Aerogéis inorgânicos: De Materiais Nanoporosos a Soluções de Isolamento Térmico de Alta Eficiência

1 Conceitos fundamentais e propriedades notáveis dos aerogéis

O aerogel é um material sólido nanoporoso tridimensional. Ele é preparado por meio da síntese sol-gel combinada com técnicas de secagem especializadas, como secagem supercrítica ou secagem atmosférica. Muitas vezes chamado de "fumaça solidificada", sua singularidade está na porosidade interna, que ultrapassa 90%. Isso significa que o ar ocupa a grande maioria do espaço do material. A estrutura forma um sistema de poros em escala nanométrica, sustentado por uma estrutura sólida e preenchido com gás. Essa arquitetura exclusiva confere aos aerogéis várias propriedades excepcionais. Entre elas, estão a condutividade térmica ultrabaixa (0,012-0,024 W/(m-K)), a área de superfície específica ultraelevada, a baixa densidade e a excelente flexibilidade de design funcional.

Do ponto de vista químico, os aerogéis são classificados principalmente em três tipos. Entre eles estão os aerogéis inorgânicos (como o aerogel de sílica e o aerogel de alumina), os aerogéis orgânicos (como o aerogel de poliimida e o aerogel de celulose) e os aerogéis à base de carbono (como o aerogel de grafeno e o aerogel de nanotubos de carbono). Essa diversidade permite que os aerogéis se adaptem a diversas demandas de aplicação. Os usos variam desde a proteção térmica em ambientes extremos até o isolamento para economia de energia na vida cotidiana. Isso demonstra seu imenso potencial em vários campos.

Este artigo enfoca os aerogéis inorgânicos, principalmente as variantes à base de sílica e alumina, que se mostraram eficazes na proteção térmica, no isolamento para economia de energia e em outras aplicações de alto desempenho.

Fig. 1 Aerogel

2 Propriedades dos aerogéis feitos de diferentes materiais inorgânicos

2.1 Aerogel de sílica: um material multifuncional com condutividade térmica ultrabaixa

O aerogel de sílica é um material leve, poroso e amorfo com excelentes propriedades de isolamento térmico exotérmico. Sua porosidade pode chegar a 80-99,8%, com tamanhos de poros normalmente distribuídos entre 1 e 100 nm. Ele apresenta uma área de superfície específica de 200-1000 m2/g e uma densidade tão baixa quanto 3 kg/m3. À temperatura ambiente, sua condutividade térmica é tão baixa quanto 0,012 W/(m-K), duas a três ordens de magnitude menor do que a dos materiais isolantes inorgânicos convencionais e até mesmo menor do que a do ar estático. Mesmo a 800°C, sua condutividade térmica permanece em apenas 0,043 W/(m-K). Ele apresenta propriedades estáveis em altas temperaturas sem decomposição, o que o torna um material ecologicamente correto.

Devido à velocidade do som significativamente reduzida dentro do aerogel de sílica, ele serve como um material de retardo acústico ou de isolamento acústico de alta temperatura. Sua ampla faixa de impedância acústica (10^3-10^7 kg/(m2-s)) permite seu uso como material de acoplamento de impedância acústica para amplificar a intensidade do som. Além disso, devido à estrutura de nano-rede do aerogel de sílica, os dopantes existem como nanocristais dentro dele, exibindo forte emissão de luz visível. Isso fornece evidências convincentes de luminescência de confinamento quântico em silício poroso. Aproveitando a estrutura do aerogel de sílica e os efeitos ópticos não lineares do C60, novas lentes protetoras de laser podem ser desenvolvidas.

Fig. 2 Teste de resistência ao calor do aerogel de sílica

2.2 Aerogel de alumina: um isolante estável de alta temperatura

Os materiais de aerogel dealumina são novos materiais inorgânicos não metálicos compostos principalmente de alumina, apresentando uma estrutura central de uma rede nanoporosa. Caracterizado pela alta área de superfície específica, alta porosidade e baixa densidade, é um material poroso excepcional com excelentes propriedades de isolamento térmico. Sua condutividade térmica é significativamente menor do que a dos materiais de isolamento tradicionais, bloqueando efetivamente a transferência de calor.

