Etapas principais na produção de revestimentos de aerogel

Os aerogéis são nanomateriais porosos e leves com estruturas de rede tridimensionais complexas. Eles combinam propriedades como condutividade térmica ultrabaixa, baixa densidade, alta porosidade, alta transmitância de luz, grande área superficial específica, baixo índice de refração e baixa velocidade do som. Nos últimos anos, os aerogéis têm sido amplamente aplicados em diversos campos, incluindo a indústria de revestimentos.

Os revestimentos de aerogel são revestimentos funcionais que utilizam aerogéis (materiais nanoporosos e leves com condutividade térmica extremamente baixa e alta área superficial específica) como carga funcional principal. São utilizados principalmente para isolamento térmico, proteção contra incêndio e isolamento acústico. Com base na preparação do aerogel, são adicionados estabilizantes, dispersantes e outros aditivos. Através de diversos métodos de dispersão, os aerogéis são inicialmente processados ​​em suspensões/pastas de aerogel, que são então misturadas com resinas formadoras de filme, aditivos, solventes e outros pigmentos e cargas. Finalmente, os revestimentos de aerogel são produzidos por meio de dispersão em alta velocidade.

Seleção e pré-tratamento de aerogéis

Seleção e pré-tratamento do aerogel

• Tipos de aerogéis:

Selecione o tipo de aerogel de acordo com o sistema de revestimento (à base de água ou à base de solvente) e o cenário de aplicação. As opções comuns incluem:

• Aerogéis de sílica: econômicos e com excelente desempenho de isolamento térmico;
• Aerogéis de carbono: resistência a altas temperaturas e condutividade elétrica;
• Aerogéis compósitos (ex.: aerogéis de sílica-alumina): propriedades mecânicas aprimoradas.

Aerogéis com superfície modificada (por exemplo, modificados com silano ou tratados com agente de acoplamento) são preferíveis, pois melhoram a compatibilidade com o aglutinante e reduzem a aglomeração.

Por exemplo, os aerogéis de melamina-formaldeído (MF) apresentam resistência mecânica e estabilidade química superiores em comparação com os aerogéis inorgânicos. Os aerogéis cerâmicos compósitos de sílica-alumina, preparados pelo “método Phoenix Nirvana”, oferecem flexibilidade, conformabilidade e resistência a temperaturas acima de 1300 °C. Suas soluções precursoras podem ser usadas diretamente como revestimentos retardantes de chama e isolantes térmicos.

• Tamanho e morfologia das partículas:

O pó de aerogel normalmente apresenta um tamanho de partícula de 1 a 50 μm. Uma distribuição uniforme do tamanho das partículas deve ser mantida (partículas muito finas podem causar poeira, enquanto partículas muito grossas podem afetar a suavidade do revestimento). Aerogéis granulares ou microesféricos são preferíveis devido à melhor integridade estrutural e menor aglomeração excessiva em comparação com pós em nanoescala.

As técnicas de impregnação por gradiente podem ser usadas para construir sequencialmente camadas de ligação química, camadas de transição funcional e camadas protetoras em substratos de aerogel, formando revestimentos multifásicos com gradiente. Essa abordagem resolve problemas sinérgicos em múltiplas escalas, ao mesmo tempo que confere alta resistência mecânica, baixa condutividade térmica e alta condutividade elétrica.

• Pré-tratamento:

Caso sejam utilizados aerogéis não modificados, é necessária a modificação da superfície (por exemplo, tratamento com agentes de acoplamento de silano, como KH-550 ou KH-570) para melhorar a dispersão e a adesão interfacial dentro do aglutinante, prevenindo problemas como fissuras no revestimento ou sedimentação do aerogel em estágios posteriores.

 Compatibilidade do Sistema de Encadernação

A seleção do aglutinante (resina formadora de filme) depende do cenário de aplicação e deve garantir compatibilidade com aerogéis, boa formação de filme e as propriedades funcionais necessárias:

• Sistemas à base de água:

Emulsões acrílicas à base de água, poliuretanos à base de água e epóxis à base de água são preferíveis devido à sua compatibilidade ambiental e adequação para aplicações na construção civil e em ambientes internos. É essencial garantir a dispersão estável de aerogéis (especialmente aerogéis modificados) em água, evitando a flutuação ou aglomeração de aerogéis hidrofóbicos.

• Sistemas à base de solventes:

Resinas acrílicas, epóxis e de silicone à base de solventes são normalmente utilizadas, oferecendo melhor resistência às intempéries e desempenho em altas temperaturas para tubulações industriais e equipamentos de alta temperatura. A polaridade da superfície do aerogel deve ser compatível com o sistema aglutinante oleoso (por exemplo, aerogéis modificados hidrofobicamente para sistemas à base de solventes).

Requisitos funcionais:

• Para resistência a altas temperaturas (≥200 °C), recomenda-se o uso de aglutinantes de silicone ou silicato inorgânico;
• Para maior flexibilidade (por exemplo, em substratos metálicos), são preferíveis aglutinantes de poliuretano ou acrílicos elastoméricos.

 Seleção de aditivos

• Dispersantes:

Um aditivo crítico. Devem ser utilizados dispersantes de alto desempenho (como dispersantes do tipo pente de alto peso molecular) ou dispersantes especificamente desenvolvidos para nanopós. Eles previnem a aglomeração do aerogel por meio de impedimento estérico ou repulsão eletrostática, combatendo a forte tendência dos aerogéis à aglomeração devido à sua grande área superficial específica e às forças de van der Waals.

• Modificadores reológicos:

Devido à densidade extremamente baixa dos aerogéis (0,05–0,2 g/cm³), eles são propensos a flutuar ou sedimentar. Agentes tixotrópicos (por exemplo, bentonita modificada ou modificadores de reologia à base de ureia) devem ser adicionados para ajustar a viscosidade, garantindo estabilidade de armazenamento e bom desempenho na aplicação (como resistência à escorrimento).

• Antiespumantes:

A estrutura porosa dos aerogéis facilita a introdução de bolhas de ar. Recomenda-se o uso de antiespumantes não siliconados para evitar alterações na transparência do revestimento ou reações com os grupos funcionais da superfície dos aerogéis. Devem ser adicionados em pequenas quantidades, repetidas vezes, para prevenir defeitos relacionados a resíduos, como crateras.

Jutao Tecnologia Ambiental — Especialistas em Soluções de Materiais de Aerogel

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