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Artículo de método

Aerogel de sílice estéticamente mejorado mediante la incorporación de grabado láser y tintes

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DOI:

10.3791/61986

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12 de marzo de 2021

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Union College, 2Department of Chemistry, Union College

En este artículo

Resumen

Este protocolo describe un método para grabar texto, patrones e imágenes en la superficie de monolitos de aerogel de sílice en forma nativa y teñida y ensamblar los aerogeles en diseños de mosaico.

Resumen

En este manuscrito se describe un procedimiento para mejorar estéticamente los monolitos de aerogel de sílice mediante grabado láser e incorporación de tintes. Utilizando un método de extracción supercrítica rápida, se puede fabricar un gran monolito de aerogel de sílice (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) en aproximadamente 10 h. Los colorantes incorporados a la mezcla precursora dan como resultado aerogeles teñidos de amarillo, rosa y naranja. El texto, los patrones y las imágenes se pueden grabar en la superficie (o superficies) del monolito de aerogel sin dañar la estructura a granel. El grabador láser se puede utilizar para cortar formas del aerogel y formar mosaicos coloridos.

Introducción

El aerogel de sílice es un material nanoporoso, de alta superficie, acústicamente aislante con baja conductividad térmica que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, desde la recolección de polvo espacial hasta el material de aislamiento de edificios1,2. Cuando se fabrican en forma monolítica, los aerogeles de sílice son translúcidos y se pueden utilizar para hacer ventanas altamente aislantes3,4,5.

Recientemente, hemos demostrado que es posible alterar la apariencia de un aerogel de sílice grabando o cortando a través de la superficie utilizando un sistema de grabado láser6,7 sin causar daños estructurales a granel al aerogel. Esto podría ser útil para realizar mejoras estéticas, imprimir información de inventario y mecanizar monolitos de aerogel en varias formas. Se ha demostrado que los láseres de femtosegundo funcionan para el "micromecanado" crudo de aerogeles8,9,10,11; sin embargo, el protocolo actual demuestra la capacidad de alterar la superficie de los aerogeles con un simple sistema de grabado láser. Como resultado, este protocolo es ampliamente aplicable a las comunidades artísticas y técnicas.

También es posible incorporar colorantes en la mezcla de precursores químicos de aerogel y, por lo tanto, hacer aerogeles dopados con colorantes con una gama de tonos. Este método se ha utilizado para fabricar sensores químicos12,13,para mejorar la detección de Cerenkov14,y por razones puramente estéticas. Aquí, demostramos el uso de tintes y grabado láser para preparar aerogeles estéticamente agradables.

En la sección que sigue, describimos los procedimientos para hacer grandes monolitos de aerogel de sílice, alterar el procedimiento de preparación del monolito para incorporar tintes, grabar texto, patrones e imágenes en la superficie de un monolito de aerogel, y cortar formas de grandes monolitos teñidos para ensamblar en mosaicos.

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Protocolo

Se deben usar gafas o gafas de seguridad al preparar las soluciones precursoras de aerogel, trabajar con la prensa en caliente y usar el sistema de grabado láser. Se deben usar guantes de laboratorio al limpiar y preparar el molde, preparar la solución de reactivo químico, verter la solución en el molde en la prensa caliente y manipular el aerogel. Lea las hojas de datos de seguridad (SDS) para todos los productos químicos, incluidos los disolventes, antes de trabajar con ellos. El ortosilicato de tetrametilo (TMOS), el metanol y el amoníaco concentrado, y las soluciones que contienen estos reactivos, deben manipularse dentro de una campana extractora de humos. Los colorantes pueden ser tóxicos y/o cancerígenos, por lo que es importante emplear el equipo de protección personal adecuado (ver el SDS). Como se señaló en nuestro protocolo anterior15,se debe instalar un escudo de seguridad alrededor de la prensa en caliente; la prensa en caliente debe ventilarse correctamente y las fuentes de ignición deben eliminarse. Antes de utilizar el grabador láser, asegúrese de que el sistema de escape al vacío esté operativo.

