Moldes congelados de poli(álcool vinílico) com nano

Sep 30, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1020 (2023) Citar este artigo

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A liofilização consiste na congelação de uma suspensão líquida (aquosa ou outra), seguida de sublimação do estado solidificado para o estado gasoso sob pressão reduzida, e posterior sinterização do restante andaime para consolidação e densificação das escoras e paredes. A estrutura é muito porosa e os poros são uma réplica dos cristais do solvente. A técnica é bastante versátil e o uso de um solvente líquido (água na maioria das vezes) como agente formador de poros é uma grande vantagem. A fundição por congelamento também foi desenvolvida como uma rota de formação de forma quase líquida, produzindo cerâmica densa. Neste trabalho relatamos materiais compósitos porosos sintetizados através do método de modelagem em gelo. Poli(álcool vinílico) (PVA) é usado como matriz e nano-sílica (SiO2), nanoargila (NC) e celulose microfibrilada (MFC) são usadas como cargas para melhorar a estabilidade mecânica do andaime de PVA. Mostramos nossos resultados sobre porosidade e estabilidade mecânica e consideramos esses nanocompósitos porosos como potenciais materiais isolantes com baixa condutividade térmica e propriedades mecânicas superiores.

A fundição por congelamento, também conhecida como modelagem em gelo, é uma técnica para introduzir porosidade seletiva em diferentes tipos de materiais1,2,3,4. Cerâmicas porosas5,6,7,8,9, metais porosos10,11,12, polímeros13,14,15 e compósitos orgânico-inorgânicos16,17,18,19,20,21 têm sido estudados nos últimos 20 anos.

O processo de modelagem do gelo é dividido em três etapas principais. Primeiro as partículas ou polímeros são dispersos ou dissolvidos num solvente. Em seguida, a dispersão/solução precursora é exposta a um gradiente de temperatura colocando um molde sobre um dedo frio que é mergulhado em um agente de congelamento, geralmente nitrogênio líquido22. Durante este processo, o gelo forma cristais alongados ao longo da direção de congelamento, desde o dedo frio até o topo da dispersão/solução, devido ao super-resfriamento constitucional na interface gelo-água. Finalmente, o solvente congelado é removido por liofilização. A vantagem mais importante dos materiais sintetizados por modelagem em gelo é a melhoria da estabilidade mecânica em comparação com materiais com porosidade isotrópica, que pode ser aumentada em até 400% .

Estruturas poliméricas porosas formadas por liofilização são utilizadas para diversas aplicações. A estrutura de poros abertos de um compósito de poli(álcool vinílico) PVA moldado em gelo ou gelatina23 pode ser usada para a liberação direcionada de ingredientes farmacêuticos ou para materiais de regeneração da pele24. Em um de nossos trabalhos anteriores, mostramos que os congelamentos reticulados de PVA são potenciais materiais de isolamento . Eles têm uma baixa condutividade térmica na faixa de materiais de isolamento comumente usados, mas apresentam estabilidade mecânica significativamente melhor em comparação com outros materiais de isolamento semelhantes a espuma.

Para melhorar ainda mais as propriedades dos materiais porosos, diferentes cargas inorgânicas ou orgânicas podem ser adicionadas durante a síntese. Podem ser utilizadas nanopartículas como SiO26 ou negro de fumo26, nanofibras de celulose27,28 ou minerais de silicato29,30. A inserção de SiO231 leva a uma melhor estabilidade mecânica dos andaimes de PVA. Sun et al.31 sintetizaram nanocompósitos de aerogel/sílica de PVA cultivando um revestimento de sílica em andaimes de PVA por meio de fundição por congelamento e foram capazes de aumentar a resistência à compressão de 1,8 para 6,0 MPa. A introdução de nanofibras de celulose em andaimes de PVA também leva a uma melhor estabilidade mecânica27. Hostler et al.18 relataram um material compósito feito de PVA e nanoargila via congelamento. O material tem uma condutividade térmica muito baixa de 0,030 W m-1 K-1 perpendicularmente à direção de congelamento.

Neste trabalho relatamos materiais compósitos porosos sintetizados através do método de modelagem em gelo. Para tanto, utiliza-se PVA como matriz e nano-sílica (SiO2), nanoargila (NC) e celulose microfibrilada (MFC) como materiais de enchimento para melhorar a estabilidade mecânica do andaime de PVA. Avaliamos esses nanocompósitos porosos como potenciais materiais isolantes com baixa condutividade térmica e propriedades mecânicas superiores.