AEROGEL

CAROLINA URAZAN LOSADA 20122113030GABRIELA CABRERA CEBALLOS 20122112708PAOLA ANDREA CRUZ COLLAZOS 20122112649

Presentado a: Haydee MoralesCurso: Ciencia de los materiales

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANAINGENIERIA DE PETROLEOSNEIVA-HUILA2014 QU ES EL AEROGEL?

El aerogel es el marco de un gel slido aislado de su componente lquido, preparado de una manera tal para preservar la estructura de los porosEs conocido tambin como " humo congelado" "humo slido ", " aire slido " o " humo azul " debido a su carcter translcido y la manera en que la luz se dispersa en el material. Los aerogel se pueden hacer de una amplia variedad de sustancias, incluyendo: Slice Oxidos de metales de transicin (por ejemplo, xido de hierro ) Los polmeros orgnicos (tales como resorcinol-formaldehdo, fenol-formaldehdo, poliacrilatos, poliestirenos, poliuretanos, y epoxis) Los polmeros biolgicos (tales como gelatina, pectina, y agar agar) Nanoestructuras de semiconductores (como los puntos cunticos de seleniuro de cadmio) Carbono Los nanotubos de carbono Metales (tales como el cobre y el oro)

El aerogel se cre por primera vez por Samuel Stephens Kistler en 1931 , como resultado de una apuesta con Charles Learned sobre quin podra reemplazar el lquido en " gelatinas " con gas sin causar contraccin, seguidamente se descubri sus propiedades y a partir de ello se pudo determinar sus aplicaciones en la industria

MTODO DE FABRICACIN

Gran parte de los aerogeles se derivan de geles, dichos geles son creados a travs del proceso conocido como sol-gel; lo que sucede en este proceso es que las nanopartculas slidas dispersas en un lquido (un sol) se aglomeran entre s para formar una red tridimensional continua que se extiende por todo el lquido, (un gel); obtenido el gel se pasa a la creacin del aerogel es decir a retirar el lquido presente en el gel y reemplazarlo por gas, para ello se utilizan tcnicas como la aerogelificacin donde participa la tcnica de secado supercrtico (aislamiento del medio liquido sin disminucin de volumen). 1. Fabricacin de Sols: se puede realizar de dos formas diferentes Las nanopartculas se cultivan directamente en un lquido:

Bsicamente se mezclan los ingredientes que contienen molculas que pueden interconectarse entre s para formar molculas ms grandes y, finalmente, las nanopartculas.

Las nanopartculas se sintetizan y luego se dispersan en un lquido:

