Etapas principais da produção de revestimento de aerogel

Os aerogéis são nanomateriais porosos e leves com uma estrutura complexa de rede tridimensional. 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 encontrado ampla aplicação em diversos campos, incluindo a indústria de tintas e vernizes.

Os revestimentos de aerogel são revestimentos funcionais nos quais o aerogel (um material nanoporoso e leve, com condutividade térmica extremamente baixa e alta área superficial específica) é utilizado como principal carga funcional. São usados ​​principalmente para isolamento térmico, proteção contra incêndio e isolamento acústico. A partir da preparação do aerogel, estabilizantes, dispersantes e outros aditivos são introduzidos no sistema. Utilizando diversos métodos de dispersão, o aerogel é inicialmente convertido em uma suspensão/pasta, que é então misturada com resinas formadoras de filme, aditivos, solventes e outros pigmentos e cargas. Finalmente, o revestimento de aerogel é produzido utilizando um método de dispersão de alta velocidade.

 Seleção e pré-tratamento de aerogéis

• Tipos de aerogéis:

O tipo de aerogel é selecionado dependendo do sistema de revestimento (à base de água ou em solução) e da área de aplicação. Os tipos mais comuns são:

• Aerogéis de sílica (SiO₂): altamente econômicos e com excelentes propriedades de isolamento térmico;
• Aerogéis de carbono: alta estabilidade térmica e condutividade elétrica;
• Aerogéis compósitos (ex.: sílica-alumina): propriedades mecânicas aprimoradas.

Deve-se dar preferência a aerogéis com modificação de superfície (por exemplo, modificação com silano, tratamento com agentes de acoplamento), o que melhora sua compatibilidade com o aglutinante e reduz a tendência à aglomeração.

Assim, os aerogéis à base de resina de melamina-formaldeído (MF) apresentam maior resistência mecânica e estabilidade química em comparação com os aerogéis inorgânicos. Os aerogéis compósitos cerâmicos de sílica-alumina produzidos pelo método de "renascimento da fênix" são flexíveis, moldáveis ​​e resistentes ao calor a temperaturas superiores a 1300 °C; suas soluções precursoras podem ser utilizadas diretamente como revestimentos retardantes de chamas e isolantes térmicos.

• Tamanho e morfologia das partículas:

As partículas de aerogel em pó geralmente variam em tamanho de 1 a 50 micrômetros. A uniformidade na distribuição do tamanho das partículas é essencial (partículas muito pequenas causam poeira, enquanto partículas muito grandes reduzem a suavidade do revestimento). Aerogéis granulares ou microesféricos são preferidos por apresentarem melhor integridade estrutural e serem menos propensos à aglomeração excessiva do que nanopós.

Utilizando a tecnologia de impregnação por gradiente, uma camada de ligação química, uma camada de transição funcional e uma camada protetora podem ser formadas sequencialmente sobre um substrato de aerogel, criando um revestimento gradiente multicomponente. Isso resolve os problemas de coordenação multicamadas, garantindo simultaneamente altas propriedades mecânicas, baixa condutividade térmica e alta condutividade elétrica.

• Pré-processamento:

Ao utilizar aerogéis não modificados, é necessário um tratamento de superfície (por exemplo, com agentes de acoplamento de silano KH-550, KH-570) para melhorar a dispersibilidade no aglutinante e a resistência da adesão interfacial, o que ajuda a evitar o rachamento do revestimento ou a sedimentação do aerogel em etapas subsequentes.

 Compatibilidade do aglutinante (resina base)

A escolha do aglutinante (resina formadora de filme) é determinada pelas condições de operação e deve garantir boa compatibilidade com o aerogel, formação de filme de alta qualidade e as propriedades funcionais requeridas:

• Sistemas de água:

Dispersões acrílicas à base de água, poliuretanos à base de água e resinas epóxi à base de água são preferíveis devido à sua compatibilidade ambiental e adequação para aplicações na construção civil e em interiores. É essencial garantir a dispersão estável do aerogel (especialmente o modificado) na água, evitando a flutuação ou aglomeração de aerogéis hidrofóbicos.

• Sistemas de solução:

Resinas acrílicas, epóxi e de silicone em solução são utilizadas, oferecendo resistência superior às intempéries e ao calor, tornando-as adequadas para tubulações industriais e equipamentos de alta temperatura. A polaridade da superfície do aerogel deve ser compatível com o tipo de aglutinante (por exemplo, aerogéis modificados hidrofobicamente são adequados para sistemas de petróleo).

Requisitos funcionais:

• Caso seja necessária resistência ao calor (≥200 °C), recomenda-se o uso de aglutinantes de silicone ou silicato inorgânico;
• Quando é necessária flexibilidade (por exemplo, para substratos metálicos), os aglutinantes de poliuretano ou acrílico elastomérico são os preferidos.

Seleção de aditivos

• Dispersantes:

Aditivos essenciais. Devem ser utilizados dispersantes altamente eficazes (por exemplo, dispersantes em pente de alto peso molecular) ou dispersantes especiais para nanopós. Eles previnem a aglomeração do aerogel devido a efeitos estéricos ou repulsão eletrostática, o que é especialmente importante devido à grande área superficial específica dos aerogéis e às fortes interações de van der Waals.

• Aditivos reológicos:

Devido à densidade extremamente baixa dos aerogéis (0,05–0,2 g/cm³), eles são propensos a flutuar ou sedimentar. A adição de agentes tixotrópicos (como bentonitas modificadas ou modificadores de reologia à base de ureia) é necessária para regular a viscosidade, garantir a estabilidade durante o armazenamento e assegurar boa processabilidade durante a aplicação (incluindo resistência a gotejamento).

• Antiespumantes:

A estrutura porosa do aerogel favorece o aprisionamento de ar e a formação de bolhas. Recomenda-se o uso de antiespumantes não siliconados para evitar a redução da transparência do revestimento ou reações com os grupos funcionais na superfície do aerogel. Os antiespumantes devem ser adicionados em pequenas doses e em etapas para prevenir defeitos superficiais, como crateras.

Jutao Tecnologia Ambiental — Especialistas em Soluções de Aerogel

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