Name: Otrzymywanie monolitów aerożelu krzemionkowego metodą szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-28T14:15:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: Poznaj szybką metodę ekstrakcji nadkrytycznej do otrzymywania monolitów aerożelu krzemionkowego w ciągu ośmiu godzin. Technika wykorzystuje prasę hydrauliczną do efektywnej produkcji materiałów o niskiej gęstości.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują studentom studiów licencjackich Lutao Xie, za fizyczną charakterystykę materiałów aerożelowych, oraz Aude Bechu, za przetestowanie projektu procedury. Jesteśmy wdzięczni Laboratorium Inżynieryjnemu Union College za obróbkę formy ze stali nierdzewnej. Laboratorium Aerożelu Union College zostało sfinansowane z grantów Narodowej Fundacji Nauki (NSF MRI CTS-0216153, NSF RUI CHE-0514527, NSF MRI CMMI-0722842, NSF RUI CHE-0847901, NSF RUI DMR-1206631 i NSF MRI CBET-1228851). Niniejszy materiał opiera się na pracach wspieranych przez NSF w ramach grantu nr. CHE-0847901.

Względy bezpieczeństwa: Okulary ochronne lub gogle powinny być noszone przez cały czas podczas pracy przygotowawczej z roztworami i hydrauliczną prasą na gorąco. Podczas przygotowywania roztworu odczynnika chemicznego oraz podczas wlewania roztworu do formy w gorącej prasie należy nosić rękawice laboratoryjne. TMOS, metanol i stężony amoniak oraz roztwory zawierające te odczynniki muszą być przenoszone pod wyciągiem. Proces ekstrakcji nadkrytycznej uwalnia gorący metanol, dlatego konieczne jest zarówno odpowietrzenie gorącej prasy hydraulicznej, jak i upewnienie się, że na ścieżce odpowietrzania gorącej prasy nie ma źródeł zapłonu. Dodatkowo zalecamy montaż osłony bezpieczeństwa wokół gorącej prasy. W przypadku awarii uszczelki osłona pomoże zatrzymać powstałe kawałki uszczelki, a tym samym ochroni osoby pracujące w pobliżu gorącej prasy.
1. Przygotuj odczynniki i inne materiały
<ol>
	<li>Zbierz odczynniki potrzebne do receptury: tetrametylolortokrzemian, metanol, woda dejonizowana i amoniak.</li>
	<li>Przygotować 100,0 ml 1,5 M roztworu amoniaku. W tym celu należy rozcieńczyć 10,1 ml stężonego amoniaku 14,8 M do 100 ml wodą dejonizowaną.</li>
	<li>Zdobądź kwadratową formę ze stali nierdzewnej o wymiarach 12,7 cm x 12,7 cm x 1,9 cm wysokości, z 9 okrągłymi dołkami o średnicy 2,2 cm (patrz rysunek 3). Wytrzyj formę czystą, wilgotną szmatką, aby usunąć olej lub kurz z powierzchni. Spryskaj wnętrze każdej okrągłej studzienki wysokotemperaturowym sprayem antyadhezyjnym, aby ułatwić usuwanie aerożeli z formy po przetworzeniu.</li>
	<li>Przygotuj trzy zestawy uszczelek z blachy grafitowej o grubości 1/16 cala (1,6 mm) i folii ze stali nierdzewnej o grubości 0,0005 cala (0,012 mm). Wytnij trzy kawałki każdego materiału wystarczające do całkowitego pokrycia formy (>12,7 cm x >12,7 cm).</li>
</ol>
2. Przygotuj instrumenty
<ol>
	<li>Zaprogramuj programy zgrzewania i ekstrakcji na gorąco. Najpierw ustaw program uszczelniający, który będzie używany do uszczelniania dna otwartej formy. Patrz Tabela 1, aby zapoznać się z niezbędnymi wartościami programu. Następnie ustaw program ekstrakcji z odpowiednimi parametrami dla aerożeli krzemionkowych za pomocą formy opisanej powyżej. Parametry te przedstawiono w tabeli 2.</li>
	<li>Przygotuj szkło. Aby uniknąć zanieczyszczenia, potrzebne będą cztery szklane zlewki, jedna zlewka o pojemności 250 ml z etykietą "roztwór prekursora", jedna zlewka o pojemności 100 ml z etykietą "metanol", jedna zlewka o pojemności 20 ml z etykietą "woda demineralizowana" i jedna zlewka o pojemności 10 ml z etykietą "1,5 M amoniaku". Upewnij się, że wszystkie zlewki są czyste i suche.</li>
