Materiais de aerogel compósito orgânico-sílica para membrana de gás, disponíveis para venda por atacado na China.
A estrutura em rede dos aerogéis de sílica tradicionais é formada principalmente por meio de ligações Si–O–Si. Comparadas às interações de ligação comumente encontradas em materiais orgânicos, a energia de ligação das ligações Si–O é relativamente menor, tornando-as suscetíveis à quebra de ligações e à degradação estrutural em temperaturas elevadas. Esta é uma das principais razões pelas quais os aerogéis de sílica convencionais tendem a perder estabilidade estrutural e desempenho em condições de alta temperatura.
A introdução de componentes orgânicos em aerogéis de sílica pode aumentar efetivamente a energia de ligação dentro da estrutura da rede e melhorar as propriedades mecânicas gerais.
Uma abordagem eficaz é o alongamento da cadeia, que modifica a estrutura de ligação original dos aerogéis de sílica. Nesse processo, a rede inicial de cadeias curtas, dominada por ligações Si–O–Si, é parcialmente transformada em uma estrutura Si–O–R (onde R representa um grupo orgânico de cadeia longa). Essa transformação leva a uma configuração de rede de cadeias longas, que aumenta a rigidez da cadeia, reduz a vibração molecular e complica ainda mais a estrutura da rede interna do aerogel. Como resultado, a transferência de calor é dificultada, enquanto o desempenho mecânico do aerogel compósito é significativamente melhorado. Uma representação esquemática dessa estrutura é mostrada na Figura 1.
- Aerogéis compósitos de polímero-sílica
Dentre os modificadores de polímeros, a poliimida apresenta excelente estabilidade térmica. No entanto, devido à sua rigidez relativamente baixa, sua capacidade de aumentar a resistência à compressão de aerogéis é limitada.
O polietilenoglicol (PEG) pode reticular partículas de sílica dispersas aleatoriamente, estabilizando a estrutura geral e melhorando o desempenho de isolamento térmico do aerogel.
Da mesma forma, os poliésteres, devido à sua alta estabilidade térmica, podem proporcionar benefícios adicionais de isolamento térmico. Seus grupos funcionais altamente ativos também permitem fortes interações com a rede de sílica, resultando em melhor adesão interfacial.
Além disso, a celulose bacteriana também pode ser incorporada em aerogéis de sílica. Materiais orgânicos com estruturas esqueléticas únicas podem atuar como suportes favoráveis para aerogéis de sílica, permitindo uma integração estreita entre a estrutura orgânica e a rede de sílica.
Após a incorporação de polímeros, as partículas de sílica podem adsorver-se nas superfícies das estruturas poliméricas de cadeia longa, formando um sistema de rede maior e mais robusto que melhora as propriedades mecânicas do aerogel. Além disso, a rede polimérica pode interpenetrar-se na rede de partículas de sílica, aumentando significativamente a resistência e a tenacidade do material compósito.
No entanto, o desempenho em altas temperaturas dos aerogéis modificados por polímeros ainda requer melhorias. Além disso, a introdução de polímeros pode levar a uma certa redução na porosidade, o que pode afetar negativamente o desempenho do isolamento térmico e, portanto, requer otimização adicional.
- Aerogéis compósitos de sílica e não polímeros
Ao contrário dos modificadores poliméricos, os compostos orgânicos não poliméricos são mais comumente introduzidos por meio de reações de enxertia. Esse método modifica os grupos hidroxila originais na superfície da sílica e fornece sítios de reação adicionais para a formação de redes de cadeia longa, aumentando assim a estabilidade da estrutura do aerogel.
Por exemplo, o sorbitol, que contém múltiplos grupos hidroxila, pode interagir sinergicamente com compostos de silano para formar estruturas estáveis, melhorando assim as propriedades gerais dos aerogéis de sílica.
A introdução de compostos orgânicos não poliméricos pode fornecer sítios reativos adicionais para a rede de sílica, permitindo a formação de estruturas de rede mais estáveis. No entanto, em comparação com os polímeros, seus modos de reticulação relativamente fixos podem proporcionar uma melhoria limitada na resistência da ligação interfacial dos aerogéis de sílica, o que pode afetar o desempenho mecânico geral. Portanto, ainda são necessárias mais pesquisas e desenvolvimento sobre aerogéis de sílica modificados com compostos não poliméricos.
Embora a modificação orgânica possa melhorar significativamente as propriedades mecânicas dos aerogéis de sílica, os componentes orgânicos geralmente amolecem a temperaturas em torno de 600 °C ou até mesmo inferiores, o que pode fazer com que o aerogel compósito perca suas propriedades estruturais e funcionais originais. Consequentemente, os aerogéis de sílica modificados com materiais orgânicos devem evitar, sempre que possível, ambientes operacionais de alta temperatura.
De modo geral, a modificação orgânica melhora o desempenho mecânico dos aerogéis de sílica, alongando as cadeias moleculares e aumentando sua rigidez. Ao mesmo tempo, a longa rede orgânica aumenta a complexidade das vias de transferência de calor, reduzindo assim a condutividade térmica dos aerogéis em determinadas faixas de temperatura.
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