Materiais mesoporosos ordenados podem ser preparados por uma variedade de procedimentos e sobre uma extensa faixa de composições, usando-se para isso vários surfactantes. Na maioria dos estudos, surfactantes carregados (catiônicos e aniônicos) e neutros são empregados como agentes direcionadores “templates”, que são responsáveis pelo direcionamento da formação da mesofase, baseada em interações eletrostáticas entre o surfactante e as espécies de sílica, e em interações do tipo ligação de hidrogênio.
A síntese original é realizada em meio aquoso em condições alcalinas, similar à síntese das zeólitas, onde moléculas orgânicas (surfactantes) funcionam como direcionador estrutural formando um material composto orgânico – inorgânico ordenado (KRESGE e col.1992).
Através da calcinação, o surfactante é removido, resultando em uma rede de silicatos porosos. A formação do composto orgânico – inorgânico é baseada na interação eletrostática entre a carga positiva do surfactante e a carga negativa dos silicatos. Diversos estudos têm investigado o mecanismo de origem do MCM-41. O mecanismo LCT (Liquid – Crystal - Templating) proposto por BECK e col. 1992, logo após a descoberta do MCM-41, sugere dois caminhos principais, que estão apresentados na Figura 11. No caminho 1, a fase micelar do tipo hexagonal forma-se primeiro, e o silicato adicionado precipita-se em volta deste arranjo formado. No caminho 2, ocorre interação entre os silicatos e as micelas formadas, permitindo a formação das micelas cilíndricas e, em seguida, a livre organização dos agregados na formação da hexagonal (KRESGE e col. 1992).
Este mecanismo está baseado na habilidade das moléculas surfactantes em formar micelas como descrito no item 1.2.
Figura 11. Mecanismos de formação dos mesoporosos. (BECK e col.1994).
Quando a concentração do surfactante excede um valor limitante, atinge-se um nível crítico denominado CMC1 (First Critical Micelle Concentration), formando-se micelas esféricas, onde do lado externo da micela fica o grupo hidrofílico das moléculas surfactantes, enquanto que a cauda destas moléculas é direcionada para o centro da micela. Logo após a formação das micelas existe outra fase denominada CMC2 (Second Critical Micelle Concentration), que corresponde a uma agregação adicional das micelas esféricas formando barras cilíndricas (SAYARI, 1996). Esta transformação é fortemente dependente da temperatura, do grau de dissociação do ânion, e do comprimento da cadeia do surfactante (BIZ e OCCELLI, 1998).
Baseado em análises como difração de raios-X, análise termogravimétrica e ressonância magnética nuclear de 29Si e 14N, pesquisadores concluíram que as barras de micelas com duas ou três camadas de sílica formam-se antes que possam se auto organizar dentro da fase hexagonal, com uma condensação mais tarde de sílica durante a calcinação. Assim, este mecanismo apenas ocorre se as barras de micelas forem formadas em síntese intermediária. Para essa finalidade, devem ser considerados dois fatores (SAYARI, 1996):
A cadeia de carbono do surfactante deve ser bastante longa de forma que seja possível a formação das barras de micelas.
A concentração do surfactante deve ser igual pelo menos a CMC2, ou seja, possuir uma concentração mínima para a formação de cada micela na forma cilíndrica.
O MCM-41 pode ser sintetizado com uma concentração de surfactante tão baixa quanto a CMC até a concentração onde a fase cristal-líquida é formada (CHENG, CHAN e
KLINOWSKI, 1995). MONNIER e col. (1997) estudaram esta situação com mais detalhes. Eles propuseram que três etapas são envolvidas na formação do composto sílica - surfactante. Primeiro, a oligomerização do silicato polianiônico atua como ligante multidentado para os grupos da cabeça do surfactante catiônico, resultando numa forte interação na interfase sílica – surfactante com fase lamelar. Na segunda etapa, ocorre a polimerização da sílica preferencialmente na região da interfase, resultando na redução da carga negativa. A mudança da densidade formada entre o surfactante e a sílica resulta numa transformação de fase, formando o composto surfactante – silicato hexagonal. O trabalho de FIROUZI e col. (1989) mostrou que sob condições onde não ocorra condensação (baixa temperatura), o surfactante auto-organizado governa o sistema, mas assim que a sílica polimeriza, a estrutura resultante é controlada pela rede inorgânica. O aumento da concentração de surfactante forma o autoarranjo dos tubos do direcionador. Esta situação foi estudada por CHEN e col. 1993 usando espectroscopia RMN-14N. Os tubos de micelas ordenados aleatoriamente interagem com as espécies silicatos, originando um arranjo de sílica tubular ao redor da superfície externa das micelas. Um mecanismo similar foi proposto baseado em medidas de ressonância (ZHANG, LUZ, e GOLDFARB, 1997). A primeira etapa é a formação de domínios, que consistem em tubos de micelas encapsulados com íons silicatos apresentando ordem hexagonal. Em seguida, íons silicatos polimerizam a interfase, resultando no endurecimento da fase inorgânica.
1.4.1. Fatores que influenciam a síntese dos materiais mesoporosos
Os materiais mesoporosos do tipo M41S têm sido preparados em uma grande variedade de condições, existindo, portanto, diversos fatores que influenciam na obtenção destes materiais. A Tabela 1 apresenta os principais parâmetros de síntese.
Tabela 1. Principais fatores que afetam a síntese dos materiais mesoporosos do tipo M41S Fonte de silício Temperatura de cristalização Ph Utilização de co-solventes Tipos de surfactantes Razão surfactantes / SiO2
Vários tipos de fontes inorgânicas são utilizados na síntese do MCM-41. Quanto à fonte de silício, normalmente utiliza-se silicato de sódio, TEOS (tetraetilortosilicato), TMA- silicato (tetrametilamônio silicato), sílica amorfa (Waterglas, Aerosil, Ludox).
Dependendo das diferentes condições de síntese (fonte de sílica; pH; comprimento da cadeia do surfactante; entre outras) a cristalização pode acontecer à temperatura ambiente. Entretanto, na maioria dos casos, a temperatura de cristalização fica em torno de 80 – 120 ºC. A temperaturas baixas, a condensação dos grupos silanóis também é baixa e a agregação das moléculas é então dirigida por interações iônicas. A altas temperaturas (> 50 ºC), a cinética da condensação dos grupos inorgânicos domina e ambas, a termodinâmica e a cinética, favorecem para a sua diminuição, inicializado pelo agrupamento dos silicatos (SAYARI, 1996).