	<li>Przygotuj pipety. Dla ułatwienia należy korzystać z pipet cyfrowych. Używana będzie pipeta cyfrowa o pojemności 10 ml i pipeta o pojemności 1 000 μl. Upewnij się, że dostępnych jest wiele końcówek do pipet.</li>
	<li>Przygotuj sonikator, dodając wodę do linii napełniania.</li>
</ol>
3. Uszczelnij dno formy
<ol>
	<li>Umieść materiał formy i uszczelki w gorącej prasie. Najpierw wyśrodkuj arkusz grafitu na dolnej płycie, dodaj arkusz folii ze stali nierdzewnej i umieść formę na wierzchu folii ze stali nierdzewnej. Dodaj kolejny zestaw materiału uszczelki (stal nierdzewna, a następnie grafit) na wierzchu formy. (Uwaga: na tym etapie można użyć zużytego materiału uszczelki na górze, ale nowy materiał uszczelki musi być użyty na dole.)</li>
	<li>Uruchom program zgrzewania na gorąco, korzystając z parametrów pokazanych w Tabeli 1. Ten program uszczelnia spód formy, aby zapobiec wyciekaniu płynnych chemikaliów prekursorowych, gdy forma jest wypełniona roztworem prekursora.</li>
</ol>
4. Zrób roztwór prekursora
Przepis na aerożele krzemionkowe na bazie TMOS jest pokazany w Tabeli 3. Wszystkie prace związane z przygotowaniem roztworu wykonywane są pod wyciągiem.
<ol>
	<li>Pierwsze porcje TMOS pipetowane o łącznej objętości 17,0 ml z butelki z odczynnikiem do szklanej zlewki o pojemności 250 ml oznaczonej jako "roztwór prekursora".</li>
	<li>Wlać trochę metanolu do szklanej zlewki o pojemności 100 ml, a następnie odpipetować porcje metanolu o łącznej objętości 55,0 ml do szklanej zlewki o pojemności 250 ml oznaczonej jako "roztwór prekursorowy".</li>
	<li>Wlać trochę wody dejonizowanej do 20 ml zlewki oznaczonej jako "woda demineralizowana" i z tej zlewki odpipetować 7,2 ml wody do zlewki o pojemności 250 ml.</li>
	<li>Na koniec wlać około 1,5 M NH3 do zlewki o pojemności 10 ml i z tej zlewki odpipetować 270 μl roztworu do zlewki o pojemności 250 ml.</li>
	<li>Uszczelnij zlewkę plastikową folią parafinową.</li>
	<li>Mieszać odczynniki, aby upewnić się, że hydroliza zachodzi poprzez sonikację roztworu prekursora przez co najmniej 5 minut. Przed sonikacją w mieszaninie prekursora widoczne są czasami dwie warstwy cieczy. Po 5 minutach sonikacji roztwór powinien wydawać się jednofazowy. Jeśli tak się nie stanie, należy poddać mieszaninę sonikacji przez dodatkowe 5 minut.</li>
</ol>
5. Wlej roztwór prekursora do formy w prasie na gorąco
<ol>
	<li>Pod koniec programu uszczelniania formy otworzą się płyty dociskowe na gorąco. Usuń materiał uszczelki po stronie górnej i odłóż na bok. Pozostaw formę taką, jaka jest w gorącej prasie, aby dolna strona formy pozostała szczelna.</li>
	<li>Wypełnij każdą studzienkę formy całkowicie roztworem prekursora. (Uwaga: po napełnieniu formy pozostanie około 10 ml roztworu prekursora aerożelu. Można go wyrzucić lub przetworzyć w warunkach otoczenia w celu wytworzenia kserożeli.)</li>
	<li>Na wierzch formy umieść świeży materiał uszczelki: najpierw folię ze stali nierdzewnej, a następnie grafit na wierzchu.</li>
	<li>Uruchom program ekstrakcji na gorąco (pokazany w Tabeli 2). Program ten uszczelnia formę, podgrzewa zawartość do stanu nadkrytycznego, przeprowadza ekstrakcję nadkrytyczną, a następnie chłodzi formę.</li>
</ol>
6. Usuń aerożele z formy
<ol>
	<li>Po zakończeniu procesu ekstrakcji usuń formę i materiał uszczelki z gorącej prasy.</li>
	<li>Usuń górny materiał uszczelki z formy. Odłóż to na bok.</li>
	<li>Delikatnie poluzuj formę od dolnego materiału uszczelki.</li>
	<li>Ostrożnie wyjmij każdy aerożel z formy, pojedynczo, mocno przepychając je z jednej strony palcem w rękawiczce.</li>
	<li>Po wyjęciu aerożeli z formy proces jest zakończony.</li>
</ol>