Se utiliza para crear geles ms avanzadas, las nanopartculas tales como puntos cunticos o los nanotubos de carbono se obtienen a travs de algn proceso y despus se disuelven en un lquido directamente o dispersado usando la ayuda de un agente tensioactivo.2. Obtencin del gel:Un sol puede convertirse en un gel cuando las nanopartculas slidas dispersas en ella pueden unirse entre s para formar una red de partculas que se extiende por el lquido. Esto requiere que las nanopartculas slidas en el lquido, que estn constantemente rebotando en direcciones al azar, debido a la temperatura (es decir, que estn pasando por el movimiento browniano), chocan entre s y se pegan entre s cuando lo hacen, en ocasiones es complicado que suceda esto de forma automtica por lo tanto se utilizan aditivos para lograrlo como la electricidad esttica (fuerzas electrostticas).Cuando un sol se convierte a gel la viscosidad tiende a infinito en otras palabras deja de fluir y permanece inmvil conservando la caracterstica de que el gel puede tambalear hacia adelante o hacia atrs, los geles tienen algunas propiedades como lquidos, tales como la densidad, y algunas propiedades como slidos, tales como una forma fija.. Esta transicin de sol a gel se denomina gelificacin.3. Obtencin del aerogelEl aerogel es el marco de un gel slido aislado de su componente lquido, preparado de una manera tal como para preservar la estructura de los poros (o al menos la mayora de ella). En otras palabras, el aerogel es lo que se dej ms de si usted podra quitar el lquido de un gel sin causar que se encoja. Esto se hace ms eficaz a travs de una tcnica especial llamada secado supercrtico, dicha tcnica se origin luego de que se observara que al dejar evaporar (secado por evaporacin) el lquido del gel lo que se provocara sera una sustancia ms dura, ms densa y con un volumen mucho menor al volumen inicial (xerogel). Secado supercrtico El secado supercrtico se utiliza cuando el lquido debe ser eliminado de una muestra que sera daado por tcnicas de secado por evaporacin u otros.El objetivo de dicha tcnica es llevar a cero la tensin superficial para ello tenemos un recipiente sellado que contiene un lquido por debajo de su punto crtico en el interior y estn equipadas con un indicador de presin en la parte superior. Una cierta cantidad de lquido se evaporar en el recipiente hasta que se alcanza la presin de vapor del lquido en el recipiente, si se calienta el contenedor la temperatura y la presin de vapor van a aumentar, como la presin y la temperatura en el recipiente estn cada vez ms cerca del punto crtico, la fase lquida se vuelve ms similar al gas y la fase de vapor ms lquido. Finalmente , se alcanza el punto crtico y el menisco dividiendo las dos fases difumina de distancia , lo que resulta en una sola fase supercrtico, mientras esto ocurre , la tensin superficial en el lquido cae gradualmente a cero , y por lo tanto la capacidad del fluido para ejercer estrs capilar tambin lo hace, de esta manera el gel no disminuir su volumen. La aerogelificacin Un gel se coloca en un recipiente a presin bajo un volumen del mismo lquido contenido dentro de sus poros (etanol por ejemplo), el recipiente a presin se calienta entonces lentamente a la temperatura crtica del lquido, mientras esto sucede la presin de vapor de los lquidos aumenta haciendo que la presin en el recipiente aumente y se acerque a la presin crtica del lquido, el punto crtico es entonces superado , transformando suavemente el lquido en el gel (as como el lquido y el vapor que rodea el gel ) en un fluido supercrtico . Una vez que esto sucede, la capacidad del fluido en el gel para ejercer estrs capilar en la estructura slida del gel ha disminuido a cero. Teniendo todo el recipiente con fluido supercrtico y con los poros impregnados de esta sustancia se procede a retirar el lquido del gel produciendo una despresurizacin parcial del recipiente siempre y cuando la presin y la temperatura se mantengan por encima del punto crtico, el objetivo es eliminar suficiente cantidad del lquido del recipiente mientras que el fluido sea supercrtico de esta manera cuando el recipiente este completamente despresurizado y enfriado no habr suficiente fluido supercrtico para condensarse, esto puede requerir varios ciclos de aumento y disminucin de temperatura y presin realizado por encima del punto crtico; una vez retirado todo el liquido el recipiente se despresuriza y se enfri de nuevo a las condiciones ambientales lentamente, cuando esto ocurre el fluido en el recipiente pasa de nuevo a travs del punto crtico , pero ya que gran parte del fluido se ha eliminado y la temperatura todava se eleva como el recipiente se despresuriza , el fluido vuelve a una fase de gas en lugar de una fase lquida, de esta forma el que se coloc en un principio en el recipiente ha pasado a ser un aerogel puesto que ya no hay presencia de lquido dentro de los poros.La mayora de los lquidos utilizados en la preparacin de geles son disolventes orgnicos tales como metanol, etanol, acetona, y acetonitrilo, tales lquidos son potencialmente peligrosos a las temperaturas y presiones requeridas para realizar el proceso. Para hacer la aerogelificacion menos peligroso, el componente lquido de un gel puede ser intercambiado con un disolvente no inflamable que se mezcla bien con dixido de carbono.

