Study of the properties of composite aerogels
Visualitza/Obre
Estadístiques de LA Referencia / Recolecta
Inclou dades d'ús des de 2022
Cita com:
hdl:2117/377405
Correu electrònic de l'autorGIOVANNI.LUTMANSTUDENTI.UNIPD.IT
Tipus de documentProjecte Final de Màster Oficial
Data2022-07-04
Condicions d'accésAccés obert
Llevat que s'hi indiqui el contrari, els
continguts d'aquesta obra estan subjectes a la llicència de Creative Commons
:
Reconeixement 4.0 Internacional
Abstract
Aerogels were discovered by Steven Kistler in 1931, who defined them as “gels in which the liquid has
been replaced by air, with very moderate shrinkage of the solid network”. They are therefore porous
materials with a very low density (approx. 0.1 g/cm3
). Due to their low weight, low thermal
conductivity and high specific surface, they have great potential in many technological fields such as
selective absorption of pollutants, catalysis, energy storage or thermal insulation to mention a few.
Inorganic aerogels tend to be brittle which has led to the generation of polymer-based aerogels
which are materials that can exhibit properties similar to polymeric foams. Incorporation of polymers
into aerogels increases, however, the flammability of those materials, potentially restricting their use
in applications requiring fire safety, such as thermal insulation materials in building construction. A
significant effort has targeted to the enhancement of the flame retardancy of aerogels, including the
use of intrinsically flame-retardant polymers, polymer crosslinking, addition of flame retardants, and
post-treatment of the resulting aerogels. Another possibility consists in adding fillers that can
simultaneously increase the mechanical and thermal resistance of these materials.
Furthermore, in this historical period there is a focus on the environmental impact of industrial
products, which is why there is also a strong development in the world of aerogels on the creation of
bio-based products. Several studies have been conducted on the use of polysaccharides such as
cellulose, starch, chitosan, alginate, carrageenan or pectin as precursors for aerogels in order to find
viable alternatives to petroleum-based foams on the market, such as polystyrene or polyurethane
foams.
Thus, the objective of this project is the creation and characterisation of eco-friendly composite
aerogels made of bio-based materials: Ammonium alginate, a polysaccharide from seaweed, serves
as a biopolymer, tannic acid, extracted from certain trees, was used as an additive due to its flame
retardant and crosslinker characteristics. Finally, montmorillonite clay was used to significantly
increase fire resistance and modify the mechanical properties. This inorganic material, found in
abundance in the earth, allows the residue to increase considerably if the material is thermally
degraded. The solvent used was deionised water and a sol-gel process followed by freeze-drying was
performed, which allowed aerogels to be obtained with a moderate environmental impact.
The different compositions were characterised using: Compression test, thermal conductivity
analyser, thermogravimetric analysis, cone calorimeter, moisture analyser, Fourier transform infrared
spectroscopy. In this way, it was possible to evaluate the influence of the additives on the material
properties, noting that the samples with the best thermo-mechanical performance are those containing all chemical species, in particular as they increase, the properties improve. Only bulk
density and thermal conductivity improve as the number of components in the aerogels decreases,
as they are both also a function of the amount of solid phase present in a micro- and mesoporous
material. Los aerogeles fueron descubiertos por Steven Kistler en 1931, quien los definió como "geles en los
que el líquido ha sido sustituido por aire, con una contracción muy moderada de la red sólida". Se
trata, por tanto, de materiales porosos con una densidad muy baja (aproximadamente 0,1 g/cm3
).
Debido a su bajo peso, baja conductividad térmica y alta superficie específica, tienen un gran
potencial en muchos campos tecnológicos como la absorción selectiva de contaminantes, la catálisis,
el almacenamiento de energía o el aislamiento térmico, por mencionar algunos. Los aerogeles
inorgánicos tienden a ser frágiles, lo que ha llevado a la generación de aerogeles basados en
polímeros, que son materiales que pueden presentar propiedades similares a las espumas
poliméricas. Sin embargo, la incorporación de polímeros a los aerogeles aumentaría la inflamabilidad
de estos materiales, lo que podría restringir su uso en aplicaciones que requieren seguridad contra
incendios, como los materiales de aislamiento térmico en la construcción de edificios. Se han
realizado importantes esfuerzos para mejorar la resistencia a la llama de los aerogeles, incluyendo el
uso de polímeros intrínsecamente resistentes a la llama, la reticulación de polímeros, la adición de
retardantes a la llama y el tratamiento posterior de los aerogeles resultantes. Otra posibilidad
consiste en añadir cargas que puedan aumentar simultáneamente la resistencia mecánica y térmica
de estos materiales.
Además, en este perÍodo histórico se presta atención al impacto medioambiental de los productos
industriales, por lo que también hay un fuerte desarrollo en el mundo de los aerogeles sobre la
creación de productos biobasados. Se han realizado varios estudios sobre el uso de polisacaridos
como la celulosa, el almidón, el quitosano, el alginato, la carragenina o la pectina como precursores
de aerogeles, con el fin de encontrar alternativas viables a las espumas basadas en el petróleo que
existen en el mercado, como el poliestireno o las espumas de poliuretano.
