esqueleto forte e leve
O primeiro passo na criação de um aerogel envolve a produção de um gel, uma rede sólida 3D que retém líquidos como a água na gelatina. Na próxima etapa, o líquido de dentro do gel é removido com cuidado, deixando um esqueleto microporoso e esponjoso. Este esqueleto é ultraleve devido à substituição de líquido pesado por ar, e potencialmente forte devido à rede 3D interconectada.
Um material que não foi desenvolvido anteriormente como aerogel é o sulfeto de polifenileno (PPS). É um termoplástico ultra-forte que é frequentemente usado como substituto do metal quando são necessárias economia de peso e resistência química. Como aerogel, o PPS pode levar a uma nova onda de aplicações, especialmente em isolamentos leves de alto desempenho. Recentemente, o grupo de pesquisa de Moore demonstrou um processo simples para criar géis e aerogéis PPS usando solventes proprietários, não tóxicos e ecologicamente corretos.
A equipe de Moore levou o processo para Williams, que é pioneira em novos métodos de impressão 3D.
“Bob e eu colaboramos há muitos anos devido à interdisciplinaridade promovida pelo Polymer Innovation Institute”, disse Williams. “Organizamos uma reunião conjunta entre os dois grupos durante o verão para que os alunos pudessem se tornar mais conscientes das capacidades e conhecimentos do nosso laboratório e idealizar maneiras de colaborar. A partir dessa reunião, descobri que a nova abordagem de Bob para sintetizar aerogel PPS misturado bem com a experiência do meu grupo em impressão 3D e pesquisas anteriores em impressão PPS.”
“Ao contrário dos aerogéis de sílica e de outros polímeros reticulados usados pela NASA, nossos géis PPS não requerem reações químicas complexas e podem ser derretidos e solidificados repetidas vezes”, disse Moore. “Tudo o que precisamos fazer é preparar uma solução quente de PPS disponível comercialmente e deixá-la esfriar até a temperatura ambiente. Quando usada, a solução de PPS gelifica em segundos. É tão fácil quanto fazer gelatina. Mas depois de ver esses géis solidificarem super rápido , nos unimos ao grupo de Williams para tornar isso possível para impressão. Decidi que era hora de descobrir.”
A barreira do aerogel PPS foi quebrada com a descoberta de Moore da rápida gelificação do PPS. Inovações simples em química e impressão 3D se combinam para criar a primeira fabricação aditiva de PPS em aerogel.
quebrar o molde
Semelhante à gelatina, os géis utilizados para fazer aerogéis são tradicionalmente formados em moldes abertos. Isso resulta em uma forma sólida com tamanho e formato limitados. A produção de aerogéis PPS com formas e geometrias projetadas requer uma combinação de inovação na química de polímeros e fabricação avançada.
Para a equipe de Moore, Godshall criou pelotas de gel PPS e as colocou em uma nova ferramenta de impressão de alta temperatura que Lau projetou especificamente para esta tarefa. Dentro do bico, o pellet de gel é reliquefeito e extrudado no substrato, onde esfria e solidifica novamente.
Após a impressão, a parte do gel contendo solvente é removida através de um processo de troca e liofilização para se tornar aerogel PPS. Este processo permite a formação de poros finos que podem ser ajustados através das configurações de impressão. Além disso, em macroescala, a forma tridimensional do aerogel PPS pode ser adaptada através das infinitas possibilidades de forma da impressão 3D.
Criar formas grandes e leves que combinem com os contornos das asas dos aviões, ou pequenas estruturas isolantes incorporadas em dispositivos eletrônicos, significa menos material na fabricação. Estruturas fortes de aerogel poderiam equivaler à economia de combustível através de veículos com pesos mais leves, e o isolamento projetado poderia melhorar a eficiência energética das tecnologias da próxima geração.
“Esta publicação representa um avanço significativo na produção de aerogéis complexos a partir de polímeros projetados”, disse Williams. “A técnica de síntese de Bob também pode ser usada com muitos outros polímeros de alto desempenho, e o processo de impressão pode ser facilmente modificado para acomodar essas mudanças. Ficamos surpresos ao saber disso e estamos entusiasmados em estudar mais a fundo e descobrir como controlar e programar isso estrutura e desempenho em novas peças multifuncionais.”
Escrito por Alex Parrish
