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BOLETIN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE
ARTICULO
Ce ámica y Vid io
P opiedades mecánicas de ae ogeles
híb idos de sílice
M. Piñe o*, V. Mo ales-Fló ez, N. de la osa-Fox, l. esquiVias.
*Dp o. Física Aplicada. C.A.S.E.M.
Dp o. Física de la Ma e ia Condensada. Facul ad de Ciencias
Uni e sidad de Cádiz, A da. República Saha aui, 1. Pue o Real 11510, Cádiz. España
Se han ob enido ae ogeles híb idos de sílice o gánico-ino gánico po aplicación de ul asonidos de al a po encia en los
p ecu so es líquidos y pos e io secado del gel húmedo en condiciones supe c í icas en e anol. Las cadenas o gánicas no se
deg adan é micamen e y acele an el p oceso de con acción de la ed po ac i ación é mica. Los ul asonidos inducen un
en ec uzamien o de cadenas o gánicas que unen los cúmulos de sílice po osa y e i an su ciclidación. Los ensayos de up u a
en comp esión uniaxial indica on un aumen o del módulo de up u a, pasando de 8 MPa pa a el ae ogel de sílice pu a has a
24 MPa pa a un ae ogel de 50% en peso de con enido de políme o. Se obse a asimismo una disminución con inua en el
módulo de Young con el con enido de políme o (de 100 a 56 MPa). Es os ae ogeles híb idos se compo an como elas óme os
con de o maciones de has a el 50%, mos ando una disminución del módulo de elajación iscoelás ica.
Palab as cla e: Ae ogel de sílice, elas óme os, módulo de up u a, comp esión y elajación iscoelás ica.
Mechanical p ope ies o silica hyb id ae ogels
Hyb ids silica ae ogels ha e been ob ained by means he high powe ul asounds applica ion in he p ecu so liquid and he
d ying o he we gel unde he supe c i ical condi ion o e hanol. The o ganic chains don’ deg ade he mally and accele a e
he ne wo k sh inkage p ocess by he mal ac i a ion. The ul asounds induce an o ganic chain c osslinking bonding o he
po ous silica clus e s and a oid i s cyclida ion. The ailu e es s by uniaxial comp ession show an inc ease o he up u e
modulus, passing om 8 MPa o a pu e silica ae ogel o 24 MPa o an ae ogel wi h a 50 weigh % o polyme con en . I
is also no ed a con inuous dec ease o he Young’s modulus wi h he polyme con en ( om 100 o 56 MPa). These hyb id
ae ogels beha e as elas ome s wi h up o a 50% s ain, showing a dec ease in he elaxa ion iscoelas ic modulus.
Keywo ds: silica ae ogel, elas ome s, ailu e, comp ession and elaxa ion iscoelas ic modulus.
1. INTRODUCCIÓN
Los ae ogeles de sílice son ma e iales anspa en es
y químicamen e ine es, su densidad puede a ia desde
0.003 g cm-3 has a 0.9 g cm-3, con una al a po osidad de
ap oximadamen e 90% que se modula en el in e alo de po os
de amaño nanomé ico, con supe icies especí icas en e 600 y
1000 m2 g-1 y que man iene una composición idén ica al id io
de sílice pu a (1, 2). A pesa de se un ma e ial an lige o,
el en amado polimé ico de sílice man iene unas buenas
p opiedades mecánicas. P esen an di e sas aplicaciones, de
las que se pueden des aca su uso como aislan e é mico y
acús ico (3), como de ec o de mic ome eo i os (4) y ambién
de pa ículas suba ómicas como de ec o es Che enko (5).
Sin emba go, sus p incipales limi aciones son su ex ema
agilidad y su al a hig oscopicidad (6).
Las p opues as pa a supe a ales incon enien es implican
la in oducción de políme os o gánicos hid ó obos que
además modi ican la ed polimé ica de la sílice ino gánica
(7), a ando al mismo iempo de aumen a la elas icidad y la
esis encia a la ac u a del ma e ial inal, odo ello e isando
las condiciones y pa áme os que pe mi en la e acuación o al
del disol en e, sin que la es uc u a híb ida del gel de pa ida
esul e dañada.
La inno ación eside en que en e los e minales siloxanos
del políme o o gánico y la ed po osa de los cúmulos de sílice
ino gánica se es ablece un ue e enlace co alen e, que da
como consecuencia el pa icula compo amien o mecánico
de es os ae ogeles. Bajo una de e minada ensión la cadena
o gánica pe mi e una disminución del ángulo de enlace Si-O-
Si p o ocando el compo amien o elás ico de es os ma e iales
(8). El en ec uzamien o de cadenas ac úa como acumulado
de la de o mación y da el ca ác e de elas óme o con bajo
módulo de elajación (9).
