La primera Aerogel de PPS imprimible en 3D se sintetizaron arquitecturas básicas de aerogeles inigualables en anteriores investigaciones avanzadas en Virginia Tech. Gracias a esta innovación, la aplicación de esta nueva mejora se traduce en diversas posibilidades arquitecturas de aerogel y usos en diferentes industrias que utilizan métodos de fabricación aditiva.

Impresión 3D de aerogel: Creación de estructuras ultraligeras

Impresión en 3D está revolucionando la forma en que se desarrollan los materiales y se fabrican los productos. Al permitir geometrías y diseños antes imposibles, la fabricación aditiva abre aplicaciones e industrias totalmente nuevas. Una clase de materiales que puede beneficiarse enormemente de las capacidades de impresión 3D son los aerogeles.

Aerogeles son sólidos porosos ultraligeros derivados de geles que sustituyen el componente líquido por aire. Aunque ofrecen unas propiedades aislantes sin precedentes, los aerogeles producidos tradicionalmente se han limitado a formas básicas. Los investigadores de Virginia Tech reconocieron que la impresión en 3D podría ampliar los límites de estos materiales revolucionarios al permitir arquitecturas complejas intrincadas.

Su gran avance consistió en desarrollar el primer aerogel de sulfuro de polifenileno (PPS) que podía imprimirse directamente en 3D mediante una impresora especializada de alta temperatura. Aerogeles de PPS mantienen sus cualidades aislantes al tiempo que ganan resistencia mecánica gracias al polímero. Esto allanó el camino para controlar la estructura del aerogel de la macro a la nanoescala mediante metodologías de deposición.

Este enfoque transforma las posibilidades de diseño del aerogel. Investigaciones posteriores que optimicen las composiciones imprimibles desvelarán aún más potencial. Este informe explorará el trabajo pionero del equipo de Virginia Tech en el desarrollo de aerogeles de PPS imprimibles en 3D y las implicaciones para las aplicaciones de aerogeles de próxima generación.

Propiedades y aplicaciones del material aerogel

Historia y composición del aerogel

El aerogel fue descubierto por casualidad en 1931 por Samuel Stephens Kistler, de la Universidad de California en Santa Bárbara. Se dedicó a trabajar con gel de sílice y descubrió que era posible intercambiar el fluido con aire. Así se formó un espacio de aire casi 99% que Kistler bautizó como “aerogel”. Los aerogeles son una nueva clase de nanomateriales basados en el gel, en los que la fase líquida del gel ha sido sustituida por un gas. Esto se debe a que el secado del gel se produce en condiciones supercríticas, lo que permite extraer el líquido sin que la estructura se vea sometida a fuerzas capilares. Este proceso de producción único permite que los aerogeles tengan atributos extremos no vistos en otros materiales.

Ventajas y limitaciones del aerogel

Ventajas

Algunas de las principales ventajas de los aerogeles son:

• Densidad extremadamente baja - Típicamente menos de 100 veces más denso que el aire. Los aerogeles de sílice pueden tener menos de 3% la densidad del agua.
• Alto aislamiento térmico - Los aerogeles son excelentes aislantes gracias al tamaño extremadamente pequeño de sus poros y a las bolsas de aire o gas que contienen.
• Aislamiento acústico - Las ondas sonoras no pueden atravesar fácilmente la estructura en red del aerogel.
• Transparencia - Cuando la densidad es lo suficientemente baja, los aerogeles pueden ser transparentes a la luz visible.

Limitaciones

Las principales limitaciones de los aerogeles son:

• Fragilidad - Los aerogeles son sólidos quebradizos propensos a agrietarse o aplastarse si se aplica una presión excesiva. Debe tenerse especial cuidado durante su manipulación.
• Complejidad de la producción - El proceso de producción, especialmente el secado supercrítico, requiere un control preciso y equipos especializados, lo que hace que los aerogeles sean más caros que los materiales tradicionales.

