Preparación y caracterización de aerogeles de sílice por secado supercrítico directo y asistido por dióxido de carbono

Abstract

Los aerogeles constituyen una familia de materiales con una combinación de propiedades única, como una bajísima densidad o una conductividad térmica entre las más bajas conocidas, que resultan de gran interés para ciertas aplicaciones tecnológicas. El proceso de secado de los geles constituye la etapa crítica en la preparación de los aerogeles, ya que de esta dependerán bastantes de sus propiedades, como su densidad, o características texturales como la superficie específica o la distribución de su porosidad. Determinar los parámetros que controlan este proceso resulta fundamental de cara al desarrollo de sus aplicaciones. Para este trabajo se han sintetizado geles de sílice por hidrólisis de TEOS en medio ácido y se han comparado las propiedades y características texturales de los aerogeles de sílice preparados por varios procedimientos de secado. Estos incluyen los procedimientos de secado directo en condiciones supercríticas, secado asistido con dióxido de carbono en condiciones supercríticas y secado en condiciones ambientales. También se ha investigado la influencia del disolvente o de las condiciones de maduración del gel en estas propiedades. Para abordar el secado con dióxido de carbono se modificó la distribución del sistema de gases a la entrada y la salida del reactor de forma que se mejorara la eficiencia del contacto entre disolvente y dióxido de carbono. La caracterización de los aerogeles se han empleado las técnicas de picnometría en helio y en agua, adsorción de nitrógeno a 77 K y espectroscopía infrarroja. De este trabajo se han obtenido aerogeles a partir de geles preparados en etanol por secado directo en condiciones supercríticas, obteniéndose estructuras monolíticas con algunas grietas internas. Estas muestras presentan una textura mesoporosa y superficie hidrofóbica. Estos mismos geles, intercambiado el disolvente por acetona, se han secado en condiciones con dióxido de carbono obteniéndose muestras también mesoporosas con superficies especificas similares pero cuya superficie es hidrófila.

Aerogels form a family of materials with a unique combination of properties, such as very low density or one of lowest known thermal conductivities, of great interest for some technological uses. The drying of precursor gels is the critical step in the preparation of aerogels, as it will influence properties like density, or its textural characteristics such as the specific surface or the pore distribution. Finding the parameters that control this process is critical for the development of aerogels applications. This work involves the synthesis of silica gels by acid hydrolysis of TEOS and the comparison of properties of aerogels prepared by drying these gels with different procedures, such as direct drying in supercritical conditions, carbon dioxide assisted drying in supercritical conditions, and ambient drying. The influence of the solvent in the drying process or the ageing conditions have been also investigated. The reactor used was modified for using carbon dioxide as solvent for supercritical drying, this required changes in the gas inlet and outlet from reactor. Characterization techniques of aerogels include, helium and water pycnometry, nitrogen adsorption at 77 K and FTIR spectroscopy. Aerogels from direct drying under supercritical conditions were monolithic with some internal cracks. These samples have mesoporous texture and hydrophobic surface. Aerogels prepared, after etanol exchange by ketone, and dried under supercritical conditions using carbon dioxide as auxiliary solvent have similar specific areas and mesoporous textures also, but a hydrophilic surface.