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