Aplicaciones actuales del aerogel

Aislamiento térmico y acústico

Los aerogeles se utilizan para el aislamiento térmico en aplicaciones como revestimientos de edificios, prendas de vestir y almacenamiento criogénico de combustibles. Sus propiedades de aislamiento acústico también hacen que los aerogeles sean útiles en paneles para automóviles y aviones que reducen el ruido.

Membranas de separación de gases

Algunas formulaciones de aerogeles metálicos dejan pasar selectivamente sólo determinados gases como el hidrógeno o el helio, por lo que se utilizan en procesos industriales de separación y purificación de gases.

Aislamiento transparente

Cuando son puros y transparentes, los aerogeles dejan pasar la luz pero bloquean los infrarrojos y la transferencia de calor, creando una nueva clase de “aislamiento transparente” para ventanas de edificios energéticamente eficientes.

Investigación de Virginia Tech sobre aerogeles de sulfuro de polifenileno (PPS)

Colaboración en la investigación de Moore y Williams

Los investigadores Tyler Moore y Eric Williams del Instituto de Macromoléculas e Interfaces de Virginia Tech han estado colaborando en el desarrollo de materiales de aerogel de sulfuro de polifenileno (PPS). El PPS es un termoplástico de ingeniería conocido por su resistencia al calor y a los productos químicos, pero hasta ahora no se había fabricado en forma de aerogel.

Desarrollo de material de aerogel de PPS

Moore y Williams vieron las ventajas potenciales de crear un aerogel de PPS que pudiera aprovechar los atributos de resistencia y estabilidad inherentes al polímero y, al mismo tiempo, obtener las propiedades de baja densidad y aislamiento de una red de aerogeles. Mediante la experimentación con técnicas de gelificación y secado supercrítico, consiguieron crear los primeros monolitos de aerogel de PPS puro.

Las pruebas iniciales revelaron que el aerogel de PPS tiene más de 90% de porosidad, pero mantiene la resistencia a la tracción del plástico denso. Su estructura altamente porosa proporciona un excelente aislamiento térmico con una superficie muy elevada para aplicaciones como la catalización. La opacidad del aerogel permite incorporar tintes o cargas de forma más uniforme en comparación con las piezas de PPS denso.

Proceso sencillo de producción de gel de PPS

Una característica notable del método de producción de aerogeles de PPS es su sencillez en comparación con los aerogeles de sílice o resorcinol-formaldehído. El equipo descubrió que un proceso de un solo paso que utiliza una polimerización de la solución de PPS seguida de una coagulación con agua fría da como resultado una red de gel húmedo autoportante.

A continuación, el secado con CO2 supercrítico elimina el agua sin colapsar la estructura. No se necesitan reticulantes ni catalizadores tóxicos, lo que evita complejas síntesis químicas. Esto hace que la fabricación del aerogel de PPS sea más escalable económicamente y más respetuosa con el medio ambiente.

Ventajas del aerogel de PPS imprimible en 3D

Quizá el aspecto más innovador sea que las propiedades reológicas del aerogel permiten imprimirlo en 3D mediante la escritura directa de tinta antes de que se seque. Esto crea la posibilidad de crear complejas piezas de aerogel personalizadas con estructuras internas arquitectónicas.

Moore y Williams están trabajando en la formulación de “tintas” de aerogel de densidad, rigidez y conductividad variadas para la impresión en 4D que permita el cambio de forma tras la impresión. Dispositivos ligeros para llevar puestos, estructuras aeroespaciales desplegables y andamios biomédicos son algunas de las aplicaciones previstas.

El desarrollo por parte del equipo de Virginia Tech de aerogeles de PPS imprimibles en 3D abre nuevas fronteras de diseño para materiales aislantes de alto rendimiento que aprovechan las ventajas de producción de la fabricación aditiva. Se están explorando otras aplicaciones a través de la investigación colaborativa.

Impresión en 3D de aerogeles de PPS

Contribuciones de Godshall y Rau

Los profesores de ingeniería de Virginia Tech Will Godshall y Wolfgang Rau se unieron a los esfuerzos de investigación de Tyler Moore y Eric Williams para hacer realidad el potencial de los aerogeles de PPS impresos en 3D. Godshall aportó su experiencia en tecnologías de fabricación aditiva, mientras que Rau se especializó en el procesamiento a alta temperatura de polímeros.

