AEROGEL

CAROLINA URAZAN LOSADA 20122113030

GABRIELA CABRERA CEBALLOS 20122112708

PAOLA ANDREA CRUZ COLLAZOS 20122112649

Presentado a: Haydee Morales

Curso: Ciencia de los materiales

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA

INGENIERIA DE PETROLEOS

NEIVA-HUILA

2014

¿QUÉ ES EL AEROGEL?

El aerogel es el marco de un gel sólido aislado de su componente líquido, preparado de una manera tal para preservar la estructura de los poros

Es conocido también como " humo congelado" "humo sólido ", " aire sólido " o " humo azul " debido a su carácter translúcido y la manera en que la luz se dispersa en el material.

Los aerogel se pueden hacer de una amplia variedad de sustancias, incluyendo:

Sílice Oxidos de metales de transición (por ejemplo, óxido de hierro ) Los polímeros orgánicos (tales como resorcinol-formaldehído, fenol-

formaldehído, poliacrilatos, poliestirenos, poliuretanos, y epoxis) Los polímeros biológicos (tales como gelatina, pectina, y agar agar) Nanoestructuras de semiconductores (como los puntos cuánticos de

seleniuro de cadmio) Carbono Los nanotubos de carbono Metales (tales como el cobre y el oro)

El aerogel se creó por primera vez por Samuel Stephens Kistler en 1931 , como resultado de una apuesta con Charles Learned sobre quién podría reemplazar el líquido en " gelatinas " con gas sin causar contracción, seguidamente se descubrió sus propiedades y a partir de ello se pudo determinar sus aplicaciones en la industria

MÉTODO DE FABRICACIÓN

Gran parte de los aerogeles se derivan de geles, dichos geles son creados a través del proceso conocido como sol-gel; lo que sucede en este proceso es que las nanopartículas sólidas dispersas en un líquido (un sol) se aglomeran entre sí para formar una red tridimensional continua que se extiende por todo el líquido, (un gel); obtenido el gel se pasa a la creación del aerogel es decir a retirar el líquido presente en el gel y reemplazarlo por gas, para ello se utilizan técnicas como la aerogelificación donde participa la técnica de secado supercrítico (aislamiento del medio liquido sin disminución de volumen).

1. Fabricación de Sols:

se puede realizar de dos formas diferentes

Las nanopartículas se cultivan directamente en un líquido:

Básicamente se mezclan los ingredientes que contienen moléculas que pueden interconectarse entre sí para formar moléculas más grandes y, finalmente, las nanopartículas.

Las nanopartículas se sintetizan y luego se dispersan en un líquido:

Se utiliza para crear geles más avanzadas, las nanopartículas tales como puntos cuánticos o los nanotubos de carbono se obtienen a través de algún proceso y después se disuelven en un líquido directamente o dispersado usando la ayuda de un agente tensioactivo.

2. Obtención del gel:

Un sol puede convertirse en un gel cuando las nanopartículas sólidas dispersas en ella pueden unirse entre sí para formar una red de

partículas que se extiende por el líquido. Esto requiere que las nanopartículas sólidas en el líquido, que están constantemente rebotando en direcciones al azar, debido a la temperatura (es decir, que están pasando por el movimiento browniano), chocan entre sí y se pegan entre sí cuando lo hacen, en ocasiones es complicado que suceda esto de forma automática por lo tanto se utilizan aditivos para lograrlo como la electricidad estática (fuerzas electrostáticas).

Cuando un sol se convierte a gel la viscosidad tiende a infinito en otras palabras deja de fluir y permanece inmóvil conservando la característica de que el gel puede tambalear hacia adelante o hacia atrás, los geles tienen algunas propiedades como líquidos, tales como la densidad, y algunas propiedades como sólidos, tales como una forma fija.. Esta transición de sol a gel se denomina gelificación.

3. Obtención del aerogel

El aerogel es el marco de un gel sólido aislado de su componente líquido, preparado de una manera tal como para preservar la estructura de los poros (o al menos la mayoría de ella). En otras palabras, el aerogel es lo que se dejó más de si usted podría quitar el líquido de un gel sin causar que se encoja. Esto se hace más eficaz a través de una técnica especial llamada secado supercrítico, dicha técnica se originó luego de que se observara que al dejar evaporar (secado por evaporación) el líquido del gel lo que se provocaría sería una sustancia más dura, más densa y con un volumen mucho menor al volumen inicial (xerogel).

