Key words (English)

Silica aerogel; Biopolymer-silica hybrid aerogels; Ambient pressure drying; Large-scale production

Short description (German)

Aerogelbasierte Hochieistungsdämmstoffe ermöglichen neue Lösungsansätze zum Dämmen von Gebäuden wo der Platz knapp ist, insbesondere in der Sanierung von Altbauten. In diesem projekt soll die Lösemitteltrocknung von Silikat und Silikat-Biopolymer Aerogelen als letzte Hürde zur grosstechnischen Implementierung von neuen Produktionsansätzen überwunden werden. Verschiedene Trocknungsprozesse werden auf Pilotskala validiert und verglichen um minimale Herstellkosten von Aerogel zu ermöglichen und fehlende Lebenszyklusdaten zu ergänzen.

Short description (English)

Aerogel superinsulation provides a solution to insulate building with strong space restrictions and aliows to retrofit buildings using novel solutions and concepts. In this project, we will develop and optlmize ambient-pressure drying as the last Step to lower the production cost and grey energy of silica and (bio)polymer reinforced silica aerogels. We will compare and validate different drying processes on a small pilot scale to promote industrial cost savings and provide LCA/LCC data.

Final report (German)

Aerogele haben ein beachtliches Potential als Hochleistungsdämmstoff im Gebäudesektor – die Umsetzung am Markt ist allerdings durch teure Prozesses und dadurch bedingte hohe Materialkosten stark eingeschränkt. Dieses BFE Projekt zielt darauf ab, offene wissenschaftliche, technische und verfahrenstechnische Fragen in Bezug auf die Lösemitteltrocknung (LMT) von Aerogelen zu klären und zwar im Vergleich mit der klassischen Methode der überkritischen Trocknung (ÜT).  Auf Seite der Grundlagen wurde im Rahmen des Projekts eine Röntgenmikrotomographhiezelle aufgebaut womit die Trocknung in-situ verfolgt werden kann. Zudem wurden neuartige Biopolymere als Modellsystem mit tiefen Wärmeleitfähigkeiten von 23-26 mW/(m·K) für LMT und 16 mW/(m·K) für ÜT entwickelt, wobei diese als monolithische Körper mit hoher spezifischer Oberfläche und Mesoporenanteil die ersten über LMT zugänglichen Biopolymeraerogele dieser Art in der Literatur sind. Sowohl die Tomographieuntersuchungen als auch die Biopolymeraerogele werden als SNF Projekt weitergeführt. Auf Seiten der angewandten Forschung, wurden diverse Parameterfelder untersucht und dabei die Wichtigkeit hoher Temperatur und Schleppgasraten entdeckt. Ebenso zeigte sich, dass eine quantitative Rückgewinnung der Lösemittel eine Herausforderung ist. Eine Reihe bekannter und neuer Trocknungsansätze wurden verfolgt, unter anderem auch Vakuumtrocknung sowie konvektive Gastrocknung mit einer Kaskade von Kondensatoren. Zudem wurde die Wiederverwendung von zurückgewonnenem Lösemittelgemisch in der Gelsynthese experimentell bestätigt. Die aus dem Projekt hervorgegangene Trocknungstechnik wird derzeit in einer durch das BFE P&D Programm unterstützten Pilotanlage umgesetzt. Die Vorteile der Methode im Bezug auf reduzierten Energieverbauch und grauem CO2 wurde mittels Ökobilanz bestätigt. Das Projekt konnte eine wichtige Hürde in Richtung Massenproduktion von SiO2 Aerogelen mittels LMT überwinden.