<ol><li>Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAegerter%2C+MA+%22Aerogels+Handbook%22">Aerogels Handbook</a>. , Springer. New York, New York, USA. (2011).</li>
<li>Gurav, J. L., Jung, I. -K., Park, H. -H., Kang, E. S., Nadargi, D. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+aerogel%3A+Synthesis+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Nanomater%22%5BJournal%5D)">Silica aerogel: Synthesis and applications.</a> J. Nanomater. , Forthcoming.</li>
<li>Kistler, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+expanded+aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Coherent expanded aerogels.</a> J. Phys. Chem. 13, 52-64 (1932).</li>
<li>Phalippou, J., Woignier, T., Prassas, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glasses+from+aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">Glasses from aerogels.</a> J. Mater. Sci. 25 (7), 3111-3117 (1990).</li>
<li>Danilyuk, A. F., Gorodetskaya, T. A., Barannik, G. B., Lyakhova, V. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Supercritical+extraction+as+a+method+for+modifying+the+structure+of+supports+and+catalysts%5BTitle%5D)+AND+%22React.+Kinet.+Catal.+Lett%22%5BJournal%5D)">Supercritical extraction as a method for modifying the structure of supports and catalysts.</a> React. Kinet. Catal. Lett. 63 (1), 193-199 (1998).</li>
<li>Pajonk, G. M., Rao, A. V., Sawant, B. M., Parvathy, N. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dependence+of+monolithicity+and+physical+properties+of+tmos+silica+aerogels+on+gel+aging+and+drying+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Dependence of monolithicity and physical properties of tmos silica aerogels on gel aging and drying conditions.</a> J. Non-Cryst. Solids. 209 (1-2), 40-50 (1997).</li>
<li>Poco, J. F., Coronado, P. R., Pekala, R. W., Hrubesh, L. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+rapid+supercritical+extraction+process+for+the+production+of+silica+aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22Mat.+Res.+Soc.+Symp%22%5BJournal%5D)">A rapid supercritical extraction process for the production of silica aerogels.</a> Mat. Res. Soc. Symp. 431, 297-302 (1996).</li>
<li>Tewari, P. H., Hunt, A. J., Lofftus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ambient-temperature+supercritical+drying+of+transparent+silica+aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ambient-temperature supercritical drying of transparent silica aerogels.</a> Mater. Lett. 3 (9), 363-367 (1985).</li>
<li>Van Bommel, M. J., de Haan, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drying+of+silica+aerogel+with+supercritical+carbon+dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Drying of silica aerogel with supercritical carbon dioxide.</a> J. Non-Cryst. Solids. 186, 78-82 (1995).</li>
<li>Pajonk, G. M., Repellin-Lacroix, M., Abouarnadasse, S., Chaouki, J., Klavana, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+sol-gel+to+aerogels+and+cryogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non+Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">From sol-gel to aerogels and cryogels.</a> J. Non Cryst. Solids. 121, 66-67 (1990).</li>
<li>Kalinin, S., Kheifets, L., Mamchik, A., Knot'ko, A., Vertigel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+the+drying+technique+on+the+structure+of+silica+gels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sol-Gel+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Influence of the drying technique on the structure of silica gels.</a> J. Sol-Gel Sci. Technol. 15 (1), 31-35 (1999).</li>
<li>Prakash, S. S., Brinker, C. J., Hurd, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+aerogel+films+at+ambient+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Silica aerogel films at ambient pressure.</a> J. Non-Cryst. Solids. 190 (3), 264-275 (1995).</li>
<li>Prakash, S. S., Brinker, C. J., Hurd, A. J., Rao, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+aerogel+films+prepared+at+ambient+pressure+by+using+surface+derivatization+to+induce+reversible+drying+shrinkage%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Silica aerogel films prepared at ambient pressure by using surface derivatization to induce reversible drying shrinkage.</a> Nature. 374 (6521), 439-443 (1995).</li>
<li>Haereid, S., Einarsrud, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+strengthening+of+TMOS-based+alcogels+by+aging+in+silane+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sol-Gel+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Mechanical strengthening of TMOS-based alcogels by aging in silane solutions.</a> J. Sol-Gel Sci. Technol. 3 (3), 199-204 (1994).</li>
<li>Bhagat, S. D., Oh, C. S., Kim, Y. H., Ahn, Y. S., Yeo, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methyltrimethoxysilane+based+monolithic+silica+aerogels+via+ambient+pressure+drying%5BTitle%5D)+AND+%22Microporous+Mesoporous+Mater%22%5BJournal%5D)">Methyltrimethoxysilane based monolithic silica aerogels via ambient pressure drying.</a> Microporous Mesoporous Mater. 100 (1-3), 350-355 (2007).</li>
