Summary
Denne protokol beskriver en metode til ætsning af tekst, mønstre og billeder på overfladen af silica aerogel monoliter i indfødt og farvet form og samle aerogels i mosaik design.
Abstract
En procedure for æstetisk forbedring af silica aerogel monoliter ved laser ætsning og inkorporering af farvestoffer er beskrevet i dette manuskript. Ved hjælp af en hurtig superkritisk ekstraktionsmetode kan stor silica aerogel monolit (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) fremstilles på ca. 10 timer. Farvestoffer, der er indarbejdet i forløberblandingen, resulterer i aerogeler med gul,pink og orange farvet. Tekst, mønstre og billeder kan ætses på overfladen (eller overfladerne) af aerogel monolit uden at beskadige bulkstrukturen. Lasergraveren kan bruges til at skære figurer fra aerogel og danne farverige mosaikker.
Introduction
Silica aerogel er et nanoporøst, højt overfladeareal, akustisk isolerende materiale med lav termisk ledningsevne, der kan bruges i en række applikationer fra opsamling af rumstøv til bygningsisoleringsmateriale1,2. Når silica aerogels fremstilles i monolitisk form, er de gennemsigtige og kan bruges til at fremstille meget isolerende vinduer3,4,5.
For nylig har vi vist, at det er muligt at ændre udseendet af en silica aerogel ved at ætse på eller skære gennem overfladen ved hjælp af et lasergraveringssystem6,7 uden at forårsage bulk strukturelle skader på aerogel. Dette kunne være nyttigt til at gøre æstetiske forbedringer, udskrivning lageroplysninger og bearbejdning aerogel monoliter i forskellige former. Femtosecond lasere har vist sig at arbejde for rå "mikro-bearbejdning" af aerogels8,9,10,11; Den nuværende protokol viser dog evnen til at ændre overfladen af aerogels med et simpelt lasergraveringssystem. Som følge heraf gælder denne protokol bredt for de kunstneriske og tekniske samfund.
Det er også muligt at inkorporere farvestoffer i aerogel kemisk prækursorblanding og derved lave farvedryperede aerogels med en række nuancer. Denne metode er blevet brugt til at fremstille kemiske sensorer12,13, for at forbedre Cerenkov detektion14, og af rent æstetiske årsager. Her demonstrerer vi brugen af farvestoffer og laser ætsning til at forberede æstetisk tiltalende aerogels.
I det følgende afsnit beskriver vi procedurer for fremstilling af store silica aerogel monoliter, ændring af monolitforberedelsesproceduren for at indarbejde farvestoffer, ætsning af tekst, mønstre og billeder på overfladen af en aerogelmonolit og skæreformer fra store farvede monoliter, der skal samles i mosaikker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Sikkerhedsbriller eller beskyttelsesbriller skal bæres ved klargøring af aerogel-forløberløsningerne, arbejde med den varme presse og ved hjælp af lasergraveringssystemet. Laboratoriehandsker skal bæres ved rengøring og klargøring af formen, klargøring af den kemiske reagensopløsning, hælde opløsningen i formen i den varme presse og håndtering af aerogel. Læs sikkerhedsdatablade (SDS) for alle kemikalier, herunder opløsningsmidler, før du arbejder med dem. Tetramethyl orthosilicate (TMOS), methanol og koncentreret ammoniak samt opløsninger, der indeholder disse reagenser, skal håndteres i en røghætte. Farvestoffer kan være giftige og/eller kræftfremkaldende, så det er vigtigt at anvende passende personlige værnemidler (se SDS). Som nævnt i vores tidligere protokol15skal der installeres et sikkerhedsskjold omkring den varme presse; den varme presse skal luftes korrekt, og antændelseskilder skal fjernes. Før du bruger lasergraveren, skal du sikre dig, at vakuumudstødningssystemet er i drift.
1. Opnå eller fabrikere en aerogel monolit
BEMÆRK: Metoder til fremstilling af en 10 cm x 11 cm x 1,5 cm aerogel monolit i en indeholdt metalform via en hurtig superkritisk ekstraktionsmetode (RSCE)15,16,17,18 er beskrevet her. Denne RSCE-proces fjerner opløsningsmiddelblandingen fra porerne i silicamatrixen uden at forårsage strukturelt sammenbrud. Fordi forløberblandingen fylder formen, indebærer denne metode superkritisk ekstraktion af en betydeligt mindre mængde alkohol (i dette tilfælde methanol) end andre højtemperatur alkohol superkritiske ekstraktionsmetoder. Aerogels produceret ved hjælp af denne metode har tætheder på ca. 0,09 g/mL og overfladearealer på ca. 500 m2/g. Til ætsning kan monoliten være af enhver størrelse, der er stor nok til at ætse på og fremstilles ved hjælp af en passende metode (dvs. CO2 superkritisk ekstraktion, frysetørring, omgivende tørring). For farvede aerogels er disse andre metoder muligvis ikke så velegnede, fordi farvestoffet kan udvaskes under opløsningsmiddeludvekslingstrin. Hvis du bruger en monolit, der er hentet fra en anden kilde, skal du gå til trin 2.
- Forbered formen
BEMÆRK: Alle opløsningspræparater skal udføres i en røghætte iført handsker og sikkerhedsbriller.- Opnå en tredelt (4140 legering) stålform bestående af en top-, mellem- og bunddel med ydre dimensioner på 15,24 cm x 14 cm og et hulrum på 10 cm x 11 cm i midten (se figur 1). Den øverste del af formen har fjorten 0,08 cm udluftningshuller, syv på hver side. Denne form samling vil producere en 10 cm x 11 cm x 1,5 cm aerogel.