Así pues, el objetivo de este proyecto es la creación y caracterización de aerogeles compuestos
ecológicos fabricados con materiales biobasados: El alginato de amonio, un polisacárido procedente
de las algas marinas, sirve como biopolímero, el ácido tánico, extraído de ciertos árboles, se utilizó
como aditivo debido a sus características de retardante de la llama y reticulante. Por último, se utilizó
arcilla de tipo montmorillonita para aumentar significativamente la resistencia al fuego y modificar
las propiedades mecánicas. Este material inorgánico, que se encuentra en abundancia en la tierra,
permite aumentar considerablemente el residuo si el material se degrada térmicamente. El
disolvente utilizado fue agua desionizada y se realizó el proceso de sol-gel seguido de liofilización,
que permite obtener aerogeles con un impacto medioambiental moderado. Las diferentes composiciones se caracterizaron mediante: Ensayos de Compresión, conductividad
termica, analisis termogravimetrico, calorímetro de cono, analizador de humedad, espectroscopia
infrarroja por transformada de Fourier. De esta manera, se pudo evaluar la influencia de los aditivos
en las propiedades del material, observando que las muestras con mejor comportamiento
termomecánico son las que contienen todas las especies químicas, en particular a medida que
aumentan, las propiedades mejoran. Sólo la densidad aparente y la conductividad térmica mejoran a
medida que disminuye el número de componentes en los aerogeles, ya que ambas son también
función de la cantidad de fase sólida presente en un material micro y mesoporoso. Els aerogels van ser descoberts per Steven Kistler el 1931, qui els va definir com "gels en què el líquid
ha estat substituït per aire, amb una contracció molt moderada de la xarxa sòlida". Es tracta, doncs,
de materials porosos amb una densitat molt baixa (aproximadament 0,1 g/cm3
). A causa del seu baix
pes, baixa conductivitat tèrmica i alta superfície específica, tenen un gran potencial en molts camps
tecnològics com l'absorció selectiva de contaminants, la catàlisi, l'emmagatzematge d'energia o
l'aïllament tèrmic, per esmentar-ne alguns. Els aerogels inorgànics tendeixen a ser fràgils, cosa que ha
portat a la generació d'aerogels basats en polímers, que són materials que poden presentar
propietats similars a les escumes. Tot i això, la incorporació de polímers als aerogels augmenta la seva
inflamabilitat, cosa que pot restringir-ne l'ús en aplicacions que requereixen seguretat contra
incendis, com els materials d'aïllament tèrmic en la construcció d'edificis. S'han realitzat importants
esforços per millorar la resistència a al foc dels aerogels, incloent-hi l'ús de polímers intrínsecament
resistents a la flama, la reticulació de polímers, l'addició de retardants a la flama i el tractament
posterior dels aerogels resultants. Una altra possibilitat és afegir càrregues que puguin augmentar
simultàniament la resistència mecànica i tèrmica d'aquests materials. A més, en aquest període
històric es presta atenció a l'impacte mediambiental dels productes industrials, per la qual cosa
també hi ha un fort desenvolupament al món dels aerogels sobre la creació de productes bio-basats.
S'han dut a terme diversos estudis sobre l'ús de polisacàrids com la cel·lulosa, el midó, el quitosà,
l'alginat, el carragenato o la pectina com a precursors d'aerogels, per tal de trobar alternatives viables
a les escumes basades en el petroli que existeixen el mercat, com el poliestirè o les escumes de
poliuretà.
L'objectiu d'aquest projecte és, doncs, la creació i caracterització d'aerogels compostos ecològics
fabricats amb materials bio-basats: L'alginat d'amoni, un polisacàrid procedent de les algues marines,
serveix com a biopolímer, l'àcid tànnic, extret de certs arbres, es va utilitzar com a additiu a causa de
les seves característiques de retardant de la flama i reticulant. Finalment, es va usar argila de tipus
montmorillonita per augmentar significativament la resistència al foc i modificar-ne les propietats
mecàniques. Aquest material inorgànic, que es aconsegueix en abundància a la terra, permet
augmentar considerablement el residu si el material es degrada tèrmicament. El dissolvent emprat va
ser aigua desionitzada i es va realitzar el procés de sol-gel seguit de liofilització, que permet obtenir
aerogels amb un impacte mediambiental moderat.
Les diferents composicions es van caracteritzar mitjançant: Assajos de Compressió, conductivitat
tèrmica, anàlisi termo-gravimetrica, calorímetre de con, analitzador d'humitat, espectroscòpia
infraroja per transformada de Fourier. D'aquesta manera, es va poder avaluar la influència dels additius a les propietats del material, observant que les mostres amb millor comportament
termomecànic són les que contenen totes les espècies químiques, en particular a mesura que
augmenten, les propietats milloren. Només la densitat aparent i la conductivitat tèrmica milloren a
mesura que disminueix el nombre de components als aerogels, ja que totes dues són també funció
de la quantitat de fase sòlida present en un material micro i mesoporós.
TitulacióMOBILITAT INCOMING
Fitxers | Descripció | Mida | Format | Visualitza |
---|---|---|---|---|
giovannilutmanTFM.pdf | 4,752Mb | Visualitza/Obre |