Secado supercrítico

El secado supercrítico se utiliza cuando el líquido debe ser eliminado de una muestra que sería dañado por técnicas de secado por evaporación u otros.

El objetivo de dicha técnica es llevar a cero la tensión superficial para ello tenemos un recipiente sellado que contiene un líquido por debajo de su punto crítico en el interior y están equipadas con un indicador de presión en la parte superior. Una cierta cantidad de líquido se evaporará en el recipiente hasta que se alcanza la presión de vapor del líquido en el recipiente, si se calienta el contenedor la temperatura y la

presión de vapor van a aumentar, como la presión y la temperatura en el recipiente están cada vez más cerca del punto crítico, la fase líquida se vuelve más similar al gas y la fase de vapor más líquido. Finalmente , se alcanza el punto crítico y el menisco dividiendo las dos fases difumina de distancia , lo que resulta en una sola fase supercrítico, mientras esto ocurre , la tensión superficial en el líquido cae gradualmente a cero , y por lo tanto la capacidad del fluido para ejercer estrés capilar también lo hace, de esta manera el gel no disminuirá su volumen.

La aerogelificación

Un gel se coloca en un recipiente a presión bajo un volumen del mismo líquido contenido dentro de sus poros (etanol por ejemplo), el recipiente a presión se calienta entonces lentamente a la temperatura crítica del líquido, mientras esto sucede la presión de vapor de los líquidos aumenta haciendo que la presión en el recipiente aumente y se acerque a la presión crítica del líquido, el punto crítico es entonces superado , transformando suavemente el líquido en el gel (así como el líquido y el vapor que rodea el gel ) en un fluido supercrítico . Una vez que esto sucede, la capacidad del fluido en el gel para ejercer estrés capilar en la estructura sólida del gel ha disminuido a cero.

Teniendo todo el recipiente con fluido supercrítico y con los poros impregnados de esta sustancia se procede a retirar el líquido del gel produciendo una despresurización parcial del recipiente siempre y cuando la presión y la temperatura se mantengan por encima del punto crítico, el objetivo es eliminar suficiente cantidad del líquido del recipiente mientras que el fluido sea supercrítico de esta manera cuando el recipiente este completamente despresurizado y enfriado no habrá suficiente fluido supercrítico para condensarse, esto puede requerir varios ciclos de aumento y disminución de temperatura y presión realizado por encima del punto crítico; una vez retirado todo el liquido el recipiente se despresuriza y se enfrió de nuevo a las condiciones ambientales lentamente, cuando esto ocurre el fluido en el recipiente pasa de nuevo a través del punto crítico , pero ya que gran parte del fluido se ha eliminado y la temperatura todavía se eleva como el recipiente se despresuriza , el fluido vuelve a una fase de gas en lugar de una fase líquida, de esta forma el que se colocó en un principio

en el recipiente ha pasado a ser un aerogel puesto que ya no hay presencia de líquido dentro de los poros.

La mayoría de los líquidos utilizados en la preparación de geles son disolventes orgánicos tales como metanol, etanol, acetona, y acetonitrilo, tales líquidos son potencialmente peligrosos a las temperaturas y presiones requeridas para realizar el proceso. Para hacer la aerogelificacion menos peligroso, el componente líquido de un gel puede ser intercambiado con un disolvente no inflamable que se mezcla bien con dióxido de carbono.

Producción del gel de sílice

El aerogel de sílice es el tipo más común de aerogel. Es el tipo de aerogel visto con más frecuencia en las fotografías y lo que la gente en general se refieren a cuando se utiliza la palabra "aerogel.

Los geles de sílice se producen a través del proceso de sol-gel, en el que las nanopartículas en suspensión en una solución líquida (es decir, un sol) se utilizan para interconectar y formar una red porosa nanoestructurada continua de partículas a través del volumen del medio líquido (es decir, un gel).

La técnica más común utilizada para la producción de geles de sílice hoy implica la reacción de un alcóxido de silicio con agua en un disolvente tal como etanol o acetona, normalmente en presencia de un catalizador básico ó ácido que contiene fluoruro; en esta técnica, una alcóxido de silicio sirve como la fuente para la sílice, el agua actúa como un reactivo para ayudar a unir las moléculas de alcóxido juntos, y un catalizador (como hidróxido de amonio o fluoruro de amonio). Debido a que los alcóxidos de silicio son generalmente líquidos no polares no son miscibles con agua, como resultado, un disolvente tal como etanol o acetona, que es miscible con ambos alcóxidos de silicio y agua, se añade con el fin de tener todo en la misma fase por lo que puede producirse las reacciones químicas necesarias.