BEMÆRK: Der kan anvendes en anden størrelse form; Parametrene skal dog justeres som beskrevet i Roth, Anderson og Carroll20. - Brug fortyndet sæbe og en ru tekstureret svamp til at skrubbe og rense den øverste, midterste og nederste del af formen. Tør alle dele af formen ved hjælp af et rent køkkenrulle.
- Hæld 20 ml acetone i et 50 ml eller større bægerglas. Dyp en engangsrensning tørre i acetone og tørre formen ved hjælp af en ny rengøring tørre for hver del. Gentag indtil rengøringsstørningen ser ren ud efter aftørring.
- Sand alle overflader let med 2.000 gruspapir, indtil formen er glat at røre ved, og eventuelle rester fra tidligere anvendelser er blevet fjernet. Vær ekstra opmærksom på indersiden af den midterste form, hvor aerogelen er dannet.
- Flow trykluft gennem udluftningshullerne i den øverste form del for at rydde dem.
- Klem ca. 2,4 mL fedt ud med højvakuum, og påfør manuelt et tykt, jævnt fedtlag på hele (26 mm) bundformens topforbindelsesoverflade (se figur 1).
- Klem ca. 1,0 mL fedt ud med højvakuum og påfør manuelt et tykt, endda 1-2 mm fedtlag på den ydre halvdel (13 mm) af den nederste forbindelsesoverflade på den øverste form (se figur 1).
- Klem ca. 0,5 mL fedt ud med højt vakuum, og der påføres manuelt et tyndt (mindre end 0,5 mm), jævnt fedtlag på de indvendige overflader af top- og bundformen (de overflader, der vil kontakte forløberopløsningen og den resulterende aerogel, se figur 1).
- Tør overskydende fedt af med en engangsrengøringsstør, indtil overfladen føles glat, og der ikke mærkes klæbrighed fra fedtet.
- Klem ca. 0,5 mL højt vakuumfedt ud, og der påføres manuelt et tyndt (mindre end 0,5 mm), jævnt fedtlag på indersiden af den midterste form (se figur 1). Tør ikke overskydende fedt væk.
- Placer den midterste skimmel del på toppen af bunden skimmel del. Brug en gummihammer dækket med engangsrensningsservietter (for at beskytte formens overflade) og hamre forsigtigt den midterste del ind i den nederste del, indtil alle sider er jævnt forseglet.
- Ved hjælp af to 0,0005" (0,0127 mm) tyk 16 cm x 15 cm stykker rustfrit stålfolie, og en 0,0625" (1,59 mm) tyk 16 cm x 15 cm stykke fleksibel grafitplade, lav en bundpakning bestående af grafiten klemt inde mellem to lag rustfrit stålfolie. Lav en lignende pakning til toppen af formen.
- Læg bundpakningen på den nederste kogeplade, og placer derefter de samlede mellem- og bundformstykker oven på pakningen (se figur 2). Sørg for, at formen samling er placeret i midten af den varme presse plade og bruge den varme presse til at anvende en 90 kN kraft til formen i ca 5 minutter til at forsegle de to stykker.
- Fjern formen fra den varme presse. Brug en engangsrengøringsstør til at fjerne overskydende fedt, der kan have presset ud mellem midten og bunden stykker. Sørg for, at der ikke er snavs på indersiden af formen.
- Opnå en tredelt (4140 legering) stålform bestående af en top-, mellem- og bunddel med ydre dimensioner på 15,24 cm x 14 cm og et hulrum på 10 cm x 11 cm i midten (se figur 1). Den øverste del af formen har fjorten 0,08 cm udluftningshuller, syv på hver side. Denne form samling vil producere en 10 cm x 11 cm x 1,5 cm aerogel.
- Forbered aerogel forløber blanding
BEMÆRK: Denne opskrift er til en TMOS-baseret silica aerogel, der kan laves i formen beskrevet ovenfor i afsnit 1.1. Enhver passende silica aerogel opskrift kan bruges, så længe forløber opskrift gelation tager mere end 15 min, men mindre end 120 min ved stuetemperatur (se for eksempel Estok et al.19 for en passende tetraethyl orthosilicate-baserede RSCE opskrift). Aerogels kan tilberedes i indfødt (trin 1.2.1) eller farvet form (trin 1.2.2). Alt løsningsforberedelsesarbejde udføres i en røghætte ved hjælp af handsker og sikkerhedsbriller.- Indfødte aerogels
- Saml følgende reagenser: TMOS, methanol, deioniseret vand og 1,5 M ammoniak.
- Brug en analytisk balance til at måle 34,28 g TMOS i et rent 250 mL bægerglas. Hæld den målte TMOS i et rent 600 mL bægerglas og dæk med paraffinfilm.
- Brug en analytisk balance til at måle 85,76 g methanol i et andet 250 mL bægerglas. Hæld det målte metanol i 600 mL bægerglas indeholdende TMOS og dække med paraffin film.
- Mål 14,14 g deioniseret vand i et 50 mL bægerglas ved hjælp af en analytisk balance. Brug en mikropipette til at tilsætte 1,05 mL 1,5 M ammoniak til vandet i bægerglasset. Rør forsigtigt.
- Hæld vand- og ammoniakblandingen i 600 mL-bægerglasset med de resterende reagenser og dæk med paraffinfilm. Placer bægeret i en soniker og sonikere i 5 min.
- Farvestof-dopede aerogels
BEMÆRK: Hvis der anvendes en anden procedure, der involverer udveksling af opløsningsmidler, vil en betydelig mængde farvestof blive vasket ud under udvekslingerne; derfor vil farverne på de resulterende aerogels ikke være så levende som dem, der præsenteres her.- Saml følgende reagenser: tetramethyl orthosilicate (TMOS), methanol, deioniseret vand, 1,5 M ammoniak og et passende farvestof.
- Brug en analytisk balance til at måle 34,28 g TMOS i et rent 250 mL bægerglas. Hæld den målte TMOS i et rent 600 mL bægerglas og dæk med paraffinfilm.
- Brug en analytisk balance til at måle 42,88 g methanol i et 250 mL bægerglas. Hæld det målte metanol i 600 mL bægerglas indeholdende TMOS og dække med paraffin film. Brug en analytisk balance til at måle yderligere 42,88 g methanol i 250 mL bægerglas.
- Brug en analytisk balance til at måle 0,050 g fluorescein (for at lave en gulfarvet aerogel) eller 0,042 g rhodamin B (for at lave et lyserødt aerogel) eller 0,067 g Rhodamine 6 G (for at lave en orangefarvet aerogel) til et 10 mL-bægerglas. Tilsæt farvestoffet til 250 mL bægerglas indeholder methanol og forsigtigt blandes indtil opløst.
BEMÆRK: Disse instruktioner er til aerogels, der anvendes i eksemplet mosaik design; farvestofkoncentrationen kan ændres for at ændre farvedybden i den resulterende aerogel (se tabel 1). - Hæld farveopløsningen i 600 mL bægerglas indeholdende TMOS og dække med paraffin film.
- Mål 14,14 g deioniseret vand i et 50 mL bægerglas ved hjælp af en analytisk balance. Brug en mikropipette til at tilsætte 1,05 mL 1,5 M ammoniak til vandet i bægerglasset.
- Hæld vand- og ammoniakblandingen i 600 mL-bægerglasset med de resterende reagenser og dæk med paraffinfilm. Placer bægeret i en soniker og sonikere i 5 min.
- Indfødte aerogels
- Udfør hurtig superkritisk udvinding
BEMÆRK: Denne procedure bruger en programmerbar varm presse på 30 ton, der er udstyret med et sikkerhedsskjold. Handsker og sikkerhedsbriller skal bæres.- Programmer programmet for udvinding af varm presse med de parametre, der er vist i tabel 2. Parametrene er indstillet til at forberede en 10 cm x 11 cm x 1,5 cm aerogel i formen beskrevet i trin 1.1.1. Hvis der anvendes en anden størrelse form, skal parametrene justeres, som beskrevet i Roth, Anderson og Carroll20.
- Placer den midterste/nederste formsamling tilbage oven på den nederste pakning i den varme presse. Sørg for, at formen er placeret i midten af den varme presseplade (se figur 2).
- Hæld aerogel prækursoropløsningen (indfødt eller farvestofholdig) i formen, indtil opløsningen er ~ 2 mm fra toppen. Dette vil sikre, at formen er helt fyldt med forløber opløsning, når det øverste stykke af formen er tilføjet. Der vil være ca. 10 mL blanding tilbage i bægerglasset, som kan kasseres eller få lov til at gelere ved stuetemperatur.
- Placer forsigtigt den øverste del af formen på plads på midten / bunden skimmel samling. Overskydende opløsning kan komme ud af udluftningshullerne på toppen af formen, da den er placeret på den midterste form. Tør opløsningen af med en engangsrengøringsstør.
- Placer engangsrensningsservietter oven på formen for at beskytte skimmeloverfladen. Brug en gummihammer til let at trykke på den øverste form, indtil den er jævnt forseglet på hver side.
- Placer den øverste pakning oven på den samlede form; sikkerhedsskjoldet og starte hot-press-programmet. Forløberblandingen geler som systemet varmer op. Hele processen vil tage 10,25 timer at fuldføre for denne størrelse aerogel.
- Fjern aerogel monolit fra skimmelsvamp
BEMÆRK: Handsker skal bæres ved håndtering af aerogel monolit.- Når udsugningsprocessen er færdig, skal du åbne sikkerhedsskjoldet, fjerne formen og placere den på en ren arbejdsflade.
- Sæt en skruetrækker med fladt hoved ind i hulrummet mellem den øverste og midterste form (se figur 1). Placer en behandsket hånd på bagsiden af formen og skubbe ned på skruetrækkeren til at adskille top og midterste skimmel dele.
- Når forseglingen er brudt, gentag trin 1.4.2, der går rundt om kanterne af formen, mens du skubber skruetrækkeren ned for at frigive den øverste skimmel del. Placer den behandskede hånd, hvor det er nødvendigt for at holde formen nede, mens du åbner den.
- Når alle sider af den øverste form er fri for den midterste form, fjerne den øverste form. Placer den øverste form til siden.
- Få fat i en beholder med låg, der er stor nok til at holde aerogelen. fjern låget og læg den nederste del af beholderen på hovedet oven på den midterste form med beholderen og skimmelhulen justeret. Vend formen på hovedet; aerogelen skal falde forsigtigt ned i beholderen.
- Sæt låget tilbage på beholderen for at beskytte aerogelen. Aerogelen kan opbevares på ubestemt tid, før den udfører ætsning eller skæring.
2. Forbered printerfil til lasergraver
BEMÆRK: Det er muligt at udskrive tekst, mønstre og billeder på aerogelen. Ethvert passende tegneprogram kan bruges. Billeder fortolkes i gråtoneskala. Lasergraveren vil ablate aerogel overfladen på steder, hvor der er tekst eller et mønster og varierer laser pulstæthed for at opnå grå skala værdier. Ætsning forekommer på steder, hvor det udskrevne billede ikke er hvidt. Ætsning forekommer ikke, hvor billedet er hvidt. Der er inkluderet separate instruktioner til tekst-, mønster- eller billedfiler. Alle tre kan kombineres i én fil, hvis det ønskes6.
- Tekstfiler
- Åbn tegningsprogrammet, og start et nyt dokument. Føj den ønskede tekst af enhver størrelse, stregbredde og typografi direkte til dokumentet.
- Gem filen.
- Mønsterfiler
- Åbn tegningsprogrammet, og start et nyt dokument.
- Føj streger og figurer direkte til dokumentet ved hjælp af den ønskede linjebredde.
- For at designe et mosaikmønster, der vil blive skåret fra (i stedet for ætset på) aerogel monolit, skal du bruge former og linjer i værktøjskassen og indstille alle linjebredder til hårgrænse. Se figur 3 for eksempel på et mosaikmønster.
- Gem filen.
- Billedfiler
- Vælg et billede, og brug et billedbehandlingsprogram til at redigere.
- Brug billedbehandlingssoftware til at fjerne ikke-hvide sektioner, der ikke skal udskrives fra billedet. Se figur 4 for et eksempel herpå.
BEMÆRK: Ætsning forekommer på et hvilket som helst ikke-hvidt sted. - Konverter billedet til gråtoneskala for at få en visuel indikation af, hvordan det ætsede billede vil se ud, og juster kontrasten mellem billedfarver, indtil det er overbevist om, at der findes tilstrækkelig kontrast til at vise de ønskede funktioner (se Figur 4).
BEMÆRK: Det nødvendige kontrastniveau afhænger af mængden af detaljer i billedet, som brugeren ønsker at ætse på aerogelen. Tegningsprogrammet skal give vejledning, men brugeren skal muligvis eksperimentere med forskellige kontrastniveauer for at opnå det ønskede resultat. - Åbn tegningsprogrammet, og start et nyt dokument. Overfør et billede til tegneprogrammet.
- Gem filen.
3. Ætsningsprocedure
BEMÆRK: Følgende instruktioner er til en 50 W CO2 lasergraver/fræser, men kan ændres til brug sammen med andre systemer. Dette system justerer hastigheds- og effektegenskaberne på procentbasis fra 0% til 100%. Relevante lasergraveregenskaber er inkluderet i tabel 3. Et vakuumudstødningssystem skal anvendes til at udlufte lasergraveren. Brug handsker ved håndtering af aerogel monolit.
- Tænd lasergraveren, vakuumudsugningssystemet og den tilsluttede computer.
- Mål størrelsen på aerogel monolit overflade, der vil blive ætset (i eksemplet ovenfor, størrelsen er 10 cm x 11 cm).
- Start tegningsprogrammet, og åbn den tidligere gemte fil (fra trin 2.1, 2.2 eller 2.3). Angiv dokumentets dimension/stykkestørrelse, så den svarer til den målte aerogel-monolitstørrelse.
- Åbn låget på lasergraveren. Placer aerogelen (indfødt eller farvet) på lasergraverplatformen som vist i figur 5ved hjælp af en behandsket hånd. Juster aerogelen i øverste venstre hjørne, så aerogelen rører toppen og venstre linealer.
- Tag den V-formede magnet manuel fokusmåler fastgjort til laseren og vende den på hovedet. Tryk på Fokuser på lasergraveren.
BEMÆRK: På grund af gennemsigtigheden af silica aerogel monolit er det nødvendigt manuelt at indstille fokusparametrene for ætsning. Brug ikke Automatisk fokus. - Placer en engangsrengøringsstør på toppen af aerogel monoliten for at beskytte den. Brug pil op på lasergraver kontrolpanelet, flytte lasergraver platform, indtil den nederste del af den manuelle fokusmåler bare rører aerogel.
- Fjern engangsrengøringsservietter og sæt måleren tilbage til sin oprindelige position. Luk lasergraverlåget.
- Klik på Filer i tegningsprogrammet , og udskrivderefter . Vælg tegneprogrammet som udskriftssted, og åbn vinduet Egenskaber.
- Juster egenskaberne ved at vælge Raster-tilstand: en DPI på 600, en hastighed på 100 % (208 cm/s) og en effekt på 55 % (27,5 W). Bekræft, at stykkestørrelsen svarer til den målte aerogel monolitstørrelse. Klik på Anvend , og udskrivderefter .
- Klik på Job i frontpanelet i lasergraveren, og vælg det tilsvarende filnavn. Klik på Go.
- Når lasergraveren er færdig, skal du klikke på Fokuser og bruge pil ned på laserfrontens kontrolpanel til at sænke basen. Brug en behandsket hånd, forsigtigt fjerne aerogel fra lasergraver platform og placere den tilbage i beholderen.
- Fjern jobbet fra lasergraveren ved at klikke på knappen Papirkurven. Sluk for lasergraveren og vakuum.
4. Opskæringsprocedure
- Tænd lasergraveren, vakuumudsugningssystemet og den tilsluttede computer.
- Mål størrelsen på aerogel monolit overflade, der vil blive skåret (i eksemplet ovenfor, størrelsen er 10 cm x 11 cm).
- For generel skæring skal du åbne tegningsprogrammet og starte et nyt dokument. Angiv dimensionerne for dokumentets/stykkestørrelsen for at korrelere med den målte aerogel-monolitstørrelse.
- Brug værktøjerne i tegneprogrammet til at oprette den figur eller streg, der klippes ved hjælp af en "hårgrænse" stregbredde. Find figuren/linjen, så den passer til den ønskede snitplacering på aerogelen.
- For mosaik mønstre, importere den tidligere gemte fil (fra trin 2.2) og justere størrelsen til at matche aerogel monolit.
- Opnå et 0,0005" (0,0127 mm) tykt ark rustfrit stålfolie, der er stort nok til at dække bunden af aerogel-monoliten. Rengør det rustfri stål med acetone ved hjælp af en rengøringsstørring.
- Åbn låget på lasergraveren, placer folien i rustfrit stål på lasergraverplatformen for at forhindre rester på platformen i at misfarve aerogelen under skæring og placere aerogelmonoliten oven på folien. Juster aerogel og rustfrit stål folie i øverste venstre hjørne med aerogel rører toppen og venstre linealer.
- Følg trin 3.5-3.8 fra ætsningsproceduren ovenfor.
- Juster udskriftsegenskaberne. Vælg Vector-tilstand: en DPI på 600, en hastighed på 3% (0,27 cm/s), Effekt på 90% (45 W) og Frekvens på 1.000 Hz. Sørg for, at stykkestørrelsen svarer til den målte aerogelstørrelse. Dybden af snittet vil variere med laserhastighed. Se tabel 4 og figur 6.
- Følg trin 3.10-3.12 fra ætsningsproceduren.
- Små stykker af ablated aerogel vil blive efterladt på forsiden af monolit, der var i kontakt med laseren, som vist i figur 7. For at fjerne partiklerne skal du bruge en skumbørste og forsigtigt tørre stykkerne væk.
5. Fremstilling af aerogel mosaikker
- For at give en tri-farve mosaik, forberede tre forskellige monoliter af samme tykkelse, men med forskellige farvestoffer. (Det er også muligt at give mosaikker med tre forskellige nuancer, ved hjælp af forskellige monoliter af samme tykkelse, men med varierende koncentrationer af samme farvestof, eller at medtage indfødte aerogel med farvet aerogel i mosaik mønstre.)
- Brug skæreproceduren i afsnit 4 med mosaikdesignet fra punkt 2.2 til at skære mosaikmønstrene i tre forskellige farvede aerogeler af samme tykkelse.
- Placer de afskårne farvede aerogels på en flad, ren overflade.
- Demonteres forsigtigt hver enkeltfarvet aerogel og adskil komponenterne i cut-designet ved hjælp af pincet eller en skarp kniv for at lette adskillelsen og forhindre brud.
- Pensl forsigtigt siderne af hver form med en skumbørste for at fjerne de overskydende hvide partikler, der er tilbage af laserskæringsproceduren.
- Byt de samme former med forskellige farver for at producere flerfarvede mosaikker (Figur 8) og saml de afskårne former ved at komprimere dem sammen for at danne en komplet mosaiklignende flise, som kan placeres inden for en glasramme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne protokol kan anvendes til at forberede en bred vifte af æstetisk tiltalende aerogel monoliter til applikationer, herunder, men ikke begrænset til, kunst og bæredygtigt bygningsdesign. Optagelse i forløberblandingen af de små mængder farvestof, der anvendes her, observeres kun for at påvirke farven på den resulterende aerogelmonolit; ændringer i andre optiske eller strukturelle egenskaber ikke overholdes.
Figur 8 viser en tilgang til at forberede en aerogel mosaik fra store silica monoliter. Det samme mønster (vist i figur 3) skæres i tre forskellige farvede aerogelmonoliter (Figur 8a-c). Aerogel stykker samles derefter i et mosaikmønster (Figur 8d-e). For at forberede et mosaikvindue kan aerogelmosaikken sandwiches mellem to glasruder eller gennemsigtig plast i en rammesamling. Brug af en kompressionsramme vil fjerne huller mellem de gensamlede stykker i den endelige mosaiksamling.
Det er muligt at ætse design på mindre monolitiske stykker efter samme procedure, der er beskrevet i afsnit 3, for at opnå visuelt interessante arrangementer. Figur 9 præsenterer billeder af farvede, ætsede aerogelstykker under naturlige lysforhold (figur 9a) og under UV-lys (figur 9b), der fremhæver fluorescerende karakter af de farvestoffer, der anvendes her. Bemærk, at små monoliter af uregelmæssig størrelse og form blev brugt til at illustrere muligheden for ætsning på mindre stykker; ætsningsprocessen fik dem ikke til at gå i stykker.
Figur 10 præsenterer en montage af ætsede aerogels, der illustrerer forskellige æstetiske effekter, der kan opnås ved hjælp af denne protokol: indfødte aerogels ætset med mønstre af forskellig densitet (Figur 10a-c), aerogels med fotografier trykt på forsiden af en planar overflade (Figur 10d) og foran og bag på en buet overflade (Figur 10e) samt en ætset fluorescein-farvet aerogel (Figur 10f ). Montagen illustrerer alsidigheden af ætsning og døende processer.
Ætsning resulterer i ændringer i aerogelens overflade, men visuel observation, billeddannelse og BET-analyse viser, at den efterlader bulkstrukturen intakt6,7. Fotografier i figur 5, Figur 6, Figur 7, Figur 8, Figur 9 viser, at de uindtjente dele af monoliten er uskadte. De lokaliserede skader forårsaget af ætsning kan afbildes. Figur 11 viser scanning elektronmikroskop (SEM) billeder af ætset silica aerogel. Figur 11a viser grænsefladen mellem ætsede "linjer" (øverste højre del af billedet, med funktioner i en venation mønster) og un-ætset nanoporous aerogel (som synes næsten glat ved denne forstørrelse). Ætsning forårsager ablation af materiale fra overfladen og smeltning af nogle af silica i glødetråd-lignende strukturer hundredvis af μm i længden7. Figur 11b viser effekten af en enkelt laserpuls i aerogelen.