1. Obtener o fabricar un monolito de aerogel

NOTA: Los métodos para hacer un monolito de aerogel de 10 cm x 11 cm x 1,5 cm en un molde de metal contenido a través de un método de extracción supercrítica rápida (RSCE)15,16, 17,18 se describen aquí. Este proceso RSCE elimina la mezcla de disolventes de los poros de la matriz de sílice sin causar colapso estructural. Debido a que la mezcla precursora llena el molde, este método implica la extracción supercrítica de un volumen significativamente menor de alcohol (en este caso, metanol) que otros métodos de extracción supercríticos de alcohol a alta temperatura. Los aerogeles producidos utilizando este método tienen unas densidades de aproximadamente 0,09 g/mL y una superficie de unos 500m2/g. Para el grabado, el monolito puede ser de cualquier tamaño lo suficientemente grande como para grabarlo y prepararlo a través de cualquier método apropiado (es decir, extracción supercrítica de CO2, liofilización, secado a temperatura ambiente). Para los aerogeles teñidos, estos otros métodos pueden no ser tan adecuados porque el tinte puede filtrarse durante los pasos de intercambio de disolventes. Si utiliza un monolito obtenido de otra fuente, vaya al paso 2.

  1. Preparar el molde
    NOTA: Todas las preparaciones de la solución deben realizarse en una campana extractora con guantes y gafas de seguridad.
    1. Obtener un molde de acero de tres partes (aleación 4140) que consiste en una parte superior, media e inferior con dimensiones exteriores de 15,24 cm x 14 cm y una cavidad de 10 cm x 11 cm en el centro (ver Figura 1). La parte superior del molde tiene catorce orificios de ventilación de 0,08 cm, siete a cada lado. Este conjunto de moldes producirá un aerogel de 10 cm x 11 cm x 1,5 cm.
      NOTA: Se puede usar un molde de diferente tamaño; sin embargo, los parámetros deberán ajustarse, como se describe en Roth, Anderson y Carroll20.
    2. Use jabón diluido y una esponja de textura áspera para fregar y limpiar la parte superior, media e inferior del molde. Seque todas las partes del molde con una toalla de papel limpia.
    3. Vierta 20 ml de acetona en un beaker de 50 ml o más. Sumerja una toallita de limpieza desechable en la acetona y limpie el molde con una nueva toallita de limpieza para cada parte. Repita hasta que la toallita de limpieza aparezca limpia después de limpiar.
    4. Lija ligeramente todas las superficies con papel de lija de 2.000 granos hasta que el molde quede liso al tacto y se haya eliminado cualquier residuo de usos anteriores. Preste especial atención al interior del molde medio donde se forma el aerogel.
    5. Fluya aire comprimido a través de los orificios de ventilación en la parte superior del molde para despejarlos.
    6. Exprima aproximadamente 2,4 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa gruesa, uniforme, de grasa de 1-2 mm a toda la superficie de conexión superior (26 mm) del molde inferior (consulte la Figura 1).
    7. Exprima aproximadamente 1,0 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa gruesa, incluso de 1-2 mm de grasa, a la mitad exterior (13 mm) de la superficie de conexión inferior del molde superior (consulte la Figura 1).
    8. Exprima aproximadamente 0,5 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa delgada (menos de 0,5 mm), uniforme de grasa en las superficies interiores del molde superior e inferior (aquellas superficies que entren en contacto con la solución precursora y el aerogel resultante, consulte la Figura 1).
    9. Limpie el exceso de grasa con una toallita de limpieza desechable hasta que la superficie se sienta lisa y no se sienta pegajosa de la grasa.
    10. Exprima aproximadamente 0,5 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa delgada (menos de 0,5 mm) y uniforme de grasa en la superficie interior del molde central (consulte la Figura 1). No limpie el exceso de grasa.
    11. Coloque la parte del molde central en la parte superior de la parte inferior del molde. Use un martillo de goma cubierto con toallitas de limpieza desechables (para proteger la superficie del molde) y martillee suavemente la parte central en la parte inferior hasta que todos los lados estén sellados uniformemente.