<li>Leventis, N., Palczer, A., McCorkle, L., Zhang, G., Sotiriou-Leventis, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoengineered+silica-polymer+composite+aerogels+with+no+need+for+supercritical+fluid+drying%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sol-Gel+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Nanoengineered silica-polymer composite aerogels with no need for supercritical fluid drying.</a> J. Sol-Gel Sci. Technol. 35 (2), 99-105 (2005).</li>
<li>Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fast+supercritical+extraction+technique+for+aerogel+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication.</a> J. Non-Cryst. Solids. 350, 238-243 (2004).</li>
<li>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. , (2008).</li>
<li>Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Method+and+Device+for+Fabricating+Aerogels+and+Aerogel+Monoliths+Obtained+Thereby%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby.</a> , (2011).</li>
<li>Carroll, M. K., Anderson, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+a+rapid+supercritical+extraction+method+to+prepare+aerogels+from+various+precursor+chemistries%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer+Preprints%22%5BJournal%5D)">Use of a rapid supercritical extraction method to prepare aerogels from various precursor chemistries.</a> Polymer Preprints. 52 (1), 31-32 (2011).</li>
<li>Pierre, A. C., Rigacci, A. SiO aerogels. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPierre%2C+AC+%22Aerogels+Handbook%22">Aerogels Handbook</a>. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York, New York, USA. (2011).</li>
<li>Anderson, A. M., Wattley, C. W., Carroll, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+aerogels+prepared+via+rapid+supercritical+extraction%3A+Effect+of+process+variables+on+aerogel+properties%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Silica aerogels prepared via rapid supercritical extraction: Effect of process variables on aerogel properties.</a> J. Non-Cryst. Solids. 355 (2), 101-108 (2009).</li>
<li>Anderson, A. M., Carroll, M. K., Green, E. C., Melville, J. T., Bono, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrophobic+silica+aerogels+prepared+via+rapid+supercritical+extraction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sol-Gel+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Hydrophobic silica aerogels prepared via rapid supercritical extraction.</a> J. Sol-Gel Sci. Technol. 53 (2), 199-207 (2010).</li>
<li>Brown, L. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+titania+and+titania-silica+aerogels+using+rapid+supercritical+extraction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sol-Gel+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Fabrication of titania and titania-silica aerogels using rapid supercritical extraction.</a> J. Sol-Gel Sci. Technol. 62 (3), 404-413 (2012).</li>
<li>Bono, M. S., Anderson, A. M., Carroll, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alumina+aerogels+prepared+via+rapid+supercritical+extraction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sol-Gel+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction.</a> J. Sol-Gel Sci. Technol. 53 (2), 216-226 (2010).</li>
<li>Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+alumina+and+nickel-alumina+aerogels+prepared+via+rapid+supercritical+extraction%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer+Preprints%22%5BJournal%5D)">Characterization of alumina and nickel-alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction.</a> Polymer Preprints. 52 (1), 250-251 (2011).</li>
<li>Plata, D. L., Briones, Y. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerogel-Platform+Optical+Sensors+for+Oxygen+Gas%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Aerogel-Platform Optical Sensors for Oxygen Gas.</a> J. Non-Cryst. Solids. 350, 326-335 (2004).</li>
<li>Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+a+rapid+supercritical+extraction+aerogel+fabrication+process%3A+Prediction+of+thermodynamic+conditions+during+processing%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing.</a> J. Non-Cryst. Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Metoda RSCE pozwala na uzyskanie spójnych partii monolitycznych aerożeli krzemionkowych przy użyciu zautomatyzowanego i prostego procesu. Przedstawiona tutaj metoda wymaga ośmiogodzinnego kroku przetwarzania. Możliwe jest przyspieszenie etapów ogrzewania i chłodzenia, aby uzyskać monolityczne aerożele w ciągu zaledwie 3 godzin22; Jednak gdy stosuje się procedurę trwającą 8 godzin, uzyskuje się bardziej spójne partie monolitów aerożelowych. Niewielkie różnice w parametrach procesu nie wpływają na właściwości fi...