| Farvestof &struktur | Smeltepunkt (°C) | Masseforhold (Dye/Methanol) på lageropløsning | Billeder af resulterende Aerogels |
|
Fluorescein 
|
315 | 0,05% g /g |  |
|
Rhodamin B 
|
165 | 0,075% g/g |  |
|
Rhodamine 6G 
|
290 | 0,16% g/g |  |
Tabel 1: Oplysninger om farvestofferne. Oplysninger om farvestoffer, der anvendes til fremstilling af aerogeler med gul, pink og orangefarvet og repræsentative billeder. Forskellige nuancer opnås ved fortynding af methanol/farvestoflagerblandingen med yderligere methanol (som beskrevet i trin 1.2.2.4.) før anvendelse i forløberblandingen. Billeder vises for materialer fremstillet med 0x fortynding (lageropløsning, vist til venstre), 2x fortynding (50% methanol / farvestof + 50% methanol, vist i midten) og 6,67x fortynding (15% methanol / farvestof + 85% methanol, vist til højre).
| Skridt | Temperatur (°F, °C) | T-rate (°F/min, °C/min) | Force (Kip, kN) | F-rate(Kip/min, kN/min) | Dwell (min) | Trinvarighed (min) |
| 1 | 90, 32 | 200, 111 | 55, 245 | 600, 2700 | 30 | 30 |
| 2 | 550, 288 | 2, 1.1 | 55, 245 | -- | 55 | 285 |
| 3 | 550, 288 | -- | 1, 4.5 | 1, 4.5 | 15 | 70 |
| 4 | 90, 32 | 2, 1.1 | 1, 4.5 | -- | 0 | 230 |
Tabel 2: Parametre for varm tryk.
| Parameter | Værdier |
| Maksimal hastighed | 8,9 cm/s (vektortilstand) |
| 208 cm/s (rastertilstand) | |
| Maksimal effekt | 50 W |
| Frekvensområde | 1 - 5000 Hz |
| Udskriftsopløsning | 75 - 1200 DPI |
Tabel 3: Lasergraveregenskaber.
| Hastighed (cm/s) | Skær dybde (mm) |
| 0.27 | 12.8 |
| 0.45 | 12.2 |
| 0.71 | 10.4 |
| 0.89 | 10.2 |
| 1.78 | 7 |
| 2.67 | 6.2 |
| 3.56 | 5.2 |
| 4.45 | 4.6 |
| 5.34 | 4.3 |
| 6.23 | 3.7 |
| 7.12 | 3.4 |
| 8.01 | 2.8 |
| 8.9 | 3 |
Tabel 4: Laserskæringsdybde som funktion af laserhovedhastighed for en lasereffekt på 100% (50 W) og frekvensen på 500 Hz, der skærer gennem en 12,7 mm tyk aerogelprøve.
Figur 1: Mgamle samling. Skemaer af (a) top (med fjorten udluftningshuller), (b) midten og (c) bundform samling. Den blå overflade (d) angiver den nederste dels forbindelsesflade (en lignende findes på den øverste overflade), og de off-white overflader (e) angiver indersiden af midter- og bundformen (en lignende findes på den øverste overflade). En tredelt skimmel bruges til at lette fjernelsen af aerogel, hvis det er nødvendigt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Skematisk viser skimmelplacering i varm presse. (a) Varmpresse platens,( b) grafitpakning,c) folie i rustfrit stål,d) 3-del skimmel. BEMÆRK: Et stykke rustfrit stålfolie kan placeres mellem pladen og grafitpakningen for at forhindre, at der klæbes til pladen, som beskrevet i trin 1.1.12. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3:Eksempel på konstruktion afet mosaikdesign. (a) firkantet kontur skabt, (b) diagonale linjer tilføjet, (c) cirkel tilføjet, (d) indre diagonale linjer fjernet, (e) sekskant tilføjet og (f) endelige design. Se figur 8 for aerogel mosaik konstrueret ud fra dette design. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Eksempeljustering af et skybillede. (a) Originalt billede. (b) Omvendt billede med off-white baggrund. (c) Originalt billede med baggrund fjernet og kontrast justeret til 40% for at fremhæve funktioner. (d) Fotografi af aerogel ætset med billede vist i panel a. Det lave kontrastniveau i det oprindelige billede resulterer i et utydeligt ætset mønster. (e) Fotografi af aerogel ætset med billedet vist i panel b. Her er skyen mere synlig, men den off-white baggrund resulterer i mindre forskel. Bemærk, at de observerede revner var til stede på monoliten før ætsning og ikke skyldes ætsningsprocessen. (f) Fotografi af aerogel ætset med billedet vist i panel c. Den justerede kontrast og fjernelse af baggrunden resulterer i en mere tydelig sky. På alle billederne er skyen ca. 2 cm høj. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Lasergraver. (a) manuel fokusmåler,( b)laser- og linsemontering, (c)aerogel og( d)platform. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Skær dybde i forhold til laserhastighed. Skær dybde versus laserhastighed (100% venstre snit, 3% højre snit) for en effekt på 100% (50 W) og en frekvens på 500 Hz (se ledsagende data i tabel 4) for en 12,7 mm tyk aerogelprøve. Denne figur er blevet ændret fra Stanec et al.7 Pilen angiver snittet, der trængte ind i aerogelens fulde dybde. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7:Fotografi afskåret aerogel kant. Stykker af ablated aerogel kan ses på den venstre overflade. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Eksempel på aerogel mosaik. Det endelige mønster af figur 3, der er skåret i (a)rhodamin-6G-farvet aerogel (orange),b) fluoresceinfarvet (gul) aerogel og( c)rhodamin-B-farvet (pink) aerogel (d,e) individuelle snit stykker samlet til at danne tri-farve mosaikker. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: Ætsede farvede aerogelprøver. Ætsede farvede aerogelprøver (a) under naturlige lysforhold og( b) under UV-lys. Noter: Størrelsen på det største aerogelstykke (venstre side, midten) er ca. 3 cm x 3 cm x 1 cm. Mørke pletter observeret skyldes farvning fra lasergraver platform eller er løse partikler, snarere end en indikation af inhomogeneity i farvestof distribution. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10: Fotografier af ætsede aerogels. (a) visning af geometrisk mønster ætset på forsiden og bagsiden af aerogel,( b) et tæt ætsning mønster efterlader bulk struktur intakt, (c) blomst mønster ætsning, (d) fotografi (øverst) ætset på silica aerogel (nederst), (Dette tal er blevet ændret fra Michaloudis et al.6) (e ) fotografi (øverst) af Kouros statue ætset på forsiden og bagsiden af cylindrisk aerogel af diameter 2,5 cm (bemærk det oprindelige billede blev omvendt for at skabe en hvid baggrund før ætsning), og (f) billede ætset på fluorescein-farvet silica aerogel af højde 9 cm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 11: SEM-billeder af en silica aerogel, der viser effekten af (a) ætsningslinjer på øverste højre side af billedet og( b) en enkelt laserpuls. (Dette tal er blevet ændret fra Stanec et al.7) Billederne viser strukturelle ændringer forårsaget af laseren. Skalalinjen er 20 μm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne protokol viser, hvordan laser ætsning og inddragelse af farvestoffer kan anvendes til at forberede æstetisk tiltalende aerogel materialer.