As características mais importantes do aerogel de alumina são a área de superfície específica extremamente alta e a baixa densidade. Pesquisas indicam que, por meio de técnicas de preparação otimizadas, sua área de superfície específica pode chegar a 744,5 m2/g, enquanto sua densidade pode cair para 0,063 g/cm3. Esse material forma uma estrutura de rede tridimensional composta de nanopartículas, preenchida internamente com poros em nanoescala. Isso confere alta porosidade, com diâmetros de poros que normalmente variam de 10 a 100 nanômetros e volumes de poros que chegam a 0,4-0,9 cm3/g. Essas características estruturais, em conjunto, conferem ao aerogel de alumina propriedades excepcionais de isolamento térmico. Em temperatura ambiente (30°C), sua condutividade térmica pode ser tão baixa quanto 0,029 W/(m-K). Mesmo em condições de alta temperatura (por exemplo, 1.000 °C), a condutividade térmica permanece em apenas 0,0685 W/(m-K).

O aerogel de alumina também apresenta excelente estabilidade química e térmica. Comparado ao aerogel de sílica, ele apresenta resistência superior a altas temperaturas, mantendo sua estrutura nanoporosa mesmo a 1.000 °C. Os estudos também revelam que, após 2 horas de tratamento térmico a 1.200 °C, sua área de superfície específica permanece em 153,45 m2/g, sem alterações significativas em sua estrutura porosa em forma de folha, demonstrando excelente estabilidade em altas temperaturas. A dopagem com heteroátomos, como estrôncio, lantânio e silício, pode suprimir ainda mais as transições de fase e a sinterização de grãos em temperaturas elevadas. Por exemplo, as amostras dopadas com silício apresentam uma área de superfície específica de 146 m2/g após um tratamento térmico de 1200°C, ampliando assim o limite superior de temperatura operacional para 1600°C.

2.3 Aerogel composto de aluminossilicato: maior tenacidade e resistência a temperaturas ultra-altas

Os aerogéis de silicato de alumínio têm atraído muita atenção devido à sua excepcional resistência a altas temperaturas e força mecânica. Embora os aerogéis de sílica tradicionais apresentem condutividade térmica extremamente baixa, eles sofrem colapso estrutural e degradação do desempenho em temperaturas elevadas (geralmente acima de 800 °C). Por outro lado, os aerogéis de alumina pura, embora sejam capazes de suportar temperaturas mais altas, geralmente enfrentam desafios de estabilidade decorrentes de transições de fase.

Ao incorporar uma fase de alumina ao aerogel de sílica, os aerogéis à base de aluminossilicato ampliam com sucesso a faixa de tolerância de temperatura do material para 1.200 a 1.400 °C, mantendo uma baixa condutividade térmica em temperaturas elevadas. Esse material composto combina a estrutura nanoporosa da sílica com a estabilidade de alta temperatura da alumina. A incorporação de fibras de silicato de alumínio como fases de reforço resolve de forma eficaz a fragilidade inerente e as propriedades mecânicas ruins dos aerogéis tradicionais.

Fig. 3 Material de isolamento da placa composta de aerogel de silicato de alumínio

3 Técnicas de preparação e desafios para aerogéis

3.1 Aerogel de sílica: rotas de precursores e escalabilidade industrial

O trimetilortosilicato (TMOS) e o tetraetilortosilicato (TEOS) são as fontes de silício mais clássicas para a preparação de aerogéis de sílica de alta pureza e alto desempenho. Sua síntese envolve principalmente duas reações principais: hidrólise e condensação. A hidrólise gera grupos silanol ativos, que são então condensados para formar uma estrutura de rede tridimensional estável de Si-O-Si. Essa abordagem oferece as vantagens da alta pureza do produto e da capacidade de ajuste estrutural; no entanto, suas desvantagens incluem a toxicidade inerente dos precursores e os custos relativamente altos da matéria-prima. A partir desses precursores, uma série de processos refinados - incluindo gelificação, envelhecimento, troca de solventes e secagem supercrítica - acaba produzindo aerogéis de sílica pura estruturalmente completos.

