Otrzymywanie monolitów aerożelu krzemionkowego metodą szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

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 metody jest kluczowa ze względu na znaczenie prawidłowego wykorzystania formy metalowej oraz prasy na gorąco.

Jeśli do studzienek nie zostanie wlany roztwór prekursora lub prasa na gorąco nie zostanie odpowiednio zaprogramowana, otrzymane aerogele będą miały niską jakość. Najpierw należy rozcieńczyć 10,1 milliliters 14,8 molarnego, stężonego amoniaku do objętości 100 milliliters wodą dejonizowaną, aby przygotować 1,5 molarny roztwór amoniaku. Po przygotowaniu kwadratowej formy ze stali nierdzewnej, należy przetrzeć ją czystą, wilgotną szmatką, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia powierzchniowe w postaci olejów lub kurzu.

Następnie spryskaj wnętrze każdego okrągłego otworu wysokotemperaturowym sprayem do rozformowania, aby ułatwić i przyspieszyć usuwanie żelu z formy. Po obróbce przygotuj trzy zestawy uszczelek górnych, wycinając z arkusza grafitowego o grubości 1/16 cala oraz z folii ze stali nierdzewnej o grubości 0,0005 cala elementy o odpowiednich wymiarach. Aby zaprogramować procesy prasowania na gorąco i ekstrakcji, skonfiguruj program uszczelniania, który zostanie wykorzystany do zamknięcia dna otwartej formy. Następnie ustaw program ekstrakcji z parametrami odpowiednimi dla aerogeli krzemionkowych.

Używając opisanego modelu do uszczelnienia dna formy, należy wyśrodkować arkusz grafitu na dolnej płycie PLA prasy termicznej i dodać arkusz folii ze stali nierdzewnej. Następnie należy umieścić formę na folii ze stali nierdzewnej i dodać kolejną warstwę materiału uszczelniającego na górze formy. Po wykonaniu tych czynności należy uruchomić program zamykania prasy termicznej, korzystając z wcześniej opisanych parametrów.

Na tym etapie odmierzyć pipetą porcje ortokrzemianu tetraetylu o łącznej objętości 17,0 mililitrów do szklanego zlewki o pojemności 250 mililitrów z etykietą „roztwór prekursora”. Następnie odmierzyć pipetą porcje metanolu o łącznej objętości 55,0 mililitrów do zlewki, dodać pipetą 7,2 mililitrów wody, a następnie dodać 270 mikrolitrów 1,5 molarnego amoniaku. Zlewek szczelnie zamknąć folią parafinową.

Wymieszaj odczynniki, aby zapewnić zajście hydrolizy, sonikując roztwór prekursora przez co najmniej pięć minut, jeśli roztwór nie jest monofazowy. Po pięciu minutach mieszania sonikuj mieszaninę przez kolejne pięć minut. Po zakończeniu programu zamykania formy i otwarciu płyt grzejnych prasy, zdejmij materiał uszczelki górnej i odłóż go na bok.

Pozostaw formę w prasie termicznej, aby jej dolna strona pozostała uszczelniona. Następnie całkowicie wypełnij każde wgłębienie formy roztworem prekursora. Na górnej części formy umieść nowy materiał uszczelniający, najpierw folię ze stali nierdzewnej, a następnie arkusz grafitu.

Następnie uruchom program ekstrakcji w prasie na gorąco. Po zakończeniu procesu ekstrakcji wyjmij formę oraz materiał uszczelniający z prasy. Zdejmij górny materiał uszczelniający z formy i odstaw go na bok.

Następnie delikatnie odseparuj formę od materiału uszczelki dolnej. Na koniec ostrożnie wyjmij każdy aerogel z formy pojedynczo, zdecydowanie wypychając go z jednej strony palcem w rękawiczce. Postępowanie zgodnie z opisaną procedurą pozwala na uzyskanie spójnych partii monolitycznych aerogeli krzemionkowych; poniżej przedstawiono obrazy typowych aerogeli krzemionkowych otrzymanych tą metodą.

Każdy aerogel przyjmuje kształt i rozmiar wgłębienia w formie przetwórczej bez kurczenia się. Obrazy pokazują, że aerogele krzemionkowe są półprzezroczyste. Właściwości fizyczne tych aerogeli zostały tutaj podsumowane.

Są one porównywalne do tych otrzymywanych z aerożeli krzemionkowych wytwarzanych z podobnych receptur prekursorów przy użyciu niskotemperaturowej ekstrakcji nadkrytycznej. Przedstawiono tutaj typowy rozkład porów opracowany na podstawie analizy BJH izotermy desorpcji uzyskanej za pomocą systemu Micromeritics Accelerated Surface Area and Porosimetry 2010. Aerożele są mezoporowate z pikiem średnicy porów w okolicy 20 nanometrów. Po opanowaniu techniki ta może być wykorzystywana do przygotowania aerożeli krzemionkowych w czasie krótszym niż 15 minut przygotowania i ośmiu godzin przetwarzania.

Dostosowując tę procedurę do różnych składów chemicznych prekursorów, można wytworzyć wiele rodzajów aerogeli. Należą do nich aerogele tlenku glinu, tlenku tytanu, krzemionki, tlenku wanadu, niklu, kobaltu oraz hydrofobowe aerogele krzemionkowe. Należy pamiętać, że praca z ortokrzemianem tetraetylu, metanolem oraz hydrauliczną prasą na gorąco może być niebezpieczna.

Należy zawsze przestrzegać następujących środków ostrożności: używać okularów ochronnych i rękawic, przygotowywać roztwór prekursora w dygestorium, zapewnić odpowiednią wentylację prasy termicznej oraz unikać noszenia luźnej odzieży podczas wykonywania procedury.