Characterization of bio-based reinforced composite aerogels
Tutor / Supervisor
Student
Del Pioluogo, Francesca
Document type
Master thesis
Date
2022
rights
Open Access
Publisher
Universitat Politècnica de Catalunya
Degrees
UPCommons
Abstract
Aerogels are highly porous materials that contain a large amount of air inside and have a very low
density (approximately 0,1 g/cm3
). Due to their properties of low density, large specific area and low
thermal conductivity, they are used in many applications such as heat insulators, particle filters,
packing and catalyst supports.
Inorganic aerogels tend to be brittle which has led to the generation of polymer-based aerogels with
properties similar to polymeric foams. However, most of the raw materials of polymer-based aerogels
are petrol-based which has stimulated a great research effort to find natural alternatives for these
polymers. Polysaccharides and proteins are two families of biopolymers that have met with great
success in research as natural precursors of aerogels for making viable alternatives to replace more
pollutant petroleum-based materials such as expanded polystyrene or polyurethane foams, among
others. Polysaccharides,such as cellulose, have been used in many applications requiring porous, nontoxic and biodegradable structures. Proteins can be either of animal origin, such as gelatine, or plant
origin, such as egg white protein, soy protein or corn zein. The use of proteins as aerogel precursors is
motivated by their biodegradability and biocompatibility characteristics.
The use of polymers as aerogel precursors produces an increase in the flammability of the material and
this is a limitation for applications requiring fire resistance. To increase the fire resistance of polymer
aerogels, it is necessary to add fillers and/or flame retardants.
In this project taking gelatine as bio-based polymer, different compositions will be made by mixing it
with montmorillonite and tannic acid as crosslink agent with the final aim of finding a balance in
properties that make them suitable for industrial applications. Therefore, the final composition must
offer good mechanical, thermal and fire resistance properties at the same time.
The characterisation of the material is done with various instruments: Ubbelhode viscometer, FTIR,
thermal conductivity, compressive strength, moisture absorption, thermogravimetric analysis and
cone calorimetry.
The thermal conductivity of the aerogel containing tannic acid, clay and gelatine at the same time
increased as compared to the pure gelatine aerogel, from 0.037 W/m∙K to 0.046 W/m∙K. Mechanical
properties also increased, both in terms of Young's modulus and yield strength, as compared to basic
gelatine aerogel when tannic acid is present. The presence of tannic acid and clay improved the thermal
stability of the material and decreased the rate of thermal degradation of the aereogel. Finally, due to
the intumescent characteristic of these two materials, it was also possible to decrease the peak heat
released, the flammability of the material and the ignition time.
In conclusion, the addition of tannic acid as a crosslinker and clay as a filler made it possible to increase
both thermal and mechanical properties and fire resistance simultaneously.
Los aerogeles son materiales muy porosos que contienen una gran cantidad de aire en su interior y
tienen una densidad muy baja (aproximadamente de 0,1 g/cm3
). Debido a sus propiedades de baja
densidad, gran área específica y baja conductividad térmica, se utilizan en muchas aplicaciones como
aislantes térmicos, filtros de partículas, envases y soportes para catalizadores.
Los aerogeles inorgánicos tienden a ser frágiles, lo que ha llevado a la generación de aerogeles basados
en polímeros con propiedades similares a las espumas poliméricas. Sin embargo, la mayoría de las
materias primas de los aerogeles poliméricos están basadas en el petróleo, lo que ha estimulado un
gran esfuerzo de investigación para encontrar alternativas naturales a estos polímeros. Los
polisacáridos y las proteínas son dos familias de biopolímeros que han tenido un gran éxito en la
investigación como precursores naturales de aerogeles para crear alternativas viables que sustituyan
a materiales más contaminantes basados en el petróleo, como el poliestireno expandido o las espumas
de poliuretano. Los polisacáridos, como la celulosa, se han utilizado en muchas aplicaciones que
requieren estructuras porosas, no tóxicas y biodegradables. Las proteínas pueden ser de origen animal,
como la gelatina, o vegetal, como la proteína de la clara de huevo, la proteína de soja y la zeína de
maíz. El uso de proteínas como precursores de aerogeles está motivado por sus características de
biodegradabilidad y biocompatibilidad.
El uso de polímeros como precursores del aerogel produce un aumento de la inflamabilidad del
material y esto es una limitación para las aplicaciones que requieren resistencia al fuego. Para
aumentar la resistencia al fuego de los aerogeles poliméricos, hay que añadir cargas y/o retardantes
de llama.