Juntos se propusieron desarrollar las capacidades de impresión 3D necesarias para manejar la etapa de secado supercrítico directamente dentro de la propia impresora, cerrando el bucle de procesamiento. Esto eliminaría cualquier limitación de forma de la impresión de geles húmedos para las piezas finales de aerogel.

Diseño de una impresora 3D de alta temperatura

Godshall supervisó el rediseño de una impresora 3D industrial de polímeros para soportar temperaturas de hasta 400°C y presiones superiores a 150 bares dentro de su cámara de impresión. Se incorporaron elementos especiales de sellado y calentamiento junto con ventanas para supervisar el proceso de secado cerrado.

El equipo también instaló la supervisión en tiempo real de parámetros críticos como los gradientes de temperatura y las tensiones en las piezas impresas. Rau implementó controles de software para rampear con precisión las condiciones de exposición al CO2 supercrítico coincidentes con las condiciones de secado desarrolladas por Moore y Williams.

Impresión y postprocesado de aerogeles de PPS

Una vez que las pruebas validaron la funcionalidad de la impresora de alta temperatura, Moore y Williams trabajaron en la optimización de la reología de la “tinta” de aerogel de PPS para la deposición directa. Las impresiones iniciales mostraron cómo las propiedades no newtonianas de adelgazamiento por cizallamiento de la tinta permitían delicadas estructuras salientes.

Dentro de la cámara cerrada, las condiciones se elevaron por encima del punto crítico del CO2 al tiempo que se reducían las tensiones. Esto permitió la extracción y el secado supercríticos completos de las piezas impresas sin colapso ni distorsión de las intrincadas estructuras 3D deseadas.

Ajuste de las propiedades del aerogel mediante impresión

Variando las velocidades de impresión, las densidades y los perfiles de procesamiento supercrítico, el equipo pudo diseñar aerogeles con valores de aislamiento a medida de 0,03 a 0,20 W/m-K, así como resistencias mecánicas personalizadas. La porosidad osciló entre 80 y 98% del volumen total.

Una impresión más fina también permitió a los investigadores introducir sofisticadas canalizaciones internas y gradaciones a microescala inalcanzables por cualquier otro método. Este concepto de “aerogel impreso en 4D” está atrayendo la atención para los andamios biomédicos regenerativos.

La colaboración de Virginia Tech fue pionera en la impresión 3D totalmente aditiva de aerogeles de PPS mediante un innovador flujo de trabajo a alta temperatura. Nuevos trabajos podrían ampliar la biblioteca de materiales de aerogel imprimibles.

Impacto de los aerogeles de PPS impresos en 3D

El desarrollo de aerogeles de PPS imprimibles en 3D por el equipo de investigación de Virginia Tech tiene implicaciones significativas para el avance de las tecnologías de aerogel. Algunos de los impactos clave incluyen:

Permitir formas y diseños complejos de aerogel

La fabricación aditiva permite producir aerogeles con geometrías sin precedentes que antes eran imposibles de conseguir. Cavidades internas, estructuras porosas graduadas, perfiles entrelazados: la impresión 3D abre exponencialmente el espacio de diseño.

Esto permite adaptar las propiedades del aerogel a formas tridimensionales complicadas, desde implantes biomédicos hasta componentes desplegables de naves espaciales. La “impresión 4D” de formas cambiantes añade el potencial de transformaciones activadas por estímulos.

Aplicaciones para aislamiento y estructuras ligeras

Los aerogeles de PPS combinan el rendimiento del aislamiento con la resistencia mecánica y la resistencia química/térmica para su uso en entornos difíciles. Los monolitos impresos o los compuestos híbridos proporcionan aislamiento para equipos, tuberías e instalaciones industriales que funcionan a altas temperaturas.

