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AEROGEL

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Title: AEROGEL

1
AEROGEL

Zuriñe Miguel García
Belén Cabañas de Paz

2
ÍNDICE

1. Introducción
2. Estructura y composición
2.1. Formación de dendrímeros
3. Síntesis
4.Tipos
4.1. Aerogeles de sílice
4.2. Aerogeles de alúmina
4.3. Aerogeles de carbón
5. Propiedades
5.1. Propiedades mecánicas
5.2. Propiedades ópticas
5.3. Propiedades físicas
6. Aplicaciones

1. INTRODUCCIÓN

4
1. Introducción

Es un sólido derivado del gel.
En el gel el líquido se reemplaza por gas dando
un sólido de muy baja densidad.
Magnífico poder aislante
Térmico
Acústico
Eléctrico

5
1. Introducción

Debido a su apariencia nebulosa y
semitransparente también se llama humo sólido,
humo helado o humo azul.
Al tacto tiene una apariencia espumosa.
Pueden estar hechos de diversos materiales
Sílice
Alumina
Cromo
Óxido de titanio
Carbón (los primeros que se desarrollaron)

2. ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN

7
2. Estructura y composición

Materiales sólidos (a pesar de su apariencia)
Estructura entrecruzada (amorfa)
Son secos y no tienen propiedades de gel

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2. Estructura y composición

Composición dióxido de silicio (arena, igual que
el vidrio)
Son 100 veces menos densos que el cristal, ya que
aproximadamente el 99 de su estructura es aire
Densidad 0.003g/cm3

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2. Estructura y composición

Tienen una estructura dendrítica
Las partículas, de un tamaño aproximado de 2-5nm
se agrupan en grandes clusters
Estos clusters forman una red tridimensional con
una estructura extremadamente porosa

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2. Estructura y composición

Los poros tienen un tamaño inferior a 100nm
El tamaño medio y la densidad de poros pueden ser
controlados durante la síntesis del material

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2. Estructura y composición

La estructura está constituida por cordones o
fibras microscópicas conectadas entre si formando
una red continua
Puesto que esta red llena el espacio y se
sostiene a si misma, los aerogeles se consideran
materiales sólidos

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2. Estructura y composición

Durante un primer desarrollo, la estructura del
aerogel estuvo basada en hilos de sílice y
poliuretano entretejidos
Este material era demasiado frágil

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2. Estructura y composición

Para mejorar la fragilidad, los hilos de las
partículas de sílice se unen químicamente con
poliisocianato
Resultado material tan ligero como el aire y 100
veces más resistente que el primer aerogel
sintetizado.
Insensible a la humedad

14
2. Estructura y composición

Se cree que no es posible hacer un aerogel de
menor densidad
Si esto ocurriera el material obtenido no sería
realmente un gel, porque las moléculas no
estarían conectadas entre si
No es posible hacer un aerogel más ligero que el
aire, porque precisamente el aerogel va relleno
de él.

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2. Estructura y composición

Para aumentar la densidad del material basta con
cambiar la proporción de silicio del material
inicial

16
2. Estructura y composición

Foto de alta resolución de la estructura del
aerogel

2.1. FORMACIÓN DE DENDRÍMEROS

18
2.1. Formación de dendrímeros

Durante el proceso de polimerización sol-gel(),
los monómeros que están suspendidos en una
solución reaccionan entre si para formar un sol
compuesto por clusters coloidales
Estas macromoléculas comienzan a enlazarse y a
entrecruzarse para dar un sol-gel casi sólido
()Polimerización sol-gel proceso que implica
la transición entre una fase líquida (sol) y una
sólida (gel)

19
2.1. Formación de dendrímeros
20
2.1. Formación de dendrímeros

Esta estructura interna entrecruzada es la
responsable de la gran área superficial del
material (1000m2/g)()
() Un gramo de aerogel es capaz de cubrir una
superficie equivalente a un campo de fútbol.

21
2.1. Formación de dendrímeros

El principal problema del aerogel, que de momento
está limitando su uso, es la imposibilidad de
conseguir una estructura regular a gran escala
El problema reside en el propio proceso de
polimerización sol-gel.

22
2.1. Formación de dendrímeros

En este proceso no se puede controlar el tamaño
de las partículas que se forman ni la manera en
la que se unen entre si.
La estructura y la densidad del aerogel final,
vienen determinadas por una gran cantidad de
variables que tienen lugar durante el proceso de
polimerización
Temperatura
pH
Catalizador

23
2.1. Formación de dendrímeros

Para intentar poder controlar la estructura del
aerogel y hacerla más regular, en la actualidad
se está desarrollando un método que consiste en
la formación artificial de dendrímeros dentro de
la estructura del material.