    12. Usando dos piezas de lámina de acero inoxidable de 0.0005"(0.0127 mm) de espesor de 16 cm x 15 cm, y una pieza de lámina de grafito flexible de 0.0625" (1.59 mm) de espesor de 16 cm x 15 cm, haga una junta inferior que consiste en el grafito intercalado entre dos capas de lámina de acero inoxidable. Haga una junta similar para la parte superior del molde.
    13. Coloque la junta inferior en la placa inferior de prensado en caliente y luego coloque las piezas de molde medio e inferior ensambladas en la parte superior de la junta (consulte la Figura 2). Asegúrese de que el conjunto del molde se coloque en el centro de la placa de prensa en caliente y use la prensa caliente para aplicar una fuerza de 90 kN al molde durante aproximadamente 5 minutos para sellar las dos piezas.
    14. Retire el molde de la prensa caliente. Use una toallita de limpieza desechable para eliminar el exceso de grasa que puede haberse exprimido entre las piezas media e inferior. Asegúrese de que no haya escombros en la superficie interior del molde.
  2. Preparar mezcla precursora de aerogel
    NOTA: Esta receta es para un aerogel de sílice a base de TMOS que se puede hacer en el molde descrito anteriormente en la sección 1.1. Cualquier receta adecuada de aerogel de sílice se puede utilizar siempre que la gelificación de la receta precursora tome más de 15 minutos pero menos de 120 minutos a temperatura ambiente (véase, por ejemplo, Estok et al.19 para una receta adecuada de RSCE basada en ortosilicato de tetraetilo). Los aerogeles se pueden preparar en forma nativa (paso 1.2.1) o teñida (paso 1.2.2). Todo el trabajo de preparación de la solución se realiza en una campana extractora utilizando guantes y gafas de seguridad.
    1. Aerogeles nativos
      1. Reúna los siguientes reactivos: TMOS, metanol, agua desionizada y 1,5 M de amoníaco.
      2. Utilice una balanza analítica para medir 34,28 g de TMOS en un beaker limpio de 250 ml. Vierta el TMOS medido en un beaker limpio de 600 ml y cúbralo con una película de parafina.
      3. Utilice una balanza analítica para medir 85,76 g de metanol en otro beaker de 250 ml. Vierta el metanol medido en el beaker de 600 ml que contiene TMOS y cúbralo con una película de parafina.
      4. Mida 14,14 g de agua desionizada en un beaker de 50 ml utilizando una balanza analítica. Use una micropipeta para agregar 1.05 ml de amoníaco de 1.5 m al agua en el beaker. Revuelva suavemente.
      5. Vierta la mezcla de agua y amoníaco en el beaker de 600 ml con los reactivos restantes y cubra con película de parafina. Coloque el beaker en un sonicador y sonice durante 5 min.
    2. Aerogeles dopados con colorante
      NOTA: Si se utiliza un procedimiento diferente que implica intercambios de solventes, se lavará una cantidad considerable de tinte durante los intercambios; en consecuencia, los colores de los aerogeles resultantes no serán tan vibrantes como los que se presentan aquí.
      1. Reúna los siguientes reactivos: tetrametil ortosilicato (TMOS), metanol, agua desionizada, 1,5 M de amoníaco y un colorante adecuado.
      2. Utilice una balanza analítica para medir 34,28 g de TMOS en un beaker limpio de 250 ml. Vierta el TMOS medido en un beaker limpio de 600 ml y cúbralo con una película de parafina.
      3. Utilice una balanza analítica para medir 42,88 g de metanol en un beaker de 250 ml. Vierta el metanol medido en el beaker de 600 ml que contiene TMOS y cúbralo con una película de parafina. Utilice una balanza analítica para medir otros 42,88 g de metanol en el beaker de 250 ml.
      4. Use una balanza analítica para medir 0.050 g de fluoresceína (para hacer un aerogel teñido de amarillo) o 0.042 g de rodamina B (para hacer un aerogel teñido de rosa) o 0.067 g de Rhodamine 6 G (para hacer un aerogel teñido de naranja) en un beaker de 10 ml. Agregue el tinte al beaker de 250 ml que contiene el metanol y mezcle suavemente hasta que se disuelva.
