Il primo Aerogel di PPS stampabile in 3D è stato sintetizzato e le architetture di base dell'aerogel non sono state replicate nelle precedenti ricerche avanzate del Virginia Tech. Grazie a questa innovazione, l'applicazione di questo nuovo miglioramento si traduce in varie possibilità di architetture di aerogel e di utilizzo in diversi settori che utilizzano metodi di produzione additiva.

Stampa 3D dell'aerogel: Creare strutture ultraleggere

Stampa 3D sta rivoluzionando il modo in cui vengono sviluppati i materiali e realizzati i prodotti. Rendendo possibili geometrie e disegni prima impossibili, la produzione additiva apre applicazioni e industrie completamente nuove. Una classe di materiali che può trarre grandi benefici dalle capacità di stampa 3D è quella degli aerogel.

Aerogel sono solidi porosi ultraleggeri derivati da gel che sostituiscono il componente liquido con l'aria. Pur offrendo proprietà isolanti senza precedenti, gli aerogel prodotti tradizionalmente sono stati limitati a forme di base. I ricercatori del Virginia Tech hanno riconosciuto che la stampa 3D potrebbe spingere i confini di questi materiali rivoluzionari, consentendo architetture complesse e intricate.

La loro svolta è stata lo sviluppo del primo aerogel di polifenilsolfuro (PPS) che poteva essere stampato direttamente in 3D con una stampante specializzata ad alta temperatura. Aerogel di PPS mantengono le loro qualità isolanti, guadagnando al contempo la resistenza meccanica del polimero. Questo ha aperto la strada al controllo della struttura dell'aerogel su scala macro e nanometrica attraverso le metodologie di deposizione.

Questo approccio trasforma le possibilità di progettazione dell'aerogel. Ulteriori ricerche per ottimizzare le composizioni stampabili aprono un potenziale ancora maggiore. Questa relazione esplorerà il lavoro pionieristico del team del Virginia Tech nello sviluppo di aerogel di PPS stampabili in 3D e le implicazioni per le applicazioni di aerogel di prossima generazione.

Proprietà e applicazioni del materiale aerogel

Storia e composizione dell'aerogel

L'aerogel è stato scoperto per caso nel 1931 da Samuel Stephens Kistler dell'Università della California, Santa Barbara. Si è occupato di gel di silice e ha scoperto che è possibile scambiare il fluido con l'aria. Questo ha portato alla formazione di uno spazio aereo di quasi 99% che è stato chiamato “aerogel” da Kistler. Gli aerogel sono una nuova classe di nanomateriali basati sul gel, dove la fase liquida del gel è stata sostituita da un gas. Questo perché l'essiccazione del gel avviene in condizioni supercritiche, permettendo così di estrarre il liquido senza che la struttura sia soggetta a forze capillari. Questo processo di produzione unico permette agli aerogel di avere caratteristiche estreme, non riscontrabili in altri materiali.

Vantaggi e limiti dell'aerogel

Vantaggi

Alcuni dei principali vantaggi degli aerogel includono:

• Densità estremamente bassa - In genere meno di 100 volte più densa dell'aria. Gli aerogel di silice possono avere una densità inferiore a 3% quella dell'acqua.
• Elevato isolamento termico - Gli aerogel sono eccellenti isolanti grazie alle dimensioni estremamente ridotte dei pori e alle sacche d'aria o di gas racchiuse.
• Isolamento acustico - Le onde sonore non possono passare facilmente attraverso la struttura a rete dell'aerogel.
• Trasparenza - Quando la densità è sufficientemente bassa, gli aerogel possono essere trasparenti alla luce visibile.

Limitazioni

Le principali limitazioni degli aerogel includono:

• Fragilità - Gli aerogel sono solidi fragili che tendono a rompersi o a frantumarsi se viene applicata una pressione eccessiva. Occorre prestare particolare attenzione durante la manipolazione.
• Complessità di produzione - Il processo di produzione, in particolare l'essiccazione supercritica, richiede un controllo preciso e attrezzature specializzate, rendendo gli aerogel più costosi rispetto ai materiali tradizionali.

