Análisis del rendimiento del aislamiento térmico y los campos de aplicación de los compuestos de aerogel reforzados con fibra de aramida

Los aerogeles son sólidos de baja densidad, principalmente mesoporosos con excelentes propiedades, que incluyen baja densidad, área de superficie específica alta, constante dieléctrica baja y conductividad térmica ultra baja. Los ejemplos incluyen aerogeles de grafeno o nanotubos de carbono, aerogeles de poliuretano y poliimida, aerogeles biopolímeros como la celulosa, el quitosano y los aerogeles de proteínas, así como sus compuestos e híbridos. Particularmente en la última década, ha habido un aumento explosivo en documentos científicos y patentes que describen nuevos materiales de aire, procesos de producción y aplicaciones, que cubren áreas como aislamiento térmico, sistemas de entrega, remediación ambiental, catálisis y acústica.

A pesar de la creciente importancia del campo de aire, o tal vez por eso, la definición de "Airgel " sigue siendo controvertida. Las definiciones tempranas a menudo se basaban en las técnicas de secado utilizadas en el proceso de producción, como los aerogeles del secado supercrítico, los criogeles de la congelación y los xerogeles del secado por evaporación. Sin embargo, las definiciones más recientes tienden a centrarse en las propiedades del material, particularmente en la alta proporción de mesoporosidad. En última instancia, la definición más amplia de aerogeles se refiere a cualquier material derivado de un gel reemplazando el fluido de poros con aire, sin restricciones en el tamaño de los poros u otras características. Esta definición más amplia incluye principalmente materiales macroporosos que no poseen la mesoporosidad, la alta superficie o la conductividad térmica ultra baja típicamente asociada con los aerogeles, como las espumas de celulosa liofilizada.

Los aerogeles de sílice se producen a través de un proceso sol-gel, con varias modificaciones propuestas para mejorar los recursos y la eficiencia de rentabilidad. Sin embargo, la mayoría de los procesos aún siguen los mismos pasos básicos. La gelificación de los soles de sílice se desencadena típicamente al agregar ácidos o bases para reducir la estabilidad de carga de las nanopartículas. Después de la gelificación, la reacción de precipitación de disolución de la sílice fortalece las interacciones entre partículas, mejorando así la estabilidad mecánica del gel. El éxito industrial de Silica Aerogels se atribuye casi por completo a su rendimiento en aplicaciones de aislamiento térmico. Su conductividad térmica puede ser tan baja como 0.012 w/(m · k), principalmente debido a la alta porosidad y la tortuosidad de la red de partículas, lo que restringe la conducción de calor en fase sólida. Además, debido al efecto Knudsen, el tamaño de poro pequeño, elaborando la longitud media del camino libre de las moléculas de gas, reduce la conducción térmica en fase gaseosa. Esta conductividad térmica ultra baja (solo la mitad de la del aire ambiente y los materiales de aislamiento convencionales) ha dado lugar a un mercado de rápido crecimiento por valor de cientos de millones de dólares.

La conductividad térmica total está estrechamente relacionada con la densidad del material, como se muestra en la Figura 1. En los materiales de aislamiento convencionales, la radiación juega un papel importante, y en casos de grandes tamaños de poros, la convección del aire también se vuelve no desplegable. A medida que aumenta la densidad, la transferencia de calor radiativo disminuye, mientras que la conducción de calor en fase sólida aumenta. Debido a estos efectos competitivos, la conductividad térmica exhibe una dependencia en forma de U de la densidad. Las mismas influencias se aplican a los materiales de airgel; Sin embargo, dado que los tamaños de poro de aerogel son más pequeños que la ruta libre media del aire, la conducción en fase gaseosa se reduce drásticamente. Esto disminuye la frecuencia de las colisiones de la molécula de aire, reduciendo así la transferencia de calor gaseoso. En consecuencia, la conductividad térmica total mínima cambia hacia densidades y regiones más altas con una conductividad eléctrica (múltiple) baja.

Las nanopartículas de aire de sílice construyen una estructura de redes múltiples a través de la interconexión, pero la unión débil entre las partículas da como resultado propiedades mecánicas deficientes, baja resistencia y alta fragilidad en aerogeles de sílice puros. Para abordar estos problemas, los investigadores han explorado varias estrategias de refuerzo. La fibra de aramida, con su baja densidad, baja conductividad térmica y alta resistencia mecánica, se ha convertido en una opción ideal para mejorar los aerogeles de sílice. Con una temperatura de descomposición de aproximadamente 450 ° C en el aire, la fibra de aramida es particularmente adecuada para aplicaciones de aislamiento de alta temperatura.

En 2016, los compuestos de sílice de sílice reforzado con fibra aramida (AF/Airgel) se fabricaron con éxito. Posteriormente, se introdujeron la fibra de aramida injertada con glicidil propiritoxisilano (GPTMS) y los compuestos de fibra de aramida recubierta con fibra de aramida recubierta con fibra de aramida. Estos compuestos no solo retuvieron baja densidad y baja conductividad térmica, sino que también mejoraron significativamente la resistencia a la compresión y la flexión.

Otros estudios han demostrado que las propiedades térmicas y mecánicas de la fibra de aramida lo hacen altamente efectivo para aplicaciones de protección balística. En comparación con la tela de aramida solo, las muestras de prueba balística integradas en Aerogel exhibieron una reducción del 72% en la tasa de perforación de telas. En 2021, Almeida et al. Comparó los efectos de refuerzo de los aerogeles de sílice con fibra de aramida y fieltro, encontrando que los compuestos que incorporan fibras alargadas exhibieron una menor densidad en masa y una mayor flexibilidad, lo que los convierte en adecuados para aplicaciones de forma adaptativa y damas de vibraciones.

La combinación de fibra de aramida y airgel logra una mejora complementaria de las propiedades del material. Como componente de refuerzo, la fibra de aramid proporciona un fuerte soporte mecánico a los aerogeles, mejorando su rendimiento mecánico, mientras que los aerogeles contribuyen con sus capacidades de aislamiento térmico y absorción de sonido, trabajando sinérgicamente con fibras de aramid.

Por ejemplo, los compuestos de aramida/airgel preparados utilizando el proceso de fabricación de papel húmedo no solo conservan las propiedades funcionales del papel aramid, sino que también exhiben una mejor resistencia al calor. Estos compuestos tienen amplias perspectivas de aplicación en el aislamiento térmico, que ofrecen nuevas ideas y posibilidades para el avance de la ciencia de los materiales.