        NOTA: Estas instrucciones son para aerogeles utilizados en el diseño de mosaico de ejemplo; la concentración de colorante puede modificarse para cambiar la profundidad del color en el aerogel resultante (ver Tabla 1).
      5. Vierta la solución de colorante en el beaker de 600 ml que contiene TMOS y cúbrala con una película de parafina.
      6. Mida 14,14 g de agua desionizada en un beaker de 50 ml utilizando una balanza analítica. Use una micropipeta para agregar 1.05 ml de amoníaco de 1.5 m al agua en el beaker.
      7. Vierta la mezcla de agua y amoníaco en el beaker de 600 ml con los reactivos restantes y cubra con película de parafina. Coloque el beaker en un sonicador y sonice durante 5 min.
  3. Realizar una extracción supercrítica rápida
    NOTA: Este procedimiento utiliza una prensa en caliente programable de 30 toneladas equipada con un escudo de seguridad. Se deben usar guantes y gafas de seguridad.
    1. Programe el programa de extracción de prensa en caliente con los parámetros que se muestran en la Tabla 2. Los parámetros se establecen para preparar un aerogel de 10 cm x 11 cm x 1,5 cm en el molde descrito en el paso 1.1.1. Si se utiliza un molde de tamaño diferente, los parámetros deberán ajustarse, como se describe en Roth, Anderson y Carroll20.
    2. Coloque el conjunto del molde medio/inferior en la parte superior de la junta inferior en la prensa caliente. Asegúrese de que el molde se coloca en el centro de la placa de prensado en caliente (consulte la Figura 2).
    3. Vierta la solución precursora de aerogel (nativa o que contenga colorante) en el molde hasta que la solución esté a ~ 2 mm de la parte superior. Esto asegurará que el molde esté completamente lleno con la solución precursora cuando se agregue la pieza superior del molde. Quedarán aproximadamente 10 ml de mezcla en el beaker, que se pueden desechar o dejar gelificar a temperatura ambiente.
    4. Coloque con cuidado la parte superior del molde en su posición en el conjunto del molde medio / inferior. El exceso de solución puede salir de los orificios de ventilación en la parte superior del molde a medida que se coloca en el molde central. Limpie la solución con una toallita de limpieza desechable.
    5. Coloque toallitas de limpieza desechables encima del molde para proteger la superficie del molde. Use un martillo de goma para golpear ligeramente el molde superior hasta que esté sellado uniformemente en cada lado.
    6. Coloque la junta superior encima del molde ensamblado; cierre el escudo de seguridad e inicie el programa de prensado en caliente. La mezcla precursora se gelifica a medida que el sistema se calienta. Todo el proceso tardará 10,25 h en completarse para este tamaño de aerogel.
  4. Retire el monolito de aerogel del molde
    NOTA: Se deben usar guantes al manipular el monolito de aerogel.
    1. Cuando se complete el proceso de extracción, abra el escudo de seguridad, retire el molde y colóquelo sobre una superficie de trabajo limpia.
    2. Inserte un destornillador de cabeza plana en la cavidad entre el molde superior y medio (consulte la Figura 1). Coloque una mano enguantada en la parte posterior del molde y empuje hacia abajo el destornillador para separar las partes superior y media del molde.
    3. Una vez que se rompa el sello, repita el paso 1.4.2, rodeando los bordes del molde mientras empuja el destornillador hacia abajo para liberar la parte superior del molde. Coloque la mano enguantada donde sea necesario para sujetar el molde mientras lo abre.
    4. Cuando todos los lados del molde superior estén libres del molde central, retire el molde superior. Coloque el molde superior a un lado.
    5. Obtenga un recipiente con tapa lo suficientemente grande como para contener el aerogel; retire la tapa y coloque la parte inferior del recipiente boca abajo en la parte superior del molde central con el recipiente y la cavidad del molde alineados. Voltee el molde al revés; el aerogel debe caer suavemente en el recipiente.
    6. Vuelva a colocar la tapa en el recipiente para proteger el aerogel. El aerogel se puede almacenar indefinidamente antes de realizar cualquier grabado o corte.

