Síntese e caracterização de géis de sílica reforçados com nanoceluloses

Abstract

This work aims to synthesize and characterize silica xerogels and aerogels reinforced with nanocelluloses, in order to obtain improved mechanical properties for application in the aerospace area. The key properties for these applications are reduced contact angle, thermal conductivity and the achievement of monolith materials. The inorganic phase is derived of methyltrimethoxysilane (MTMS) and tetramethylorthosilicate (TMOS) while the organic phase is composed by cellulose nanofibers (NFC). The synthesis of the hybrid materials is done using sol-gel technology in a single step. Several solvents were tested as well as the effect of one chemical additive, the surfactant SDS. In the end, the materials obtained were submitted to physical, chemical, mechanical and thermal characterization. With these characterizations it is intended to evaluate the improvement resulting from the incorporation of NFC at the level of flexibility and compressive strength. It is concluded that the hybridization of the silica aerogel with NFC generates monolithic materials whose mechanical properties are better than those of the corresponding silica aerogel without fibers. The hybrid was more flexible (E = 79.7 kPa) and has higher compressive strength (σmax = 208 kPa). The addition of SDS to the hybrid aerogel allowed to obtain a significant increase in flexibility (E = 53.2 kPa), however, the material is too weak under compressive forces (σmax = 21.1 kPa). Through SEM, it was possible to observe secondary silica particles of different sizes and shapes, which is a result of the addition of NFC that interfere with the gelation step. It should be noted that the SDS surfactant possibly led to a narrower distribution of particle sizes and a more closed network. The innovation of the present work consists in the incorporation of NFC in the form of aqueous gel. Thus, the results obtained are the result of an exploratory investigation of a new experimental procedure. These results add value to the state of the art in this area, exposing a new route of synthesis of silica and NFC hybrid materials.

Esta dissertação teve como principal objetivo sintetizar e caraterizar xerogéis e aerogéis de sílica reforçados com nanoceluloses, de modo a obter propriedades mecânicas melhoradas para aplicação na área aeroespacial. As propriedades chave para esta aplicação são as reduzidas massas volúmicas e condutividade térmica e a obtenção de monólitos. A fase inorgânica é derivada de metiltrimetoxisilano (MTMS) e tetrametilortosilicato (TMOS) enquanto que a fase orgânicacomposta por nanofibras de celuloses (NFC). A incorporação de NFC em materiais à base de sílica na literatura consultada é feita através da prévia secagem por freeze-drying das NFC. A inovação do presente trabalho consiste na incorporação de NFC sob a forma de gel aquoso. Assim, os resultados obtidos são fruto de uma investigação exploratória de um novo procedimento experimental. Estes resultados acrescentam valor ao estado da arte nesta área, expondo uma nova via de síntese de xerogéis e aerogéis híbridos de sílica e NFC. A síntese dos materiais híbridos foi feita recorrendo à tecnologia sol-gel num só passo. Foram testados vários solventes, assim como analisado o efeito de um aditivo químico, o surfactante dodecil sulfato de sódio (SDS). Após a obtenção dos materiais prosseguiu-se para a caraterização física, química, mecânica e térmica dos híbridos, de modo a avaliar a melhoria resultante da incorporação de NFC ao nível da flexibilidade e da resistência mecânica à compressão. A análise de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) revela a formação de uma matriz de sílica derivada sem indicar a existência de surfactante na estrutura do aerogel. Conclui-se que a hibridização do aerogel de sílica com NFC gera materiais monólitos cujas propriedades mecânicas são melhores que as do correspondente aerogel de sílica sem fibras. O híbrido revelou ser mais flexível (E = 79,7 kPa) e mais resistente a forças compressivas (σmax =208 kPa). A adição do surfactante SDS ao aerogel híbrido permitiu aumentar significativamente a flexibilidade (E = 53,2 kPa), no entanto reduziu a resistência a forças compressivas (σmax =21,1 kPa). Através de SEM foi possível observar as estruturas dos materiais sintetizados. A geometria do esqueleto de sílica é similar entre as amostras observadas, no entanto a adição de NFC permite observar partículas secundárias de sílica de formas e dimensões diferentes. A adição do surfactante SDS ao meio reacional permitiu uma homogeneização mais eficaz e possivelmente conduziu a uma distribuição de tamanhos de partícula mais apertada e a uma rede mais fechada. No entanto, as suas dimensões não foram medidas.