Applicazioni attuali dell'aerogel

Isolamento termico e acustico

Gli aerogel sono utilizzati per l'isolamento termico in applicazioni come gli involucri degli edifici, l'abbigliamento e lo stoccaggio criogenico dei carburanti. Le loro proprietà di isolamento acustico rendono gli aerogel utili anche nei pannelli per automobili e aerei che riducono il rumore.

Membrane per la separazione dei gas

Alcune formulazioni di aerogel metallici consentono il passaggio selettivo solo di alcuni gas, come l'idrogeno o l'elio, trovando impiego nei processi industriali di separazione e purificazione dei gas.

Isolamento trasparente

Quando sono puri e trasparenti, gli aerogel lasciano passare la luce ma bloccano gli infrarossi e il trasferimento di calore, creando una nuova classe di “isolamento trasparente” per le finestre degli edifici ad alta efficienza energetica.

Ricerca della Virginia Tech sugli aerogel di polifenilene solfuro (PPS)

Collaborazione di ricerca tra Moore e Williams

I ricercatori Tyler Moore ed Eric Williams del Virginia Tech's Macromolecules and Interfaces Institute hanno collaborato allo sviluppo di materiali aerogel di polifenilensolfuro (PPS). Il PPS è un termoplastico ingegneristico noto per la sua resistenza al calore e agli agenti chimici, ma non è mai stato trasformato in aerogel.

Sviluppo del materiale PPS Aerogel

Moore e Williams hanno visto i potenziali vantaggi della creazione di un aerogel di PPS che potesse sfruttare le caratteristiche di resistenza e stabilità intrinseche del polimero, ottenendo al contempo la bassa densità e le proprietà isolanti di una rete di aerogel. Attraverso la sperimentazione di tecniche di gelificazione e di essiccazione supercritica, sono riusciti a creare i primi monoliti di aerogel di PPS puro.

I test iniziali hanno rivelato che l'aerogel di PPS ha una porosità superiore a 90%, pur mantenendo la resistenza alla trazione della plastica densa. La sua struttura altamente porosa offre un eccellente isolamento termico con un'area superficiale molto elevata per applicazioni come la catalizzazione. L'opacità dell'aerogel consente di incorporare coloranti o riempitivi in modo più uniforme rispetto alle parti in PPS denso.

Semplice processo di produzione del gel PPS

Una caratteristica notevole del metodo di produzione di aerogel di PPS è la sua semplicità rispetto agli aerogel di silice o di resorcinolo-formaldeide. Il team ha scoperto che un processo in una sola fase, che utilizza la polimerizzazione della soluzione di PPS seguita dalla coagulazione con acqua fredda, produce una rete di gel umido autoportante.

L'essiccazione con CO2 supercritica rimuove poi l'acqua senza far collassare la struttura. Non sono necessari reticolanti o catalizzatori tossici, evitando complesse sintesi chimiche. Ciò rende l'aerogel di PPS più scalabile dal punto di vista economico ed ecologico da produrre.

Vantaggi dell'aerogel di PPS stampabile in 3D

Forse l'aspetto più innovativo è che le proprietà reologiche dell'aerogel consentono di stamparlo in 3D tramite scrittura diretta dell'inchiostro prima dell'essiccazione. Questo crea il potenziale per complesse parti personalizzate in aerogel con strutture interne architettoniche.

Moore e Williams stanno lavorando alla formulazione di “inchiostri” di aerogel di varia densità, rigidità e conduttività per la stampa 4D, che consente di modificare la forma dopo la stampa. Dispositivi indossabili leggeri, strutture aerospaziali dispiegabili e scaffold biomedici sono alcune delle applicazioni previste.

Lo sviluppo da parte del team del Virginia Tech di aerogel di PPS stampabili in 3D apre nuove frontiere di progettazione per i materiali isolanti ad alte prestazioni che sfruttano i vantaggi produttivi della produzione additiva. Ulteriori applicazioni sono in fase di esplorazione attraverso la ricerca collaborativa.

Stampa 3D di aerogel di PPS

I contributi di Godshall e Rau

I professori di ingegneria della Virginia Tech Will Godshall e Wolfgang Rau si sono uniti agli sforzi di ricerca di Tyler Moore ed Eric Williams per realizzare il potenziale degli aerogel di PPS stampati in 3D. Godshall ha apportato la sua esperienza nelle tecnologie di produzione additiva, mentre Rau si è specializzato nella lavorazione ad alta temperatura dei polimeri.

