Analisi delle prestazioni dell'isolamento termico e dei campi di applicazione dei compositi Airgel rinforzati in fibra aramidica

Aerogels are low-density, primarily mesoporous solids with excellent properties, including low density, high specific surface area, low dielectric constant, and ultra-low thermal conductivity. Examples include graphene or carbon nanotube aerogels, polyurethane and polyimide aerogels, biopolymer aerogels such as cellulose, chitosan, and protein aerogels, as well as their composites and hybrids. Particularly in the past decade, there has been an explosive increase in scientific papers and patents describing new aerogel materials, production processes, and applications, covering areas such as thermal insulation, delivery systems, environmental remediation, catalysis, and acoustics.

Nonostante la crescente importanza del campo Airgel, o forse per questo, la definizione di "Airgel " rimane controversa. Early definitions were often based on the drying techniques used in the production process, such as aerogels from supercritical drying, cryogels from freeze-drying, and xerogels from evaporative drying. Tuttavia, definizioni più recenti tendono a concentrarsi sulle proprietà dei materiali, in particolare sull'alta percentuale di mesoporosità. Ultimately, the broadest definition of aerogels refers to any material derived from a gel by replacing the pore fluid with air, without restrictions on pore size or other characteristics. This broader definition primarily includes macroporous materials that do not possess the mesoporosity, high surface area, or ultra-low thermal conductivity typically associated with aerogels, such as freeze-dried cellulose foams.

Gli aerogel di silice sono prodotti attraverso un processo di sol-gel, con varie modifiche proposte per migliorare l'efficienza delle risorse e dei costi. Tuttavia, la maggior parte dei processi segue ancora gli stessi passaggi di base. La gelatazione dei sol di silice viene in genere innescata aggiungendo acidi o basi per ridurre la stabilità della carica delle nanoparticelle. Dopo la gelificazione, la reazione di dissoluzione-precipitazione della silice rafforza le interazioni interparticelle, migliorando così la stabilità meccanica del gel. Il successo industriale degli aerogel di silice è quasi interamente attribuito alle loro prestazioni nelle applicazioni di isolamento termico. La loro conduttività termica può essere bassa fino a 0,012 W/(M · K), principalmente a causa dell'elevata porosità e tortuosità della rete di particelle, che limita la conduzione del calore in fase solida. Inoltre, a causa dell'effetto Knudsen, la dimensione dei piccoli pori, da parte della lunghezza media del percorso libero delle molecole di gas, riduce la conduzione termica in fase gassosa. Questa conduttività termica ultra-bassa (solo la metà di quella dell'aria ambiente e dei materiali di isolamento convenzionali) ha dato origine a un mercato in rapida crescita per centinaia di milioni di dollari.

La conducibilità termica totale è strettamente correlata alla densità del materiale, come mostrato nella Figura 1. Nei materiali di isolamento convenzionali, le radiazioni svolgono un ruolo significativo e, in caso di grandi dimensioni dei pori, anche la convezione dell'aria diventa non trascurabile. All'aumentare della densità, il trasferimento di calore radiativo diminuisce mentre la conduzione del calore in fase solida aumenta. A causa di questi effetti concorrenti, la conduttività termica mostra una dipendenza a forma di U dalla densità. Le stesse influenze si applicano ai materiali Airgel; Tuttavia, poiché le dimensioni dei pori di Airgel sono più piccoli del percorso libero medio dell'aria, la conduzione in fase gassosa viene drasticamente ridotta. Ciò riduce la frequenza delle collisioni delle molecole d'aria, riducendo così il trasferimento di calore gassoso. Di conseguenza, la conducibilità termica totale minima si sposta verso densità e regioni più elevate con una bassa conducibilità elettrica (multipla).

Le nanoparticelle di Airgel di silice costruiscono una struttura multi-rete attraverso l'interconnessione, ma il debole legame tra le particelle provoca cattive proprietà meccaniche, bassa resistenza e alta fragilità negli aerogel di silice puri. Per affrontare questi problemi, i ricercatori hanno esplorato varie strategie di rinforzo. La fibra aramidica, con bassa densità, bassa conducibilità termica e elevata resistenza meccanica, è emersa come una scelta ideale per migliorare gli aerogel di silice. Con una temperatura di decomposizione di circa 450 ° C nell'aria, la fibra aramidica è particolarmente adatta per applicazioni di isolamento ad alta temperatura.

Nel 2016, sono stati fabbricati con successo i compositi di aergel di silice con fibra aramidica (AF/Airgel). Successivamente, sono stati introdotti in fibra aramidica ingrassata da glicidyl propythossisilane (GPTMS) e compositi di aergel a airgel a aramide con fibra aramidica con fibra aramidica (PTFE). Questi compositi non solo hanno mantenuto la bassa densità e la bassa conducibilità termica, ma hanno anche migliorato significativamente la resistenza a compressione e flessione.

Ulteriori studi hanno dimostrato che le proprietà termiche e meccaniche della fibra aramidica lo rendono altamente efficace per le applicazioni di protezione balistica. Rispetto al solo tessuto aramidico, i campioni di test balistici integrati con aerogel hanno mostrato una riduzione del 72% del tasso di perforazione del tessuto. Nel 2021, Almeida et al. ha confrontato gli effetti di rinforzo degli aerogel di silice con fibra aramidica e feltro, scoprendo che i compositi che incorporavano fibre allungate hanno mostrato una minore densità di massa e una maggiore flessibilità, rendendoli adatti per applicazioni a forma di formaggio e di ridotta di vibrazioni.

La combinazione di fibra aramidica e Airgel raggiunge un miglioramento complementare delle proprietà del materiale. Come componente di rinforzo, Aramid Fibre fornisce un forte supporto meccanico agli aerogel, migliorando le loro prestazioni meccaniche, mentre gli aerogel contribuiscono con le loro capacità di isolamento termico e assorbimento del suono, lavorando sinergicamente con le fibre aramide.

Ad esempio, i compositi aramidi/airgel preparati utilizzando il processo di fabbricazione della carta a umido non solo conservano le proprietà funzionali della carta aramidica, ma mostrano anche una migliore resistenza al calore. Questi compositi hanno ampie prospettive di applicazione nell'isolamento termico, offrendo nuove intuizioni e possibilità per il progresso della scienza dei materiali.