Tres reacciones se producen cuando un alcóxido reacciona con el agua, cuyo resultado es la formación de nanopartículas de sílice (que son los que más tarde se interconectan para formar un gel).

La primera de estas reacciones es la hidrólisis, en la que un alcóxido de silicio reacciona con agua para formar silanol grupos (Si-OH). Estos grupos silanol puede reaccionar entonces ya sea entre sí o un grupo alcóxido (Si-O) para formar un puente de siloxano (Si-O-Si), resulta la unión de dos moléculas en una molécula más grande . Cada átomo de silicio puede formar hasta cuatro puentes siloxano, lo que permite que muchas moléculas pequeñas se conecten entre sí en moléculas gigantes que contienen miles de puentes de silicio-oxígeno. Estas grandes moléculas de puentes entre el silicio y oxígeno se llaman nanopartículas de sílice, y tienen diámetros de aproximadamente unos pocos nanómetros de diámetro. En algún momento, las nanopartículas alcanzan un tamaño crítico en el que dejan de crecer en tamaño y en su lugar se aglomeran con otras nanopartículas, el terminal hidroxilo y el grupo alcoxi en la superficie de las nanopartículas permiten que las nanopartículas se interconectan entre sí generando una red continua que se extiende por la solución líquida, de esta forma un gel se ha formado

CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES.

1. Ultra liviano:

Se debe a que está compuesto enun 90% a un 99.85% de aire.

Es un sólido de muy baja densidad (3 kg/m3); es solo es tres veces más 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 dendrítica, en el que las partículas esféricas de tamaño medio se funden en grupos, los cuales forman una estructura tridimensional altamente porosa de las cadenas, con poros poco menos de 100nm. El tamaño medio y la densidad de los poros pueden ser controlados durante el proceso de fabricación.

3. Ultra aislante

Gracias a su porosidad, el aerogel adquiere características que lo hacen resistente a muy bajas y altas temperaturas; también es capaz de proteger 39 veces más que la mejor fibra de vidrio. De igual manera son buenos aislantes térmicos porque están 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 radiación infrarroja pasa a través de aerogel de sílice.

4. Naturaleza higroscópica

Es seco y actúa como desecante fuerte. Las personas que manipulen aerogel durante períodos prolongados deben usar guantes para evitar la aparición de manchas secas y quebradizas en la piel.

5. Apariencia

Naturaleza semitransparente, es parecido al vidrio ligero; su color azul y amarillento se debe a la dispersión de Rayleigh de las longitudes de onda más cortas de la luz visible por la estructura dendrítica nanométrica. 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 más firmemente dejará una depresión permanente. Al presionar firmemente, causará una avería catastrófica en la estructura, haciendo que se rompa como el vidrio.

7. Hidrófilos

Sin embargo, el tratamiento químico puede hacerlos hidrófobos para prevenir su degradación. Los aerogeles con interiores hidrofóbicos son menos susceptibles a la degradación que los aerogeles con sólo una capa hidrófoba externa, incluso si una grieta penetra en la superficie

8. Índice de refracción

Apenas es de 1.0 siendo el más bajo para un solido

9. La velocidad del sonido a través de él es muy baja (100 m/s)

10. Altamente poroso

Se caracteriza por tener un área superficial extremadamente grande, alta resistividad térmica y acústica, baja constante dieléctrica

11.Consistencia

Similar a la espuma de poliestireno al tac

TIPOS DE AEROGEL

Carbono

Compuestos de partículas con tamaños en el rango nanométrico, unidas entre ellas covalentemente. Tienen muy alta porosidad y áreas 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-formaldehído, y pirolizados. Dependiendo de la densidad, los aerogeles de carbono pueden ser eléctricamente conductores, útiles para electrodos en condensadores o electrodos de desionización.

Debido a su extremadamente alta área 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 también son extremadamente "negros" en el espectro infrarrojo, que refleja sólo el 0,3% de la radiación entre 250 nm y 14,3 m, haciéndolos eficiente para colectores de energía solar.

Sílice

El aerogel de sílice es el tipo más común de aerogel y el más ampliamente estudiado y usado. Es una sustancia basada en sílice, derivado de gel de sílice. Es una nanoespuma de sílice de baja densidad a aproximadamente 1 kg/m3, que es la versión del registro-aerogel de 1,9 kg/m3.

