Production of aerogels from plastic post-consumer residues

Abstract

This thesis combines two fields that are currently viewed as relevant scientific topics: aerogels and reuse of post-consumer residues (PCR) from plastics.Three different types of aerogels were prepared: PCR aerogels, fibers-reinforced PCR aerogels, and PCR fibers-reinforced silica aerogels. The PCR aerogels were obtained from a dissolution/precipitation method, from which a gel was obtained. The gel was then dried by freeze-drying. The reinforcement of PCR aerogels was made with commercial fibers. Silica aerogels were prepared by the sol-gel technique, after a two-step acid-base catalyzed procedure, using a well-established method developed by the Computation & Materials (CeM) group, at the Department of Chemical Engineering of University of Coimbra. The PCR fibers were added right before the addition of the base and subsequent gelation. The gels aged for 6 days and were then subjected to a solvent exchange, with heptane, for two days, followed by a silylation step, with Hexamethyldisilazane (HMDZ), for one day. Finally, the samples were dried at ambient pressure and the aerogels were formed. The PCR aerogels showed a highly porous morphology, with macro and mesopores. In the case of the reinforced aerogels, a good interaction between the fibers and the aerogel matrix was observed. Bulk density, skeletal density and porosity were also analyzed. The results obtained are in line with those presented in literature. The values of thermal conductivity and thermal diffusivity of PCR aerogels were slightly higher than those obtained for silica reinforced aerogels. The values of specific heat were close to those found for fiber-reinforced silica aerogels. The mechanical properties of PCR aerogels (both unreinforced and reinforced) were inferior of those presented for other polymer-based aerogels in literature, but slightly better than the verified for the silica aerogels.Regarding silica aerogels reinforced with PCR fibers, from the SEM analysis, it was observed that the silica bounded to the fibers. The values of thermal diffusivity, thermal conductivity and specific heat were in the range of other fiber reinforced-silica aerogels, although the bulk density was higher.

Esta dissertação combina dois campos que atualmente são vistos como tópicos científicos relevantes: os aerogéis e a reutilização de resíduos pós-consumo (RPC) de plásticos.Foram sintetizados três tipos diferentes de aerogéis: aerogéis de RPC, aerogéis de RPC reforçados com fibras comerciais e aerogéis de sílica reforçados com fibras de RPC. Os aerogéis de RCP foram obtidos por um método de dissolução/precipitação, a partir do qual foi obtido um gel. O gel foi então seco por liofilização. Os aerogéis de sílica foram preparados pela técnica sol-gel, através de um procedimento catalisado em duas etapas, ácido-base, usando um método bem estabelecido e desenvolvido pelo grupo Computation & Materials (CeM), do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Coimbra. As fibras de RPC foram adicionadas imediatamente antes da adição da base, à qual se seguiu a gelificação. Os géis foram submetidos a um processo de envelhecimento durante 6 dias, tendo sido depois submetidos a uma troca de solvente, com heptano, durante 2 dias. Seguiu-se uma etapa de sililação, com Bis(trimetilsilil)amina (HMDZ), durante um dia. Por último, as amostras foram secas à pressão ambiente, tendo-se obtido os aerogéis.Os aerogéis de RPC apresentaram uma morfologia altamente porosa, com macro e mesoporos. No caso dos aerogéis reforçados, observou-se uma boa interação entre as fibras e a matriz do aerogel. A densidade aparente, densidade do esqueleto e porosidade também foram analisadas. Os resultados obtidos estão de acordo com os apresentados na literatura. O valor da condutividade térmica e difusividade térmica dos aerogéis de RPC foi ligeiramente superior ao valor obtido para os aerogéis reforçados com sílica. Os valores de calor específico foram próximos aos encontrados para aerogéis de sílica reforçados com fibras. As propriedades mecânicas dos aerogéis de RPC (não reforçados e reforçados) foram inferiores às apresentadas para outros aerogéis à base de polímeros na literatura, mas melhores do que as publicadas para os aerogéis de sílica.Em relação aos aerogéis de sílica reforçados com fibras de RPC, a partir da análise SEM, pôde observar-se uma boa interação entre a sílica e as fibras. Os valores de difusividade térmica, condutividade térmica e calor específico encontram-se próximos dos valores obtidos para outros aerogéis de sílica reforçados com fibras comerciais, embora a densidade aparente fosse maior.