Analyse des performances de l'isolation thermique et des champs d'application des composites Airgel renforcés à fibre aramide

Les aérogels sont des solides à basse densité, principalement mésoporeux avec d'excellentes propriétés, y compris de faible densité, une surface spécifique élevée, une constante diélectrique faible et une conductivité thermique ultra-bas. Les exemples comprennent les aérogels de graphène ou de nanotube de carbone, les aérogels de polyuréthane et de polyimide, les aérogels biopolymères tels que la cellulose, le chitosane et les aérogels protéiques, ainsi que leurs composites et hybrides. En particulier au cours de la dernière décennie, il y a eu une augmentation explosive des articles scientifiques et des brevets décrivant de nouveaux matériaux aérogeaux, des processus de production et des applications, couvrant des domaines tels que l'isolation thermique, les systèmes de livraison, l'assainissement environnemental, la catalyse et l'acoustique.

Malgré l'importance croissante du champ Airgel, ou peut-être à cause de cela, la définition de "Airgel " reste controversée. Les premières définitions étaient souvent basées sur les techniques de séchage utilisées dans le processus de production, telles que les aérogels du séchage supercritique, les cryogels du lyophilisation et les xérogels du séchage évaporatif. Cependant, les définitions plus récentes tendent à se concentrer sur les propriétés des matériaux, en particulier la proportion élevée de mésoporosité. En fin de compte, la définition la plus large des aérogels fait référence à tout matériau dérivé d'un gel en remplaçant le liquide des pores par de l'air, sans restrictions sur la taille des pores ou d'autres caractéristiques. Cette définition plus large comprend principalement des matériaux macroporeux qui ne possèdent pas la mésoporosité, la surface élevée ou la conductivité thermique ultra-faible généralement associée à des aérogels, tels que les mousses de cellulose lyophilisées.

Les aérogels de silice sont produits par un processus de sol-gel, avec diverses modifications proposées pour améliorer les ressources et la rentabilité. Cependant, la plupart des processus suivent toujours les mêmes étapes de base. La gélification des sols de silice est généralement déclenchée en ajoutant des acides ou des bases pour réduire la stabilité de charge des nanoparticules. Après gélification, la réaction de précipitation de dissolution de la silice renforce les interactions interparticulaires, améliorant ainsi la stabilité mécanique du gel. Le succès industriel des aérogels de silice est presque entièrement attribué à leurs performances dans les applications d'isolation thermique. Leur conductivité thermique peut être aussi faible que 0,012 W / (M · K), principalement en raison de la porosité élevée et de la tortuosité du réseau de particules, ce qui restreint la conduction thermique en phase solide. De plus, en raison de l'effet de Knudsen, la petite taille des pores - est de consacrer la longueur moyenne des trajectoires libres des molécules de gaz - réduit la conduction thermique en phase gazeuse. Cette conductivité thermique ultra-bas (seulement la moitié de celle de l'air ambiant et des matériaux d'isolation conventionnelle) a donné lieu à un marché en croissance rapide d'une valeur de centaines de millions de dollars.

La conductivité thermique totale est étroitement liée à la densité des matériaux, comme le montre la figure 1. Dans les matériaux d'isolation conventionnels, le rayonnement joue un rôle significatif et, dans les cas de grandes tailles de pores, la convection d'air devient également non consécutive. À mesure que la densité augmente, le transfert de chaleur radiatif diminue tandis que la conduction de chaleur en phase solide augmente. En raison de ces effets concurrents, la conductivité thermique présente une dépendance en forme de U à la densité. Les mêmes influences s'appliquent aux matériaux AirGel; Cependant, comme les tailles de pores aérogel sont plus petites que le libre parcours de l'air moyen, la conduction en phase gazeuse est considérablement réduite. Cela diminue la fréquence des collisions de molécules d'air, réduisant ainsi le transfert de chaleur gazeux. Par conséquent, la conductivité thermique totale minimale se déplace vers des densités et des régions plus élevées avec (multiple) une faible conductivité électrique.

Les nanoparticules d'aérogel de silice construisent une structure multi-réseaux par interconnexion, mais la faible liaison entre les particules entraîne de mauvaises propriétés mécaniques, une faible résistance et une forte fragilité dans les aérogels de silice pure. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont exploré diverses stratégies de renforcement. La fibre d'aramide, avec sa faible densité, sa faible conductivité thermique et sa forte résistance mécanique, est devenue un choix idéal pour améliorer les aérogels de silice. Avec une température de décomposition d'environ 450 ° C dans l'air, la fibre d'aramide est particulièrement adaptée aux applications d'isolation à haute température.

En 2016, les composites Airgel de silice renforcés par la fibre aramide (AF / Airgel) ont été fabriqués avec succès. Par la suite, la glycidyl propyloxie triméthoxysilane (GPTMS) greffée de fibres d'aramide et de polytétrafluoroéthylène (PTFE) composites de fibres d'aramide à fibre d'aramide à remise d'aramide a été introduite. Ces composites ont non seulement conservé une faible densité et une faible conductivité thermique, mais ont également considérablement amélioré la résistance à la compression et en flexion.

D'autres études ont démontré que les propriétés thermiques et mécaniques de la fibre d'aramide le rendent très efficace pour les applications de protection balistique. Par rapport au tissu aramide seul, les échantillons de test balistique intégrés aérogél ont présenté une réduction de 72% du taux de perforation du tissu. En 2021, Almeida et al. a comparé les effets de renforcement des aérogels de silice avec des fibres d'aramide et du feutre, constatant que les composites incorporant des fibres allongées présentaient une densité en vrac plus faible et une plus grande flexibilité, ce qui les rend bien adaptés aux applications d'adaptation à la forme et à la vibration.

La combinaison de la fibre d'aramide et de l'aérogel réalise une amélioration complémentaire des propriétés des matériaux. En tant que composant de renforcement, la fibre d'aramide fournit un fort soutien mécanique aux aérogels, améliorant leurs performances mécaniques, tandis que les aérogels contribuent à leurs capacités d'isolation thermique et d'absorption du son, fonctionnant en synergie avec les fibres d'aramide.

Par exemple, les composites Aramid / Airgel préparés en utilisant le processus de papillon pondéré humide non seulement conservent les propriétés fonctionnelles du papier aramide, mais présentent également une résistance à la chaleur améliorée. Ces composites ont de larges perspectives d'application dans l'isolation thermique, offrant de nouvelles idées et possibilités pour l'avancement de la science des matériaux.