Preparação de compósitos de aerogel de sílica com borracha reciclada para isolamento térmico de edifícios

Abstract

A presente dissertação teve como objetivo a síntese de compósitos de aerogel de sílica com borracha de pneu reciclada para isolamento térmico de edifícios. As propriedades alvo para esta aplicação passam por uma baixa massa volúmica bulk e condutividade térmica e elevada manuseabilidade, preferencialmente sem fraturar. Sendo assim, é necessário sintetizar o aerogel, e utilizar um material ligante par ao aglutinar com a borracha. O agente ligante usado foi um elastómero, que corresponde às propriedades pretendidas. O aerogel foi sintetizado com base nos precursores tetraetilortossilicato (TEOS) e metiltrimetoxisilano (MTMS). Como alternativas de ligantes foram considerados o OKM ELAX, um poliuretano flexível comercial, e o Sylgard, um elastómero de silicone.O estudo do potencial de aplicação de aerogel a nível da construção civil tem-se baseado na incorporação deste em cimentos e gessos, de modo a melhorar as propriedades térmicas e mecânicas destes. A inovação do presente trabalho consiste na incorporação de um resíduo existente em demasia no nosso planeta, a borracha de pneu, num novo isolamento térmico para aplicar nas estruturas metálicas dos edifícios LSF. Este design é inovador considerando o estado de arte nesta área.A síntese dos aerogéis/xerogéis foi feita recorrendo à tecnologia sol-gel, com catálise em dois passos e com secagem à pressão ambiente (APD). Foram implementadas variações nas proporções dos precursores e modificações de superfície dos mesmos. Após a obtenção dos aerogéis/xerogéis, passou-se à incorporação destes, juntamente com as partículas de borracha de pneu, num compósito final, com recurso aos ligantes referidos anteriormente. Os compósitos obtidos foram submetidos a caracterização química, mecânica e térmica, de modo a avaliar, de entre os parâmetros considerados, quais os compósitos que cumprem os requisitos necessários para a aplicação proposta.Numa fase inicial, conclui-se que a utilização do Sylgard como ligante não seria aplicável uma vez que este apresenta baixa reticulação na presença da borracha de pneu, devido ao conteúdo de enxofre nesta. A análise FTIR revelou que o aerogel/xerogel elaborado com MTMS apresenta ainda picos residuais para grupos Si-OH, o que demonstra que as reações de condensação foram incompletas, e que as modificações de superfície aplicadas após a gelificação foram eficazes no sentido de que aumentarem a hidrofobicidade dos materiais. Através do microscópio ótico foi possível verificar que os compósitos com granulometria pequena são os que apresentam um aspeto mais homogéneo, com melhor dispersão das partículas de aerogel e de borracha de pneu na matriz do ligante. Revelou ainda uma boa adesão entre os componentes da matriz.Conclui-se assim que compósitos de OKM ELAX obtidos com a incorporação de xerogéis sintetizados com os precursores de TEOS e de TEOS/ MTMS (50:50), (sem modificação de superfície), e utilizando partículas de granulometria entre os 0.25-1.00 mm para o xerogel e a borracha de pneu, são os que apresentam melhores propriedades chave, nomeadamente compósitos leves (ρbulk ≈ 270 kg.m-3), isolantes (k ≈ 66 mW.m-1.K-1) e flexíveis(E ≈ 105 kPa), sendo estes, de todas as amostras estudadas neste trabalho, os que mais se aproximam dos requisitos necessários para a aplicação nas estruturas metálicas dos edifícios LSF.

The present dissertation aimed for the synthesis of silica aerogel compounds with recycled tire rubber for thermal insulation of buildings. The target properties for this application are low density and thermal conductivity and high handling capacity, preferably without fracturing. Therefore, it is necessary to synthesize an aerogel, and use a binder to agglutinate it with the rubber. The binder used was an elastomer, which corresponds to the desired properties. The aerogel was synthesized based on the tetraethylorthosilicate (TEOS) and methyltrimethoxysilane (MTMS) precursors. As binder alternatives, the OKM ELAX, a commercial flexible polyurethane, and the Sylgard, a silicone elastomer, were considered.The study of the potential of aerogel application in the construction industry has been based on its incorporation in cement and plaster, in order to improve their thermal and mechanical properties. The innovation of the present work is the incorporation of an excess residue on our planet, the tyre rubber, in a new thermal insulation to apply to the metal structures of LSF buildings. This design is innovative considering the state of art in this area.The synthesis of aerogels/xerogels was done using sol-gel technology, with two step catalysis and ambient pressure drying (APD). Variations in precursor proportions and surface modifications were implemented. After obtaining the aerogels / xerogels, they were incorporated, together with the tyre rubber particles, into a final composite, using the aforementioned binders. The composites obtained were subjected to chemical, mechanical and thermal characterization, in order to evaluate, among the considered parameters, which composites meet the necessary requirements for the proposed application.At an early stage, it was concluded that the use of Sylgard as a binder would not be applicable as it has low cross-linking capacity in the presence of tyre rubber due to the sulfur content in it.The FTIR analysis revealed that MTMS aerogel/xerogel still has residual peaks for Si-OH groups, which shows that the condensation reactions were incomplete, and that the surface modifications applied after gelation were effective in increasing the hydrophobicity of the materials.Through the optical microscope it was possible to verify that the composites with small particle size have the most homogeneous appearance, with better dispersion of aerogel and tyre rubber particles in the binder matrix. It also revealed a good adhesion between the matrix components.It is therefore concluded that OKM ELAX composites obtained by incorporatingxerogels synthesized with TEOS and TEOS+MTMS (50:50) precursors, (without surface modification), and using particle size between 0.25-1.00 mm for xerogel and tyre rubber, have the best key properties, namely they are lightweight (ρbulk ≈ 270 kg.m-3), insulating (k ≈ 66 mW.m-1.K-1) and flexible (E ≈ 105 kPa) composites. Of all the samples studied in this work, these are the ones that most closely meet the requirements for the application in the metal structures of LSF buildings.