急速な超臨界抽出方法によるシリカエアロゲルモノリスを準備

本実験の全体的な目的は、迅速なワンステップ抽出プロセスを用いてモノリシックシリカエアロゲルを作製することです。まず、前駆体化学物質を混合し、その混合液を金属製型に流し込みます。次に、型を油圧ホットプレス機で密封し、化学物質を処理してエアロゲルを製造します。

このプロセスにおいて、化学前駆体はゲル化および熟成し、塩ゲルの細孔内の溶媒が超臨界状態に達します。そして、ホットプレスによって溶媒を超臨界流体として放出させ、金型を冷却します。プロセスの最後に、モノリス状のシリカエアロゲルを金型から取り出します。エアロゲル作製における他の手法に対するこの技術の主な利点は、前駆体の混合からモノリス状エアロゲルの得られるまでの全工程が、わずか数時間で完了することです。

このホットプレスを用いた手法は、ある学部生が卒業研究でエアロゲルを作製したいと考えた際に、超臨界乾燥機が利用できなかったため、即興でホットプレスを代用したことから着想を得ました。金属製モールドとホットプレスの適切な使用が極めて重要であるため、本手法の視覚的なデモンストレーションは不可欠です。

ウェルに前駆体溶液が満たされていない場合や、ホットプレスが適切にプログラムされていない場合、得られるエアロゲルの品質が低下します。まず、14.8 Mの濃アンモニア10.1 mLを脱イオン水で100 mLに希釈し、1.5 Mのアンモニア溶液を作成します。正方形のステンレス製金型を用意し、清潔で湿った布で拭いて表面の油分やほこりを取り除きます。

次に、金型からのゲルの取り出しを容易にするため、各円形ウェルの内側に高温用型離型剤をスプレーします。処理後、厚さ16インチのグラファイトシートと厚さ0.0005インチのステンレス箔を適切なサイズにカットし、シーリング用ガスケットを3セット準備します。ホットプレスでのシーリングおよび抽出プログラムを設定するため、まずオープンモールドの底部を密封するために使用するシーリングプログラムを設定します。次に、シリカエアロゲルに適したパラメータで抽出プログラムを設定します。

金型底部の密閉に使用した前述の金型を用い、ホットプレス機のPLA下部にグラファイトシートを中央に配置し、その上にステンレス箔を重ねます。次に、ステンレス箔の上に金型を置き、金型の上にさらにガスケット材を中央に配置します。その後、前述のパラメータを用いてホットプレス機のシーリングプログラムを開始します。

ここで、「前駆体溶液」とラベルを貼った250 milliliterのガラスビーカーに、合計17.0 millilitersのテトラエチルオルソシリケートをピペットで分注します。次に、合計55.0 millilitersのメタノールをビーカーに分注し、続いて7.2 millilitersの水を分注し、最後に1.5 molarのアンモニアを270 microliters加えます。ビーカーをプラスチック製パラフィンフィルムで密封します。

溶液が単相でない場合は、前駆体溶液を少なくとも5分間攪拌して加水分解を確実に進行させ、試薬を混合します。5分間混合した後、さらに5分間、混合液を超音波処理します。モールド天井プログラムが終了し、ホットプレスPLAが開いたら、上側のガスケット材を取り除いて取り置いてください。

金型の底面が密閉された状態を維持するため、金型はホットプレスに入れたままにします。次に、金型の各ウェルに前駆体溶液を完全に満たします。金型の上部に、まずステンレス箔、次にグラファイトシートの順で新しいガスケット材を配置します。

続いて、ホットプレス抽出プログラムを実行します。抽出プロセスが完了したら、ホットプレスから金型とガスケット材を取り出します。金型から上部のガスケット材を取り外して、脇に置いておきます。

次に、底部のガスケット材から型をそっと緩めます。最後に、手袋を着用した指で一方からしっかりと押し出すことで、エアロゲルを一つずつ慎重に型から取り出します。記述した手順に従うことで、均一なバッチのモノリシックシリカエアロゲルが得られます。こちらはこのプロセスで作成された代表的なシリカエアロゲルの画像です。

各エアロゲルは、処理用モールドのウェルの形状およびサイズに合わせ、収縮することなく形成されます。画像から、シリカエアロゲルが半透明であることがわかります。これらのエアロゲルの物理的特性をここにまとめます。

これらは、低温超臨界抽出を用いた同様の前駆体レシピから製造されたシリカエアロゲルと同等です。ここに示されているのは、Micro Metrics社の加速表面積・細孔分布測定システムを用いて取得した脱着等温線に基づき、BJH法で解析した典型的な細孔分布です。これらのエアロゲルはメソ多孔質であり、細孔径のピークは20 nanometers付近にあります。この手法を習得すれば、準備時間に15分未満、処理時間に8時間でシリカエアロゲルを調製することが可能です。

この手順を異なる前駆体の化学組成に適応させることで、多くの種類のエアロゲルを作製することが可能です。これには、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア、ニッケル、コバルト、および疎水性シリカエアロゲルが含まれます。テトラエチルオルソシリケート、メタノール、および油圧ホットプレスを用いた操作には危険が伴うことに注意してください。

以下の予防措置を常に講じてください。前駆体溶液の調製には安全メガネと手袋を着用し、ドラフトチャンバー内で作業を行ってください。また、ホットプレスを十分に換気させ、手順の実施中はゆったりとした衣服の着用を避けてください。