Study of the properties of composite aerogels

Aerogels were discovered by Steven Kistler in 1931, who defined them as “gels in which the liquid has been replaced by air, with very moderate shrinkage of the solid network”.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.Incomin