Materiały na bazie aerogelu krzemionkowego charakteryzują się niską gęstością, wysoką powierzchnią właściwą oraz niską przewodnością cieplną i elektryczną, co w połączeniu z nanoporowatą strukturą zapewnia im doskonałe właściwości optyczne. Połączenie tych cech w jednym materiale sprawia, że aerogele są atrakcyjne w wielu zastosowaniach1. W niedawnym artykule przeglądowym Gurav et al. szczegółowo opisują obecne i potencjalne zastosowania materiałów z aerogelu krzemionkowego, zarówno w badaniach naukowych, jak i w opracowywaniu produktów przemysłowych2. Przykładowo, aerogele krzemionkowe były wykorzystywane jako absorbenty, sensory, materiały o niskiej przenikalności dielektrycznej, nośniki do magazynowania paliw oraz w szerokim zakresie zastosowań jako izolatory termiczne2.
Aerogele są zazwyczaj wytwarzane w procesie dwuetapowym. Pierwszy etap polega na zmieszaniu odpowiednich prekursorów chemicznych, które następnie ulegają reakcjom kondensacji i hydrolizy, tworząc żel mokry. W celu przygotowania żeli krzemionkowych reakcje hydrolizy zachodzą pomiędzy wodą a prekursorem zawierającym krzemionkę, w tym przypadku tetrametylortokrzemianem (TMOS, Si(OCH3)4), w obecności katalizatora kwasowego lub zasadowego. 
Si(OCH3)4 + H2O <img alt="Symbol strzałki wektorowej, wskazujący kierunek lub ruch; stosowany w diagramach fizycznych i matematycznych." fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51421/arrow.jpg" width="20" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="strzałka"> Si(OCH3)4-n(OH)n + n CH3OH
TMOS jest nierozpuszczalny w wodzie. Aby ułatwić hydrolizę, konieczne jest zastosowanie innego rozpuszczalnika, w tym przypadku metanolu (MeOH, CH3OH), oraz mieszanie lub sonikacja mieszaniny. Następnie między zhydrolizowanymi formami krzemionki zachodzą reakcje polikondensacji katalizowane zasadami:
R3SiOH + HOSiR3 <img alt="Symbol strzałki wektora, wskazujący kierunek lub ruch; używany w schematach fizycznych i matematycznych." fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51421/arrow.jpg" width="20" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="strzałka"> R3Si-O-SiR3 + H2O
R3SiOH + CH3OSiR3 <img alt="Symbol strzałki wektorowej, wskazujący kierunek lub ruch; używany w schematach fizycznych i matematycznych." fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51421/arrow.jpg" width="20" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="strzałka"> R3Si-O-SiR3 + CH3OH
Reakcje polikondensacji prowadzą do powstania mokrego żelu, składającego się z porowatej stałej matrycy SiO2, w której pory są wypełnione produktami ubocznymi rozpuszczalnika z reakcji, w tym przypadku metanolem i wodą. Drugi etap obejmuje suszenie mokrego żelu w celu utworzenia aerogelu: usunięcie rozpuszczalnika z porów bez zmiany stałej matrycy. Proces suszenia ma krytyczne znaczenie dla formowania się aerogelu. Jeśli nie zostanie przeprowadzony prawidłowo, krucha nanostruktura ulega zapadnięciu i powstaje kserożel, co przedstawiono schematycznie na Rysunku 1.
Istnieją trzy podstawowe metody suszenia materiałów sol-gel w celu otrzymania aerogeli: ekstrakcja nadkrytyczna, liofilizacja oraz suszenie pod ciśnieniem otoczenia. Metody ekstrakcji nadkrytycznej pozwalają uniknąć przekroczenia linii przemiany fazowej ciecz-para, dzięki czemu efekty napięcia powierzchniowego nie powodują zapadnięcia się nanostruktury żelu. Metody ekstrakcji nadkrytycznej mogą być prowadzone w wysokiej temperaturze (250-300 °C) i pod wysokim ciśnieniem z bezpośrednią ekstrakcją rozpuszczalnika alkoholowego, będącego produktem ubocznym reakcji kondensacji i hydrolizy3-7. Alternatywnie można przeprowadzić serię wymian i zastąpić rozpuszczalnik alkoholowy ciekłym dwutlenkiem węgla, który charakteryzuje się niską temperaturą nadkrytyczną (~31 °C). Ekstrakcja może być wtedy przeprowadzona w stosunkowo niskiej temperaturze8,9, choć wciąż pod wysokim ciśnieniem. Metody liofilizacji10,11 polegają na wstępnym zamrożeniu mokrego żelu w niskiej temperaturze, a następnie umożliwieniu sublimacji rozpuszczalnika bezpośrednio do postaci pary, co ponownie pozwala uniknąć przekroczenia linii przemiany fazowej ciecz-para. Metoda suszenia pod ciśnieniem otoczenia wykorzystuje surfaktanty w celu zmniejszenia efektów napięcia powierzchniowego lub polimery w celu wzmocnienia nanostruktury, po czym następuje suszenie mokrego żelu pod ciśnieniem otoczenia12-16.
Proces szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej (RSCE) opracowany w Union College jest metodą jednostopniową (poprzedzającą powstanie aerogelu)17-19. Metoda ta wykorzystuje wysokotemperaturową ekstrakcję nadkrytyczną, która pozwala na wytworzenie monolitycznych aerogeli w ciągu kilku godzin, zamiast dni lub tygodni wymaganych w innych metodach. W procedurze stosuje się zamkniętą formę metalową oraz programowalną hydrauliczną prasę na gorąco. Prekursory chemiczne są mieszane i wlewane bezpośrednio do formy, która jest umieszczana między płytami prasy hydraulicznej. Prasa jest zaprogramowana tak, aby się zamknąć i przyłożyć siłę docisku w celu uszczelnienia formy. Następnie prasa nagrzewa formę z określoną prędkością do temperatury Thigh, przekraczającej temperaturę krytyczną rozpuszczalnika (wykres procesu przedstawiono na Rysunku 2). W okresie nagrzewania substancje chemiczne reagują, tworząc żel, który następnie ulega utwardzeniu i starzeniu. Wraz z nagrzewaniem formy rośnie również ciśnienie, aż do osiągnięcia ciśnienia nadkrytycznego. Po osiągnięciu Thigh prasa pozostaje w stałym stanie, podczas gdy układ dąży do równowagi. Następnie zmniejsza się siłę nacisku prasy, co pozwala na ucieczkę płynu nadkrytycznego, pozostawiając gorący aerogel. Prasa chłodzi następnie formę wraz z jej zawartością do temperatury pokojowej. Na koniec procesu (który może trwać od 3 do 8 h) prasa otwiera się, a monolityczne aerogele są usuwane z formy.
Metoda RSCE oferuje znaczące zalety w porównaniu z innymi metodami wytwarzania aerogeli. Jest szybka (łącznie &lt;8 hr) i mało pracochłonna, wymagając zazwyczaj jedynie 15-20 min czasu przygotowania, po których następuje 3-8 hr czas przetwarzania. Nie wymaga ona wymiany rozpuszczalników, co oznacza, że w trakcie procesu generowane są stosunkowo niewielkie ilości odpadów rozpuszczalników.
W poniższej sekcji opisujemy protokół przygotowania zestawu cylindrycznych monolitów aerogelu krzemionkowego metodą Union RSCE z mieszaniny prekursorów składającej się z TMOS, metanolu i wody, z zastosowaniem wodnego roztworu amoniaku jako katalizatora reakcji hydrolizy i polikondensacji (przy stosunku molowym TMOS:MeOH:H2O:NH3 wynoszącym 1,0:12:3,6:3,5 x 10-3). Zaznaczamy, że metodę Union RSCE można wykorzystać do przygotowania aerogeli o różnych rozmiarach i kształtach, w zależności od zastosowanej metalowej formy i hydraulicznej prasy na gorąco. Metoda RSCE była również stosowana do otrzymywania innych rodzajów aerogeli (tytaniowych, glinowych itp.) z różnych receptur prekursorów20.

