Incorporação de polímeros inteligentes em aerogéis à base de sílica

Palavras-chave: Aerogéis de sílica,VTMS,reforço mecânico,materiais híbridos,acrilatos;Silica aerogels,VTMS,mechanical reinforcement,hybrid materials,acrylates

A presente dissertação teve como objetivo a síntese de aerogéis à base de sílica flexíveis e com propriedades mecânicas melhoradas para aplicação na área aeroespacial. As propriedades chave para esta aplicação são reduzidas massa volúmica e condutividade térmica e não fragmentação. Assim sendo, os aerogéis são reforçados mecanicamente com uma fase polimérica que visa melhorar estas propriedades. A fase inorgânica é constituída por metiltrimetoxisilano (MTMS), viniltrimetoxisilano (VTMS) e tetrametilortosilicato (TMOS) enquanto que na fase orgânica é testada a incorporação de poli(etilenoglicol) diacrilato (PEG-DA) e de poli(2-(dimetilamino)etil metacrilato) (PDMAEMA). O PDMAEMA foi selecionado por responder à temperatura e pH, pretendendo-se avaliar até que ponto a incorporação deste polímero na rede dos aerogéis permite obter híbridos multifuncionais. A preparação dos materiais híbridos é realizada por duas vias distintas, metodologia de imersão ou por one-pot, servindo o presente trabalho como forma de comparação entre estas. Para além disso, foi também otimizada a formulação de percursores de sílica e são testadas quantidades diferentes de monómero/macrómero adicionado. Os monólitos foram alvo de caracterização física, química, mecânica e térmica com a finalidade de avaliar se estes cumprem os requisitos necessários para a aplicação proposta, comparar as metodologias utilizadas e relacionar as propriedades finais com a quantidade de polímero incorporado. Conclui-se que a metodologia de imersão gera materiais heterogéneos e cujas propriedades chave nem sempre são melhoradas, contrariamente à metodologia one-pot. Em one-pot a incorporação de PDMAEMA gerou monólitos mais leves (ρ ~128 kg.m-3), mais isolantes (k ~ 0.052 W.m-1.K-1) e mais flexíveis (E = 69 kPa) que os obtidos com PEG-DA (ρ = 133 kg.m-3; k = 0.061 W.m-1.K-1; E = 98 kPa). A análise de DMTA revelou que a incorporação de PEG-DA torna a estrutura do aerogel mais flexível e melhora a capacidade de dissipação de energia do monólito, comparativamente ao gel sem reforço. A análise de FTIR revelou que a reação com os grupos vinilo não foi completa e, esta técnica conjuntamente com a análise térmica, revelaram incorporação de polímero em todos os aerogéis híbridos, com crescente quantidade de polímero incorporado com o aumento da quantidade deste adicionada ao sistema. Os monómeros adicionados interferem com a gelificação, sendo responsáveis por partículas secundárias de menores dimensões e com uma distribuição de tamanhos mais fina. Conclui-se assim que a metodologia one-pot é a mais expedita e que gera monólitos com melhores resultados para a aplicação pretendida. Apesar de ambos os polímeros conseguirem melhorar significativamente algumas das propriedades pretendidas, foi a incorporação de PDMAEMA que gerou mais melhorias nas propriedades chave. O aerogel híbrido constituído por 40% VTMS, 40% MTMS, 20% TMOS e com razão de DMAEMA: VTMS de 2:1 em one-pot é o que mais se aproxima dos requisitos necessários para a aplicação na área aeroespacial, de todas as amostras estudadas neste trabalho.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias