Vorbereiten Silica Aerogel Monolithen über eine schnelle Überkritische Extraktion-Methode

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, monolithische Kieselsäureaerogele über ein schnelles, einstufiges Extraktionsverfahren herzustellen. Dies wird erreicht, indem zunächst die Vorläuferchemikalien gemischt und die Mischung in eine Metallform gegossen wird. Im zweiten Schritt wird die Form in einer hydraulischen Heißpresse versiegelt, in der die Chemikalien verarbeitet werden, um Aerogele zu erzeugen.

Während dieses Prozesses verbinden sich die chemischen Vorläuferstoffe zu einem Gel und altern, das Lösungsmittel in den Poren des Salzgels erreicht einen überkritischen Zustand, und die Heißpresse setzt das Lösungsmittel als überkritisches Fluid frei und kühlt die Form ab. Am Ende des Prozesses werden monolithische Kieselsäureaerogele aus der Form entnommen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen Methoden zur Aerogelherstellung besteht darin, dass der gesamte Prozess von der Mischung der Vorläuferstoffe bis zur Gewinnung monolithischer Aerogele nur wenige Stunden erfordert.

Wir entwickelten die Idee für diese auf einer Heißpresse basierende Methode. Als ein Student im Grundstudium Aerogele für ein Abschlussprojekt herstellen wollte, hatten wir keinen Zugang zu einem Kritischen-Punkt-Trockner, weshalb wir improvisierten und stattdessen eine Heißpresse verwendeten. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die korrekte Handhabung der Metallform und der Heißpresse von großer Bedeutung ist.

Wenn die Vertiefungen nicht mit einer Präkursorlösung gefüllt werden oder die Heißpresse nicht ordnungsgemäß programmiert ist, weisen die resultierenden Aerogele eine minderwertige Qualität auf. Verdünnen Sie zunächst 10,1 Milliliter 14,8-molare, konzentrierte Ammoniaklösung mit entionisiertem Wasser auf 100 Milliliter, um eine 1,5-molare Ammoniaklösung herzustellen. Nachdem Sie eine quadratische Edelstahlform erhalten haben, wischen Sie diese mit einem sauberen, feuchten Tuch ab, um Oberflächenöl oder Staub zu entfernen.

Dann sprühen Sie die Innenseite jedes runden Wells mit einer Hochtemperatur-Trennmittelspray ein, um die Entfernung des Gels aus der Form zu erleichtern. Bereiten Sie nach der Verarbeitung drei Sätze von Deckeldichtungen vor, indem Sie ein 16 Zoll dickes Graphitblatt und eine 0,0005 Zoll dicke Edelstahlfolie auf die entsprechenden Größen zus schneiden. Um die Heißpresse-Deckel- und Extraktionsprogramme zu programmieren, richten Sie zunächst ein Deckelprogramm ein, das zum Versiegeln der Unterseite der offenen Form verwendet wird. Richten Sie anschließend das Extraktionsprogramm mit den korrekten Parametern für die Kieselsäureaerogele ein.

Platzieren Sie unter Verwendung der beschriebenen Form zur Abdichtung des Formbodens ein Graphitblatt mittig auf der unteren PLA-Schicht der Heißpresse und fügen Sie ein Blatt Edelstahlfolie hinzu. Anschließend stellen Sie die Form auf die Edelstahlfolie und legen ein weiteres Zentimeter Dichtungsmaterial auf die Form. Danach starten Sie das Deckelprogramm der Heißpresse mit den zuvor beschriebenen Parametern.

Zu diesem Zeitpunkt pipettieren Sie Aliquote von Tetraethylorthosilikat, insgesamt 17,0 Milliliter, in einen 250-Milliliter-Glaskolben, der mit „Vorläuferlösung“ beschriftet ist. Danach pipettieren Sie Aliquote von Methanol, insgesamt 55,0 Milliliter, in den Kolben, pipettieren 7,2 Milliliter Wasser in den Kolben und geben anschließend 270 Mikroliter einer 1,5-molaren Ammoniaklösung hinzu. Verschließen Sie den Kolben mit Parafilm.

Mischen Sie die Reagenzien, um sicherzustellen, dass die Hydrolyse stattfindet, indem Sie die Vorläuferlösung mindestens fünf Minuten lang homogenisieren, falls die Lösung nicht einphasig ist. Nach fünf Minuten Mischen beschallen Sie das Gemisch weitere fünf Minuten. Sobald das Formabdichtungs-Programm beendet ist und die Heißpresse-PLAs geöffnet haben, entfernen Sie das Dichtungsmaterial der Oberseite und legen es beiseite.

Lassen Sie die Form so im Heißpresse, sodass die Unterseite der Form versiegelt bleibt. Füllen Sie anschließend jedes Loch der Form vollständig mit der Vorläuferlösung. Legen Sie frisches Dichtungsmaterial auf die Oberseite der Form, wobei zuerst eine Edelstahlfolie und darauf ein Graphitblech platziert wird.

Danach das Heißpresse-Extraktionsprogramm durchführen. Sobald der Extraktionsprozess abgeschlossen ist, entfernen Sie die Form und das Dichtungsmaterial aus der Heißpresse. Entfernen Sie das obere Dichtungsmaterial von der Form und stellen Sie es beiseite.

Lösen Sie dann vorsichtig die Form vom Dichtungsmaterial am Boden. Entfernen Sie abschließend jedes Aerogel vorsichtig einzeln aus der Form, indem Sie es mit einem behandschuhten Finger fest von einer Seite her durchdrücken. Die Befolgung des beschriebenen Verfahrens führt zu konsistenten Chargen monolithischer Kieselsäure-Aerogele. Hier sind Bilder typischer Kieselsäure-Aerogele, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden.

Jedes Aerogel nimmt die Form und Größe der Vertiefung in der Verarbeitungsform ohne Schrumpfung an. Die Bilder zeigen, dass die Kieselsäure-Aerogele durchscheinend sind. Die physikalischen Eigenschaften dieser Aerogele sind hier zusammengefasst.

Sie sind vergleichbar mit denen von Kieselsäure-Aerogelen, die aus ähnlichen Vorläuferzusammensetzungen unter Verwendung einer niederdruckkritischen Extraktion bei niedriger Temperatur hergestellt wurden. Hier gezeigt ist eine typische Porenverteilung, die durch BJH-Analyse des Desorptionsisotherms gewonnen wurde, der mit einem Micromeritics Accelerated Surface Area and Porosimetry System 2010 aufgenommen wurde. Die Luftgele sind mesoporös mit einem Maximum im Porendurchmesser bei etwa 20 Nanometern. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie verwendet werden, um Kieselsäure-Aerogele in weniger als 15 Minuten Vorbereitungszeit und acht Stunden Verarbeitungszeit herzustellen.

Indem dieses Verfahren an verschiedene Precursor-Chemien angepasst wird, können viele Arten von Aerogelen hergestellt werden. Dazu gehören Illumina, Titandioxid, Titandioxid, Kieselsäure, Vanadiumoxid, Kieselsäure, Nickel, Illumina, Kobalt, Illumina und hydrophobe Kieselsäure-Aerogele. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Tetraethylorthosilikat, Methanol und der hydraulischen Heißpresse gefährlich sein kann.

Die folgenden Vorsichtsmaßnahmen sollten stets beachtet werden: Tragen Sie stets Schutzbrille und Handschuhe, und arbeiten Sie bei der Zubereitung der Vorläuferlösung in einem Abzug, um eine ausreichende Belüftung während des Heißpressens sicherzustellen, und vermeiden Sie lockere Kleidung während der Durchführung des Verfahrens.