Aerogéis compósitos de organossilicato para membranas de gás, à base de dióxido de silício, disponíveis para venda por atacado na China.
A estrutura em rede dos aerogéis tradicionais à base de sílica é formada principalmente por ligações Si–O–Si. Comparada às ligações intermoleculares características dos compostos orgânicos, a energia da ligação Si–O é relativamente menor, de modo que, em temperaturas elevadas, essas ligações podem se romper, levando à ruptura da cadeia e à degradação estrutural. Essa é uma das principais razões para a perda de estabilidade e a deterioração das propriedades de desempenho dos aerogéis de sílica tradicionais em altas temperaturas.
A introdução de componentes orgânicos possibilita o aumento da energia de ligação na estrutura do aerogel de SiO₂ e a melhoria de suas propriedades mecânicas.
Um método eficaz é o alongamento da cadeia, que altera o tipo de ligação original na rede do aerogel. A estrutura inicial de cadeia curta, dominada por ligações Si–O–Si, é parcialmente transformada em uma estrutura Si–O–R (onde R é um grupo orgânico de cadeia longa). Isso resulta em uma rede de cadeias mais extensa, maior rigidez da cadeia, redução das vibrações moleculares e maior complexidade da estrutura interna do aerogel. Isso inibe a transferência de calor, ao mesmo tempo que melhora as propriedades mecânicas do aerogel compósito. Um diagrama esquemático é mostrado na Figura 1.
- Aerogéis compósitos de polímero-sílica
Dentre os modificadores de polímeros, a poliimida apresenta alta estabilidade térmica. No entanto, devido à sua rigidez relativamente baixa, sua eficácia no aumento da resistência à compressão de aerogéis é limitada.
O polietilenoglicol (PEG) é capaz de reticular partículas de dióxido de silício distribuídas aleatoriamente, tornando a estrutura do material mais estável e, simultaneamente, melhorando suas propriedades de isolamento térmico.
Devido à sua elevada estabilidade térmica, os poliésteres também podem conferir boas propriedades de isolamento térmico aos aerogéis. Além disso, os grupos funcionais altamente reativos dos poliésteres facilitam a formação de ligações fortes com a rede de sílica.
Além disso, a celulose bacteriana pode ser usada para produzir aerogéis compósitos. Substâncias orgânicas com uma estrutura de rede única podem atuar como um suporte favorável para o aerogel de sílica, garantindo sua forte interação com a rede de silicato.
Após a introdução de polímeros, as partículas de sílica podem adsorver-se na superfície de polímeros de cadeia longa, formando uma rede espacial maior e mais resistente, o que melhora significativamente as propriedades mecânicas do aerogel. Além disso, a rede polimérica pode interpenetrar a rede formada pelas partículas de sílica, aumentando ainda mais a resistência e a tenacidade do material.
No entanto, a estabilidade térmica desses aerogéis modificados por polímeros ainda requer melhorias. Além disso, a introdução de polímeros pode levar a uma certa redução na porosidade do material, o que exige otimização adicional.
- Aerogéis compósitos não poliméricos à base de sílica
Diferentemente dos polímeros, compostos orgânicos não poliméricos são frequentemente introduzidos na estrutura do aerogel por meio de enxertia. Esse método permite a modificação dos grupos hidroxila originais e a criação de sítios de reação adicionais para a formação de uma rede de cadeia longa, o que aumenta a estabilidade da estrutura do aerogel.
Por exemplo, o sorbitol, que possui muitos grupos hidroxila, pode interagir sinergicamente com silanos, formando uma estrutura mais estável e, assim, melhorando as propriedades do aerogel.
A introdução de compostos orgânicos não poliméricos fornece sítios de reação adicionais para a rede de sílica e promove a formação de uma estrutura mais estável. No entanto, em comparação com os polímeros, seu padrão de reticulação fixo pode limitar o aumento das interações interfaciais no aerogel, o que pode afetar suas propriedades mecânicas. Portanto, pesquisas e desenvolvimento adicionais na área de aerogéis de sílica modificados com compostos não poliméricos permanecem relevantes.
Embora a modificação orgânica possa melhorar significativamente as propriedades mecânicas dos aerogéis de sílica, a maioria dos componentes orgânicos começa a amolecer em temperaturas em torno de 600 °C ou até mesmo inferiores, o que pode levar à perda das propriedades originais do aerogel compósito. Portanto, condições de alta temperatura devem ser evitadas sempre que possível ao usar aerogéis organomodificados na prática.
Assim, a modificação orgânica, obtida através do alongamento das cadeias moleculares, aumenta a rigidez estrutural e melhora as propriedades mecânicas dos aerogéis compósitos. Ao mesmo tempo, a longa rede orgânica complica as vias de transferência de calor, o que contribui para uma diminuição da condutividade térmica do aerogel em uma determinada faixa de temperatura.
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