Insieme hanno cercato di sviluppare le capacità di stampa 3D necessarie per gestire la fase di essiccazione supercritica direttamente all'interno della stampante stessa, chiudendo il ciclo di lavorazione. Questo eliminerebbe qualsiasi limite di forma della stampa di gel umidi per le parti finali in aerogel.

Progettazione di una stampante 3D ad alta temperatura

Godshall ha curato la riprogettazione di una stampante 3D industriale a polimeri per resistere a temperature fino a 400°C e a pressioni superiori a 150 bar all'interno della sua camera di stampa. Sono stati incorporati speciali elementi di tenuta e di riscaldamento, oltre a finestre per monitorare il processo di essiccazione all'interno della camera.

Il team ha anche installato il monitoraggio in tempo reale di parametri critici come i gradienti di temperatura e le sollecitazioni sulle parti stampate. Rau ha implementato dei controlli software per regolare con precisione le condizioni di esposizione alla CO2 supercritica, che corrispondono alle condizioni di essiccazione sviluppate da Moore e Williams.

Stampa e post-elaborazione degli aerogel di PPS

Una volta che i test hanno convalidato la funzionalità della stampante ad alta temperatura, Moore e Williams hanno lavorato sull'ottimizzazione della reologia dell“”inchiostro" aerogel PPS per la deposizione diretta. Le prime stampe hanno mostrato come le proprietà non newtoniane di assottigliamento al taglio dell'inchiostro permettessero di realizzare delicate strutture a sbalzo.

All'interno della camera chiusa, le condizioni sono state innalzate al di sopra del punto critico della CO2, riducendo contemporaneamente le sollecitazioni. Questo ha permesso l'estrazione e l'essiccazione supercritica completa delle parti stampate, senza collasso o distorsione delle intricate strutture 3D desiderate.

Regolazione delle proprietà dell'aerogel attraverso la stampa

Variando le velocità di stampa, le densità e i profili di lavorazione supercritica, il team ha potuto progettare aerogel con valori isolanti personalizzati da 0,03 a 0,20 W/m-K e resistenze meccaniche personalizzate. La porosità variava da 80 a 98% del volume totale.

La stampa più fine ha anche permesso ai ricercatori di introdurre sofisticate canalizzazioni e gradazioni interne su microscala, impossibili da raggiungere con qualsiasi altro metodo. Questo concetto di “aerogel stampato in 4D” sta attirando l'attenzione per le impalcature rigenerative biomediche.

La collaborazione con il Virginia Tech è stata pioniera nella stampa 3D completamente additiva di aerogel di PPS attraverso un innovativo flusso di lavoro ad alta temperatura. Ulteriori lavori potrebbero ampliare la libreria di materiali aerogel stampabili.

Impatto degli aerogel di PPS stampati in 3D

Lo sviluppo di aerogel di PPS stampabili in 3D da parte del team di ricerca della Virginia Tech ha implicazioni significative per il progresso delle tecnologie aerogel. Alcuni degli impatti principali includono:

Consentendo forme e design complessi dell'aerogel

La produzione additiva permette di produrre aerogel con geometrie senza precedenti, prima impossibili da realizzare. Cavità interne, strutture porose graduate, profili ad incastro - la stampa 3D apre lo spazio di progettazione in modo esponenziale.

Ciò consente di adattare le proprietà dell'aerogel a forme tridimensionali complicate, dagli impianti biomedici ai componenti di veicoli spaziali dispiegabili. La “stampa 4D”, che cambia forma, aggiunge il potenziale di trasformazioni innescate da stimoli.

Applicazioni per l'isolamento e le strutture leggere

Gli aerogel di PPS combinano le prestazioni di isolamento con la forza meccanica e la resistenza chimica/termica per l'uso in ambienti difficili. I monoliti stampati o i compositi ibridi forniscono isolamento per apparecchiature, tubature e impianti industriali che operano ad alte temperature.

