Otimização de formulações envolvendo o precursor viniltrimetoxisilano para síntese de aerogéis híbridos à base de sílica reforçados mecanicamente

Palavras-chave: Aerogéis de sílica,sol-gel,reforço mecânico,materiais híbridos,VTMS,MTMS,TMOS,Silica aerogels,sol–gel,mechanical reinforcement,hybrid materials,VTMS,MTMS,TMOS

Este trabalho teve como objectivo a síntese de aerogéis híbridos à base de sílica com propriedades mecânicas melhoradas, comparativamente aos aerogéis derivados unicamente de metiltrimetoxisilano (MTMS), no seguimento do trabalho desenvolvido neste âmbito no projecto GelSpace (PTDC/QUE-EPR/099998/2008). Para tal, recorreu-se à tecnologia sol-gel para a síntese do esqueleto de sílica, usando os precursores viniltrimetoxisilano (VTMS), metiltrimetoxisilano (MTMS) e tetrametilortosilicato (TMOS). Para a preparação dos materiais híbridos, procedeu-se posteriormente à incorporação do composto orgânico, acrilato de butilo, na de rede de sílica, usando diferentes razoes monómero/precursor e quantidades de iniciador para avaliar o efeito destes parâmetros nas propriedades finais dos aerogéis. A utilização do precursor VTMS prende-se sobretudo com a sua estrutura química. A presença do grupo vinil, orgânico e não hidrolisável, permite a ligação do monómero com a rede de sílica, por polimerização radicalar desencadeada pelo iniciador AIBN. Consegue-se assim um reforço mecânico da rede sólida. Foram usadas duas formulações diferentes para a síntese da rede de sílica, tendo sido estas optimizadas durante o projecto GelSpace – formulação 1, 50% de MTMS, 30% de VTMS e 20% de TMOS; formulação 2, 84.3% de MTMS e 15.7% de VTMS. Para a etapa de polimerização, utilizaram-se as seguintes razões molares monómero/precursor: 10, 20 e 30. Alterou-se ainda a quantidade de iniciador utilizado, sendo 3% ou 6% da massa de monómero incorporado. A secagem das amostras foi realizada por extracção com CO2 supercrítico. Os espectros de espectroscopia de infravermelho (FTIR) permitiram comprovar a presença de acrilato de butilo em todas as amostras, bem como o aumento gradual da intensidade dos picos correspondentes com o aumento da quantidade de monómero e de iniciador. Em concordância, a intensidade do pico referente à ligação C=C do grupo vinil foi decrescendo. As duas formulações apresentaram valores elevados do ângulo de contacto (θ 136º para a formulação 1 e 132º para a formulação 2), comprovando a sua hidrofobicidade, a qual é conferida sobretudo pela presença de um grupo metilo por cada Si derivado do MTMS. Apesar das diferentes quantidades de monómero e iniciador utilizadas, os valores do ângulo não apresentaram diferenças significativas. A presença do acrilato de butilo em todas as amostras também é comprovada pela análise térmica. Na qual se verifica uma perda significativa de massa entre os 350ºC e os 450ºC, que está associada à degradação desse composto. A massa volúmica bulk foi a propriedade que maior alteração sofreu com a introdução do composto orgânico. É, no entanto, de notar que existem grandes diferenças nos valores apresentados pelas duas formulações. A formulação 1 ( 145 kg m-1) apresenta valores de massa volúmica superiores à formulação 2 ( 70 kg m-1), o que se prende principalmente com a quantidade de MTMS usada na formulação, já que este precursor tende a formar estruturas com maior volume de poros do que o TMOS ou o VTMS devido à grande aleatoriedade nas direcções de crescimento da rede durante a gelificação. Assim, a formulação 1 apresentou porosidade em torno de 90%, valor inferior ao obtido em média para a formulação 2 (95%). A análise das imagens de SEM mostrou também que a formulação 2 é menos densa que a formulação 1 e que a incorporação do composto orgânico promove ainda mais a diminuição dos espaços vazios. Relativamente à condutividade térmica, como era de esperar tendo em atenção os resultados anteriores, a formulação 1 apresentou uma condutividade térmica superior (κ 0.053 Wm-1K- 1) à da formulação 2 (κ 0.039 Wm-1K-1), em virtude de possuir um maior número de conexões da rede sólida e menor volume de ar no seu interior. No que se refere à caracterização mecânica, os aerogéis cujas formulações incluíram polímero, apresentaram valores mais elevados de módulo de elasticidade do que o correspondente aerogel sem reforço, o que se traduz num menor grau de flexibilidade. A formulação 1 ( 3.47 kPa) é uma ordem de grandeza mais rígida do que a formulação 2 ( 0.84 kPa), novamente devido aos precursores utilizados. Ainda neste teste se obtiveram-se valores de deformação até à fractura de 30% para a formulação 1 e 60% para a formulação 2. A formulação 1 apresentou ainda melhorias na resistência à compressão para as amostras com as razões molares 20 e 30. A mesma melhoria não foi verificada para a formulação 2. Apesar de visivelmente se notar que o reforço polimérico conferia uma maior resistência mecânica o mesmo não se verificou neste teste, pelo que se conclui que esta foi eficiente para a formulação 1.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias