Textile-silica aerogel composites strengthened with fibres waste for thermal insulation

Abstract

Os aerogéis são conhecidos como o Material do Século XXI. Os aerogéis de sílica são dos materiais sólidos com menor massa volúmica, além de outras propriedades únicas, entre as quais se destaca um excelente desempenho em termos de materiais de isolamento. No entanto, a estrutura nanoporosa é causa de inerente fragilidade, já que facilmente quebram durante os processos de fabrico ou simples manuseamento, restringindo, portanto, o seu para muitas das possíveis aplicações. Uma das estratégias mais simples e eficazes para reforçar a estrutura 3D da sílica consiste no desenvolvimento de compósitos de aerogel com fibras incorporadas, o que contribui para alargar o seu campo de aplicação. Este trabalho insere-se na atual efervescente investigação científica, com objetivos de minimizar as desvantagens intrínsecas dos aerogéis de sílica, enquanto procura descobrir novos processos de fabricação, visando a redução de custos e minimização do impacto ambiental. Os conceitos de desenvolvimento sustentável e de economia circular incitam a repensar a conceção e o desenvolvimento de produtos de mercado, já que a crescente sensibilização e maior esclarecimento do público sobre as questões ambientais motivam cada vez mais os consumidores a fazerem escolhas amigas do ambiente.Compósitos de aerogel de sílica foram desenvolvidos neste trabalho através de uma abordagem mais sustentável. Pela primeira vez, fibras têxteis recuperadas de algodão, poliéster e lã, obtidas a partir de resíduos da indústria do vestuário, foram usados como matriz de reforço dos compósitos. As fibras foram obtidas exclusivamente por processos mecânicos, e os processos de fabricação adotados para os compósitos de aerogel de sílica foram projetados de forma a facilitar a transição para escala industrial e futura comercialização. Além de evitar a depleção de recursos, esta abordagem não compete com as necessidades da Indústria Têxtil. O elevado consumo de solventes orgânicos, muitos deles classificados como prejudiciais em termos de segurança, saúde ocupacional e meio ambiente, é outro desafio vital a ser encarado no desenvolvimento de aerogéis de sílica. Este trabalho apresenta o acetato de etilo (EtOAc) como solvente pós-síntese em sistemas de aerogel de sílica-algodão, uma vez que o EtOAc é um dos solventes orgânicos menos prejudiciais, sendo também uma opção sustentável em termos de custos.Tetraetil ortosilicato (TEOS), que é o menos dispendioso entre os percursores silano convencionais, foi usado nos compósitos aqui desenvolvidos, com o processo de secagem a decorrer em pressão ambiente. Isobutiltrietoxisilano (isoBTES) ou viniltrimetoxisilano (VTMS) foram usados em menor quantidade como co-precursores, respetivamente para compósitos reforçados com algodão-, poliéster- ou lã-sílica. Além de facilmente manuseáveis, a incorporação das fibras também conferiu aos compósitos elevada flexibilidade, com valores do módulo de Young tão baixos quanto 50 ± 7 KPa (algodão-sílica), permitindo assim o seu uso em superfícies curvas.A capacidade de isolamento térmico e acústico dos compósitos de aerogéis de sílica reforçados com fibras têxteis recuperadas foram avaliadas neste trabalho. Os compósitos reforçados com poliéster produzidos com o sistema TEOS-VTMS apresentaram excelentes resultados em termos de condutividade térmica, ao nível dos valores de condutividade térmica do ar (24 ± 1 mW m–1 K–1). Os compósitos de aerogel de sílica de algodão desenvolvidos com o sistema TEOS-isoBTES mostraram excelentes resultados em termos de coeficiente de absorção sonora (), com o valor máximo de  a atingir 0.89 (escala 0-1). Os compósitos reforçados com lã fabricados com o sistema TEOS-VTMS obtiveram os melhores resultados, simultaneamente, em isolamento térmico e acústico, respetivamente menos de 27 ± 2 mW m–1 K–1, com alguns dos compósitos a atingir o valor de ~24 ± 1 m W m–1 K–1. Em relação aos resultados do coeficiente de absorção sonora, o valor máximo de alfa ascendeu a 0.85.Além do isolamento térmico e acústico, uma nova aplicação para compósitos de aerogel de sílica-algodão é aqui divulgada. A estrutura química do algodão favorece a gestão da humidade ambiental; aproveitando esse recurso de adsorção/dessorção de água, a capacidade de regulação da humidade nos compósitos de sílica-algodão aerogel foi então avaliada. Num ambiente de 85% de humidade relativa, os compósitos de aerogel de sílica com ~15% em peso de fibras de algodão adsorveram 2.6 ± 0.2% em peso da humidade ambiente, tendo sido confirmada a reversibilidade do processo. As características hidrofóbicas da matriz de sílica após o tratamento de sililação (aerogéis de sílica-algodão com valores de ângulo de contato > 140 ± 10°) permitem a utilização dos compósitos para a regulação térmica e de humidade em espaços confinados, como por exemplo, aumentar o conforto em habitáculos de passageiros dos veículos de transporte.

