REALIZZAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI AEROGEL SILICEI PER VIA NON IPERCRITICA

Transcript

1 Università degli Studi di Lecce Facoltà di Ingegneria Tesi in Scienza e Tecnologia dei Materiali REALIZZAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI AEROGEL SILICEI PER VIA NON IPERCRITICA RELATORI: Prof. Alfonso MAFFEZZOLI Dott.. Antonio LICCIULLI LAUREANDO: Mauro POLLINI

2 Aerogel: Something about nothing Composizione: Matrice di SiO 2 per il 8-10% Aria per il restante % Proprietà: Bassa densità Ottimo isolante termico Buon isolante acustico Ottimo isolante elettrico Nessuna produzione di rifiuti pericolosi

3 Proprietà Termiche Bassissima conducibilità termica ( W/mK) Trasmissione del calore per: Conduzione allo stato solido Conduzione allo stato gassoso Irraggiamento

4 Applicazioni Isolamento termico del Mars Rover Materiali flessibili a base di Aerogel Isolamento termico dello Shuttle Isolamento termico delle tute spaziali

5 Assorbimento d Energia Cinetica: Sonda Stardust

6 Proprietà Meccaniche Sopportano fino a 1000 volte il loro peso Bassa densità (0,003-0,35 g/cm 3 ) Basso carico di rottura a trazione (16 KPa)

7 Proprietà Chimiche Aerogel idrofili Aerogel idrofobi

8 Proprietà Ottiche Aerogel: Trasparenti Traslucidi Opachi La luce trasmessa è leggermente rossa La luce riflessa è blu (λ> medio dei pori) (λ medio dei pori)

9 Schema di preparazione di un aerogel ipercritico SiO 2 Gel bagnato Xerogel Ceramico denso Evaporazione Riscaldamento Idrolisi Gelificazione Asciugatura ipercritica Sol Aerogel

10 Chimica del Sol-Gel Fasi: Formazione del gel bagnato Invecchiamento del gel Essiccamento del gel Alcossido Utilizzato: TEOS: tetra ethyl orthosilicate O-CH2-CH3 CH3-CH2-O-Si-O-CH2-CH3 O-CH2-CH3

11 Chimica del Sol-Gel: Idrolisi e Condensazione Reazione di idrolisi: Si (OR) 4 + H 2 O HO Si(OR) 3 + ROH Reazioni di condensazione: (OR) 3 SiOH + HO Si (OR) 3 (OR) 3 Si O Si (OR) 3 +H 2 O (OR) 3 SiOR + HO Si (OR) 3 (OR) 3 Si O Si (OR) 3 +ROH Gelificazione Invecchiamento

12 Essiccamento Supercritico Obiettivo: Rimozione del liquido presente nei pori al di sopra di P C e T C Alcool: T C =243 C, P C =63.6 bar Il processo è molto pericoloso CO 2 : T C =31.1 C, P C =73.6 bar Sono necessari lavaggi in acetone Svantaggi: Complessità della tecnica Pericolosità Richiede attrezzature complesse e costose Tempi troppo lunghi

13 Aerogel non ipercritici: L IDEA O-CH 3 O CH 3 O Si CH 2 CH 2 CH 2 O CH 2 CH CH 2 O-CH 3 Polimero Organico GLYMO MEMO Struttura portante in fase di asciugatura a P amb Ingombro Sterico (CH 3 O) 3 Si CH 2 CH 2 CH 2 O C C = CH 2 O CH 3

14 Schema di preparazione dell aerogel non ipercritico SiO 2 MEMO Gel bagnato Aerogel Idrolisi Esposizione ai Raggi UV Asciugatura a T=60 C e P amb Trattamento termico a 550 C Irgacure 184 Sol Aerogel+Organico

15 Essiccamento e trattamento ad alta temperatura del GEL 0-5 Perdita di peso % Tratamento termico ad alta temperatura: (P-Po)/Po % Eliminazione dell organico Consolidamento Sensibile conversione dei gruppi -OH Tempo [ore] Essiccamento in forno: P=P amb T=60 C T [ C] Trattamento termico a 550 C tempo [min]

16 Caratterizzazione degli Aerogel Analisi della variazione di peso Analisi di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier Calcolo del coefficiente di conducibilità Termica Calcolo del coefficiente di espansione termica Calcolo del modulo di Young e del carico di rottura a compressione Calcolo dell area specifica Calcolo delle dimensioni, distribuzione e forma dei pori Analisi termogravimetrica FT-IR Calorimetro differenziale a scansione Analisi termomeccanica Ares BET BJH e H-K

17 Analisi Termogravimetrica TGA Perdita di peso totale=71% Contributi a tale perdita: (P-Po)/P [%] Temperatura [ C] Organico (max contributo) Evaporazione di H 2 O e etanolo (fino a 100 C) Graduale scomparsa dei gruppi OH superficiali ( C) Sinterizzazione viscosa

18 Analisi di spettroscopia infrarossa FT-IR Stretching dei gruppi -CH Bending dei gruppi -CH % T Stretching dei gruppi -OH Legame Si-O-Si Wavenumber [cm-1] aerogel non ipercritico aerogel ipercritico aerogel non ipercritico trattato a 550 C

19 Calcolo del coefficiente di conducibilità termica Tecnica sperimentale DSC Calibrazione e messa a punto della tecnica Quarzo Valutazione dei parametri: H f t f T

20 Calcolo del coefficiente di conducibilità termica K= Hf s t f A T 0.06 Conducibilità Termica t Y= f A T H f X=s Aerogel non ipercritico: K= [W/mK] Aerogel ipercritico: K= [W/mK] Y[Km 2 /W] Y = X Xerogel: X [m] K=0.27 [W/mK]

21 Calcolo del coefficiente di espansione termica TMA Aerogel non Ipercritico Aerogel non ipercritico α= K -1 (l-lo)/lo 0, ,002-0,004-0,006-0,008 Aerogel ipercritico α= K -1 Letteratura α= K -1 TMA Aerogel non Ipercritico -0,01-0, Temperatura [ C] (l-lo)/lo y = 6E-06x Temperatura [ C]

22 Prova a compressione Prova a compressione Tensione [N/mm 2 ] Deformazione Tensione [N/mm 2 ] E= N/m 2 σ U =305 KPa Campo elastico y = x Deform azione

23 Calcolo dell area specifica e analisi della distribuzione dei pori BET Area specifica=33.3 m 2 /g Micropori

24 Calcolo dell area specifica e analisi della distribuzione dei pori Metodo H-K Distribuzione dei micropori

25 Calcolo dell area specifica e analisi della distribuzione dei pori Dalla BJH si evidenziano: micropori d<2 nm mesopori 2<d<50 nm macropori d>50 nm AEROGEL

26 Confronto tra aerogel non ipercritico ed aerogel ipercritico Densità [g/cm 3 ] Conducibilità Termica [W/mK mk] Coefficiente di espansione termica [K - 1 ] Modulo elastico [N/m 2 ] Area specifica [m 2 /g] Aerogel non ipercritico Aerogel ipercritico 0,

27 Conclusioni Realizzazione di aerogel silicei per via non ipercritica Stesse proprietà fisiche degli aerogel ipercritici Minori costi e tempi di preparazione Maggiore semplicità del processo Minore investimento nelle apparecchiature

28 Sviluppi futuri Ottenimento di campioni trasparenti Aerogel fotocatalitici con l aggiunta di Titania Realizzazione di monoliti integri di grandi dimensioni