<table><tbody><tr><td>Tetrametyloortokrzemian&nbsp; (TMOS)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>218472-500G</td><td>o czystości 98%, CAS 681-84-5&nbsp;</td></tr><tr><td>Metanol&nbsp; (MeOH)</td><td>Fisher Scientific</td><td>A412-20</td><td>Certyfikowany odczynnik ACS, &ge; 99,8%</td></tr> <tr><td>Wodorotlenek amonu (wodny roztwór amoniaku)</td><td>Fisher Scientific</td><td>A669S212</td><td>Certyfikowany ACS Plus, około 14,8 N, 28,0-20,0 w%Woda</td></tr> <tr><td>dejonizowana</td><td>z kranu w domu</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Elastyczny arkusz grafitowy</td><td>Phelps Produkty przemysłowe</td><td>7500.062.3</td><td>1/16 cala grubości</td></tr><tr><td>Folia ze stali nierdzewnej</td><td>Różne</td><td></td><td>0,0005 cala grubości, stal</td></tr> <tr><td>nierdzewna 304Wysokotemperaturowy spray do uwalniania form</td><td>różne (na przykład CRC Industrial Dry PTFE Lube)</td><td></td> <td>Powinien być w stanie wytrzymać wysokie temperatury.</td></tr></tbody></table>