Aerogels are known as the Material of the Twenty-first Century. Silica aerogels are among the lightest weight solid materials and exhibit other unique properties, especially an outstanding insulation performance. However, these nanostructured highly porous materials show inherent brittleness and easily break during their processing and handling, thus constraining their use for most possible applications. One of the most convincing and effective strategies to reinforce the silica 3D structure is the manufacturing of aerogel composites with embedded fibres, which significantly contributes to widening their applications. This work is a part of the ongoing effervescent scientific research, focusing to minimize the silica aerogels’ intrinsic drawbacks, while searching for new manufacturing processes, aiming the cost reduction and to lower their environmental burden. The concept of sustainable development and circular economy urge to rethink the conception and development of products, while public awareness concerns drive an increasing number of consumers to make environmentally friendly choices.Silica aerogel composites were here developed through a more sustainable approach. For the first time, textile reclaimed cotton, polyester, and wool, recovered from clothing manufacturing wastes, were used as the reinforcement matrix of the silica aerogel composites. The fibres were obtained exclusively through mechanical processes, and the adopted manufacturing processes of the silica aerogel composites were designed to potential scale-up and future commercialization. While avoiding resource depletion, this approach does not compete with Textile Industry’s needs. The high consumption of organic solvents, many of them classified as harmful in terms of safety, occupational health, and environment, is another vital challenge to tackle in the silica aerogels manufacturing. This work introduces ethyl acetate (EtOAc) as the post-synthesis solvent in cotton-silica aerogel system, since EtOAc is one of the less detrimental organic solvents, being also a sustainable option in terms of cost. Tetraethyl orthosilicate (TEOS), which is the less expensive among the conventional silane precursors, was used in the here developed and ambient pressure dried composites. Isobutyltriethoxysilane (isoBTES) or vinyltrimethoxysilane (VTMS) were used in minor amount as co-precursors, respectively for cotton- and polyester- or wool-silica reinforced composites. Apart from the easy handle, the embedded textile reclaimed fibres imparted high flexibility to the composites, with Young’s modulus values as low as 50 ± 7 KPa (cotton-silica), thus allowing their use in curved surfaces.Thermal and acoustic insulation abilities of silica aerogels reinforced with reclaimed textile fibres were here studied. The polyester-reinforced composites manufactured with the TEOS-VTMS system exhibited excellent results in terms of thermal conductivity, at the level of the values of thermal conductivity of air (24 ± 1 mW m–1 K–1). The cotton-silica aerogel composites developed with the TEOS-isoBTES system, performed excellent results in terms of sound absorption coefficient (), presenting a peak value of alpha as high as 0.89 (scale 0-1). The wool-reinforced composites manufactured with the TEOS-VTMS system achieved the best results, simultaneously, in thermal and acoustic insulation, respectively less than 27 ± 2 mW m–1 K–1, with most of the composites displaying ~24 ± 1 mW m–1 K–1. Regarding the sound absorption coefficient results, the peak value of  for wool-silica aerogel composites reached 0.85. Apart from the thermal and acoustic insulation, a novel application for cotton-silica aerogel composites is here disclosed. Cotton’s chemical structure allows humidity buffering. By taking advantage of that water adsorption/desorption feature, the moisture regulation ability of the silica-cotton aerogel composites was studied. At 85% of relative humidity, silica aerogel composites with ~15 wt% of cotton fibres adsorbed 2.6 ± 0.2 wt% of the ambient moisture and the process reversibility was confirmed. The hydrophobic features of the silica matrix imparted through the silylation treatments (the silica-cotton aerogels with contact angle values > 140 ± 10°) allow the use of the composites for thermal/moisture regulation of confined spaces, for example, to increase the comfort in the passenger compartments of transport vehicles.