Studio del processo di sintesi di aerogel ibridi silice/ciclodestrina = Study of the synthesis process of silica/cyclodextrin hybrid aerogels

Gli aerogel ibridi silice-β-metil-ciclodestrina (β-MCD) rappresentano una classe di materiali innovativi, in grado di combinare la struttura porosa e leggera della silice con le funzionalità chimiche delle ciclodestrine. Tali aerogel possono essere ottenuti tramite una sintesi sol-gel seguita da una fase di invecchiamento (aging) e da un essiccamento in CO2 supercritica. Lavori precedenti hanno riscontrato che l’impiego di una soluzione di etanolo satura di β-MCD durante la fase di invecchiamento favorisce la diffusione della β-MCD dal solvente verso il gel, determinando un eccessivo incorporamento di ciclodestrina all’interno del materiale. Il presente lavoro di tesi si propone quindi di ovviare a questa problematica, studiando l’influenza del solvente (etanolo, 2-propanolo e 2-butanolo) e della durata (3 e 7 giorni) della fase di aging sulle proprietà finali degli aerogel sintetizzati, al fine di individuare le condizioni di sintesi più idonee a preservare l’integrità strutturale del materiale. La sintesi degli aerogel è stata realizzata mediante un processo sol-gel one-pot con catalisi acido-basica. Per la preparazione dei campioni di sola silice, il tetraetil ortosilicato (TEOS) è stato impiegato come precursore della silice e l’etanolo come solvente. L’idrolisi del TEOS è stata catalizzata dall’acido citrico, mentre la gelificazione del sistema, condotta a 25°C in bagno d’acqua termostatato, è avvenuta in seguito all’aggiunta di idrossido di ammonio, che ha promosso le reazioni di condensazione. Gli aerogel ibridi sono stati sintetizzati seguendo un approccio analogo a quello impiegato nei campioni di sola silice, prevedendo l’introduzione della β-MCD disciolta in etanolo prima dell’aggiunta del TEOS, in quantità pari al 10% in peso, così da favorirne l’incorporazione diretta nel network inorganico. Dopo la gelificazione, i campioni sono stati sottoposti ad aging per 3 o 7 giorni in etanolo, 2-propanolo o 2-butanolo per consolidare la struttura. Infine, l’essiccamento è stato eseguito in CO2 supercritica a 100 bar e 40 °C per circa 4 ore. Le proprietà degli aerogel sono state valutate mediante analisi termogravimetrica (TGA), spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FT-IR), analisi di adsorbimento di azoto e microscopia elettronica a scansione ad emissione di campo (FESEM). Dalla TGA è emerso che l’impiego di 2-propanolo o 2-butanolo puri, in sostituzione della soluzione di etanolo satura di β-MCD, consente di evitare la diffusione della componente organica dal solvente al gel, ottenendo incorporazioni di ciclodestrina in linea con il valore teorico. L’insolubilità della β-MCD in tali solventi, infatti, evita la necessità di saturarli. L’analisi di adsorbimento di azoto ha mostrato che 2-propanolo e 2-butanolo determinano una riduzione della superficie specifica degli aerogel di sola silice rispetto all’etanolo. Nei materiali ibridi silice-β-MCD, la superficie specifica si mantiene pressoché costante indipendentemente dal solvente e dalla durata dell’aging, indicando che la presenza della β-MCD tende a rallentarne la riduzione. Nei campioni di sola silice, invece, l’estensione della fase di invecchiamento comporta una diminuzione della superficie specifica, associata ad un progressivo compattamento e ad una maggiore densificazione del network. Infine, FT-IR e FESEM hanno confermato l’assenza di modifiche significative nella composizione chimica e nella morfologia dei campioni indipendentemente dal solvente e dal tempo di aging.