Le parti in aerogel alleggerito aiutano a risparmiare carburante e a migliorare l'efficienza dei trasporti. I reticoli architettonici in aerogel potrebbero rivoluzionare i pannelli isolati per l'edilizia e aprire la strada a tecniche di costruzione in aerogel completamente nuove.

Riduzione dell'uso di materiali e miglioramento dell'efficienza

La stampa additiva produce aerogel on-demand con uno spreco minimo di materiale, depositando solo ciò che è necessario. Le geometrie complesse utilizzano meno materiale rispetto alle controparti a blocchi per ottenere la stessa funzione.

La lavorazione degli aerogel in un'unica stampante 3D a ciclo chiuso migliora notevolmente l'efficienza rispetto ai metodi in batch in più fasi. Questo aumenta la fattibilità commerciale degli aerogel per un'ampia diffusione industriale.

Potenziale per un ulteriore sviluppo del materiale

Il raffinato controllo della lavorazione ottenuto con la stampa 3D ad alta temperatura può consentire l'aerogelizzazione di nuove classi di polimeri e compositi ad alte prestazioni, non possibili in precedenza.

I nuovi “inchiostri” di aerogel potrebbero incorporare fibre, piastre, particelle o additivi funzionali avanzati durante la stampa, per sbloccare una nuova generazione di materiali di aerogel stampabili multifunzionali. Ciò favorisce ulteriori innovazioni nei settori aerospaziale, energetico, elettronico e non solo.

Nel complesso, i metodi di stampa 3D come quelli sperimentati al Virginia Tech posizionano gli aerogel per un utilizzo significativamente più ampio, offrendo ai progettisti e agli ingegneri un controllo senza precedenti sull'architettura del materiale, dalla micro alla macro-scala.

Conclusione

La ricerca condotta da Moore, Williams, Godshall, Rau e dai loro collaboratori presso il Virginia Tech rappresenta una svolta importante nel campo dei materiali aerogel. Sviluppando il primo aerogel di PPS stampabile in 3D e tecniche di stampa/lavorazione personalizzate, hanno aperto strade completamente nuove per l'utilizzo degli aerogel, prima impossibili.

La capacità di progettare e produrre in 3D gli aerogel come strutture architettoniche complesse e personalizzate su macro, micro e persino nano scala apre un ampio spettro di nuove applicazioni. Dall'isolamento leggero e dai compositi, agli scaffold biomedici e ai componenti aerospaziali utilizzabili, gli aerogel stampati in 3D sono pronti ad avere un impatto significativo su molti settori.

Sebbene questo lavoro si sia concentrato sul PPS, le raffinate capacità di stampa 3D ad alta temperatura forniscono anche un prototipo per la produzione additiva di altri sistemi di aerogel polimerici e ibridi. L'innovazione continua nelle composizioni di aerogel stampabili amplierà ulteriormente il loro spazio di progettazione. L'utilizzo commerciale degli aerogel stampati in 3D ha un grande potenziale per consentire un isolamento più efficiente dei prodotti e degli edifici in tutto il mondo.

Domande frequenti

D: Cosa rende il PPS un buon candidato per la stampa 3D di aerogel?

R: Il PPS è un termoplastico ingegneristico noto per la sua forza, resistenza al calore e stabilità chimica. Queste proprietà consentono agli aerogel di PPS di mantenere la loro forma attraverso la lavorazione ad alta temperatura, come l'essiccazione supercritica in una stampante 3D.

D: In che modo le proprietà reologiche degli inchiostri PPS aerogel consentono la stampa 3D?

R: Gli inchiostri aerogel in PPS non sono newtoniani e si assottigliano al taglio, il che significa che scorrono facilmente quando vengono estrusi ma si solidificano rapidamente, consentendo di stampare sporgenze e disegni complessi. La loro viscosità può anche essere regolata per stampanti e risoluzioni diverse.

D: Per quali tipi di applicazioni vengono sviluppati gli aerogel di PPS stampati in 3D?

R: I potenziali utilizzi includono l'isolamento leggero per tubi, attrezzature e pannelli edilizi. Le strutture reticolari complesse potrebbero consentire nuove tecniche di costruzione. Si stanno esplorando anche applicazioni aerospaziali, biomediche ed energetiche, grazie al continuo perfezionamento della ricerca.