Principais aspectos tecnológicos dos revestimentos de aerogel

A estrutura nanoporosa do aerogel é a base de suas excelentes propriedades de isolamento térmico. Durante o processo de dispersão, proteger essa estrutura da degradação sob altas cargas de cisalhamento é uma prioridade.

Seleção de equipamentos:

Soluções profissionais para dispersão de nanomateriais demonstram que o uso de um misturador borboleta de baixa cisalhamento, em combinação com um tubo guia, cria um fluxo de circulação axial suave. Essa configuração quebra aglomerados de forma eficaz, mantendo níveis extremamente baixos de danos por cisalhamento (por exemplo, a taxa de danos em nanotubos de carbono é ≤3%). Em contraste, moinhos de esferas de alta cisalhamento ou misturadores de turbina criam zonas localizadas de cisalhamento intenso, que quebram facilmente as partículas de aerogel, danificam sua estrutura porosa e levam a um aumento significativo na condutividade térmica.

Temperatura e tempo de dispersão

1. Controle de temperatura

A principal causa do aumento da temperatura do sistema durante a dispersão é o atrito. Temperaturas acima de 40–60 °C não apenas aceleram a evaporação do solvente e alteram as propriedades reológicas, mas, mais importante, podem levar à desativação ou decomposição de grupos modificadores de superfície hidrofóbicos do aerogel (por exemplo, grupos silano). Isso reduz a compatibilidade com o aglutinante e pode causar aglomeração secundária. Recomenda-se o uso de equipamentos com camisa de resfriamento a água e a manutenção da temperatura do sistema abaixo de 40 °C.

2. Tempo de dispersão

Aumentar o tempo de dispersão nem sempre leva a melhores resultados. O princípio fundamental é a dispersão uniforme, mantendo a integridade da estrutura.

Além da avaliação visual da homogeneidade da pasta, métodos mais científicos para determinar o ponto final do processo incluem medições instrumentais:

• Controle offline:

As amostras são preparadas a partir da suspensão dispersa e examinadas utilizando um microscópio óptico ou um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Não devem ser observados aglomerados grandes (por exemplo, aglomerados "rígidos" com tamanhos de partícula >5 µm) no sistema.

• Monitoramento online (tecnologias avançadas):

A dispersão dinâmica de luz (DLS) ou analisadores de tamanho de partículas online são usados ​​para monitorar a distribuição do tamanho das partículas em tempo real. O processo pode ser concluído quando a distribuição de tamanho se torna estável e estreita.

A dispersão excessiva pode levar à quebra de partículas e ao aumento dos caminhos de transferência de calor no sistema.

Otimização do conteúdo de aerogel

Aumentar o teor de aerogel é uma maneira simples de reduzir a condutividade térmica do revestimento, mas isso frequentemente entra em conflito com suas propriedades mecânicas. Essa limitação deve ser superada por meio de formulação e projeto estrutural cientificamente sólidos.

1. Contradição de propriedades e ponto crítico

Estudos mostram que, com o aumento do teor de aerogel, a condutividade térmica do revestimento diminui, enquanto propriedades mecânicas como a adesão inicialmente melhoram e depois começam a deteriorar-se. Por exemplo, um estudo constatou que, com um teor de aerogel de aproximadamente 10%, a adesão atinge um máximo, após o qual começa a declinar devido à diminuição da proporção de componentes formadores de filme e ao aumento da tensão interna.

2. Estratégias para superar os gargalos imobiliários

• Combinação com cargas de reforço:

Quando o teor de aerogel aumenta para 15% ou mais, pequenas quantidades de cargas fibrosas (como microfibras de vidro) ou cargas lamelares (como mica) podem ser adicionadas para compensar as perdas de resistência e adesão, aumentando a viscosidade, a resistência mecânica e as propriedades de barreira. Uma estratégia mais avançada envolve a formação de uma estrutura núcleo-casca, na qual o aerogel é concentrado no centro do revestimento, formando um núcleo de isolamento térmico, enquanto as camadas superior e inferior são feitas de resinas puras ou compostas mais resistentes. Essa abordagem macroestrutural permite a melhoria simultânea do isolamento térmico e das propriedades mecânicas.

• Aplicações das microesferas de aerogel:

A utilização de microesferas de aerogel pré-sintetizadas em vez de pós aleatórios melhora significativamente a dispersibilidade e a homogeneidade do revestimento. Por exemplo, microesferas de sílica com formato regular e baixa tendência à aglomeração demonstram boas propriedades de isolamento térmico em revestimentos têxteis, proporcionando uma diferença de temperatura entre as superfícies frontal e traseira de até 3,2 °C.

• Sinergia com nanomateriais:

Explorar o efeito sinérgico de cargas de diferentes tamanhos é uma importante área de desenvolvimento. Por exemplo, a substituição parcial do aerogel por uma pequena quantidade de aerosil hidrofóbico (tamanho de partícula primária de 7 a 14 nm) cria um efeito de "encapsulamento" devido à diferença no tamanho das partículas, garantindo uma interação mais próxima entre elas. Experimentos demonstraram que, com uma proporção ideal (por exemplo, substituindo 40% do aerogel por aerosil), a resistência à tração e a adesão do revestimento podem ser significativamente melhoradas, enquanto a redução nas propriedades de isolamento térmico permanece dentro de limites aceitáveis.

Os revestimentos de aerogel modernos estão evoluindo para sistemas compósitos multicomponentes e multimecânicos. Fatores-chave na produção de revestimentos de aerogel são a dispersão uniforme do aerogel e o equilíbrio das características de desempenho (isolamento térmico, resistência mecânica e processabilidade da aplicação). Isso requer um controle rigoroso de quatro aspectos: pré-tratamento da matéria-prima (modificação da superfície), processos de dispersão (equipamentos de baixo cisalhamento e dispersantes de alta eficiência), otimização da formulação (reologia e controle de espuma) e testes de propriedades (condutividade térmica e estabilidade). Ao mesmo tempo, as formulações devem ser adaptadas a aplicações específicas para produzir revestimentos de aerogel altamente eficazes.

Além disso, a eficácia de revestimentos de alta qualidade é determinada não apenas pelo processamento do material e pela seleção do equipamento, mas também pela tecnologia de aplicação. Por exemplo, a pulverização ultrassônica permite a formação de revestimentos ultrafinos, uniformes e sem defeitos em substratos porosos. Nesses processos, camadas intermediárias funcionais (como uma camada de óxido de grafeno) desempenham um papel fundamental na prevenção da penetração da solução e na otimização do processo de deposição.



Jutao Tecnologia Ambiental — Especialistas em Soluções de Aerogel

Mantenha-se conectado conosco para receber as últimas atualizações, informações sobre o setor e soluções aplicadas na área de aerogel.