Se tiene notables propiedades aislantes térmicas, poseen la conductividad térmica más baja de cualquier sólido conocido: de 0,03 W/mK a 0,004 W/mK. Su punto de fusión es de 1473 K.

Alúmina

Son los aerogeles elaborados con óxido de aluminio. Estos se utilizan como catalizadores, especialmente cuando están "dopados" con un metal diferente de aluminio.

El aerogel de níquel-alúmina es la combinación más común. También están siendo consideradas por la NASA para la captura de partículas de hipervelocidad, una formulación dopada con gadolinio y el terbio podría dar lugar a fluorescencia donde se da el impacto de partículas, ya que con la cantidad de fluorescencia depende de la energía 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 área de superficie y la estructura porosa, los medicamentos se pueden adsorber a partir de CO2 supercrítico. La velocidad de liberación de los fármacos se puede adaptar en base a las propiedades del aerogel.

Industrial y Comercial

Aunque 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 pérdida de calor o frío, otra de sus aplicaciones a nivel comercial es el uso de estas partículas de aerogel como agentes espesantes en algunas pinturas y cosméticos, de igual manera es utilizado en la construcción de condensadores eléctricos de gran tamaño o para la fabricación de raquetas de tenis al ser ultraligero, incluso el aerogel puede servir como parachoques de automóviles, pues amortigua los golpes en un 89% de intensidad.

Las “Mantas de Aerogel”La fabricación comercial de estas mantas comenzo hace mas de 12 años. Una manta de aerogel es un material compuesto de aerogel de sílice y refuerzo fibroso que convierte el aerogel frágil en un material duradero, flexible. Las propiedades mecánicas y térmicas del producto pueden ser variadas en base a la elección de fibras de refuerzo, la matriz de aerogel, opacificación 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 desempeño 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.

Ingeniería y Construcción.

En este momento los ingenieros están comenzando a realizar experimentos muy interesantes con este material, el aerogel por bajo peso y la capacidad como un aislante térmico lo hacen adecuado para la construcción de estructuras aéreas, lo que permitiría a estas flotar indefinidamente en el aire un ejemplo, una

cúpula geodésica construida con aerogel sería tan ligera, que la diferencia de temperatura entre el aire del interior con el exterior bastaría para hacerla flotar, lo cual reduciría el peso total de la estructura (y su costo), al no necesitar vigas de soporte. El Aerogel traslúcido no permite la fuga de calor pero sí la entrada de radiación solar, tal como lo hace un cristal, lo que se permite la flotación indefinida mientras le dé el sol. la altura de la cúpula 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 térmico es muy importante para aislar de cualquier sustancia extraña el material, además en áreas de producción es usado para las automatizaciones de los diferentes maquinas con las cuales el hombre tiene que interactuar en su día a día.

Textil.

En el área de telas y trajes, el Aerogel se ha proporcionado su propio lugar, pues ya es uno de los más grandes retos en el proyecto de investigación europea sobre de ropa inteligente y su evento el “ I Wear Fashion Show” , e reto es fabricar un traje para proteger de la radiación ultravioleta, como muestra

de la tecnología implicada en estos productos, mencionemos la chaqueta de aerogel llamada absolute zero, diseñada para proteger a su usuario frente a condiciones ambientales extremas, con este material que es el único que puede aislar hasta los -50 grados centígrados, y se funde sólo a una temperatura de 3.000 grados.

También se ha logrado construir trajes para climas extremadamente fríos con espesores mínimos 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. está evaluando la ropa interior de aerogel como protección térmica pasiva para los buceadores.

Aeronáutica 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 térmico. También es muy importante destacar su utilización en la

construcción de estructuras aéreas ya que por ser un material que es 3 veces más denso que el aire y capaz de soportar cargas y aislar el calor de forma que un sistema se comporte adiabáticamente, puede flotar en el aire sin ningún inconveniente por las diferencias de temperatura la NASA utiliza aerogel para atrapar las partículas de polvo espacial a bordo de la nave espacial Stardust. Las partículas se vaporizan en el impacto con los sólidos y pasan a través de los gases, pero pueden ser atrapados en los aerogeles, y finalmente una aplicación importante es la fabricación de los trajes que con una capa de 18mm de aerogel es suficiente proteger a los astronautas contra las temperaturas tan bajas como -130C.