As fontes de sol de sílica, coloides estáveis formados pela dispersão de partículas de sílica em nanoescala em água ou solventes, representam outra fonte prática de silício para a síntese de aerogel de sílica. Esse processo ignora algumas etapas de hidrólise, utilizando diretamente nanopartículas pré-formadas no sol como unidades estruturais fundamentais para construir uma rede tridimensional por meio de concentração e policondensação. Esse método oferece processamento relativamente simplificado e menor toxicidade da matéria-prima. Os aerogéis preparados por essa rota também exigem tratamentos subsequentes, como gelificação, envelhecimento, troca de solventes e secagem supercrítica. Os materiais de aerogel resultantes podem atingir excelentes níveis de pureza e desempenho.

O vidro de água (solução de silicato de sódio) se destaca como uma opção ideal para a produção industrial em larga escala de aerogéis de sílica devido às suas vantagens significativas de baixo custo e matérias-primas prontamente disponíveis. No entanto, um dos principais desafios em seu processo de preparação está na introdução de impurezas, como íons de sódio (Na+), na rede do gel. Normalmente, essas impurezas exigem rigorosas etapas de troca iônica e extensas etapas de lavagem e substituição de solventes para remoção, o que torna o processo relativamente complicado. Apesar desses desafios de purificação, os tratamentos subsequentes otimizados ainda podem melhorar efetivamente a pureza e o desempenho geral do produto final de aerogel, permitindo que ele demonstre forte competitividade em áreas de aplicação sensíveis ao custo.

Fig. 4 Preparação do aerogel de sílica

3.2 Aerogel de alumina: seleção de precursores e desafios de estabilidade

A preparação de aerogéis de alumina de alto desempenho utiliza principalmente a rota de hidrólise de alcoolato, que é o método mais estabelecido para a produção de produtos de alta pureza. Esse processo utiliza precursores como o sec-butóxido de alumínio ou o isopropóxido de alumínio. Ele envolve reações de hidrólise e condensação rigorosamente controladas que criam uma rede interconectada de Al-O-Al. Posteriormente, a secagem supercrítica produz aerogéis com nanoestruturas bem definidas e altas áreas de superfície específicas. Embora essa abordagem garanta uma estrutura de poros e pureza superiores, seu uso prático é limitado pelo alto custo e pela notável sensibilidade à umidade dos precursores.

Para superar os desafios econômicos, o método do sal de alumínio inorgânico oferece uma alternativa prática. Esse método usa precursores econômicos, como cloreto ou nitrato de alumínio, e emprega promotores de gelificação, como o óxido de propileno, para influenciar a velocidade da reação. Embora seja mais simples de operar e tenha baixo custo de matéria-prima, essa abordagem introduz impurezas aniônicas, exigindo purificação extensiva por meio de lavagens repetidas. Se esses resíduos não forem removidos adequadamente, eles podem enfraquecer significativamente a estabilidade térmica do aerogel resultante.

Melhorar o desempenho em altas temperaturas é uma das principais áreas de pesquisa, com a dopagem elementar se tornando uma estratégia essencial. A adição de estabilizadores como lantânio, silício ou estrôncio pode reduzir efetivamente as mudanças de fase prejudiciais, especialmente a transição γ→α, e evitar o engrossamento dos grãos em temperaturas mais altas. As misturas de dopagem otimizadas permitem a retenção de áreas de superfície específicas superiores a 150 m2/g após a exposição a 1.200°C, aumentando assim a temperatura máxima de serviço para cerca de 1.600°C.