Produccin del gel de slice El aerogel de slice es el tipo ms comn de aerogel. Es el tipo de aerogel visto con ms frecuencia en las fotografas y lo que la gente en general se refieren a cuando se utiliza la palabra "aerogel.Los geles de slice se producen a travs del proceso de sol-gel, en el que las nanopartculas en suspensin en una solucin lquida (es decir, un sol) se utilizan para interconectar y formar una red porosa nanoestructurada continua de partculas a travs del volumen del medio lquido (es decir, un gel). La tcnica ms comn utilizada para la produccin de geles de slice hoy implica la reaccin de un alcxido de silicio con agua en un disolvente tal como etanol o acetona, normalmente en presencia de un catalizador bsico cido que contiene fluoruro; en esta tcnica, una alcxido de silicio sirve como la fuente para la slice, el agua acta como un reactivo para ayudar a unir las molculas de alcxido juntos, y un catalizador (como hidrxido de amonio o fluoruro de amonio). Debido a que los alcxidos de silicio son generalmente lquidos no polares no son miscibles con agua, como resultado, un disolvente tal como etanol o acetona, que es miscible con ambos alcxidos de silicio y agua, se aade con el fin de tener todo en la misma fase por lo que puede producirse las reacciones qumicas necesarias.Tres reacciones se producen cuando un alcxido reacciona con el agua, cuyo resultado es la formacin de nanopartculas de slice (que son los que ms tarde se interconectan para formar un gel).

La primera de estas reacciones es la hidrlisis, en la que un alcxido de silicio reacciona con agua para formar silanol grupos (Si-OH). Estos grupos silanol puede reaccionar entonces ya sea entre s o un grupo alcxido (Si-O) para formar un puente de siloxano (Si-O-Si), resulta la unin de dos molculas en una molcula ms grande . Cada tomo de silicio puede formar hasta cuatro puentes siloxano, lo que permite que muchas molculas pequeas se conecten entre s en molculas gigantes que contienen miles de puentes de silicio-oxgeno. Estas grandes molculas de puentes entre el silicio y oxgeno se llaman nanopartculas de slice, y tienen dimetros de aproximadamente unos pocos nanmetros de dimetro. En algn momento, las nanopartculas alcanzan un tamao crtico en el que dejan de crecer en tamao y en su lugar se aglomeran con otras nanopartculas, el terminal hidroxilo y el grupo alcoxi en la superficie de las nanopartculas permiten que las nanopartculas se interconectan entre s generando una red continua que se extiende por la solucin lquida, de esta forma un gel se ha formado

CARACTERSTICAS Y PROPIEDADES.

1. Ultra liviano: Se debe a que est compuesto enun 90% a un 99.85% de aire.Es un slido de muy baja densidad (3kg/m3); es solo es tres veces ms denso que el aire y mil veces menos denso que el vidrio.2. Ultra resistente Este material es capaz de soportar mil veces su propio peso, es decir, es estructuralmente muy fuerte. Sus capacidades de soporte de carga se deben a la microestructura dendrtica, en el que las partculas esfricas de tamao medio se funden en grupos, los cuales forman una estructura tridimensional altamente porosa de las cadenas, con poros poco menos de 100nm. El tamao medio y la densidad de los poros pueden ser controlados durante el proceso de fabricacin.3. Ultra aislanteGracias a su porosidad, el aerogel adquiere caractersticas que lo hacen resistente a muy bajas y altas temperaturas; tambin es capaz de proteger 39 veces ms que la mejor fibra de vidrio. De igual manera son buenos aislantes trmicos porque estn compuestos casi en su totalidad a partir de un gas, y los gases son muy pobres conductores de calor.De igual manera son pobres aislantes radiantes ya que la radiacin infrarroja pasa a travs de aerogel de slice.

4. Naturaleza higroscpicaEs seco y acta como desecante fuerte. Las personas que manipulen aerogel durante perodos prolongados deben usar guantes para evitar la aparicin de manchas secas y quebradizas en la piel.5. AparienciaNaturaleza semitransparente, es parecido al vidrio ligero; su color azul y amarillento se debe a la dispersin de Rayleigh de las longitudes de onda ms cortas de la luz visible por la estructura dendrtica nanomtrica. Esto hace que se vea azul humo sobre fondos oscuros y amarillentos en los fondos brillantes.6. Friabilidad Presionar suavemente en un aerogel normalmente no sale siquiera una marca menor; presionar ms firmemente dejar una depresin permanente. Al presionar firmemente, causar una avera catastrfica en la estructura, haciendo que se rompa como el vidrio.7. HidrfilosSin embargo, el tratamiento qumico puede hacerlos hidrfobos para prevenir su degradacin. Los aerogeles con interiores hidrofbicos son menos susceptibles a la degradacin que los aerogeles con slo una capa hidrfoba externa, incluso si una grieta penetra en la superficie