Final report (English)

Aerogels offer a remarkable potential as high-performance insulation material in the building and construction sector – yet the practical realization is impaired by costly process technology and high materials cost which comes as a direct result. This BFE project aimed to solve open scientific, technical and engineering questions related to ambient pressure drying (APD) of aerogel materials, as an alternative to the more complex supercritical drying (SCD) process. On the fundamental, scientific front, a new heating stage to study APD of (silica) aerogels in situ with X-ray microtomography was designed and constructed. In addition, new cross-linked biopolymer aerogels were developed with thermal conductivities as low as 16 mW/(m·K) for SCD and 23-26 mW/(m·K) for APD. Importantly, the APD aerogels are intact, monolithic plates with high surface area and large mesoporosity, making them unique in the biopolymer aerogel literature. Both the in situ tomography and biopolymer aerogels are carried over to a follow-up SNSF project. On the applied front, a range of parameter studies highlight the importance of high drying temperatures and high gas flow rates for fast drying and the production of high quality, low density aerogel materials. At the same time, these experiments point to the difficulties in achieving sufficiently high solvent recovery rates, particularly at laboratory scale. A variety of existing and new drying concepts were evaluated, including a conical drying under partial vacuum with an integrated condenser and evaporative drying at ambient pressure with a cascade of condensers. The recycling of recovered solvent without prior purification was established through an experimental proofof-concept. Finally, the selected drying solution is currently implemented in a large pilot facility as part of a recently awarded SFOE P&D project. Life cycle assessment of the production process confirms the energy efficiency and limited CO2e emissions of the chosen production route. All in all, the project has provided an important step towards the mass production of silica aerogels through ambient pressure drying.

Related documents

• GELSEC – Towards mass production of aerogels through ambient pressure drying - Final Report [PDF] 1'608 kB

Final report (French)

Les aerogels offrent un potentiel remarquable comme matériau d'isolation haute performance dans le secteur du bâtiment. Cependant, la réalisation pratique est restreinte par une technologie de fabrication coûteuse et des frais de matériaux élevés qui en résultent directement. Ce projet BFE ciblait à résoudre des questions scientifiques, techniques et d'ingénierie liées au séchage sous pression ambiante (SPA) des matériaux d'aerogel, une téchnologie qui compte à remplacer le séchage supercritique (SSu) plus complexe à l'échelle industrielle. Concernant les aspects scientifiques fondamentaux, une nouvelle étape de chauffage pour étudier la SPA des aerogels de (silice) in situ avec la microtomographie à rayons X a été conçue et construite. De plus, de nouveaux aerogels de biopolymères réticulés ont été développés avec des conductivités thermiques très faibles - 16 mW / (m·K) pour le SSu et 23-26 mW / (m·K) pour le SPA. Notamment, les aerogels SPA sont des échantillons monolithiques intactes présentant une grande surface spécifique et une grande mésoporosité, ce qui les rend uniques dans la littérature des aerogels à base de biopolymères. Les activités tomographie "in-situ" et aerogels biopolymères sont les deux transférés dans un projet de suite supporté par le FNS. Quant aux aspects application, une série d’études de paramètres soulignent l’importance des températures de séchage élevées et des débits de gaz élevés pour un séchage rapide et une production de matériaux d’aerogel de haute qualité et de faible densité. En même temps, ces expériences soulignent les difficultés à atteindre des taux de récupération de solvants suffisamment élevés, particulièrement à l'échelle laboratoire. De divers concepts de séchage existants et nouveaux ont été évalués, y compris un séchage sous vide partiel dans un réacteur conique avec un condenseur intégré et un séchage par évaporation à pression ambiante avec une cascade de condenseurs. Le recyclage du solvant récupéré sans purification intermédiare a été établi grâce à étude de conception expérimentale. Enfin, la solution de séchage sélectionnée est actuellement mise en œuvre dans une installation pilote dans le cadre d’un projet récemment secondé par le programme P&D de l'OFE. L'analyse du cycle de vie du concept de production confirme l'efficacité énergétique et les émissions de CO2e limitées du procédé. Dans l'ensemble, le projet a surmonté une étape importante vers la production industrielle des aerogels de silice par séchage à pression ambiante.