At gøre store (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) aerogel monoliter kræver korrekt skimmel forberedelse gennem slibning, rengøring og fedt ansøgning for at forhindre aerogel i at holde sig til formen og større revner i at danne. De dele af formen, der er i direkte kontakt med forløberopløsningen/snart dannes aerogel, er de mest kritiske. Reducere overfladen ruhed af formen via maskine polering vil forbedre ydeevnen. Det er vigtigt kun at anvende fedt på den ydre omkreds (13 mm) af den øverste del af formen, så når den varme pressekraft påføres formen, siver fedt ikke ind i formens hulrum. Hvis fedt kommer ind i hulrummet, vil der dannes store revner i aerogelen.
Når du bruger lasergraveren, skal aerogelen placeres korrekt i øverste venstre hjørne af lasergraveren, og aerogelens dimensioner skal svare til dimensionerne i tegningsprogrammets dokument. Det billede, der skal ætses, skal forberedes korrekt ved at fjerne den ikke-hvide baggrund, justere kontrasten for at få definition og fremhævningsfunktioner i billedet. Selv om det er muligt at udskrive tætte mønstre (se figur 8b), hvis mønsteret er for tæt, kan det ablated materiale adskilles fra hovedparten af aerogel. Når laserparametrene skæres gennem en aerogel, skal de justeres for at undgå misfarvning6,7. Indstillinger for høj frekvens, høj effekt og lav hastighed vil forårsage mere skade. Disse indstillinger vil også påvirke kvaliteten af snittet og mængden af skader på den afskårne overflade. Retningslinjerne her for lasereffektniveau, frekvens og hastighed er for en typisk silica aerogel af densitet 0,09 g / mL. Der kan være behov for justeringer af disse parametre for aerogels med forskellig tætheder.
Det er vigtigt at vælge farvestoffer, der kan overleve RSCE aerogel fabrikationsprocessen. De skal være termisk stabile ved 290 °C (550 °F), og de må ikke reagere med methanol. Men selv om et farvestof opfylder disse krav, kan det ikke fungere. Ud over de farvestoffer, der er beskrevet ovenfor, testede vi Bismarck Brown, Indigo, Brilliant Blue og Congo Red (i et forsøg på at tilfredsstille victoriansk gotisk æstetik i mosaikdesignene). Disse farvestoffer overlevede ikke RSCE-processen og resulterede i uigennemsigtige overskyede hvide aerogeler. Koncentrationsniveauet af farvestof påvirket opacitet aerogel men ikke den forventede farve. Hvis aerogels fremstillet af en forløberopløsning, der omfatter farvestof, ikke viser nogen farve (der angiver nedbrydningen af farvestoffet), kan den maksimale behandlingstemperatur sænkes til 260 °C, hvilket stadig er over metanolens superkritiske temperatur. Eller en alternativ aerogelforberedelsesmetode (CO2-superkritisk ekstraktion, tørring af omgivende tryk eller frysetørring) kan anvendes, selv om opløsningsmiddeludvekslingstrin sandsynligvis vil vaske en betydelig del af farvestoffet væk. En anden metode til fremstilling af farvede aerogels er at indarbejde metalsalte i forløberblandingen. For eksempel kan kobolt-, nikkel- og kobbersalte bruges til at producere henholdsvis blå21, grønne22 og rødbrune aerogels23via RSCE-metoden; De resulterende aerogels er dog uigennemsigtige.
Vi er ikke bekendt med andre metoder til ætsning eller skrivning på en aerogel overflade. Der findes andre metoder til skæring af aerogeler, herunder brug af mekaniske save24. Diamantsave kan skære aerogel, men det er svært at undgå revner og overdreven sav kantsten. I applikationer til at fjerne rumstøv fra aerogels Ishii et al.25demonstrerer26 brugen af ultralydmikroblade til at skære aerogel og minimere disse problemer.
