Silica-based glass materials manufactured by colloidal processing and 3D-printing of nano/microsilica powders

Abstract

O vidro, tal como o conhecemos hoje em dia, apresenta propriedades atrativas tais como dureza relativamente elevada, alta transparência, resistência térmica e química elevadas. Devido às suas características variáveis, existe uma grande atratividade para o desenvolvimento de materiais novos e avançados, através de técnicas de fabricação consolidadas e inovadoras. No presente trabalho a produção de vidro à base de dióxido de silício foi escolhido, dada a grande abundância na crosta terrestre e a sua multiplicidade de aplicações. Os objetivos deste trabalho consistiram em obter produtos à base de sílica a partir de dois métodos de produção: slip casting para vidro transparente e impressão em 3D para scaffolds com estruturas avançadas. As matérias-primas consistiram basicamente em nano (NS) e micro (MS) sílica amorfa e aditivos. Para slip casting, a suspensão foi preparada primeiro pela adição da NS em água, seguida por uma agitação mecânica por 4h a 1500 rpm. Em seguida, foi utilizada a técnica de sonicação por 30 minutos para evitar aglomeração e então a MS foi adicionada, com uma agitação por 3h a 1500 rpm. A suspensão foi vertida em moldes de gesso para o procedimento de slip casting, seguido de secagem, tratamento térmico, e depois polimento para obter o vidro transparente. Para a técnica de impressão 3D, foi produzido um novo pó com as matérias-primas (NMS). Foram preparadas duas suspensões: alginato de sódio e PVA, ambos com NMS. O processo consistiu na impressão das estruturas, seguida de secagem (temperatura ambiente e liofilização) e tratamento térmico. Os pós foram caracterizados: tamanho, com D50 de 227,8 nm para NS, 9,85 µm para MS e 7,47 µm para NMS, microestruturas (TEM/FESEM), e estabilidade térmica (DSC). As suspensões de slip casting e de robocasting foram estudadas quanto estabilidade através da reologia, com a observação de comportamento de shear-thinning para a suspensão de slip casting, bem como para as suspensões para impressão 3D. Os potenciais Zeta mostraram os valores de -30mV para NS, -50mV para MS e -35mV nos correspondentes pHs de trabalho. O material produzido por slip casting foi caracterizado quanto densidade com um valor resultante de 2,21 g/cm³ e propriedades ópticas, utilizando o índice de translucidez (TP) com um valor médio de ~38 % e de Opacidade de ~22 %, visualizando as possíveis aplicações ópticas relacionadas. Foram investigados os filamentos impressos quanto ao comportamento térmico utilizando dilatometria, mostrando que a suspensão de alginato de sódio encolheu cerca de 2% e o PVA cerca de 4%. A microestrutura das amostras impressas (disposição dos poros) foi avaliada com SEM, apontando a formação de porosidade unidirecional para estruturas de PVA. A densidade picnométrica foi de 2,41 g/cm³ para amostras de alginato de sódio com ~69% de porosidade e 2,41 g/cm³ com ~75% de porosidade para amostras de PVA. Os resultados foram exaustivamente discutidos, e foi fornecida uma ideia geral da taxa de sucesso. Para concluir, este trabalho dá uma visão geral da aplicabilidade da sílica como material de base para vidro transparente e scaffolds visando bioaplicações e abre possibilidades de maiores pesquisas nesses tópicos.

Abstract: Glass as we know today presents appealing properties such as relatively high hardness, high transparency, thermal and very high chemical durability. Due to its varying features, there is a great attractiveness for the development of new and advanced materials, through consolidated and novel manufacturing techniques. In the present work silicon dioxide-based glass was chosen given the great abundance in Earth?s crust and its multiapplication. The objectives of this work consisted of achieving silica-based products from two production methods: slip casting for transparent glass and 3D printing towards advanced structures/scaffolds. The raw materials consisted basically of nano (NS) and micro (MS) scaled amorphous silica and additives. For slip casting, the suspension was prepared firstly by the addition of the NS into water, followed by a 4h stirring at 1500 rpm. Next, a 10 min sonication was used to prevent aggregation and the MS added, with a 3h stirring and 1500 rpm. The suspension was poured into gypsum molds for the slip casting procedure, followed by drying, firing, and then polishing to achieve the transparent glass. For the 3D printing technique, a new powder was produced with an occlusion organization with the nano and micro silicas (NMS). Two suspensions were prepared: sodium alginate with NMS and PVA gel with NMS. The process consisted of printing the structures, followed by drying (room temperature and lyophilization) and firing. The powders were characterized for: their size, with a D50 of 227.8 nm for NS, 9.85 µm for MS and 7.47 µm for NMS, microstructures using TEM and FESEM, and thermal stability through DSC data, in order to ascertain the possibility of achieving the expected results. Slip casting suspension and robocasting suspension were studied for its stability through rheology with the observance of a shear-thinning behavior for the slip casting suspension, as well as for the suspensions. Zeta potential experiments showed the values of -30mV for the NS, -50mV for MS and -35mV at their corresponding working pHs. Slip cast glass was characterized for its density with a resulting value of 2.21 g/cm³ and optical properties, using translucency index (TP) with an average value of ~38 and % Opacity of ~22%, visualizing the optical related possible applications. 3D printed filaments were investigated for its thermal behavior using dilatometry, showing that sodium alginate suspension shrinked around 2% and PVA gel around 4%. The printed samples? microstructure (pores arrangement) were evaluated with SEM pointing the formation of unidirectional porosity for PVA based structures. Picnometric density was of 2.41 g/cm³ for sodium alginate samples with ~65% porosity and 2.41 g/cm³ with ~75% of porosity for PVA based. Results were thoroughly discussed, and a general idea of success rate provided. To conclude, this work gives an overview of the applicability of silica as the basis material for transparent glass and bio scaffolds and opens the possibility of further research.