Los esul ados que se p esen an en es e abajo cons i uyen
una apo ación más pa a a a de supe a las limi aciones
que p esen an los ae ogeles de sílice, u ilizando di e en es
políme os o gánicos p ecu so es de las siliconas, modulando
sus p opiedades mecánicas. De es e modo se ab e un nue o
campo de aplicaciones como ma e iales biocompa ibles con
módulos elás icos del mismo o den de magni ud que la
es uc u a ósea (10).
2. EXPERIMENTAL
Se p epa a on es ipos de ae ogeles híb idos o gánico-
ino gánico po el mé odo sol-gel, a pa i de la polime ización
de e ae oxisilano (TEOS) en agua con polidime ilsiloxano
(DMS12-Mw=400-700 y DMS15-Mw=1500-2000) y con
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copolíme o Polidime ildi enilsiloxano (PDPS-Mw=900-1000).
Se aplica on ul asonidos a la mezcla de TEOS p ehid olizado,
pa a e i a la ciclidación de las cadenas o gánicas, con el
políme o o gánico/e anol/agua/ácido ní ico en dis in as
p opo ciones. Se han ob enido con enidos de políme o de
has a el 60% en peso del con enido nominal de sílice. El secado
supe c í ico se ealizó en una au ocla e con e anol (260ºC
y 90 ba ) y se ob u ie on ae ogeles monolí icos (supe icie
especí ica de 400 – 900 m2 g-1).
Los ensayos mecánicos de comp esión uniaxial ue on
ealizados en una máquina uni e sal AG-I Au og aph de la
ma ca Shimadzu, equipada con una celda de ca ga de 5kN y
u ilizando en odos los expe imen os una elocidad de ca ga
de 0.5 mm s-1.
Las mic og a ías de MET ue on ealizadas con un
mic oscopio JEM 2000EX de JEOL pe enecien e a los Se icios
Cen ales de Ciencia y Tecnología de la Uni e sidad de Cádiz.
Las mues as en pol o ue on dispe sadas en una solución de
ciclohexano pa a a con inuación po inme sión de la ejilla
de ca bón aguje eado ecupe a la mues a que a a se
obse ada.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis e mog a imé ico en a mós e a de N2 y O2
has a 1000ºC, an o del ae ogel de sílice como del ae ogel
híb ido indica que el políme o o gánico se descompone en ai e
a 250 ºC, mien as que cuando la pi olisis se p oduce en N2 la
descomposición de los ae ogeles iene luga en o no a 750ºC.
Po lo an o, la ase o gánica sopo a sin deg adación el secado
supe c í ico en e anol. Las cu as dila omé icas egis adas
has a 1000ºC e elan no ables di e encias en la con acción
de la ed en e el ae ogel híb ido y el co espondien e sono-
ae ogel de sílice pu a. La descomposición del políme o
p o oca una con acción b usca en e 300 y 500ºC, siendo el
siguien e égimen de con acción simila al de la sílice pu a,
lo que indica que las cadenas del políme o modi ican la
es uc u a del ae ogel.
En elación con los expe imen os de adso ción/deso ción
de N2 (77K), las iso e mas mues an una a iación de la
ex u a del ae ogel con el con enido de políme o. Pa a
concen aciones meno es de 40%, el ae ogel híb ido man iene
la ex u a mesopo osa del ae ogel sílice pu a con po os
in e conec ados, ac uando el políme o como ase e o zan e.
Pa a concen aciones mayo es de 40%, son las cadenas
polimé icas las que ac úan de ma iz del sólido, en la que
se encuen a embebido el en amado de cúmulos de sílice
ino gánico. El cambio de la uncionalidad del políme o
(PDPS) p o oca un le e aumen o en el amaño de los po os.
Un aumen o del amaño medio de po o se co esponde con
una disminución de la supe icie especí ica. Las mic og a ías
de MET ealizadas sob e es os ae ogeles pe mi en obse a la
pé dida del ca ác e pa iculado de la sílice pu a debido a la
p esencia de las cadenas polimé icas, ya sea po el cambio en
la longi ud de la cadena o po su uncionalidad (Fig. 1).
Las cu as es ue zo-de o mación en comp esión uniaxial
mos adas en la Fig. 2 indican un aumen o del es ue zo de
up u a con el con enido en ase o gánica. Al mismo iempo
el módulo de Young disminuye pa a con enidos al os de
políme o espec o del ae ogel de sílice pu a con E=114 MPa,
has a E=39 MPa pa a el ae ogel DMS12-50%, lo que indica
la pé dida del compo amien o ágil con un aumen o de la
esis encia a la ac u a. El ca ác e asin ó ico de las cu as
M. PIÑERO, V. MORALES-FLóREz, N. DE LA ROSA-FOx, L. ESqUIVIAS.
pe mi en conside a es e compo amien o como el debido
a elas óme os con un al o g ado de en ec uzamien o de las
cadenas, que pueden alcanza de o maciones de has a el 50 %.
