إعداد السيليكا Aerogel كتل عن طريق استخراج الطريقة السريعة فوق الحرجة

الهدف العام من التجربة التالية هو تصنيع هلاميات السيليكا الهوائية (silica aerogels) المتجانسة عبر عملية استخلاص سريعة مكونة من خطوة واحدة. ويتم تحقيق ذلك عن طريق خلط المواد الكيميائية السليفة أولاً ثم صب الخليط في قالب معدني. وفي الخطوة الثانية، يتم إغلاق القالب في مكبس حراري هيدروليكي حيث تُعالج المواد الكيميائية لإنتاج الهلاميات الهوائية.

خلال هذه العملية، تتجلط السلائف الكيميائية وتتقادم، ويصل المذيب الموجود داخل مسام هلام الملح إلى حالة فوق حرجة، ويقوم المكبس الساخن بتحرير المذيب كقماش فوق حرج وتبريد القالب. وفي نهاية العملية، يتم إخراج هلامات السيليكا الهوائية المتجانسة من القالب. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الأخرى لتحضير الهلام الهوائي في أن العملية بأكملها، بدءاً من خلط السلائف وصولاً إلى الحصول على الهلامات الهوائية المتجانسة، لا تتطلب سوى بضع ساعات.

لقد توصلنا إلى فكرة هذه الطريقة القائمة على المكبس الحراري عندما أراد أحد طلاب المرحلة الجامعية تحضير هلامات هوائية (aerogels) لمشروع التخرج، ولم يكن لدينا إمكانية الوصول إلى مجفف النقطة الحرجة، لذا ارتجلنا واستخدمنا مكبساً حرارياً. ويعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية نظراً لأهمية الاستخدام الصحيح للقالب المعدني والمكبس الحراري.

إذا لم يتم ملء الآبار بمحلول السلائف أو إذا لم تتم برمجة المكبس الحراري بشكل صحيح، ستكون الهلاميات الهوائية الناتجة ذات جودة دون المستوى. أولاً، قم بتخفيف 10.1 milliliters من الأمونيا المركزة بتركيز 14.8 molar إلى 100 milliliters باستخدام ماء منزوع الأيونات لتحضير محلول أمونيا بتركيز 1.5 molar. بعد الحصول على قالب مربع من الفولاذ المقاوم للصدأ، امسحه بخرقة نظيفة ومبللة لإزالة أي زيوت أو غبار من على السطح.

بعد ذلك، يتم رش الجزء الداخلي من كل بئر دائرية برذاذ تحرير القوالب المقاوم لدرجات الحرارة العالية لتسهيل وتسريع عملية إزالة الهلام من القالب. وبعد المعالجة، يتم تجهيز ثلاث مجموعات من حشيات السد عن طريق قص ورقة جرافيت بسمك 16 بوصة ورقاقة من الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 0.0005 بوصة إلى الأحجام المناسبة. ولبرمجة عمليات السد والاستخراج في المكبس الحراري، يتم إعداد برنامج سد يُستخدم لإغلاق الجزء السفلي من القالب المفتوح. بعد ذلك، يتم إعداد برنامج الاستخراج بالمعايير الصحيحة لهلامات السيليكا الهوائية (silica aerogels).

باستخدام القالب الموصوف لإغلاق قاعدة القالب، ضع ورقة غرافيت في مركز طبقة PLA السفلية في المكبس الحراري وأضف ورقة من رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ. ثم ضع القالب فوق رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ وأضف قطعة أخرى من مادة الحشوة فوق القالب. بعد ذلك، ابدأ برنامج إغلاق المكبس الحراري باستخدام المعايير الموصوفة سابقاً.

في هذه المرحلة، انقل باستخدام الماصة حصصاً من tetraethyl ortho silicate، بإجمالي 17.0 milliliters، إلى دورق زجاجي سعة 250 milliliter يحمل ملصق "محلول السلائف" (precursor solution). ثم انقل بالماصة حصصاً من methanol بإجمالي 55.0 milliliters إلى الدورق، ثم انقل 7.2 milliliters من الماء إلى الدورق، وأضف بعد ذلك 270 microliters من ammonia بتركيز 1.5 molar. أغلق الدورق بإحكام باستخدام غشاء البارافين البلاستيكي.