2. Prepare el archivo de impresión del grabador láser

NOTA: Es posible imprimir texto, patrones e imágenes en el aerogel. Se puede utilizar cualquier programa de dibujo adecuado. Las imágenes se interpretan en escala de grises. El grabador láser extirpará la superficie del aerogel en lugares donde hay texto o un patrón y varía la densidad del pulso del láser para lograr valores de escala de grises. El grabado se produce en lugares donde la imagen impresa no es blanca. El grabado no ocurre donde la imagen es blanca. Se incluyen instrucciones separadas para archivos de texto, patrones o imágenes. Los tres se pueden combinar en un archivo si se desea6.

  1. Archivos de texto
    1. Abra la aplicación de dibujo e inicie un nuevo documento. Agregue el texto deseado de cualquier tamaño, ancho de línea y estilo directamente al documento.
    2. Guarde el archivo.
  2. Archivos de patrones
    1. Abra la aplicación de dibujo e inicie un nuevo documento.
    2. Agregue líneas y formas directamente al documento utilizando el ancho de línea deseado.
    3. Para diseñar un patrón de mosaico que se cortará (en lugar de grabarse en) el monolito de aerogel, use formas y líneas en la caja de herramientas y establezca todos los anchos de línea en la línea del cabello. Consulte la Figura 3 para ver un ejemplo de un patrón de mosaico.
    4. Guarde el archivo.
  3. Archivos de imagen
    1. Seleccione una imagen y utilice cualquier programa de procesamiento de imágenes para editar.
    2. Utilice un software de procesamiento de imágenes para eliminar las secciones no blancas que no se van a imprimir de la imagen. Consulte la Figura 4 para ver un ejemplo de esto.
      NOTA: El grabado se produce en cualquier ubicación no blanca.
    3. Convierta la imagen a escala de grises para obtener una indicación visual de cómo se verá la imagen grabada y ajuste el contraste entre los tonos de la imagen hasta que esté convencido de que existe suficiente contraste para mostrar las características deseadas (consulte la Figura 4).
      NOTA: El nivel de contraste necesario dependerá de la cantidad de detalle en la imagen que el usuario desee grabar en el aerogel. El programa de dibujo debe proporcionar orientación, pero el usuario puede necesitar experimentar con diferentes niveles de contraste para lograr el resultado deseado.
    4. Abra la aplicación de dibujo e inicie un nuevo documento. Sube una imagen al programa de dibujo.
    5. Guarde el archivo.

3. Procedimiento de grabado

NOTA: Las siguientes instrucciones son para un grabador/cortador láser deCO 2 de 50 W, pero se pueden modificar para usarlo con otros sistemas. Este sistema ajusta la velocidad y las propiedades de potencia en una base porcentual de 0% a 100%. Las propiedades relevantes del grabador láser se incluyen en la Tabla 3. Se debe utilizar un sistema de escape de vacío para ventilar el grabador láser. Use guantes cuando manipule el monolito de aerogel.

  1. Encienda el grabador láser, el sistema de escape al vacío y la computadora conectada.
  2. Mida el tamaño de la superficie del monolito de aerogel que se grabará (en el ejemplo anterior, el tamaño es de 10 cm x 11 cm).
  3. Inicie el programa de dibujo y abra el archivo guardado previamente (desde los pasos 2.1, 2.2 o 2.3). Establezca la dimensión/tamaño de pieza del documento para que corresponda al tamaño del monolito de aerogel medido.
  4. Abra la tapa del grabador láser. Usando una mano enguantada, coloque el aerogel (nativo o teñido) en la plataforma del grabador láser como se muestra en la Figura 5. Alinee el aerogel en la esquina superior izquierda para que el aerogel toque las reglas superior e izquierda.
  5. Tome el medidor de enfoque manual del imán en forma de V conectado al láser y voltéelo boca abajo. Pulse Focus en el grabador láser.
    NOTA: Debido a la transparencia del monolito de aerogel de sílice, es necesario establecer manualmente los parámetros de enfoque para el grabado. No utilice el enfoque automático.
  6. Coloque una toallita de limpieza desechable en la parte superior del monolito de aerogel para protegerlo. Usando la flecha hacia arriba en el panel de control del grabador láser, mueva la plataforma del grabador láser hasta que la parte inferior del medidor de enfoque manual toque el aerogel.
  7. Retire la toallita de limpieza desechable y devuelva el medidor a su posición original. Cierre la tapa del grabador láser.
  8. En el programa de dibujo, haga clic en Archivo y, a continuación, en Imprimir. Elija el programa de dibujo como ubicación de impresión y abra la ventana Propiedades.
  9. Ajuste las propiedades seleccionando el modo Raster: un DPI de 600, una velocidad del 100% (208 cm/s) y una potencia del 55% (27,5 W). Confirme que el tamaño de la pieza coincida con el tamaño del monolito de aerogel medido. Haga clic en Aplicar y, a continuación, en Imprimir.
  10. En el panel frontal del grabador láser, haga clic en Trabajo y seleccione el nombre de archivo correspondiente. Haga clic en Ir.
  11. Cuando el grabador láser termine, haga clic en Enfocar y use la flecha hacia abajo en el panel de control frontal láser para bajar la base. Con una mano enguantada, retire suavemente el aerogel de la plataforma del grabador láser y colóquelo de nuevo en el recipiente.
  12. Purgue el trabajo del grabador láser haciendo clic en el botón Papelera. Apague el grabador láser y aspire.

