Preparazione Silica Aerogel Monoliti tramite una rapida supercritica metodo di estrazione

L'obiettivo generale del seguente esperimento è la produzione di aerogel di silice monolitici mediante un processo rapido di estrazione in un unico passaggio. Questo risultato si ottiene innanzitutto mescolando i reagenti precursori e versando la miscela in uno stampo metallico. Come secondo passaggio, lo stampo viene sigillato in una pressa idraulica a caldo, all'interno della quale i reagenti vengono trasformati per produrre gli aerogel.

Durante questo processo, i precursori chimici si gelificano e invecchiano, il solvente all'interno dei pori del gel salino raggiunge uno stato supercritico e la pressa calda rilascia il solvente come fluido supercritico e raffredda lo stampo. Al termine del processo, gli aerogel monolitici di silice vengono rimossi dallo stampo. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ad altri metodi di preparazione degli aerogel è che l'intero processo, dalla miscelazione dei precursori all'ottenimento degli aerogel monolitici, richiede solo poche ore.

Abbiamo ideato questo metodo basato sulla pressa calda. Quando uno studente universitario ha voluto preparare degli aerogeli per un progetto finale, non avevamo accesso a un essiccatore a punto critico, quindi abbiamo improvvisato utilizzando una pressa calda. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale a causa dell'importanza di un uso corretto dello stampo metallico e della pressa calda.

Se le provette non vengono riempite con una soluzione precursora o se la pressa a caldo non è programmata correttamente, gli aerogeli risultanti saranno di qualità scadente. Diluire innanzitutto 10,1 millilitri di ammoniaca concentrata 14,8 molare fino a 100 millilitri con acqua deionizzata per ottenere una soluzione di ammoniaca 1,5 molare. Dopo aver ottenuto uno stampo quadrato in acciaio inossidabile, pulirlo con uno straccio pulito e umido per rimuovere qualsiasi olio superficiale o polvere.

Quindi spruzzare l'interno di ogni pozzetto circolare con uno spray distaccante ad alta temperatura per facilitare la rimozione del gel dalla stampo. Dopo l'elaborazione, preparare tre serie di guarnizioni per il coperchio tagliando un foglio di grafite spesso 16 pollici e una lamina di acciaio inossidabile spessa 0,0005 pollici alle dimensioni appropriate. Per programmare i cicli di pressatura a caldo per il coperchio e di estrazione, impostare un programma per il coperchio che verrà utilizzato per sigillare la parte inferiore dello stampo aperto. Successivamente, impostare il programma di estrazione con i parametri corretti per gli aerogeli di silice.

Utilizzando lo stampo descritto per sigillare la base dello stampo, posizionare al centro un foglio di grafite sul lato inferiore del PLA della pressa calda e aggiungere un foglio di lamina di acciaio inossidabile. Quindi posizionare lo stampo sulla lamina di acciaio inossidabile e aggiungere un altro cent di materiale per guarnizione sulla parte superiore dello stampo. Successivamente, avviare il programma della pressa calda seguendo i parametri precedentemente descritti.

A questo punto, pipettare aliquote di tetraetilortosilicato, per un totale di 17,0 millilitri, in un becher di vetro da 250 millilitri etichettato come soluzione precursore. Successivamente, pipettare aliquote di metanolo per un totale di 55,0 millilitri nel becher, aggiungere 7,2 millilitri di acqua e quindi aggiungere 270 microlitri di ammoniaca 1,5 molare. Sigillare il becher con pellicola di paraffina plastica.

Mescolare i reagenti per garantire che l'idrolisi avvenga, agitando la soluzione precursori per almeno cinque minuti se la soluzione non è monofasica. Dopo cinque minuti di mescolamento, sottoporre la miscela ad ultrasuoni per altri cinque minuti. Una volta terminato il programma del soffitto dello stampo e aperte le presse calde per PLA, rimuovere il materiale della guarnizione del lato superiore e metterlo da parte.

Lasciare lo stampo così com'è nella pressa calda in modo che il lato inferiore dello stampo rimanga sigillato. Successivamente, riempire completamente ogni pozzetto dello stampo con la soluzione precursora. Posizionare un materiale nuovo per la guarnizione sulla parte superiore dello stampo, prima con una pellicola di acciaio inossidabile e poi con un foglio di grafite.

Successivamente, eseguire il programma di estrazione con la pressa calda. Al termine del processo di estrazione, rimuovere lo stampo e il materiale della guarnizione dalla pressa calda. Rimuovere il materiale della guarnizione superiore dallo stampo e metterlo da parte.

Poi allentare delicatamente lo stampo dal materiale della guarnizione inferiore. Infine, rimuovere con attenzione ogni aerogel dallo stampo, uno alla volta, spingendoli con decisione da un lato mediante un dito guantato. Seguendo la procedura descritta si ottengono partite omogenee di aerogel monolitici di silice, mostrati di seguito. Qui di seguito sono riportate immagini di tipici aerogel di silice ottenuti mediante questo processo.

Ogni aerogel assume la forma e le dimensioni della pozzetta nello stampo di lavorazione, senza restringimento. Le immagini mostrano che gli aerogel di silice sono traslucidi. Le proprietà fisiche di questi aerogel sono riassunte qui.

Sono paragonabili a quelli di aerogeli di silice prodotti da ricette precursori simili mediante estrazione supercritica a bassa temperatura. Qui è mostrata una tipica distribuzione dei pori preparata mediante analisi BJH dell'isoterma di desorbimento acquisita con un sistema micro metrics accelerated surface area and por symmetry 2010. Gli aerogeli sono mesoporosi con un picco nel diametro dei pori vicino ai 20 nanometri. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere utilizzata per preparare aerogeli di silice in meno di 15 minuti di tempo di preparazione e otto ore di tempo di lavorazione.

Adattando questa procedura a diverse chimiche dei precursori, è possibile fabbricare molti tipi di aerogel. Tra questi figurano aerogel di Illumina, di ossido di titanio, di silice, di vanio, di nichel, di cobalto e di silice idrofobica. Non dimenticare che lavorare con tetraetilortosilicato, metanolo e la pressa idraulica a caldo può essere pericoloso.

Si devono sempre adottare le seguenti precauzioni: indossare occhiali protettivi e guanti, lavorare in una cappa aspirante durante la preparazione della soluzione precursore, garantire un'adeguata ventilazione della pressa calda e non indossare abiti larghi durante l'esecuzione della procedura.