8. ndice de refraccinApenas es de 1.0 siendo el ms bajo para un solido9. La velocidad del sonido a travs de l es muy baja (100 m/s)

10 . Altamente porosoSe caracteriza por tener un rea superficial extremadamente grande, alta resistividad trmica y acstica, baja constante dielctrica 11 .ConsistenciaSimilar a la espuma de poliestireno al tac TIPOS DE AEROGEL

CarbonoCompuestos de partculas con tamaos en el rango nanomtrico, unidas entre ellas covalentemente. Tienen muy alta porosidad y reas de superficie oscilantes, (400-1.000 m2/g). A menudo se fabrican como papel compuesto: papel no tejido hecho de fibras de carbono, impregnadas con aerogel de resorcinol-formaldehdo, y pirolizados. Dependiendo de la densidad, los aerogeles de carbono pueden ser elctricamente conductores, tiles para electrodos en condensadores o electrodos de desionizacin. Debido a su extremadamente alta rea de superficie, aerogeles de carbono se utilizan para crear supercondensadores, con valores que van hasta miles de faradios en base a una capacitancia de 104 F/g y 77 f/cm3. Los aerogeles de carbono tambin son extremadamente "negros" en el espectro infrarrojo, que refleja slo el 0,3% de la radiacin entre 250 nm y 14,3 m, hacindolos eficiente para colectores de energa solar. SliceEl aerogel de slice es el tipo ms comn de aerogel y el ms ampliamente estudiado y usado. Es una sustancia basada en slice, derivado de gel de slice. Es una nanoespuma de slice de baja densidad a aproximadamente 1 kg/m3, que es la versin del registro-aerogel de 1,9 kg/m3. Se tiene notables propiedades aislantes trmicas, poseen la conductividad trmica ms baja de cualquier slido conocido: de 0,03 W/mK a 0,004 W/mK. Su punto de fusin es de 1473 K.AlminaSon los aerogeles elaborados con xido de aluminio. Estos se utilizan como catalizadores, especialmente cuando estn "dopados" con un metal diferente de aluminio. El aerogel de nquel-almina es la combinacin ms comn. Tambin estn siendo consideradas por la NASA para la captura de partculas de hipervelocidad, una formulacin dopada con gadolinio y el terbio podra dar lugar a fluorescencia donde se da el impacto de partculas, ya que con la cantidad de fluorescencia depende de la energa del impacto.

APLICACIONES

Medicina.En el area de la medicina se esta trabajando el aerogel en dos formas, la primer investigacion que adelantan los cientificos se trata de la regeneracion de huesos humanos, aunque no se tiene un verecdito final si consideran una via muy factible debido a la alta biocompatiblidad del Aerogel. Otro de los usos del Aerogel es como sistema de administracion de farmacos Debido a su alta rea de superficie y la estructura porosa, los medicamentos se pueden adsorber a partir de CO2 supercrtico. La velocidad de liberacin de los frmacos se puede adaptar en base a las propiedades del aerogel.