4. Procedimiento de corte

  1. Encienda el grabador láser, el sistema de escape al vacío y la computadora conectada.
  2. Mida el tamaño de la superficie del monolito de aerogel que se cortará (en el ejemplo anterior, el tamaño es de 10 cm x 11 cm).
  3. Para el corte general, abra el programa de dibujo e inicie un nuevo documento. Introduzca las dimensiones del tamaño del documento/pieza para correlacionarlo con el tamaño del monolito de aerogel medido.
  4. Utilice las herramientas del programa de dibujo para crear la forma o línea que se cortará utilizando un ancho de línea de "línea del cabello". Localice la forma/línea para que coincida con la ubicación de corte deseada en el aerogel.
  5. Para los patrones de mosaico, importe el archivo guardado previamente (del paso 2.2) y ajuste el tamaño para que coincida con el del monolito de aerogel.
  6. Obtenga una lámina de acero inoxidable de 0.0005" (0.0127 mm) de espesor lo suficientemente grande como para cubrir la base del monolito de aerogel. Con una toallita de limpieza, limpie el acero inoxidable con acetona.
  7. Abra la tapa del grabador láser, coloque la lámina de acero inoxidable en la plataforma del grabador láser para evitar que los residuos en la plataforma decoloren el aerogel durante el corte y coloque el monolito de aerogel en la parte superior de la lámina. Alinee el aerogel y la lámina de acero inoxidable en la esquina superior izquierda con el aerogel tocando las reglas superior e izquierda.
  8. Siga los pasos 3.5-3.8 del procedimiento de grabado anterior.
  9. Ajuste las propiedades de impresión. Seleccione el modo Vector: un DPI de 600, una Velocidad del 3% (0,27 cm/s), Una Potencia del 90% (45 W) y una Frecuencia de 1.000 Hz. Asegúrese de que el tamaño de la pieza coincida con el tamaño del aerogel medido. La profundidad del corte variará con la velocidad del láser. Véase la Tabla 4 y la Figura 6.
  10. Siga los pasos 3.10-3.12 del procedimiento de grabado.
  11. Se dejarán pequeños trozos de aerogel ablatado en la cara del monolito que estaba en contacto con el láser, como se muestra en la Figura 7. Para eliminar las partículas, use un cepillo de espuma y limpie suavemente las piezas.

5. Hacer mosaicos de aerogel

  1. Para producir un mosaico tricolor, prepare tres monolitos diferentes del mismo grosor pero con diferentes tintes. (También es posible producir mosaicos con tres tonos diferentes, utilizando diferentes monolitos del mismo grosor pero con concentraciones variables del mismo tinte, o incluir aerogel nativo con aerogel teñido en patrones de mosaico).
  2. Utilice el procedimiento de corte de la sección 4 con el diseño de mosaico de la sección 2.2 para cortar los patrones de mosaico en tres aerogeles de diferentes colores del mismo grosor.
  3. Coloque los aerogeles de color cortado sobre una superficie plana y limpia.
  4. Desmonte suavemente cada aerogel de un solo color y separe los componentes del diseño de corte con pinzas o un cuchillo afilado para facilitar la separación y evitar la rotura.
  5. Cepille suavemente los lados de cada forma con un cepillo de espuma para eliminar el exceso de partículas blancas dejadas por el procedimiento de corte por láser.
  6. Intercambie las mismas formas con diferentes colores para producir mosaicos multicolores(Figura 8)y ensamble las formas cortadas comprimiéndolas juntas para formar un mosaico completo, que se puede colocar dentro de un marco de vidrio.

