通过快速超临界萃取法制备二氧化硅气凝胶整料

以下实验的总体目标是通过一步快速萃取法制备整体式二氧化硅气凝胶。首先将前驱体化学试剂混合，并将混合物倒入金属模具中；第二步，将模具密封于液压热压机中，在其中对化学物质进行处理以生成气凝胶。

在此过程中，化学前驱体发生凝胶化并老化，盐凝胶孔隙中的溶剂达到超临界状态，热压装置将溶剂以超临界流体形式释放，并对模具进行冷却。该工艺结束时，从模具中取出整体式二氧化硅气凝胶。与其它气凝胶制备方法相比，该技术的主要优势在于，从混合前驱体到获得整体式气凝胶的整个过程仅需数小时。

我们提出了这种基于热压机的方法。当初一名本科生希望为毕业设计制备气凝胶时，我们无法使用临界点干燥仪，因此临时采用热压机替代。由于正确使用金属模具和热压机对实验至关重要，因此该方法的可视化演示尤为关键。

如果孔洞未填充前驱体溶液，或热压机未正确编程，则所得气凝胶的质量将不理想。首先，将10.1毫升14.8摩尔的浓氨水用去离子水稀释至100毫升，配制成1.5摩尔的氨水溶液。获取一个不锈钢方形模具后，用干净的湿布擦拭，以去除表面的油污或灰尘。

然后用高温脱模剂喷雾喷涂每个圆形孔的内表面，以方便加工后将凝胶从模具中取出。处理完成后，通过将一块16英寸厚的石墨片和一块0.0005英寸厚的不锈钢箔切割成合适的尺寸，制备三组顶盖密封垫圈。为热压机设置顶盖加压和萃取程序时，先设置一个用于密封敞口模具底部的顶盖加压程序；接着，根据二氧化硅气凝胶的工艺要求，设置具有正确参数的萃取程序。

使用所述模具密封模具底部，将一张石墨片置于热压机下层聚乳酸（PLA）板的中央，并添加一张不锈钢箔片。然后将模具放置在不锈钢箔片上方，并在模具顶部再添加一层垫片材料。随后，使用前述参数启动热压机的加热加压程序。

此时，用移液器将正硅酸四乙酯分次加入一个标记为前驱体溶液的250毫升玻璃烧杯中，总体积为17.0毫升。然后，用移液器将总共55.0毫升的甲醇加入该烧杯，再加入7.2毫升水，随后加入270微升1.5摩尔的氨水。用塑料封口膜密封烧杯。

混合试剂，确保前体溶液至少反应五分钟，若溶液未形成单相，则通过混合作用促进水解。混合五分钟后，将混合物超声处理额外五分钟。待模具加热程序结束且热压PLA打开后，取下顶部垫圈材料并妥善放置。

将模具保持原样置于热压机中，使模具的底面保持密封。接下来，用前驱体溶液完全填充模具的每个孔。在模具顶部放置新的垫圈材料，先放一张不锈钢箔，再放一张石墨片。

随后，运行热压萃取程序。当萃取过程完成后，从热压机中取出模具和垫片材料。从模具上取下顶部垫片材料并放置一旁。

然后轻轻松开模具底部的垫圈材料。最后，戴上手套，用手指从一侧用力逐个将气凝胶从模具中推出，小心取出每一个气凝胶。按照上述步骤操作，可获得批次稳定的一体化二氧化硅气凝胶。以下是通过该工艺制备的典型二氧化硅气凝胶的图像。

每种气凝胶均会呈现加工模具中孔洞的形状和尺寸，且无收缩现象。图像显示，这些二氧化硅气凝胶呈半透明状。此处汇总了这些气凝胶的物理特性。

这些性能与采用类似前驱体配方并通过低温超临界萃取制备的二氧化硅气凝胶相当。图中所示为利用微孔计量加速比表面积与孔隙分析系统测得的脱附等温线，经BJH分析得到的典型孔径分布（2010年）。该气凝胶为介孔结构，孔径分布峰值在约20纳米附近。一旦掌握该技术，可在少于15分钟的制备时间和8小时的处理时间内完成二氧化硅气凝胶的制备。

通过将该方法适配于不同的前驱体化学体系，可制备多种类型的气凝胶。这些气凝胶包括氧化铝、二氧化钛、二氧化钛、二氧化硅、五氧化二钒、二氧化硅、镍、氧化铝、钴、氧化铝以及疏水性二氧化硅气凝胶。请注意，操作四乙基原硅酸酯、甲醇以及液压热压机时可能存在危险。

在进行前体溶液制备时，必须始终采取以下预防措施：佩戴护目镜和手套，在通风橱中操作以确保热压装置得到充分通风，并避免穿着宽松衣物。