otrzymywanie monolitów aerożelu krzemionkowego metodą szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method

Opisano procedurę wytwarzania monolitycznych aerożeli krzemionkowych w ciągu ośmiu godzin lub krócej za pomocą szybkiego procesu ekstrakcji nadkrytycznej. Procedura wymaga 15-20 minut czasu przygotowania, podczas którego przygotowuje się płynną mieszaninę prekursorów i wlewa się ją do studzienek metalowej formy, którą umieszcza się między płytami hydraulicznej prasy na gorąco, a następnie następuje kilkugodzinna obróbka w gorącej prasie. Roztwór prekursora składa się ze stosunku molowego tetrametyloorbitylinianu (TMOS) 1,0:12,0:3,6:3,5 x 10-3. W każdym dołku formy tworzy się porowata matryca zol-żel krzemionkowy. Wraz ze wzrostem temperatury formy i jej zawartości wzrasta ciśnienie w formie. Po tym, jak warunki temperatury/ciśnienia przekroczą punkt nadkrytyczny dla rozpuszczalnika w porach matrycy (w tym przypadku mieszaniny metanolu i wody), płyn nadkrytyczny jest uwalniany, a monolityczny aerożel pozostaje w studzienkach formy. Za pomocą formy użytej w tej procedurze produkowane są cylindryczne monolity o średnicy 2,2 cm i wysokości 1,9 cm. Aerożele utworzone tą szybką metodą mają właściwości porównywalne (niska objętość i gęstość szkieletu, duża powierzchnia, mezoporowata morfologia) do tych otrzymywanych innymi metodami, które obejmują dodatkowe etapy reakcji lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem (dłuższe procesy, które generują więcej odpadów chemicznych). Metoda szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej może być również stosowana do wytwarzania aerożeli w oparciu o inne receptury prekursorów.

Postępowanie zgodnie z opisaną tutaj procedurą pozwala na uzyskanie jednolitych partii monolitycznych aerogeli krzemionkowych. Rysunek 4 przedstawia obrazy typowych aerogeli krzemionkowych otrzymanych za pomocą tego procesu. Każdy aerogel przyjmuje kształt i rozmiar otworu w formie przetwórczej bez kurczenia się. Obrazy pokazują, że aergele krzemionkowe są półprzezroczyste.
Właściwości fizyczne tych aerogeli podsumowano w Tabeli 4. Są one porównywalne do właśc...

Ten artykuł opisuje metodę szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej do wytwarzania aerożeli krzemionkowych. Dzięki zastosowaniu ograniczonej formy i hydraulicznej prasy na gorąco, monolityczne aerożele można wytwarzać w ciągu ośmiu godzin lub krócej.

Otrzymywanie monolitów aerożelu krzemionkowego metodą szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

A procedure for the fabrication of monolithic silica aerogels in eight hours or less via a rapid supercritical extraction process is described. The ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest wytworzenie monolitycznych aerogeli krzemionkowych za pomocą szybkiego, jednostopniowego procesu ekstrakcji. Osiąga się to poprzez wstępne wymieszanie odczynników prekursorowych i przelanie mieszaniny do metalowej formy. W drugim kroku formę zamyka się w hydraulicznej prasie termicznej, w której odczynniki są poddawane obróbce w celu otrzymania aerogeli.W trakcie tego procesu prekursory chemiczne żelują i starzeją się, rozpuszczalnik w porach żelu solowego osiąga stan nadkrytyczny, a prasa termiczna uwalnia rozpuszczalnik w postaci płynu nadkrytycznego i chłodzi formę. Na koniec procesu monolityczne aerogele krzemionkowe są usuwane z formy. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi metodami otrzymywania aerogeli jest fakt, że cały proces – od mieszania prekursorów po uzyskanie monolitycznych aerogeli – trwa zaledwie kilka godzin.Pomysł na tę metodę opartą na prasowaniu na gorąco pojawił się, gdy student studiów licencjackich chciał przygotować aerogele do swojego projektu dyplomowego. Ponieważ nie mieliśmy dostępu do suszarki nadkrytycznej, zastosowaliśmy rozwiązanie zastępcze i użyliśmy prasy na gorąco. Wizualna demonstracja tej me

preparing-silica-aerogel-monoliths-via-rapid-supercritical-extraction

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Przygotowywanie monolitów aerożelu krzemionkowego metodą szybkiego ekstrakcji superkrytycznej

Ta procedura opisuje, jak kapsułkować cytochrom c (cyt. c) w zol-żelach krzemionkowych (SiO2) przetworzyć te żele na bioaerożele i użyć tych bioaerożeli do szybkiego rozpoznania tlenku azotu (NO) w reakcji w fazie gazowej. Ten rodzaj protokołu może pomóc w przyszłym rozwoju biosensorów lub innych urządzeń bioanalitycznych.

