Подготовка аэрогеля диоксида кремния Монолиты через Быстрое сверхкритической экстракции методом

Общая цель следующего эксперимента заключается в создании монолитных силикатных аэрогелей с помощью экспресс-метода одностадийной экстракции. Это достигается путем предварительного смешивания химических прекурсоров и заливки полученной смеси в металлическую форму. На втором этапе форма герметизируется в гидравлическом горячем прессе, где химические вещества подвергаются обработке для получения аэрогелей.

В ходе этого процесса химические прекурсоры гелируют и стареют, растворитель в порах солевого геля переходит в сверхкритическое состояние, а горячий пресс выводит растворитель в виде сверхкритического флюида и охлаждает форму. По завершении процесса монолитные аэрогели диоксида кремния извлекают из формы. Основным преимуществом данного метода перед другими способами получения аэрогелей является то, что весь процесс — от смешивания прекурсоров до получения монолитных аэрогелей — занимает всего несколько часов.

Мы разработали этот метод на основе горячего прессования. Когда студенту старших курсов для выпускного проекта потребовалось создать аэрогели, у нас не было доступа к установке сверхкритической сушки, поэтому мы импровизировали и использовали горячий пресс. Визуальная демонстрация этого метода крайне важна, так как правильное использование металлической формы и горячего пресса имеет решающее значение.

Если лунки не заполнены раствором-прекурсором или если горячий пресс запрограммирован неправильно, полученные аэрогели будут иметь низкое качество. Сначала разбавьте 10,1 миллилитра 14,8 молярного концентрированного раствора аммиака деионизированной водой до объема 100 миллилитров, чтобы приготовить 1,5 молярный раствор аммиака. Взяв квадратную форму из нержавеющей стали, протрите ее чистой влажной тканью, чтобы удалить с поверхности масло или пыль.

Затем распылите антиадгезив для высокотемпературных форм по внутренней поверхности каждой круглой лунки, чтобы облегчить и ускорить извлечение геля из формы. После обработки подготовьте три комплекта уплотнений, вырезав из графитового листа толщиной 16 дюймов и листа из нержавеющей стали толщиной 0,0005 дюйма заготовки соответствующего размера. Для программирования горячего пресса настройте программу запаивания, которая будет использоваться для герметизации дна открытой формы. Затем настройте программу экстракции с параметрами, подходящими для силикатных аэрогелей.

Используя описанную форму для герметизации ее дна, поместите центрированный графитовый лист на нижнюю пластину PLA горячего пресса и накройте его листом фольги из нержавеющей стали. Затем установите форму поверх фольги из нержавеющей стали и добавьте сверху еще один слой уплотнительного материала. После этого запустите программу прессования в горячем прессе, используя ранее описанные параметры.

На данном этапе перенесите пипеткой порции тетраэтилортосиликата общим объемом 17,0 milliliters в стеклянный стакан объемом 250 milliliter с надписью «раствор-прекурсор». Затем перенесите пипеткой порции метанола общим объемом 55,0 milliliters в стакан, добавьте в стакан 7,2 milliliters воды, а затем добавьте 270 µL 1,5 molar аммиака. Герметично закройте стакан пластиковой парафиновой пленкой.

Смешайте реагенты, чтобы обеспечить протекание гидролиза, подвергнув раствор предшественника воздействию ультразвука в течение как минимум пяти минут, если раствор не является монофазным. После пяти минут перемешивания обработайте смесь ультразвуком еще в течение пяти минут. После завершения программы формования и раскрытия платин горячего пресса снимите уплотнительный материал с верхней стороны и отложите его в сторону.

Оставьте форму в горячем прессе в исходном состоянии, чтобы нижняя сторона формы оставалась герметичной. Затем полностью заполните каждую лунку формы раствором-прекурсором. Поместите на верхнюю часть формы новый уплотнительный материал, сначала используя фольгу из нержавеющей стали, а затем графитовый лист.

После этого запустите программу экстракции в горячем прессе. По завершении процесса экстракции извлеките форму и уплотнительный материал из горячего пресса. Снимите верхний уплотнительный материал с формы и отложите его в сторону.

Затем осторожно отделите форму от уплотнительного материала в нижней части. Наконец, аккуратно извлеките каждый аэрогель из формы по одному, плотно протолкая их с одной стороны пальцем в перчатке. Соблюдение описанной процедуры позволяет получать однородные партии монолитных силикатных аэрогелей. Ниже представлены изображения типичных силикатных аэрогелей, полученных этим способом.

Каждый аэрогель принимает форму и размер лунки в технологической форме без усадки. На изображениях видно, что силикатные аэрогели полупрозрачны. Физические свойства этих аэрогелей обобщены здесь.

Они сопоставимы с характеристиками силикатных аэрогелей, полученных из аналогичных составов предшественников с использованием низкотемпературной сверхкритической экстракции. Здесь представлено типичное распределение пор по размерам, определенное методом BJH на основе изотермы десорбции, полученной с помощью системы анализа удельной поверхности и пористости MicroMetrics Accelerated Surface Area and Porosimetry System 2010. Аэрогели являются мезопористыми с пиком диаметра пор около 20 nanometers. После освоения данный метод может быть использован для получения силикатных аэрогелей менее чем за 15 minutes времени подготовки и восемь часов времени обработки.

Адаптируя данную процедуру под различные химические составы прекурсоров, можно изготовить многие типы аэрогелей. К ним относятся аэрогели на основе оксида алюминия, диоксида титана, диоксида кремния, оксида ванадия, никеля, кобальта, а также гидрофобные аэрогели кремнезема. Помните, что работа с тетраэтилортосиликатом, метанолом и гидравлическим горячим прессом может быть опасной.

При выполнении данной процедуры необходимо всегда соблюдать следующие меры предосторожности: использовать защитные очки и перчатки, готовить раствор-прекурсор в вытяжном шкафу, обеспечить достаточную вентиляцию горячего пресса и избегать ношения свободной одежды.