Aerogeles

TTIULO: PRODUCCIÓN DE AEROGELES

RESUMEN:

Los aerogeles son materiales extremadamente porosos, en general de sílice, alúmina, circona, óxidos de estaño o wolframio o mezclas de esos óxidos. Debido a su gran porosidad, de hasta un 99%, y a su gran superficie interna, los aerogeles pueden utilizarse como catalizadores activos, sustratos catalíticos, adsorbentes, rellenos, agentes de refuerzo, pigmentos y agentes gelificantes.

Los aerogeles de sílice, como relleno súper aislante translúcido o transparente, pueden reducir considerablemente las pérdidas térmicas en ventanas y aumentar el balance energético en sistemas solares pasivos. Los aerogeles también poseen unas propiedades acústicas realmente notables: la velocidad del sonido puede llegar a sólo 100 m/s

La obtención de los aerogeles comienza con la transformación de un sol a un gel de forma controlada. El crecimiento de cadenas poliméricas o agrupaciones en una solución es la primera etapa a la que sucede la unión de esas entidades primarias y la formación de una red coherente empapada de líquido. El proceso de secado hipercrítico evita las tensiones superficiales y permite la extracción del líquido de la delicada estructura del gel sin que se produzcan contracciones. En realidad, la preparación de un aerogel es un procesamiento de ultra estructura en el intervalo de 1 nm a 1 ixm. Esto implica la manipulación de superficies e interfaces desde las primeras etapas de la formación del gel, condición «sine qua non» para el desarrollo de esta nueva generación de sólidos porosos.

INTRODUCCIÓN:

El procedimiento sol-gel es un nuevo método no tradicional para la preparación de vidrios y materiales cerámicos. Esta vía de obtención mediante procesos en los que se usan compuestos, en general metal orgánicos, se inició hace más de cuarenta años, pero ha sido en la última década cuando se ha producido un enorme desarrollo en este campo al vislumbrarse en ella un proceso de preparación de materiales que permite dar respuesta a una variada demanda para aplicaciones especiales.

La importante innovación que aporta el procedimiento sol-gel es la de poder preparar, a temperaturas bajas, materiales muy puros con alto grado de homogeneidad que no siempre pueden conseguirse por los métodos tradicionales.

Dentro del proceso sol-gel para la preparación de vidrios existen dos variantes que son esencialmente diferentes en sus productos de partida y en sus primeras etapas de reacción:

 Primer método: Formación de un gel a partir de una suspensión coloidal o de un sol de sílice.

 Segundo método: Formación de un gel a partir de la hidrólisis y poli condensación de compuestos metal orgánicos en un medio acuoso-alcohólico.

En el primer método de preparación la sílice se incorpora en forma de suspensión coloidal. Si se desea obtener un material con mayor número de componentes, éstos pueden adicionarse en forma de sales disueltas en agua. De la mezcla resulta una suspensión homogénea o sol que se transforma en gel por un proceso de desestabilización o gelificación. Posteriormente, el gel se calienta a más de 800°C para que elimine el agua y densifique definitivamente.

En el segundo procedimiento todos los constituyentes o parte de ellos se introducen en forma de compuestos metalorgánicos (alcóxidos). Tras la reacción de hidrólisis de los alcóxidos se produce una poli condensación que origina la gelificación del sol. Los tratamientos térmicos posteriores permiten obtener geles reactivos que pueden evolucionar a vidrio mediante una densificación final. La transición gel-vidrio se puede llevar a cabo por varios caminos:

a) Evolución de las partículas del gel a material vítreo por debajo de la temperatura de transición del correspondiente vidrio.

b) Transformación de las partículas del gel a materiales vítreos o vitro cerámicos por sintetización con o sin presión a temperaturas mayores de la temperatura de transición del correspondiente vidrio.

c) Fusión de las partículas del gel para obtener un vidrio.

Las ventajas del procedimiento sol-gel se pueden resumir en los siguientes puntos:

• Se pueden preparar materiales vítreos y transparentes sin fundir.

• La distribución de cationes se realiza a escala molecular y se pueden obtener microestructuras uniformes en zonas de in miscibilidad líquido-líquido.

• Se puede conseguir la incorporación de ciertos cationes en un estado de oxidación determinado.

• Se pueden obtener vidrios ultra puros, ya que muchos alcóxidos son líquidos y se pueden purificar por destilación.

• Los productos obtenidos son muy útiles en recubrimientos a bajas temperaturas.

• En los materiales vítreos preparados se mejora considerablemente la homogeneidad macroscópica y sub microscópica.

• Los materiales vítreos se pueden obtener a temperaturas más bajas que los vidrios preparados por fusión convencional.

Frente a estas ventajas hay que destacar dos inconvenientes principales: el elevado coste de las materias primas y la lentitud con que debe transcurrir el proceso para evitar la formación de grietas y la generación de roturas. Ambos inconvenientes limitan hoy por hoy la producción industrial de piezas de cierto tamaño y restringen las posibilidades del método a la preparación de capas delgadas, fibras y pequeños componentes monolíticos para usos especiales. El elevado coste de las materias primas puede absorberse cuando se trate de producir materiales especiales de muy alto valor añadido. En cuanto al segundo inconveniente la lentitud del secado y densificación de los geles y el riesgo de que en ellos se generen grietas y roturas se encuentra prácticamente resuelto desde 1982 con la preparación de geles en condiciones hipercríticas; es decir, por evacuación de las sustancias líquidas que no forman parte del material definitivo a temperaturas y presiones por encima de su punto crítico. Los materiales así obtenidos se llaman AEROGELES. La historia de los aerogeles comenzó en 1931 cuando Kistler, en la Universidad de Stanford, intentó eliminar el líquido de un gel. A propósito de su primer trabajo sobre el tema, Kistler comentó: «Mr. Charles Learned y yo nos hemos aventurado a probar la hipótesis de que el líquido de un gel se puede reemplazar por un gas sin que se produzcan contracciones y hemos tenido éxito». Ya a mediados del siglo pasado, los biólogos intercambiaban el agua de los tejidos gelatinosos por alcohol o parafina para sus observaciones al microscopio. De este modo obtenían un gel en el que la materia orgánica era la fase dispersa en lugar del agua. Generalizando esta idea se puede prever que una vez formando un Gel, el fluido que lo rellena puede ser no sólo cualquier líquido, sino también un gas. Sin embargo, el modo de sustituir el líquido que empapa un gel por un gas sin dañar la estructura de aquél no es tarea sencilla y requiere, en cualquier caso, una cuidadosa manipulación.

Actualmente, en los aerogeles se recurre no tanto a la sustitución del agua por otros líquidos o por un gas, sino a la evaporación del líquido que empapa el gel, cuya fase gaseosa será el nuevo relleno del aerogel. Así se evitan las inter-fases líquido-vapor en la red del material que, al provocar tensiones superficiales, podrían originar contracciones durante el secado debidas al colapso parcial de la red. Si la estructura del gel es suficientemente fuerte como para resistir las tensiones del líquido, se evita el colapso. Pero ¿cómo se puede conseguir?... Kistler indicó en 1932 que si un líquido se sometía a una presión mayor que su presión de vapor y se subía la temperatura, el líquido se transformaba en un gas sin que se formaran dos fases en ningún momento. En este caso es posible obtener un gel no colapsado cuya estructura está rellena de aire.

Esta transformación hipercrítica se lleva a cabo, generalmente, en un autoclave de pequeño tamaño con calefacción eléctrica y capaz de alcanzar unos 300 bares de presión. Al inicio de la preparación de aerogeles se trabajó con geles inorgánicos rellenos de agua, cuyas

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