O método de secagem é fundamental para manter a estrutura do produto final. A secagem supercrítica é a técnica padrão, pois praticamente elimina as tensões capilares ao remover o solvente, preservando a arquitetura em nanoescala. Como alternativa, surgiram técnicas de secagem à pressão atmosférica que utilizam métodos de funcionalização de superfície, como tratamentos de silanização. Esses tratamentos conferem à rede de gel propriedades hidrofóbicas. Esse aprimoramento permite uma secagem bem-sucedida em condições normais e, ao mesmo tempo, mantém a integridade estrutural intacta, proporcionando uma opção promissora para a fabricação em larga escala.

Fig. 5 Processo Sol-Gel

3.3 Aerogel de aluminossilicato: uma estratégia de design composto

A tecnologia de estrutura reforçada com fibra é a principal solução para aprimorar as propriedades mecânicas e térmicas dos aerogéis. Esse método utiliza fibras de aluminossilicato ou mulita pré-fabricadas como uma estrutura tridimensional, empregando um processo sol-gel para construir in situ uma matriz de aerogel nanoporoso dentro da rede de fibras. Essa configuração composta - um "esqueleto de suporte de carga de fibra + enchimento de isolamento térmico de aerogel" - combina de forma engenhosa a tenacidade e a resistência superiores das fibras com as propriedades excepcionais de isolamento térmico do aerogel, superando assim a fragilidade inerente dos aerogéis de sílica tradicionais.

O controle interfacial é fundamental para determinar o desempenho do composto. Pesquisas confirmam que a regulação precisa do ambiente de pH do processo sol-gel, como a manutenção de condições fracamente alcalinas em torno de pH=8, é fundamental. Nessas condições otimizadas, o precursor de aerogel se deposita de forma mais uniforme e adere firmemente à superfície da fibra, aumentando significativamente a força de ligação interfacial. Isso se manifesta macroscopicamente como uma melhoria acentuada na resistência mecânica geral do material.

O reforço da fase mulita representa uma estratégia de ponta para otimizar ainda mais o desempenho em altas temperaturas. Em comparação com as fibras de aluminossilicato convencionais, as fibras de mulita apresentam, inerentemente, estabilidade térmica superior e redução da fluência em alta temperatura. A utilização da mulita como fase de reforço suprime com eficácia os fenômenos de encolhimento e sinterização em compósitos expostos a ambientes extremos acima de 1000°C. Isso permite que o material mantenha a integridade estrutural e as excelentes propriedades de isolamento térmico durante o serviço prolongado em alta temperatura.

4 Campos de aplicação de aerogéis feitos de diferentes materiais

O aerogel de sílica, como o material nanoporoso mais representativo, demonstra vantagens de desempenho excepcionais na faixa de temperatura média a baixa, abaixo de 800°C. Sua condutividade térmica em temperatura ambiente pode ser tão baixa quanto 0,018-0,023 W/(m-K). Combinado com técnicas de preparação maduras, ele encontra amplas aplicações na eficiência energética de edifícios e no isolamento de tubulações industriais. Especialmente em aplicações sensíveis ao peso e ao espaço, como isolamento térmico para baterias de veículos movidos a energia nova e materiais de enchimento para equipamentos para atividades ao ar livre, sua natureza leve complementa perfeitamente sua condutividade térmica ultrabaixa. Além disso, sua incombustibilidade Classe A e a repelência à água de até 99% o tornam altamente eficaz em envelopes de construção que exigem segurança rigorosa contra incêndio e resistência à umidade.

O aerogel de alumina demonstra um valor exclusivo em faixas de temperatura mais amplas, operando com eficácia entre 1.000 e 1.300 °C. Isso preenche a lacuna de desempenho entre o aerogel de sílica e os materiais refratários tradicionais. Com a dopagem de elementos estabilizadores, como lantânio e silício, as transições de fase e o crescimento de grãos em altas temperaturas podem ser significativamente suprimidos. Isso permite que o material mantenha uma área de superfície específica superior a 150 m²/g, mesmo após o tratamento térmico a 1200°C. Essa característica o torna a escolha ideal para isolamento térmico em revestimentos de fornos industriais de alta temperatura e camadas de isolamento auxiliar em sistemas de proteção térmica aeroespaciais, desempenhando um papel fundamental nas atualizações de economia de energia em setores como aço, cimento e cerâmica.