Industrial y ComercialAunque el Aerogel posee muchas propiedades, podemos percatarnos sin lugar a duda que es su propiedad como aislante termico que lo posiciona como uno de los materiales futuristas, y en base a esta caracteristica desarrollar muchas aplicaciones comerciales, dentro de las cuales se destaca su uso en las ventanas de los edificios de oficinas, en las que esta propiedad es utilizada para evitar la prdida de calor o fro, otra de sus aplicaciones a nivel comercial es el uso de estas partculas de aerogel como agentes espesantes en algunas pinturas y cosmticos, de igual manera es utilizado en la construccin de condensadores elctricos de gran tamao o para la fabricacin de raquetas de tenis al ser ultraligero, incluso el aerogel puede servir como parachoques de automviles, pues amortigua los golpes en un 89% de intensidad. Las Mantas de AerogelLa fabricacin comercial de estas mantas comenzo hace mas de 12 aos. Una manta de aerogel es un material compuesto de aerogel de slice y refuerzo fibroso que convierte el aerogel frgil en un material duradero, flexible. Las propiedades mecnicas y trmicas del producto pueden ser variadas en base a la eleccin de fibras de refuerzo, la matriz de aerogel, opacificacin y aditivos incluidos en el material compuesto. Este aislmiento con aerogel y conservamiento de la energia es usado desde los astronautas en el espacio hasta para el crudo de petroleo a 10000 pies por debajo del nivel del mar, esta manta flexible es el mejor material aislante del mundo ofreciendo ofrenciendo entre 10 y 8 veces mas rendimiento que cualquier material.El desempeo del aislamiento es igual ya sean en altas y bajas temperaturas, con su ayuda hoy se esta ahorrando energia en oleuductos y gaseoductos, barcos transportadores einstalaciones de almacenamiento operaciones industriales y de refineria, electrodomesticos y trajes.

Ingeniera y Construccin.En este momento los ingenieros estn comenzando a realizar experimentos muy interesantes con este material, el aerogel por bajo peso y la capacidad como un aislante trmico lo hacen adecuado para la construccin de estructuras areas, lo que permitira a estas flotar indefinidamente en el aire un ejemplo, una cpula geodsica construida con aerogel sera tan ligera, que la diferencia de temperatura entre el aire del interior con el exterior bastara para hacerla flotar, lo cual reducira el peso total de la estructura (y su costo), al no necesitar vigas de soporte. El Aerogel traslcido no permite la fuga de calor pero s la entrada de radiacin solar, tal como lo hace un cristal, lo que se permite la flotacin indefinida mientras le d el sol. la altura de la cpula puede variarse simplemente incrementando el diferencial de temperatura interior/exterior, al igual se destacan usos como los sistemas de tanques de combustible, ya que como es un aislante trmico es muy importante para aislar de cualquier sustancia extraa el material, adems en reas de produccin es usado para las automatizaciones de los diferentes maquinas con las cuales el hombre tiene que interactuar en su da a da.

Textil.En el rea de telas y trajes, el Aerogel se ha proporcionado su propio lugar, pues ya es uno de los ms grandes retos en el proyecto de investigacin europea sobre de ropa inteligente y su evento el I Wear Fashion Show , e reto es fabricar un traje para proteger de la radiacin ultravioleta, como muestra de la tecnologa implicada en estos productos, mencionemos la chaqueta de aerogel llamada absolute zero, diseada para proteger a su usuario frente a condiciones ambientales extremas, con este material que es el nico que puede aislar hasta los -50 grados centgrados, y se funde slo a una temperatura de 3.000 grados.Tambin se ha logrado construir trajes para climas extremadamente fros con espesores mnimos de 3mm y por tanto prendas muy livianas; este mismo tipo de prendas eran construidas anteriormente en lana con un espesor 30 veces mayor al igual instituciones como La Marina de EE.UU. est evaluando la ropa interior de aerogel como proteccin trmica pasiva para los buceadores.

Aeronutica y Espacial Desde el punto de vista de las emisiones de naves espaciales es muy importante ya que es capaz de resistir el lanzamiento de una nave espacial por ser un excelente aislador trmico. Tambin es muy importante destacar su utilizacin en la construccin de estructuras areas ya que por ser un material que es 3 veces ms denso que el aire y capaz de soportar cargas y aislar el calor de forma que un sistema se comporte adiabticamente, puede flotar en el aire sin ningn inconveniente por las diferencias de temperatura la NASA utiliza aerogel para atrapar las partculas de polvo espacial a bordo de la nave espacial Stardust. Las partculas se vaporizan en el impacto con los slidos y pasan a travs de los gases, pero pueden ser atrapados en los aerogeles, y finalmente una aplicacin importante es la fabricacin de los trajes que con una capa de 18mm de aerogel es suficiente proteger a los astronautas contra las temperaturas tan bajas como -130C.