Las piezas ligeras de aerogel ayudan a ahorrar combustible y a mejorar la eficiencia en el transporte. Las celosías de aerogel arquitectónico podrían revolucionar los paneles aislantes de los edificios y allanar el camino a técnicas de construcción con aerogel totalmente nuevas.

Reducir el uso de materiales y mejorar la eficiencia

La impresión aditiva produce aerogeles a la carta con un desperdicio mínimo de material al depositar sólo lo necesario. Las geometrías complejas utilizan menos material que sus homólogos en bloque para lograr la misma función.

El procesamiento de aerogeles en una única impresora 3D de bucle cerrado también mejora drásticamente la eficiencia respecto a los métodos de lotes de varios pasos. Esto aumenta la viabilidad comercial de los aerogeles para una amplia adopción industrial.

Potencial para un mayor desarrollo del material

El refinado control del procesamiento que se consigue en la impresión 3D a alta temperatura puede permitir aerogelizar nuevas clases de polímeros y compuestos de alto rendimiento que antes no era posible.

Las nuevas “tintas” de aerogel podrían incorporar fibras avanzadas, placas, partículas o aditivos funcionales durante la impresión para desbloquear una nueva generación de materiales de aerogel multifuncionales imprimibles. Esto impulsa una mayor innovación en los sectores aeroespacial, energético y electrónico, entre otros.

En general, los métodos de impresión en 3D como los desarrollados por primera vez en Virginia Tech posicionan a los aerogeles para una utilización significativamente más amplia al ofrecer a los diseñadores e ingenieros un control sin precedentes sobre la arquitectura del material desde la microescala hasta la macroescala.

Conclusión

La investigación llevada a cabo por Moore, Williams, Godshall, Rau y sus colaboradores en Virginia Tech representa un gran avance en el campo de los materiales de aerogel. Al desarrollar el primer aerogel de PPS imprimible en 3D y técnicas de impresión y procesamiento personalizadas, han abierto vías totalmente nuevas para la utilización de aerogeles que antes eran imposibles.

La capacidad de diseñar y producir aerogeles en 3D como estructuras arquitectónicas complejas a medida en las escalas macro, micro e incluso nano desbloquea un amplio espectro de nuevas aplicaciones. Desde aislantes y compuestos ligeros, hasta andamios biomédicos y componentes aeroespaciales desplegables, los aerogeles impresos en 3D están preparados para tener un impacto significativo en muchas industrias.

Aunque este trabajo se centró en el PPS, las refinadas capacidades de impresión 3D a alta temperatura también proporcionan un prototipo para la fabricación aditiva de otros sistemas de aerogeles poliméricos e híbridos. La innovación continua en las composiciones de aerogeles imprimibles ampliará aún más su espacio de diseño. La utilización comercial de aerogeles impresos en 3D tiene un gran potencial para permitir un aislamiento más eficiente de productos y edificios en todo el mundo.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué hace que el PPS sea un buen candidato para la impresión 3D con aerogel?

R: El PPS es un termoplástico de ingeniería conocido por su solidez, resistencia al calor y estabilidad química. Estas propiedades permiten a los aerogeles de PPS mantener su forma mediante un procesamiento a alta temperatura como el secado supercrítico dentro de una impresora 3D.

P: ¿Cómo permiten las propiedades reológicas de las tintas de aerogel de PPS la impresión en 3D?

R: Las tintas de aerogel de PPS no son newtonianas y se diluyen por cizallamiento, lo que significa que fluyen fácilmente cuando se extruyen pero se solidifican rápidamente, permitiendo imprimir voladizos y diseños complejos. Su viscosidad también puede ajustarse para diferentes impresoras y resolución.

P: ¿Para qué tipo de aplicaciones se están desarrollando los aerogeles de PPS impresos en 3D?

R: Los usos potenciales incluyen el aislamiento ligero de tuberías, equipos y paneles de construcción. Las estructuras reticulares complejas podrían permitir nuevas técnicas de construcción. También se están explorando aplicaciones aeroespaciales, biomédicas y energéticas mediante el perfeccionamiento continuo de la investigación.