realizzazione e caratterizzazione di aerogel

Università degli Studi di Lecce
Facoltà di Ingegneria
Tesi in Scienza e Tecnologia dei Materiali
REALIZZAZIONE
REALIZZAZIONE E
E CARATTERIZZAZIONE
CARATTERIZZAZIONE
DI
DI AEROGEL
AEROGEL SILICEI
SILICEI PER
PER VIA NON
IPERCRITICA
IPERCRITICA
RELATORI:
RELATORI:
Prof.
Prof. Alfonso
Alfonso MAFFEZZOLI
MAFFEZZOLI
Dott
Dott.. Antonio
Antonio LICCIULLI
LICCIULLI
LAUREANDO:
LAUREANDO:
Mauro
Mauro POLLINI
POLLINI
Aerogel: Something about nothing
Composizione:
• Matrice di SiO2 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/cm3)
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
(λ>∅ medio dei pori)
La luce riflessa è blu
(λ≈ ∅ medio dei pori)
Schema di preparazione di un aerogel
ipercritico
SiO2
Gel bagnato
Xerogel
Evaporazione
Gelificazione
Idrolisi
Asciugatura
ipercritica
Sol
Aerogel
Ceramico
denso
Riscaldamento
Chimica del Sol
-Gel
Sol-Gel
Fasi:
• Formazione
del gel bagnato
• Invecchiamento
• Essiccamento
Alcossido Utilizzato:
del gel
del gel
TEOS:
tetra ethyl orthosilicate
O-CH2-CH3
|
CH3-CH2-O-Si-O-CH2-CH3
|
O-CH2-CH3
Chimica del Sol
-Gel: Idrolisi e
Sol-Gel:
Condensazione
• Reazione di idrolisi:
Si (OR)4 + H2O → HO – Si(OR)3 + ROH
• Reazioni di condensazione:
(OR)3 − SiOH + HO − Si (OR)3 → (OR)3 Si − O − Si (OR)3 +H2O
(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 PC e TC
• Alcool: TC =243°C, PC=63.6 bar
• CO2: TC =31.1°C, PC=73.6 bar
Svantaggi:
Il processo è molto pericoloso
Sono necessari lavaggi in acetone
• Complessità della tecnica
• Pericolosità
• Richiede attrezzature complesse e costose
• Tempi troppo lunghi
Aerogel non ipercritici: L’IDEA
O-CH3
O
|
CH3 – O – Si – CH2 – CH2 – CH2 – O – CH2 – CH – CH2
|
O-CH3
Polimero
Organico
GLYMO
MEMO
• Struttura portante in fase
di asciugatura a Pamb
• Ingombro Sterico
(CH3O)3Si – CH2 – CH2 – CH2 – O – C – C = CH2
O CH3
Schema di preparazione dell’aerogel
non ipercritico
MEMO
SiO2
Aerogel
Gel bagnato
Idrolisi
Esposizione ai
Raggi UV
Asciugatura a
T=60°C e Pamb
Trattamento
termico a 550°C
Irgacure 184
Sol
Aerogel+Organico
Essiccamento e trattamento ad alta
temperatura del GEL
Perdita di peso %
0
Tratamento termico ad alta temperatura:
• Eliminazione dell’organico
-10
-15
• Consolidamento
-20
• Sensibile conversione dei gruppi -OH
-25
-30
0
100
200
300
400
500
Tempo [ore]
Essiccamento in forno:
• P=Pamb
• T=60°C
T [°C]
(P -Po)/Po
%
-5
Trattamento termico a 550°C
600
500
400
300
200
100
0
0
1000
2000
tempo [min]
3000
Caratterizzazione degli Aerogel
Analisi della variazione di peso
Analisi termogravimetrica
Analisi di spettroscopia infrarossa a
trasformata di Fourier
FT-IR
Calcolo del coefficiente di
conducibilità Termica
Calorimetro differenziale a
scansione
Calcolo del coefficiente di
espansione termica
Analisi termomeccanica
Calcolo del modulo di Young e del
carico di rottura a compressione
Ares
Calcolo dell’area specifica
BET
Calcolo delle dimensioni,
distribuzione e forma dei pori
BJH e H-K
Analisi Termogravimetrica
Perdita di peso totale=71%
TGA
0
-10
Contributi a tale perdita:
(P-Po)/P [% ]
-20
-30
• Organico (max contributo)
-40
-50
• Evaporazione di H2O e
etanolo (fino a 100°C)
-60
-70
-80
0
200
400
600
800
Temperatura [°C]
1000
• Graduale scomparsa dei
gruppi OH superficiali
1200
(100-450°C)
• Sinterizzazione viscosa
Analisi di spettroscopia infrarossa
FT-IR
120
100
Bending dei gruppi -CH
Stretching dei gruppi -CH
60
%T
80
40
20
Stretching dei gruppi -OH
3850
3350
2850
2350
1850
1350
0
850
Wavenumber [cm-1]
aerogel non ipercritico
aerogel ipercritico
aerogel non ipercritico trattato a 550°C
Legame Si-O-Si
Calcolo del coefficiente di
conducibilità termica
Tecnica sperimentale
DSC
Calibrazione e messa
a punto della tecnica
Quarzo
Valutazione dei parametri:
• ∆Hf
• ∆tf
• ∆T
Calcolo del coefficiente di
conducibilità termica
Conducibilità Termica
∆tf·A· ∆T
• Y=
0.06
∆tf·A· ∆T
0.05
Y = 33.556X - 0.0021
∆Hf
2
• X=s
0.04
Y[Km /W]
K=
∆Hf·s
¾ Aerogel non ipercritico:
0.03
0.02
K=0.0298 [W/mK]
0.01
¾ Aerogel ipercritico:
K=0.0286 [W/mK]
¾ Xerogel:
K=0.27 [W/mK]
0
0
0.0005
0.001
X [m]
0.0015
0.002
Calcolo del coefficiente di
espansione termica
TMA Aerogel non Ipercritico
0,002
Aerogel non ipercritico
α=6 ⋅ 10-6 K-1
Aerogel ipercritico
α=7 ⋅ 10-6 K-1
Letteratura
α=2 - 4 ⋅ 10-6 K-1
0
-0,004
-0,006
TMA Aerogel non Ipercritico
-0,008
0.0012
-0,01
0.0011
-0,012
0
100
200
300
400
Temperatura [°C]
500
600
700
(l-lo)/lo
(l-lo)/lo
-0,002
y = 6E-06x + 0.0004
0.001
0.0009
0.0008
0.0007
0.0006
60
70
80
90
100
Temperatura [°C]
110
120
130
Prova a compressione
Prova a compressione
0.35
E=1.89·106 N/m2
0.25
σU=305 KPa
0.2
0.15
0.1
0.05
Campo elastico
0
0
0.1
0.2
0.3
Deformazione
0.4
0.5
Tensione [N/mm 2]
Tensione [N/mm 2]
0.3
0.08
0.06
y = 1.8936x - 0.0064
0.04
0.02
0
0
0.01
0.02
Deformazione
0.03
0.04
Calcolo dell’area specifica e analisi della
distribuzione dei pori
BET
Area specifica=33.3 m2/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
Aerogel non
ipercritico
Aerogel
ipercritico
Densità [g/cm3]
0.231
0,237
Conducibilità
Termica [W/mK]
0.0298
0.0286
Coefficiente di
espansione
termica [K-1]
6 ⋅ 10-6
7 ⋅ 10-6
1.89·106
106
33.3
1000
Modulo elastico
[N/m2]
Area specifica
[m2/g]
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