Preparação e caracterização de compósitos para isolamento térmico usando aerogel e borracha de pneu reciclada

Abstract

A presente dissertação teve como objetivo a formulação de compósitos de aerogel de sílica com borracha de pneu reciclada para isolamento térmico de edifícios. As propriedades alvo para esta aplicação são uma baixa massa volúmica bulk e condutividade térmica, assim como elevada manuseabilidade, preferencialmente sem fraturar. Sendo assim, foi necessário sintetizar o aerogel e utilizar um material ligante para uni-lo com a borracha. O agente ligante escolhido foi o polivinil butiral (PVB), que permitiu obter as propriedades desejadas. O aerogel foi sintetizado com base no precursor tetraetilortossilicato (TEOS). Como alternativa de ligante foi ainda considerado o polivinil álcool (PVA).Recorrendo à tecnologia sol-gel, a síntese dos aerogéis/xerogéis foi feita com catálise em dois passos e com secagem à pressão ambiente (APD). Após a obtenção dos aerogéis/xerogéis, seguiu-se para a incorporação destes, juntamente com as partículas de borracha de pneu reciclada, num compósito final, com recurso aos ligantes referidos anteriormente. Os compósitos obtidos foram submetidos a caracterização química, mecânica e térmica, de modo a avaliar, de entre os parâmetros considerados, quais os compósitos que cumprem os requisitos necessários para a aplicação proposta. Numa fase inicial, conclui-se que a utilização do polivinil álcool (PVA) como ligante não seria possível uma vez que apresentou uma baixa reticulação com o aerogel e borracha, isto deveu-se à diferente hidrofobicidade dos constituintes dos compósitos finais. A análise da condutividade térmica permitiu concluir que os compósitos com maior quantidade de polivinil butiral (PVB) e aerogel eram os mais isolantes, sendo as que apresentavam condutividades térmicas mais altas as que continham maior quantidade de borracha. O Microscópio Eletrónico de Varrimento (SEM) permitiu a observação de toda a matriz dos compósitos, verificando-se que a adição de borracha leva a que a estrutura fique mais granulosa, sendo por isso mais flexível, e a adição de PVB leva a uma estrutura mais compacta, sendo mais rígida, tendo este resultado ido ao encontro dos obtidos nos teste de compressão. Conclui-se assim que compósitos com borracha de granulometria 250-1000µm, aerogel e PVB, são os que apresentam melhores propriedades, são compósitos de menor densidade (ρbulk = 465.27 kg.m-3), isolantes (k = 0.555 W.m-1.K-1) e flexíveis (E = 122 kPa) sendo estes, de todas as amostras estudadas neste trabalho, os que mais se aproximam dos requisitos necessários para a aplicação nas estruturas dos edifícios.

The present dissertation’s aim is to formulate silica aerogel composites with recycled tire rubber for thermal insulation of buildings. The target properties for this application are low bulk density and thermal conductivity, as well as high handling, preferably without fracturing. Therefore it is necessary to synthesize aerogel using a binding material in order to agglutinate it with the rubber. The chosen binding agent is polyvinyl butyral (PVB) which corresponds to the desired properties. The aerogel was synthesized based on the tetraethylorthosilicate (TEOS) precursors. As na alternativa binder was considered polyvinyl alcohol (PVA). The synthesis of aerogels/xerogels was performed using sol-gel technology with two steps catalysis and ambient pressure (APD). After obtaining the aerogels/xerogels, they were incorporated with the recycled tire rubber particles in a final composite, using the binders mentioned above. The composites obtained were subjected to chemical, mechanic and thermal caracterization, in order to evaluate, among the considered parameters, which composites meet the necessary requirements for the proposed application. Initially, it was concluded that the use of polyvinyl alcohol (PVA) as a binder would not be possible since it presented a low crosslinking with aerogel and rubber. This was due to the different hydrophobicity of the constituents of the final composites. The thermal conductivity analysis allowed us to conclude that composites with the highest amount of polyvinyl butyral (PVB) and aerogel were the most insulating, those who presented better results were the ones with higher amount of rubber. The scanning electron microscope (SEM) observes the entire matrix of the composites, verifying that the addition of rubber makes the structure more granular, making it more flexible and the addition of PVB leads to a more compact structure being more rigid. It is therefore concluded that composites with 250 - 1000µm size of particles of rubber, aerogel and PVB are the ones with better properties, have a lower density (ρbulk = 465.27 kg.m-3), are insulating (k = 0.555 W.m-1.K-1) and flexible (E = 122 kPa), being these composites, of all those studied in this work, the ones which most closely meet the requirements for the application in building structures.