The effect of surfactants in the microstructure of silica based aerogels

Abstract

Esta dissertação teve como objetivo estudar o efeito de três tipos de surfactante (aniónico, catiónico e não-iónico) nas propriedades de aerogéis de sílica sintetizados com metiltrimetoxisilano (MTMS). Usou-se a tecnologia sol-gel com catálise ácido-base na síntese dos materiais, juntando os surfactantes dodecil sulfato de sódio (SDS – aniónico), brometo de hexadeciltrimetilamónio (CTAB – catiónico) e Pluronic F127, (F127 – não-iónico), recorrendo depois à secagem supercrítica com CO2 para obter os aerogéis.Avaliaram-se as propriedades químicas, físicas e mecânicas dos materiais sintetizados de forma a avaliar e comparar os vários aerogéis sintetizados com as diferentes quantidades e tipos de surfactante.Com a adição de surfactantes concluiu-se que a massa volúmica dos aerogéis diminuiu (¿b, CTAB ~ 44; ¿b, SDS ~ 45; ¿b, F127 ~ 49 kg.m-3) e os géis tornam-se mais flexíveis (E0 to15% strain ~ 1.2 kPa). O CTAB permite aumentar a área de superfície específica dos aerogéis enquanto que o F127 a faz diminuir (As, CTAB = 436, As, F127 = 181, As, SDS = 345 m2.g-1). Observa-se também um aparente aumento para cerca de 140° de ângulo de contacto e em média 1% na porosidade relativamente aos aerogéis que foram sintetizados sem surfactantes (¿b, pure ~ 53 kg.m-3; E0 to 15% strain = 4.7 kPa; As, pure = 322 m2.g-1; ¿c = 136°).O FTIR e a análise elementar revelam a formação de uma matriz de sílica derivada de MTMS e sugerem uma existência residual de surfactante na estrutura do aerogel. Por outro lado, o potencial zeta (= -9.25 mV) determinado para partículas de aerogel indicia que os surfactantes iónicos serão os que permitem sintetizar aerogéis derivados de MTMS mais estruturados, o que também se confirmou através dos resultados de SEM.Conseguiu-se otimizar com sucesso o tipo e quantidade de surfactante a usar na síntese dos géis, tendo-se melhorado algumas das propriedades dos aerogéis resultantes. Assim, este trabalho contribuiu para se compreender quais os melhores surfactantes a utilizar com este precursor e método de síntese, para o tailoring do material para uma dada aplicação.Esta dissertação também incluiu um estudo preliminar de dinâmica molecular, aplicado ao sistema sol-gel sob análise. As simulações realizadas permitiram concluir que existe a formação de aglomerados de estruturas derivadas de MTMS. Também foi possível verificar que, independentemente do número de partículas usadas, um cluster tem no máximo 45 moléculas ao fim de 80 ns, e que a presença do surfactante durante a formação dos clusters aparenta reduzir o tamanho máximo final dos clusters. Apesar de existirem limitações no estudo computacional, o trabalho desenvolvido nesse plano deu indicações de como funcionam a nível atómico-molecular os fenómenos envolvidos na síntese do aerogel. Estes resultados, apesar de resultarem de uma análise exploratória, são um avanço para o estado da arte uma vez que este tipo de estudos de dinâmica molecular nunca tinha sido realizado anteriormente para qualquer os sistemas em estudo no trabalho.

This dissertation aimed to study the effect of three types of surfactants (anionic, cationic and non-ionic) in the properties of silica aerogels synthesized with methyltrimethoxysilane (MTMS). This was accomplished using the sol-gel technology with acid-base catalysis in the synthesis of the gels and adding the surfactants sodium dodecyl sulfate (SDS – anionic), hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB – cationic) or Pluronic F127 (F127 – non-ionic) in the sol stage. Finally, supercritical drying with CO2 was used to obtain the aerogels.The chemical, physical and mechanical properties of the synthesized materials were evaluated in order to assess and compare the properties of the various aerogels synthesized with different amounts and types of surfactants.With the addition of surfactants, it was found that the bulk density of the aerogels decreased (¿b, CTAB ~ 44; ¿b, SDS ~ 45; ¿b, F127 ~ 49 kg.m-3) and gels become more flexible (E0 to 15% strain ~ 1.2 kPa). CTAB increases the specific surface area of aerogels while the F127 decreases it (As, CTAB = 436, As, F127 = 181, As, SDS = 345 m2.g-1). It was also observed an apparent increase in the contact angle to about 140° and an average 1% increase in the porosity of the aerogels when compared to the aerogels synthesized without surfactants (¿b, pure ~ 53 kg.m-3; E0 to 15% strain = 4.7 kPa; As, pure = 322 m2.g-1; ¿c = 136°).The FTIR and elemental analysis showed the formation of a silica matrix with methyl groups derived from MTMS and also suggested the existence of residual surfactant in the aerogel’s structure. On the other hand, the zeta potential (-9.25 mV) determined for aerogel particles suggests that ionic surfactants are those that enable the synthesis of more structured aerogels derived from MTMS, which is also confirmed by the SEM results.The optimization with success of the type and amount of surfactant to use in the synthesis of these gels was achieved, and some of the properties of the resulting aerogels have improved. Thus, this work helped to understand which are the best surfactants to be used with this precursor and synthesis method for tailoring the material for a given application.This work also included a preliminary molecular dynamics study applied to the sol-gel system here studied. The performed simulations allowed to conclude that agglomerates of MTMS-derived structures are formed. It was also observed that regardless the number of particles used, a cluster has a maximum of 45 particles at the end of 80 ns and that the presence of surfactant during the formation of clusters appears to reduce the final maximum size of the clusters. Although there are limitations in the computational study, the work here developed gave indications on how, at an atomic-molecular level, the phenomena involved in the aerogel synthesis works. These results, although at an exploratory level, are an advancement to the state of art, since this type of molecular dynamics studies had not been conducted previously for all the systems in study in this work.