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Fig. 1.- Mic og a ías de MET pa a los ae ogeles de sílice pu a (ba a 50
nm) e híb ido DMS15-50% (ba a 200 nm).
Fig. 2.- Cu as es ue zo-de o mación co espondien es a ensayos de
up u a en comp esión uniaxial, ealizados a la se ie de ae ogeles hí-
b idos SiO2-DMS12(X% en peso). Velocidad de descenso: 0.5 mm min-1;
mues as cilínd icas de 12-17 mm al u a y 7 mm de diáme o.
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PROPIEDADES MECáNICAS DE AEROgELES híBRIDOS DE SíLICE
4. CONCLUSIONES
Se han ob enido ae ogeles híb idos sin deg adación de las
cadenas polimé icas. La con acción de la ed en unción de la
empe a u a mues a dos egímenes. El en amado polimé ico
modi ica la ex u a, disminuyendo la supe icie especí ica con
aumen o del amaño de los po os.
Los ensayos de comp esión uniaxial ealizados indican
un aumen o de la esis encia mecánica con el con enido
de las cadenas o gánicas, así como una disminución del
módulo elás ico. Los ensayos de comp esión isos á ica
median e po osime ía de me cu io, mues an la exis encia de
de o mación plás ica a p esiones supe io es a 10-20 MPa, y la
ausencia de in usión de me cu io pa a con enidos de PDMS
supe io es al 50 % en peso.
Los ciclos de ca ga/desca ga en comp esión uniaxial
e ela on el compo amien o iscoelás ico de los elas óme os.
Se obse ó un aumen o de la ene gía almacenada de más de
un o den de magni ud espec o del ae ogel de sílice pu a.
El módulo de elajación iscoelás ico a empe a u a
ambien e mues a un compo amien o biexponencial que
indica dos mecanismos de ees uc u ación de las cadenas
polimé icas.
AGRADECIMIENTOS
Es e abajo ha sido inanciado po el p oyec o MAT2002-
0859 de la CICyT del Minis e io de Ciencia y Tecnología. Los
au o es pe enecen al g upo de in es igación de la Jun a de
Andalucía, TEP-0115.
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Recibido: 09.01.05
Acep ado: 08.06.05
Bol. soc. esp. Ce am. V., 44 [5] 291-293 (2005)
Po o o lado, la longi ud de la cadena (DMS12 y DMS15)
a ec a muy poco a los pa áme os elás icos de los híb idos,
mien as que un cambio en la uncionalidad de la ase o gánica
(DPS) p o oca a iaciones en el módulo de Young.
Se ealiza on ensayos de comp esión isos á ica po medio
de po osime ía de me cu io, que indican que es os ma e iales
sólo in uyen pa a al as p esiones. Dicha p esión c ece con
el con enido en ase o gánica y con el 50 % de PDMS no se
obse a in usión. Además, se de o man plás icamen e pa a
p esiones supe io es a 10-20 MPa.
Se ealiza on ambién ensayos cíclicos e ec uados bajo
comp esión uniaxial que pe mi en obse a la dependencia
del módulo de Young con el con enido de políme o, así como
la apa ición de una his é esis a medida que aumen a la ase
o gánica. Dicha his é esis se obse a en las cu as de ca ga-
desca ga con un aumen o a medida que lo hace el es ue zo,
lo que deno a el compo amien o iscoelás ico ca ac e ís ico
de los elas óme os. La ene gía acumulada co esponde a la
icción in e na debido a la eo ganización es uc u al de las
cadenas en la ed in e conec ada po osa de la sílice, lo que
pe mi e pensa en un p oceso de elajación.
Fig. 3.- Módulo de elajación iscoelás ico a empe a u a ambien e del
ae ogel de sílice pu a y los ae ogeles híb idos indicados.
Po es a azón, se ealiza on medidas del es ue zo de
elajación a empe a u a ambien e, y has a un 70% del lími e
elás ico, que pe mi en ca ac e iza dicho compo amien o
iscoelás ico con espec o al ae ogel de sílice pu a, como se
mues a en la Fig. 3. El es ue zo dec ece con el iempo debido
al enómeno de elajación molecula de las cadenas polimé icas
según un compo amien o exponencial. En ausencia de és as
no se obse a, como es el caso de la sílice pu a y con bajo
con enido en políme o (DPS-10%). En las o as dos mues as se
obse a un compo amien o biexponencial, más ma cado pa a
la mues a DMS15-50%, con un p oceso de co a du ación (∼10
s) que se co esponde con la ees uc u ación de cadenas lib es
o débilmen e enlazadas a los cúmulos de sílice. El segundo
p oceso de más la ga du ación (∼103 s) en es e expe imen o
se co esponde al en amado de cadenas con al a densidad de
en ec uzamien os y enlazadas con la ed de sílice.