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
Aerogel: Something about nothing Composizione: Matrice di SiO 2 per il 8-10% Aria per il restante 90-92 % Proprietà: Bassa densità Ottimo isolante termico Buon isolante acustico Ottimo isolante elettrico Nessuna produzione di rifiuti pericolosi
Proprietà Termiche Bassissima conducibilità termica (0.0042-0.030 W/mK) Trasmissione del calore per: Conduzione allo stato solido Conduzione allo stato gassoso Irraggiamento
Applicazioni Isolamento termico del Mars Rover Materiali flessibili a base di Aerogel Isolamento termico dello Shuttle Isolamento termico delle tute spaziali
Assorbimento d Energia Cinetica: Sonda Stardust
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)
Proprietà Chimiche Aerogel idrofili Aerogel idrofobi
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)
Schema di preparazione di un aerogel ipercritico SiO 2 Gel bagnato Xerogel Ceramico denso Evaporazione Riscaldamento Idrolisi Gelificazione Asciugatura ipercritica Sol Aerogel
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
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
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
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
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
Essiccamento e trattamento ad alta temperatura del GEL 0-5 Perdita di peso % Tratamento termico ad alta temperatura: (P-Po)/Po % -10-15 -20-25 Eliminazione dell organico Consolidamento Sensibile conversione dei gruppi -OH -30 0 100 200 300 400 500 Tempo [ore] Essiccamento in forno: P=P amb T=60 C T [ C] 600 500 400 300 200 100 0 Trattamento termico a 550 C 0 1000 2000 3000 tempo [min]
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
Analisi Termogravimetrica 0-10 -20 TGA Perdita di peso totale=71% Contributi a tale perdita: (P-Po)/P [%] -30-40 -50-60 -70-80 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperatura [ C] Organico (max contributo) Evaporazione di H 2 O e etanolo (fino a 100 C) Graduale scomparsa dei gruppi OH superficiali (100-450 C) Sinterizzazione viscosa
Analisi di spettroscopia infrarossa FT-IR 120 100 80 Stretching dei gruppi -CH Bending dei gruppi -CH 60 40 % T 20 3850 Stretching dei gruppi -OH 3350 2850 2350 1850 1350 850 0 Legame Si-O-Si Wavenumber [cm-1] aerogel non ipercritico aerogel ipercritico aerogel non ipercritico trattato a 550 C
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
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=0.0298 [W/mK] Aerogel ipercritico: K=0.0286 [W/mK] Y[Km 2 /W] 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 Y = 33.556X - 0.0021 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 Xerogel: X [m] K=0.27 [W/mK]
Calcolo del coefficiente di espansione termica TMA Aerogel non Ipercritico Aerogel non ipercritico α=6 10-6 K -1 (l-lo)/lo 0,002 0-0,002-0,004-0,006-0,008 Aerogel ipercritico α=7 10-6 K -1 Letteratura α=2-4 10-6 K -1 TMA Aerogel non Ipercritico -0,01-0,012 0 100 200 300 400 500 600 700 Temperatura [ C] (l-lo)/lo 0.0012 0.0011 y = 6E-06x + 0.0004 0.001 0.0009 0.0008 0.0007 0.0006 60 70 80 90 100 110 120 130 Temperatura [ C]
Prova a compressione Prova a compressione Tensione [N/mm 2 ] 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Deformazione Tensione [N/mm 2 ] E=1.89 10 6 N/m 2 σ U =305 KPa Campo elastico 0.08 0.06 y = 1.8936x - 0.0064 0.04 0.02 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Deform azione
Calcolo dell area specifica e analisi della distribuzione dei pori BET Area specifica=33.3 m 2 /g Micropori
Calcolo dell area specifica e analisi della distribuzione dei pori Metodo H-K Distribuzione dei micropori
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
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 0.231 0.0298 6 10-6 1.89 10 6 33.3 Aerogel ipercritico 0,237 0.0286 7 10-6 10 6 1000
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
Sviluppi futuri Ottenimento di campioni trasparenti Aerogel fotocatalitici con l aggiunta di Titania Realizzazione di monoliti integri di grandi dimensioni