En este proyecto, tomando la gelatina como polímero de base biológica, se realizarán diferentes
composiciones mezclándola con montmorillonita y ácido tánico como agente reticulante, con el
objetivo final de encontrar un equilibrio en las propiedades que las haga aptas para aplicaciones
industriales. Por lo tanto, la composición final debe ofrecer buenas propiedades mecánicas, térmicas y
de resistencia al fuego al mismo tiempo.
La caracterización de los aerogeles se realiza con diferentes instrumentos: viscosímetro Ubbelhode,
FTIR, conductividad térmica, resistencia a la compresión, absorción de humedad, análisis
termogravimétrico y calorimetría de cono.
La conductividad térmica del aerogel que contiene ácido tánico, arcilla y gelatina al mismo tiempo
aumentó en comparación con el aerogel de gelatina pura, de 0,037 W/m∙K a 0,046 W/m∙K. Las
propiedades mecánicas también aumentaron, tanto en términos de módulo de Young como de límite
elástico, en comparación con el aerogel de gelatina básica en presencia de ácido tánico. La presencia
de ácido tánico y arcilla mejora la estabilidad térmica del material y disminuye la tasa de degradación
térmica. Por último, debido a la característica intumescente de estos dos materiales, fue posible
disminuir el pico de liberación de calor, la inflamabilidad del material y el tiempo de ignición.
En conclusión, la adición de ácido tánico como reticulante y de arcilla como refuerzo permitió
aumentar simultáneamente las propiedades térmicas y mecánicas y la resistencia al fuego.
Els aerogels són materials molt porosos que contenen una gran quantitat d'aire al seu interior i tenen
una densitat molt baixa (aproximadament 0,1 g/cm3
). A causa de les seves baixa densitat, gran àrea
específica i baixa conductivitat tèrmica, s'utilitzen en moltes aplicacions com aïllants tèrmics, filtres de
partícules, envasos i suports per a catalitzadors.
Els aerogels inorgànics tendeixen a ser fràgils, cosa que ha portat a la generació d'aerogels basats en
polímers amb propietats similars a les escumes polimèriques. No obstant això, la majoria dels polimèrs
provenen del petroli, fet que ha estimulat un gran esforç de recerca per trobar alternatives naturals.
Els polisacàrids i les proteïnes són dues famílies de biopolímers que han tingut un gran èxit en la
investigació com a precursors naturals d'aerogels per crear alternatives viables que substitueixin
materials més contaminants basats en el petroli, com ara el poliestirè expandit o les escumes de
poliuretà. Els polisacàrids, com la cel·lulosa, s'han fet servir en moltes aplicacions que requereixen
estructures poroses, no tòxiques i biodegradables. Les proteïnes poden ser d'origen animal, com la
gelatina, o vegetal, com la proteïna de la clara d'ou, la proteïna de soja i la zeïna de blat de moro. L'ús
de proteïnes com a precursors d'aerogels està motivat per les característiques de biodegradabilitat i
biocompatibilitat.
L'ús de polímers com a precursors de l'aerogel produeix un augment de la inflamabilitat del material i
això és una limitació per a les aplicacions que requereixen resistència al foc. Per augmentar la
resistència al foc dels aerogels polimèrics, cal afegir càrregues i/o retardants de flama.
En aquest projecte, prenent la gelatina com a polímer de base biològica, es realitzaran diferents
composicions barrejant-la amb montmorillonita i àcid tànnic com a agent reticulant, amb l'objectiu
final de trobar un equilibri en les propietats que les faci aptes per a aplicacions industrials. Per tant, la
composició final ha d'oferir bones propietats mecàniques, tèrmiques i de resistència al foc alhora.
La caracterització dels aerogels es fa amb diferents instruments: viscosímetre Ubbelhode, FTIR,
conductivitat tèrmica, resistència a la compressió, absorció d'humitat, anàlisi termogravimètrica i
calorimetria de con.
La conductivitat tèrmica de l'aerogel que conté àcid tànnic, argila i gelatina va augmentar alhora en
comparació amb l'aerogel de gelatina pura, de 0,037 W/m∙K a 0,046 W/m∙K. Les propietats mecàniques
també van augmentar, tant en termes de mòdul de Young com de límit elàstic, en comparació de
l'aerogel de gelatina bàsica en presència d'àcid tànnic. La presència d'àcid tànnic i argila millora
l'estabilitat tèrmica del material i disminueix la taxa de degradació tèrmica. Per acabar, a causa de la
característica intumescent d'aquests dos materials, va ser possible disminuir el pic d'alliberament de
calor, la inflamabilitat del material i el temps d'ignició.
En conclusió, l'addició d'àcid tànnic com a reticulant i d'argila com a reforç va permetre augmentar
simultàniament les propietats tèrmiques i mecàniques i la resistència al foc.