Kapsułkowanie cytochromu c w nanoarchitekturach aerożelu krzemionkowego bez nanocząstek metalu przy jednoczesnym zachowaniu bioaktywności w fazie gazowej

Pokazano nowy sposób produkcji aerożeli na bazie biopolimerów poprzez żelowanie indukowane dwutlenkiem węgla (CO2). Technika ta wykorzystuje dwutlenek węgla pod ciśnieniem (5 MPa) do produkcji hydrożeli biopolimerowych i nadkrytycznego CO2 (12 MPa) do przekształcania żeli w aerożele. Jedynymi rozpuszczalnikami potrzebnymi oprócz CO2 są woda i etanol.

Przygotowanie aerożeli biopolimerowych przy użyciu zielonych rozpuszczalników

Ultradrobna zawiesina nanocząsteczek wodorotlenku glinu została przygotowana poprzez kontrolowane miareczkowanie [Al(H2O)]3+ z L-argininą do pH 4,6 z i bez uwięzienia w mezoporowatych kanałach MCM-41.

Łatwe przygotowanie ultradrobnych cząstek wodorotlenku glinu z mezoporowatym MCM-41 lub bez niego w środowisku otoczenia

Tutaj prezentujemy protokoły przygotowania i testowania aerożeli katalitycznych poprzez wprowadzanie gatunków metali do platform aerożelowych z krzemionki i tlenku glinu. Przedstawiono metody otrzymywania materiałów z wykorzystaniem soli miedzi i nanocząstek zawierających miedź. Protokoły badań katalitycznych wykazują skuteczność tych aerożeli w zastosowaniach katalizy trójdrożnej.

Wytwarzanie i testowanie aerożeli katalitycznych otrzymanych w procesie szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

Tutaj prezentujemy protokół syntezy bioinspirowanych materiałów krzemionkowych i immobilizacji enzymów w nich. Krzemionka jest syntetyzowana przez połączenie krzemianu sodu i "dodatku" aminowego, które neutralizują się w kontrolowanym tempie. Właściwości i funkcję materiału można zmienić poprzez immobilizację enzymatyczną in situ lub postsyntetyczne elucję kwasową zamkniętych dodatków.

Otrzymywanie krzemionki funkcjonalnej metodą inspirowaną biologicznie

Przedstawiono szybką, bezpośrednią metodę syntezy redukcyjnej opartej na roztworze w celu uzyskania aerożeli Au, Pd i Pt.

Metoda szybkiej syntezy aerożeli Au, Pd i Pt poprzez bezpośrednią redukcję na bazie roztworu

Ten protokół opisuje metodę wytrawiania tekstu, wzorów i obrazów na powierzchni monolitów aerożelu krzemionkowego w formie natywnej i barwionej oraz łączenia aerożeli w mozaiki.

Estetycznie ulepszony aerożel krzemionkowy dzięki zastosowaniu wytrawiania laserowego i barwników

Ta praca ma na celu ułatwienie rozwoju standardowych technik impregnacji lub szczepienia związków aminowanych na podłożach krzemionkowych, które często są szeroko opisane w literaturze. Szczegółowo omówione zostaną konkretne ilości rozpuszczalnika, substratu, amin oraz wartości innych ważnych parametrów eksperymentalnych.

Syntetyczna metodologia otrzymywania impregnowanych i szczepionych kompozytów krzemionkowych na bazie amin do wychwytywania dwutlenku węgla

Nanocząstki krzemionki zostały przygotowane przy użyciu katalizy kwasowej prekursora siloksanu i technik syntezy wspomaganych mikrofalami, co spowodowało kontrolowany wzrost nanomateriałów o średnicy od 30 do 250 nm. Dynamikę wzrostu można kontrolować, zmieniając początkowe stężenie kwasu krzemowego, czas reakcji i temperaturę reakcji.

Otrzymywanie nanocząstek krzemionki za pomocą katalizy kwasowej wspomaganej mikrofalami

Tutaj prezentujemy protokół, jak określić ilość i rozkład metali w próbce za pomocą synchrotronowej fluorescencji rentgenowskiej. Skupiamy się na komórkach przylegających i opisujemy metodę chemicznego utrwalania w celu przygotowania tej próbki. Następnie opisujemy, jak zamontować i zobrazować próbkę za pomocą synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego.

Przygotowanie komórek adherentnych do obrazowania fluorescencji rentgenowskiej metodą utrwalania chemicznego

Poznaj szybką metodę ekstrakcji nadkrytycznej do otrzymywania monolitów aerożelu krzemionkowego w ciągu ośmiu godzin. Technika wykorzystuje prasę hydrauliczną do efektywnej produkcji materiałów o niskiej gęstości.

Otrzymywanie monolitów aerożelu krzemionkowego metodą szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

Przeglądaj więcej filmów