Fábricas de painéis de aerogel: aerogéis à base de sílica reforçados com fibras.
A adição de materiais unidimensionais, como fibras ou nanocristais, ao sistema de gel permite sua distribuição uniforme dentro da estrutura porosa, melhorando significativamente as propriedades do material compósito. Essas fibras de reforço geralmente possuem diâmetro pequeno e grande área superficial específica, o que permite sua integração eficaz na estrutura do aerogel à base de sílica. Uma vez incorporadas à matriz, elas criam um efeito de blindagem único, capaz de dispersar e absorver a radiação infravermelha, reduzindo assim a transferência de calor radiante.
Além disso, a presença do aerogel reduz o contato direto entre as fibras, o que diminui a transferência de calor na fase sólida e reduz a condutividade térmica geral do material compósito. Ao mesmo tempo, as cargas externas podem ser distribuídas de forma eficaz pelas fibras, que possuem alta rigidez e alto módulo de elasticidade, melhorando as propriedades mecânicas do compósito de aerogel. Uma representação esquemática do isolamento térmico e das propriedades mecânicas aprimoradas é mostrada na Figura 1.
- fibra de carbono
As fibras de carbono são caracterizadas por baixa densidade, alta resistência específica e alta rigidez específica. Quando incorporadas em aerogel à base de sílica, podem fornecer suporte estrutural para uma rede porosa tridimensional.
Devido à sua elevada resistência intrínseca, as fibras de carbono aumentam significativamente a resistência à compressão dos compósitos de aerogel. No entanto, a tecnologia de produção de fibras de carbono é relativamente complexa e dispendiosa. Além disso, sob temperaturas extremamente elevadas e ambientes oxidantes, as propriedades das fibras de carbono podem deteriorar-se, tipicamente a temperaturas em torno de 1500 °C, limitando a sua utilização em certos ambientes de alta temperatura.
- Fibra de vidro
As fibras de vidro possuem excelentes propriedades de suporte de carga e podem aumentar efetivamente a resistência de materiais compósitos. Sua tecnologia de produção é bem estabelecida e seu custo é relativamente baixo.
Graças à sua tecnologia de fabricação avançada e excelentes propriedades mecânicas, as fibras de vidro podem melhorar significativamente as propriedades mecânicas dos aerogéis de sílica, reduzindo simultaneamente a condutividade térmica. No entanto, em comparação com as fibras de carbono, sua resistência à compressão é um pouco menor. Além disso, a resistência da ligação interfacial entre as fibras de vidro e a matriz do aerogel pode ser insuficiente, o que pode levar à degradação estrutural durante o uso prolongado.
- Outras fibras inorgânicas
Além das fibras de carbono e de vidro, outras nanofibras inorgânicas também podem ser usadas como componentes de reforço e apresentam bom desempenho.
Por exemplo, as fibras de xonotlita exibem alta estabilidade térmica, conferindo ao aerogel excelente estabilidade térmica. Os nanobastões de dióxido de titânio (TiO₂) são altamente rígidos e capazes de suportar a estrutura da rede do aerogel, garantindo a estabilidade da estrutura em temperaturas elevadas. Comparadas aos compósitos de fibra de carbono e de vidro, essas fibras inorgânicas também permitem a produção de aerogéis com boas propriedades mecânicas e baixa condutividade térmica.
No entanto, os processos para produzir essas fibras inorgânicas são geralmente mais complexos e dispendiosos. Além disso, sua compatibilidade com matrizes de aerogel à base de sílica requer estudos adicionais.
- Fibras orgânicas
Em comparação com fibras inorgânicas como carbono e vidro, as fibras orgânicas oferecem reduções significativas nos custos de produção, ao mesmo tempo que fornecem o suporte estrutural necessário para aerogéis.
Por exemplo, o padrão de distribuição das fibras de aramida afeta diretamente as propriedades mecânicas do compósito de aerogel. Assim, as fibras orgânicas podem reduzir efetivamente os custos de materiais e melhorar a estabilidade estrutural dos aerogéis à base de sílica. No entanto, em comparação com as fibras inorgânicas, as fibras orgânicas apresentam menor estabilidade térmica, o que limita seu uso em condições de alta temperatura.
Conclusão
Os aerogéis de sílica reforçados com fibras melhoram suas propriedades mecânicas pela incorporação de fibras de reforço altamente rígidas, que distribuem as tensões de forma eficaz dentro da estrutura do aerogel. Além disso, a presença das fibras cria um efeito de blindagem que inibe a transferência de calor radiante, reduzindo assim a condutividade térmica do material compósito.
Jutao Tecnologia Ambiental — Especialistas em Soluções de Aerogel
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