Development of mechanically reinforced polymersilica aerogels for thermal insulation in Space applications

Abstract

Silica aerogels have extremely high surface area, high porosity and very low density, showing suitable characteristic for several potential applications such as thermal and acoustic insulators, radiation detectors and cometary dust trappers. However, due to their high fragility, the processing and handling of native silica aerogels is not possible without making severe damage on them. This has led to the development of silica aerogel composites with high strength and improved mechanical properties by adding surface modifiers and compounding with appropriate polymers. To date, attempts to strengthen the mechanical properties of aerogels have been accompanied by significant increase in the bulk density along with long processing time as well as risky and expensive supercritical drying conditions. In this work, I will describe our research to overcome these problems by one pot and streamline synthesis of tri-methacrylate crosslinked silica aerogels containing different underlying silica structures. This approach led to the development of strong aerogels within hours with different silica nanostructures and having different material properties. The strongest aerogels achieved more than one order of magnitude improvement in the compression strength with only doubling the density and negligible increase in their thermal conductivity. We also developed strong ambient pressure dried (APD) silica aerogel-like monoliths with controlled shrinkage, and avoiding high risk and costly supercritical drying by replacing it by low cost subcritical drying conditions. In this approach, we were also able to optimize and model the aerogels’ main properties by using a statistical experimental design methodology and develop APD aerogels with similar properties as their supercritically dried counterparts. In terms of material properties, our developed aerogel and aerogel-like monoliths were perfectly suitable for their intended space applications. We also developed a first approach to control the molecular weight of the polymer that reinforce the silica aerogels by surface initiated reversible addition-fragmentation chain transfer (SI-RAFT) polymerization. With this method, a correlation between the molecular weight of the polymer and different aerogel properties was established. Therefore, with such versatile approach we prepared strong silica aerogel composites that to some extent retain their other main physical properties.

Os aerogéis de sílica exibem área de superfície extremamente elevada, alta porosidade e muita baixa massa volúmica bulk, potenciando o seu uso em várias aplicações, tais como em isoladores térmicos e acústicos, detetores de radiação e captadores de poeiras cósmicas. Contudo, devido à sua baixa densidade e elevada fragilidade, o processamento e manuseamento dos aerogéis de sílica nativos não é possível sem os danificar significativamente. Isto impulsionou o desenvolvimento de aerogéis de sílica compósitos, com elevada resistência e propriedades mecânicas melhoradas, por adição de modificadores de superfície e/ou polímeros apropriados. Até à data, as tentativas que foram feitas para melhorar as propriedades mecânicas dos aerogéis de sílica foram acompanhadas por um aumento significativo da massa volúmica bulk e do tempo de processamento, assim como da utilização de condições supercríticas para secagem, as quais são arriscadas e de implementação dispendiosa. Nesta dissertação, é descrito o trabalho de investigação por nós realizado para ultrapassar estes problemas. Para isso, usou-se um processo de síntese simples, em um passo, de aerogéis de sílica contendo diferentes estruturas de sílica subjacentes e reticulados com trimetacrilato. Esta estratégia conduziu à preparação de aerogéis resistentes em apenas algumas horas, com nanoestruturas de sílica e propriedades diferenciadas. Os aerogéis mais fortes exibiram mais de uma ordem de grandeza de melhoria na resistência à compressão, com apenas a duplicação da densidade e aumento desprezável da sua condutividade térmica. Também foram desenvolvidos aerogéis monolíticos e resistentes recorrendo secagem à pressão ambiente (APD), e evitando assim o passo de secagem supercrítica, mais perigoso e caro do que a secagem subcrítica. Nesta abordagem, foi possível otimizar e modelar as principais propriedades dos aerogéis usando uma metodologia estatística de planeamento de experiências e desenvolver aerogéis secos por APD com propriedades semelhantes às dos seus homólogos secos em condições supercríticas. Em termos de propriedades, os aerogéis preparados por ambas os processos de secagem mostraram-se adequados para as aplicações espaciais em vista. Desenvolvemos ainda uma primeira aproximação para controlar o peso molecular do polímero que reforça a rede dos aerogéis de sílica, recorrendo a polimerização por surface initiated reversible addition-fragmentation chain transfer (SI-RAFT). Com este método, estabeleceu-se a correlação entre o peso molecular do polímero e diferentes propriedades do aerogel. Assim, com esta estratégia versátil preparámos aerogéis de sílica compósitos resistentes mecanicamente e retendo, em certa extensão, as suas propriedades físicas relevantes.