امزج الكواشف لضمان حدوث التحلل المائي عن طريق معالجة محلول السلائف بالموجات فوق الصوتية لمدة خمس دقائق على الأقل إذا لم يكن المحلول أحادي الطور. بعد خمس دقائق من المزج، عرض المزيج للموجات فوق الصوتية لمدة خمس دقائق إضافية. بمجرد انتهاء برنامج سقف القالب وفتح ألواح الضغط الحراري PLAs، قم بإزالة مادة الحشية العلوية وضعها جانباً.

اترك القالب كما هو في المكبس الحراري لضمان بقاء الجانب السفلي من القالب محكم الإغلاق. بعد ذلك، املأ كل بئر من آبار القالب تمامًا بمحلول السلائف. ضع مادة حشوة جديدة على الجزء العلوي من القالب، بحيث يتم وضع رقاقة من الفولاذ المقاوم للصدأ أولاً، تليها ورقة من الجرافيت.

بعد ذلك، قم بتشغيل برنامج الاستخلاص بالكبس الحراري. وعند اكتمال عملية الاستخلاص، أخرج القالب ومادة الحشية من المكبس الحراري. ثم قم بإزالة مادة الحشية العلوية من القالب وضعها جانباً.

ثم قم بفك القالب برفق من مادة الحشية السفلية. وأخيرًا، أخرج كل هلام هوائي (aerogel) بعناية من القالب واحدًا تلو الآخر عن طريق دفعها بقوة من أحد الجوانب باستخدام إصبع يرتدي قفازًا. يؤدي اتباع الإجراء الموصوف إلى الحصول على دفعات متسقة من هلام السيليكا الهوائي المتجانس كما هو موضح. وفيما يلي صور لنماذج من هلام السيليكا الهوائي الذي تم تصنيعه عبر هذه العملية.

يتخذ كل هلام هوائي (aerogel) شكل وحجم التجويف الموجود في قالب المعالجة دون أي انكماش. وتظهر الصور أن الهلامات الهوائية المصنوعة من السيليكا شبه شفافة. وفيما يلي ملخص للخصائص الفيزيائية لهذه الهلامات الهوائية.

وهي قابلة للمقارنة مع تلك الخاصة بهلامات السيليكا الهوائية (silica aerogels) المُنتجة من وصفات سلائف مماثلة باستخدام الاستخلاص فوق الحرج عند درجات حرارة منخفضة. يظهر هنا توزيع مسامي نموذجي تم إعداده بواسطة تحليل BJH لمنحنى امتزاز عكسي (Desorption isotherm) تم الحصول عليه باستخدام نظام micro metics لقياس مساحة السطح والمسامية المتسارع لعام 2010. وتتميز الهلامات الهوائية بأنها مسامية متوسطة (mesoporous) مع ذروة في قطر المسام تقترب من 20 nanometers. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن استخدامها لتحضير هلامات السيليكا الهوائية في أقل من 15 minutes من وقت التحضير وثماني hours من وقت المعالجة.

يمكن تصنيع أنواع عديدة من الهلام الهوائي (aerogels) من خلال تكييف هذا الإجراء مع كيمياء سلائف مختلفة. وتشمل هذه الأنواع هلام السيليكا، والتيتانيا، والفانيليا، والنيكل، والكوبالت، وهلام السيليكا الكاره للماء. ولا تنسَ أن التعامل مع tetraethyl orthosilicate والميثانول والمكبس الحراري الهيدروليكي قد يكون خطيراً.

يجب دائمًا اتخاذ الاحتياطات التالية، حيث توفر النظارات الواقية والقفازات، والعمل داخل خزانة استرداد الغازات (fume hood) لتحضير المحلول السلائف، تهوية كافية للمكبس الحراري، مع تجنب ارتداء الملابس الفضفاضة عند تنفيذ الإجراء.