24
2.1. Formación de dendrímeros

Los dendrímeros son unas estructuras muy
ramificadas en forma de árbol con un peso
molecular y tamaño muy específicos
Estos dendrímeros tienden a formar estructuras
esféricas ordenadas con una estructura bien
definida que las hace particularmente fuertes

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2.1. Formación de dendrímeros
26

3. SÍNTESIS

27
3. Síntesis

Alcohol (generalmente etanol)
disolvente líquido de rápida evaporación
(actúa como precursor alcóxido de silicona)
dióxido de silicio sol-gel (gel de sílice)

28
3. Síntesis

Mediante un proceso de secado supercrítico el
alcohol se elimina del gel
El principal problema de la síntesis del aerogel
se presenta en este último proceso de secado,
como veremos a continuación

29
3. Síntesis

Si simplemente se dejara secar el gel por si
mismo, encogería y se produciría la rotura de su
estructura
Esto es debido a que el componente sólido del gel
es microporoso, y la interfase líquido-vapor que
se produce durante el proceso de evaporación
produce una fuerte tensión superficial que
colapsa la estructura de los poros

30
3. Síntesis

SECADO SUPERCRÍTICO (FUNDAMENTO)
El fundamento del proceso se basa en que se debe
sustituir el líquido del gel por aire, de manera
que no sea posible la reentrada del líquido en el
gel
Para ello se trabaja con el líquido a una presión
siempre mayor a su presión de vapor, y se eleva
la temperatura, de manera que se consigue un gas
que se encuentra en su temperatura crítica, a la
cual las dos fases (líquido y gas) nunca están
presentes en un mismo momento

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3. Síntesis

SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO)
La mezcla del alcogel se pone en un autoclave que
está lleno de etanol
Se somete el sistema a una elevada presión y se
enfría a unos 5-10ºC
En este momento se inyecta CO2 líquido en el
recipiente antes de que se elimine el etanol

32
3. Síntesis

SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO)
El CO2 comienza a sustituir al alcohol en la
estructura del aerogel, y cuando lo ha sustituido
por completo se calienta el recipiente hasta una
temperatura próxima a la temperatura supercrítica
del CO2 (31ºC).
A medida que el recipiente se calienta va
aumentando su presión (PVnRT). El CO2 empieza a
liberarse lentamente del recipiente, manteniendo
la presión ligeramente superior a la presión
supercrítica del CO2

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3. Síntesis

SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO)
El sistema se mantiene en estas condiciones
durante un breve periodo de tiempo después del
cual se disminuye la presión del CO2 hasta llegar
a la presión ambiental.
Al disminuir la presión se permite que el alcohol
(en estado de vapor) se escape, dejando la matriz
del aerogel rellena de aire.
Este proceso puede durar aproximadamente entre 12
horas y 6 días, de tal forma que una vez
finalizado obtenemos el aerogel sintetizado

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3. Síntesis

Otro de los grandes inconvenientes del proceso de
síntesis es que se trabaja con alcoholes a
elevadas presiones y temperaturas, por lo que el
proceso puede ser explosivo si no está sometido a
un control exhaustivo.

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3. Síntesis

Autoclave

4. TIPOS

4.1. AEROGELES DE SÍLICE

38
4. Tipos

AEROGELES DE SÍLICE
Son el tipo más común
Absorben fuertemente la radiación infrarroja, lo
que permite utilizarlos en la construcción de
estructuras en las cuales se quiera permitir el
paso de luz al interior de la estructura pero no
el paso de calor

4.2. AEROGELES DE ALÚMINA

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4. Tipos

AEROGELES DE ALÚMINA
Compuestos de óxido de aluminio
Se utilizan como catalizadores, especialmente en
los compuestos por metal dopadometal. La
combinación níquel-alúmina es la más común
Son utilizados por la NASA para capturar
partículas a hipervelocidades. Un aerogel dopado
con gadolinio y terbio produce fluorescencia en
el lugar de impacto de las partículas, de modo
que se puede visualizar y cuantificar la
velocidad de las partículas, ya que la
fluorescencia depende de la velocidad del impacto.

AEROGELES DE CARBÓN

42
4. Tipos

4.3. AEROGELES DE CARBÓN
Son conductores eléctricos dependiendo de su
densidad
Debido a su gran área superficial se usan para
hacer supercondensadores y como adsorbentes
Absorben el 99.7 de la radiación infrarroja, lo
que les hace especialmente interesantes para
utilizarlos como paneles solares