Por meio de um projeto inovador de estrutura composta de "esqueleto de fibra e matriz de aerogel", o aerogel composto de silicato de alumínio supera com sucesso as limitações de fragilidade dos aerogéis tradicionais e, ao mesmo tempo, amplia sua tolerância à temperatura para 1200-1400°C. Essa estrutura exclusiva mantém um excelente isolamento térmico e, ao mesmo tempo, melhora significativamente as propriedades mecânicas, alcançando resistência à compressão superior a 0,46 MPa e encolhimento linear abaixo de 8% a 1200°C. Essas características o tornam um material essencial para ambientes extremos, como blindagens térmicas de compartimentos de servo de mísseis, isolamento de compartimentos de motores de aviação e juntas de válvulas industriais de alta temperatura. Ele ocupa uma posição insubstituível no setor aeroespacial, em equipamentos militares e em outros campos.

Tabela 1: Principais tipos de aerogel e suas características comparativas

5 Conclusão

Os aerogéis inorgânicos, como uma classe de materiais avançados que apresentam estruturas nanoporosas tridimensionais, demonstram um imenso potencial de aplicação em vários campos devido às suas propriedades exclusivas. Este artigo analisa sistematicamente as características do material, os processos de preparação e as perspectivas de aplicação de três aerogéis inorgânicos principais.

Do ponto de vista das propriedades do material, os aerogéis à base de sílica, alumina e aluminossilicato formam um espectro de desempenho completo: Os aerogéis de sílica apresentam excelentes propriedades de isolamento térmico abaixo de 800 °C, com uma condutividade térmica tão baixa quanto 0,012 W/(m-K) à temperatura ambiente, além de demonstrarem um valor especial em acústica e óptica não linear; os aerogéis de alumina, por meio de técnicas de preparação otimizadas, atingem áreas de superfície específicas de até 744,5 m²/g e mantêm a estabilidade estrutural entre 1.000 e 1.300 °C, preenchendo uma lacuna técnica em materiais de isolamento de média a alta temperatura. Os aerogéis compostos de aluminossilicato, por meio de um projeto composto de "matriz de aerogel reforçada com fibra", elevam sua tolerância à temperatura para 1.400°C e, ao mesmo tempo, melhoram significativamente as propriedades mecânicas, resolvendo assim a fragilidade inerente aos aerogéis convencionais. Em termos de técnicas de preparação, cada aerogel apresenta características distintas: o aerogel de sílica emprega três rotas de processo - ortosilicato, sol-gel e vidro de água - equilibrando pureza, custo e escalabilidade; o aerogel de alumina emprega o método do alcoolato e o método do sal de alumina inorgânico para atender aos requisitos de alta pureza e baixo custo, respectivamente; enquanto o aerogel composto de aluminossilicato alcança o aprimoramento sinérgico do desempenho por meio do reforço da fibra, da regulação interfacial e da introdução da fase de mulita. Nos domínios de aplicação, esses materiais apresentam especializações distintas: o aerogel de sílica domina os setores de temperatura média a baixa, como eficiência energética de edifícios, tubulações industriais e veículos movidos a energia nova; o aerogel de alumina desempenha um papel fundamental em fornos industriais de alta temperatura e sistemas de proteção térmica aeroespaciais; enquanto o aerogel composto de aluminossilicato tem valor insubstituível em ambientes extremos, como equipamentos aeroespaciais e militares.

No futuro, o desenvolvimento do aerogel inorgânico avançará em direção à multifuncionalidade, à inteligência e à sustentabilidade. Na Stanford Advanced Materials (SAM), fornecemos aerogéis de alta qualidade, incluindo variantes à base de sílica, alumina e aluminossilicato, para apoiar os setores, desde a eficiência energética até o aeroespacial, impulsionando a inovação e contribuindo para um futuro mais verde e de baixo carbono.