151. Aerogels based on biodegradable polymers and clay
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Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica, Sánchez Soto, Miguel, Wang, Liang, Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica, Sánchez Soto, Miguel, and Wang, Liang
- Abstract
Foam-like aerogels based on biodegradable polymers and sodium montmorillonite (Na+-MMT) clay were prepared through an environmentally friendly freeze-drying process. Both synthesized and bio-based polymers were utilized in this thesis, including polyvinyl alcohol (PVOH), carboxylmethylcellulose (CMC), xanthan gum, agar, Arabic gum and starch. The morphologies of aerogels were characterized using scanning electron microscopy. The mechanical properties investigation included compression and impact tests. Porosities and solid densities were measured using a helium pycnometer while the pore size distribution was determined by automated mercury porosimeters. Most of polymer-clay aerogels exhibited porous and layered structures that were formed via ice templating. However, high viscosity of the precursor solution may break the layered architecture by retarding the formation of ice crystals (e.g. 2.5 wt% agar aqueous solution). The structures as well as the properties of aerogels were mainly influenced by polymer/clay proportion. Polymer molecules play a role of glue linking the clay nanoparticles, improving the structural integrity and hence the mechanical performance of the aerogels. On the other hand, clay platelets serve as a physical barrier that increases the heat endurance. Recycled cellulose fibers (RCF) that were isolated from waste paper pulp were also used to prepare bio-based aerogels. Adding another biopolymer CMC into RCF aerogels, the resultant RCF-CMC composite aerogels showed different microstructures and enhanced mechanical properties. Physical blending and chemical crosslinking were used to tailor the mechanical properties of xanthan gum/clay aerogels and starch/clay aerogels, respectively. Blending agar with xanthan gum in aqueous solution, the resultant aerogels displayed a significant improvement in mechanical properties compared with those containing a single biopolymer. Moreover, they exhibited tunable microstructures and mechanical properties by ch, En esta Tesis se han preparado diversos aerogeles usando polímeros biodegradables como matriz y arcilla como refuerzo, a través de un proceso de fabricación amigable con el medio ambiente. Los polímeros empleados han sido tanto de origen natural (goma árabiga, agar-agar, goma xantana, almidón) o sintéticos como la carboximetilcelulosa (CMC) o el alcohol polivinílico. Los compuestos formados se han caracterizado a través de diferentes técnicas con el objeto de relacionar las morfologías generadas con las propiedades térmicas y mecánicas resultantes. La gran mayoría de los aerogeles polímero/arcilla exhiben una estructura porosa y laminar que se forma a raíz de la liofilización. Sin embargo, se ha apreciado que altas viscosidades en la solución precursora puede romper la arquitectura laminar al retardar el crecimiento de los cristales de hielo (ej. Solución acuosa de 2.5 % peso de agar). La estructura y las propiedades de los aerogeles están asimismo y en general influenciados por la relación polímero/arcilla. En estos sistemas, las moléculas de polímero actúan a manera de pegamento uniendo las partículas de arcilla, incrementando de esa manera notablemente la capacidad mecánica de los aerogeles. Por otro lado la arcilla actúa entre otras formas, como barrera térmica incrementando la resistencia térmica y al fuego de las espumas formadas. Dentro de este trabajo se han empleado fibras de celulosa recicladas de residuos de papel en un intento de preparar bio-aerogeles a partir de material de desecho. La unión de estas fibras con CMC permitió obtener aerogeles con propiedades mejoradas y la posibilidad de emplear estos residuos en un segundo uso. Además del mezclado físico, en algunos casos se ha realizado una reacción de entrecruzamiento para ajustar las propiedades finales, como en el caso de los aerogeles goma xantana/arcilla o almidón/arcilla. La mezcla de agar con goma xantana en solución acuosa resultó en un notable aumento de propiedades con respecto a las composi, Postprint (published version)
- Published
- 2015