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Resultados

Este protocolo se puede emplear para preparar una amplia variedad de monolitos de aerogel estéticamente agradables para aplicaciones que incluyen, entre otras, arte y diseño de edificios sostenibles. La inclusión en la mezcla precursora de las pequeñas cantidades de tinte empleadas aquí solo se observa que afecta el color del monolito de aerogel resultante; no se observan cambios en otras propiedades ópticas o estructurales.

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Discusión

Este protocolo demuestra cómo se puede emplear el grabado láser y la inclusión de tintes para preparar materiales de aerogel estéticamente agradables.

Hacer monolitos de aerogel grandes (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) requiere una preparación adecuada del molde a través del lijado, la limpieza y la aplicación de grasa para evitar que el aerogel se pegue al molde y se formen grietas importantes. Las partes del molde en contacto directo con la solución precursora / aerogel que pronto se formará son las...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

A los autores les gustaría agradecer el Fondo de Investigación de la Facultad de Union College, el programa de Becas de Investigación Estudiantil y el programa de investigación de pregrado de verano por el apoyo financiero del proyecto. Los autores también desean agradecer a Joana Santos por el diseño del molde de tres piezas, Chris Avanessian por la imagen SEM, Ronald Tocci por el grabado en la superficie curva de aerogel y el Dr. Ioannis Michaloudis por la inspiración y el trabajo inicial en el proyecto de grabado, así como por proporcionar la imagen de Kouros y el aerogel cilíndrico.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Papel de lija de grano 2000Varios
50W Grabador láserEpilog LaserCualquier cortador láser es adecuado
AcetonaFisher Scientific www.fishersci.comA18-20Certificado ACS Reactivo Grado 
Hidróxido de amonio (amoníaco acuoso)Fisher Scientific www.fishersci.comA669S212Certificado ACS Plus, alrededor de 14,8 N, 28,0-20,0 w/w%
Vasos de precipitadoscomprados a Fisher ScientificCualquier vaso de precipitados de vidrio es adecuado.
Agua desionizadaDel grifo en casa
Balanza digitalOHaus Explorer ProCualquier balanza digital es adecuada.
Toallitas limpiadoras desechablesFisher Scientific www.fishersci.com06-666
KimWipe Software de dibujoCorelDraw Graphics Suite CorelDrawCorelDraw
Productos industriales Phelps7500.062.3/16" de espesor
FluoresceínaSigma Aldrich www.sigmaaldrich.comF2456Contenido de tinte ~95%
Pincel de espuma Varios tamaño 1-2 cm
Dow Corning
Prensa caliente hidráulicaTetraedro www.tetrahedronassociates.comMTP-14Cualquier prensa en caliente con control de temperatura y fuerza funcionará. Necesita una temperatura máxima de ~550 F y una fuerza máxima de 24 toneladas.
Grabador láserEpílogo LaserHelix - 2450 W
Metanol (MeOH)Fisher Scientific www.fishersci.comA412-20Certificado ACS Reactivo Grado, ≥ 99.8%
Moldefabricado en casaFabricación a partir de acero laminado en frío o acero inoxidable.
Película de parafinaFisher Scientific www.fishersci.comS37441Parafilm M Película de laboratorio
Rodamina-6G
Rodamina-6g
FlouresceinRhodamine-6g		Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com20,132-4Contenido de colorante ~95%
Rhodamine-B
Rhodamine-6g
FlouresceinRhodamine-6g		Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.comR-953Contenido de colorante ~80%
Jabón para limpiar el moldeVarios
Lámina de acero inoxidablede espesor, Acero inoxidable 304
Tetrametilortosilicato (TMOS)Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com218472-500G98% de pureza, CAS 681-84-5
Limpiador ultrasónicoFisherScientific FS6153356Cualquier sonicador es adecuado.
Sistema de escape de vacíoPurex800iCualquier sistema de escape es adecuado.
Micropipeta variable, 100-1000 y micro; LFabricado por Eppendorf, comprado a Fisher Scientific www.fishersci.comS304665Cualquiera 100-1000 µ La pipeta L es adecuada.
Hoja de grafito flexible 1 Grasa de alto vacío de Varios.0005"

Referencias

  1. Aerogels Handbook. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York. (2011).
  2. Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
  3. Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
  10. Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
  11. 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).
  12. Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).

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