Evnen til at farve og ætsning på silica aerogels kan bruges til at forbedre æstetik aerogel monoliter, som i hjemmehørende un-ætset form ofte udviser mangler på grund af dis og lys spredning. Vi inkorporerer de resulterende æstetisk forbedrede aerogels i vinduesprototyper og skulpturer; Det ville dog være muligt at anvende de metoder, der er beskrevet her i andre applikationer, herunder udskrivning af lageroplysninger og præcise målmønstre på aerogelmonoliter. Skære- og ætsningsprocedurerne tilbyder også metoder til bearbejdning af silica aerogels i specifikke former.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne anerkende Union College Faculty Research Fund, Student Research Grant program, og sommeren bachelor forskningsprogram for økonomisk støtte til projektet. Forfatterne vil også gerne anerkende Joana Santos for udformningen af de tredelte skimmelsvamp, Chris Avanessian for SEM billeddannelse, Ronald Tocci for ætsning på den buede aerogel overflade, og Dr. Ioannis Michaloudis for inspiration og indledende arbejde på ætsning projektet samt for at give Kouros billede og cylindriske aerogel.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2000 grit sandpaper | Various | ||
| 50W Laser Engraver | Epilog Laser | Any laser cutter is suitable | |
| Acetone | Fisher Scientific www.fishersci.com | A18-20 | Certified ACS Reagent Grade |
| Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A669S212 | Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w% |
| Beakers | Purchased from Fisher Scientific | Any glass beaker is suitable. | |
| Deionized Water | On tap in house | ||
| Digital balance | OHaus Explorer Pro | Any digital balance is suitable. | |
| Disposable cleaning wipes | Fisher Scientific www.fishersci.com | 06-666 | KimWipe |
| Drawing Software | CorelDraw Graphics Suite | CorelDraw | |
| Flexible Graphite Sheet | Phelps Industrial Products | 7500.062.3 | 1/16" thick |
| Fluorescein | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | F2456 | Dye content ~95% |
| Foam paint brush | Various | 1-2 cm size | |
| High Vacuum Grease | Dow Corning | ||
| Hydraulic Hot Press | Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com | MTP-14 | Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons. |
| Laser Engraver | Epilogue Laser | Helix - 24 | 50 W |
| Methanol (MeOH) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A412-20 | Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8% |
| Mold | Fabricated in House | Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel. | |
| Paraffin Film | Fisher Scientific www.fishersci.com | S37441 | Parafilm M Laboratory Film |
| Rhodamine-6G Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 20,132-4 | Dye content ~95% |
| Rhodamine-B Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | R-953 | Dye content ~80% |
| Soap to clean mold | Various | ||
| Stainless Steel Foil | Various | .0005" thick, 304 Stainless Steel | |
| Tetramethylorthosilicate (TMOS) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 218472-500G | 98% purity, CAS 681-84-5 |
| Ultrasonic Cleaner | FisherScientific FS6 | 153356 | Any sonicator is suitable. |
| Vacuum Exhaust system | Purex | 800i | Any exhaust system is suitable. |
| Variable micropipettor, 100-1000 µL | Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com | S304665 | Any 100-1000 µL pipettor is suitable. |
References
- Aerogels Handbook. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York. (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
- Bhuiya, M. M. H., et al. Preparation of monolithic silica aerogel for fenestration applications: scaling up, reducing cycle time, and improving performance. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (25), 6971-6981 (2016).
- Jelle, B. P., et al. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells. 96, 1-28 (2012).
- Michalous, I., Carroll, M. K., Kupiec, S., Cook, K., Anderson, A. M. Facile method for surface etching of silica aerogel monoliths. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 87 (1), 22-26 (2018).
- Stanec, A. M., Anderson, A. M., Avanessian, C., Carroll, M. K. Analysis and characterization of etched silica aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 94, 406-415 (2020).
- Sun, J., Longtin, J. P., Norris, P. M. Ultrafast laser micromachining of silica aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 281 (1-3), 39-47 (2001).
- Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
- Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
- Vainos, N. A., Karoutsos, V., Mills, B., Eason, R. W., Prassas, M. Isotropic contractive scaling of laser written microstructures in vitrified aerogels. Optical Materials Express. 6 (12), 3814-3825 (2016).
- Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. , Springer. New York. (2011).
- Bockhorst, M., Heinloth, K., Pajonk, G. M., Begag, R., Elaloui, E. Fluorescent dye doped aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection. Journal of Non-Crystalline Solids. 186, 388-394 (1995).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing silica aerogel monoliths via a rapid supercritical extraction method. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51421 (2014).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. Journal of Non-Crystalline Solids. 350, 238-243 (2004).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , 8080591 (2011).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , 7384988 (2008).
- Estok, S. K., Hughes, T. A., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Fabrication and characterization of TEOS-based silica aerogels prepared using rapid supercritical extraction. Journal of Sol-gel Science and Technology. 70 (3), 371-377 (2014).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina sol gels: Effects of heat treatment on structure and catalytic ability. Journal of Non-Crystalline Solids. 453, 94-102 (2016).
- Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Characterization of alumina and nickel-alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction. Polymer Preprints. 52 (1), 250-251 (2011).
- Tobin, Z. M., et al. Preparation and characterization of copper-containing alumina and silica aerogels for catalytic applications. Journal of Sol-gel Science and Technology. 84 (3), 432-445 (2017).
- Tsou, P., Brownlee, D. E., Glesias, R., Grigoropoulos, C. P., Weschler, M. Cutting silica aerogel for particle extraction. Lunar and Planetary Science XXXVI. Part 19. , (2005).
- Ishii, H. A., et al. Rapid extraction of dust impact tracks from silica aerogel by ultrasonic microblades. Meteoritics & Planetary Science. 40 (11), 1741-1747 (2005).
- Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).
