Análise do desempenho de isolamento térmico e campos de aplicação de compósitos de ar Airgel reforçados com fibra aramida

Os aerogéis são sólidos mesoporosos de baixa densidade, principalmente com excelentes propriedades, incluindo baixa densidade, alta área de superfície específica, baixa constante dielétrica e condutividade térmica ultra-baixa. Exemplos incluem aerogéis de grafeno ou nanotubos de carbono, aerogéis de poliuretano e poliimida, aerogéis de biopolímero como celulose, quitosana e aerogéis de proteínas, bem como seus compósitos e híbridos. Particularmente na década passada, houve um aumento explosivo em trabalhos científicos e patentes que descrevem novos materiais de airgel, processos de produção e aplicações, abrangendo áreas como isolamento térmico, sistemas de entrega, remediação ambiental, catálise e acústica.

Apesar da crescente importância do campo Airgel, ou talvez por causa disso, a definição de "Airgel " permanece controversa. As definições iniciais eram frequentemente baseadas nas técnicas de secagem usadas no processo de produção, como aerogéis de secagem supercrítica, criogéis de secagem por congelamento e xerogéis da secagem evaporativa. No entanto, definições mais recentes tendem a se concentrar nas propriedades materiais, particularmente na alta proporção de mesoporosidade. Por fim, a definição mais ampla de aerogéis refere -se a qualquer material derivado de um gel, substituindo o fluido de poro pelo ar, sem restrições ao tamanho dos poros ou outras características. Essa definição mais ampla inclui principalmente materiais macroporosos que não possuem mesoporosidade, área superficial alta ou condutividade térmica ultra-baixa normalmente associada a aerogéis, como espumas de celulose liofilizadas.

Os aerogéis de sílica são produzidos através de um processo sol-gel, com várias modificações propostas para melhorar a eficiência de recursos e custos. No entanto, a maioria dos processos ainda segue as mesmas etapas básicas. A gelificação dos solos de sílica é tipicamente desencadeada pela adição de ácidos ou bases para reduzir a estabilidade da carga das nanopartículas. Após a gelificação, a reação de precipitação de dissolução da sílica fortalece as interações interpartículas, aumentando assim a estabilidade mecânica do gel. O sucesso industrial dos aerogéis de sílica é quase inteiramente atribuído ao seu desempenho em aplicações de isolamento térmico. Sua condutividade térmica pode ser tão baixa quanto 0,012 W/(M · k), principalmente devido à alta porosidade e tortuosidade da rede de partículas, o que restringe a condução de calor em fase sólida. Além disso, devido ao efeito Knudsen, o tamanho pequeno do poro-abaixo o comprimento médio do caminho livre das moléculas de gás-reduz a condução térmica da fase gasosa. Essa condutividade térmica ultra-baixa (apenas metade da do ar ambiente e dos materiais de isolamento convencional) deu origem a um mercado em rápido crescimento no valor de centenas de milhões de dólares.

A condutividade térmica total está intimamente relacionada à densidade do material, como mostrado na Figura 1. Nos materiais de isolamento convencionais, a radiação desempenha um papel significativo e, nos casos de grandes tamanhos de poros, a convecção do ar também se torna não negligenciável. À medida que a densidade aumenta, a transferência de calor radiativa diminui enquanto a condução de calor da fase sólida aumenta. Devido a esses efeitos concorrentes, a condutividade térmica exibe uma dependência em forma de U da densidade. As mesmas influências se aplicam aos materiais de airgel; No entanto, como os tamanhos dos poros do ar são menores que o caminho livre médio do ar, a condução da fase gasosa é drasticamente reduzida. Isso diminui a frequência das colisões de moléculas de ar, reduzindo assim a transferência de calor gasoso. Consequentemente, a condutividade térmica total mínima muda para densidades e regiões mais altas com (múltipla) baixa condutividade elétrica.

As nanopartículas de aerogel de sílica construem uma estrutura de várias redes através da interconexão, mas a ligação fraca entre partículas resulta em más propriedades mecânicas, baixa resistência e alta fragilidade em aerogéis de sílica pura. Para resolver essas questões, os pesquisadores exploraram várias estratégias de reforço. A fibra de aramida, com baixa densidade, baixa condutividade térmica e alta resistência mecânica, emergiu como uma escolha ideal para melhorar os aerogéis de sílica. Com uma temperatura de decomposição de aproximadamente 450 ° C no ar, a fibra aramid é particularmente adequada para aplicações de isolamento de alta temperatura.

Em 2016, os compósitos de sílica airgel reforçados com fibra aramida (AF/Airgel) foram fabricados com sucesso. Subsequently, glycidyl propyloxy trimethoxysilane (GPTMS)-grafted aramid fiber and polytetrafluoroethylene (PTFE)-coated aramid fiber aerogel composites were introduced. Esses compósitos não apenas retiveram baixa densidade e baixa condutividade térmica, mas também melhoraram significativamente a força de compressão e flexão.

Estudos adicionais demonstraram que as propriedades térmicas e mecânicas da fibra de aramida o tornam altamente eficaz para aplicações de proteção balística. Comparado apenas ao tecido aramid, as amostras de teste balístico integrado aerogel exibiram uma redução de 72% na taxa de perfuração de tecidos. Em 2021, Almeida et al. Comparou os efeitos de reforço de aerogéis de sílica com fibra e feltro de aramida, descobrindo que os compósitos que incorporam fibras alongadas exibiram menor densidade de granel e maior flexibilidade, tornando-as bem adequadas para aplicações adaptativas de forma e amortecimento de vibração.

A combinação de fibra aramida e airgel alcança um aprimoramento complementar das propriedades do material. Como componente de reforço, a fibra aramid fornece um forte suporte mecânico aos aerogéis, melhorando seu desempenho mecânico, enquanto os aerogéis contribuem com seus recursos de isolamento térmico e absorção sonora, trabalhando sinergicamente com fibras de aramida.

Por exemplo, compósitos de aramida/airgel preparados usando o processo de fabricação de papel de banda úmida não apenas retêm as propriedades funcionais do papel aramid, mas também exibem melhor resistência ao calor. Esses compósitos têm amplas perspectivas de aplicação em isolamento térmico, oferecendo novas idéias e possibilidades para o avanço da ciência dos materiais.