Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

إعداد السيليكا Aerogel كتل عن طريق استخراج الطريقة السريعة فوق الحرجة

doi: 10.3791/51421 Published: February 28, 2014
* These authors contributed equally

Summary

توضح هذه المقالة طريقة استخراج فوق الحرجة السريع لافتعال aerogels السيليكا. من خلال الاستفادة من العفن المحصورة والصحافة الساخنة الهيدروليكية، aerogels متجانسة يمكن أن يتم في ثماني ساعات أو أقل.

Abstract

ووصف الإجراء لتصنيع aerogels السيليكا متجانسة في ثماني ساعات أو أقل خلال عملية استخراج فوق الحرجة السريع. يتطلب الإجراء 15-20 دقيقة من الوقت اللازم لإعداد خلالها يتم إعداد خليط السلائف السائل وتصب في قالب من الآبار المعدنية التي يتم وضعها بين ممرات الصحافة الساخنة الهيدروليكية، تليها عدة ساعات من المعالجة في إطار الصحافة الساخنة. يتكون الحل السلائف من نسبة 1.0:12.0:3.6:3.5 × 10 -3 المولي من tetramethylorthosilicate (TMOS): الميثانول: الماء: الأمونيا. في كل بئر من العفن، والتي يسهل اختراقها السليكا أشكال مصفوفة سول هلام. كما أن درجة حرارة القالب ومحتوياته وزيادة، والضغط داخل القالب يرتفع. بعد تجاوز ظروف درجة الحرارة / الضغط نقطة فوق الحرجة للالمذيب داخل المسام من المصفوفة (في هذه الحالة، والميثانول / الماء المخلوط)، يتم تحرير السوائل فوق الحرجة، ويبقى ايروجيل متجانسة داخل الآبار من العفن.مع القالب المستخدم في هذا الإجراء، يتم إنتاج كتل اسطوانية من 2.2 سم وقطرها 1.9 سم ارتفاع. Aerogels التي شكلتها هذه الطريقة السريعة لها خصائص مماثلة (منخفض الكثافة السائبة والهيكل العظمي، ومساحة عالية، مورفولوجيا mesoporous) لتلك التي تنطوي على الطرق الأخرى التي إما خطوات التفاعل إضافية أو الاستخراج بالمذيبات (العمليات أطول أن تولد المزيد من النفايات الكيميائية) التي أعدت. والسريع ويمكن أيضا طريقة استخراج فوق الحرجة تطبيقها على تلفيق aerogels بناء على وصفات أخرى السلائف.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

مواد السيليكا ايروجيل يكون منخفض الكثافة، ومساحة عالية، وانخفاض الموصلية الحرارية والكهربائية جنبا إلى جنب مع بنية نانوية مسامية مع الخصائص البصرية ممتازة. الجمع بين هذه الخصائص في مادة واحدة يجعل aerogels جذابة في عدد كبير من التطبيقات 1. في مراجعة مقال نشر مؤخرا، Gurav وآخرون. وصف تفصيلي للتطبيقات الحالية والمحتملة للمواد السيليكا ايروجيل، سواء في مجال البحث العلمي والتطوير في المنتجات الصناعية 2. على سبيل المثال، استخدمت aerogels السيليكا كما الماصة، وأجهزة الاستشعار، في مواد عازلة منخفضة، وسائط التخزين للوقود، ومجموعة واسعة من تطبيقات العزل الحراري 2.

وعادة ما تكون ملفقة Aerogels باستخدام عملية من خطوتين. ينطوي الخطوة الأولى خلط السلائف الكيميائية المناسبة، التي تخضع ثم التكثيف والتحلل ردود الفعل على تشكيل مادة هلامية الرطب. لإعداد المواد الهلامية السيليكا، وتحدث تفاعلات التحلل المائي بين الماء والسلائف التي تحتوي على السيليكا، في هذه الحالة tetramethylorthosilicate (TMOS، سي (OCH 3) 4)، في وجود حمض أو قاعدة المحفز.
الاشتراكية (OCH 3) 4 + H 2 O سهم الاشتراكية (OCH 3) 4 ن (OH) ن ن + CH 3 OH

TMOS غير قابل للذوبان في الماء. من أجل تسهيل التحلل، فمن الضروري أن تشمل المذيبات آخر، في هذه الحالة الميثانول (MeOH، CH 3 OH)، وإلى إثارة أو يصوتن الخليط. ردود الفعل من polycondensation قاعدة بحافز ثم تحدث بين الأنواع السيليكا تحلل:

R + 3 SiOH HOSiR 3 سهم R 3 سي-O-3 + H السير 2 O

R 3 SiOH + CH 3 3 سهم R 3 سي-O-3 + سيدي CH 3 OH

ردود الفعل من polycondensation تؤدي إلى تشكيل مادة هلامية الرطب، وتتألف من مسامية شافي 2 المصفوفة الصلبة، والتي تمتلئ المسام مع تركات المذيبات من رد الفعل، في هذه الحالة الميثانول والماء. ينطوي على الخطوة الثانية تجفيف هلام الرطب لتشكيل ايروجيل: إزالة المذيبات من المسام دون تغيير المصفوفة الصلبة. عملية التجفيف مهم للغاية لتشكيل ايروجيل. إذا لم تنفذ بشكل صحيح انهيار البنية النانوية الهشة ويتم تشكيل هلامة جافة كما هو موضح في الشكل 1 تخطيطي.

هناك ثلاث طرق أساسية لتجفيف المواد سول هلام لإنتاج aerogels: استخراج فوق الحرجة، وتجميد التجفيف والتجفيف المحيطة الضغط. وفوق الحرجة أساليب الاستخراج والفراغ عبور خط الطور السائل بخار بحيث آثار التوتر السطحي لا تسبب البنية النانوية من هلام للانهيار. لا يمكن أن يؤديها أساليب الاستخراج فوق الحرجة في درجة حرارة عالية (250-300 ° C)، والضغط المباشر مع استخراج الكحول من ثانوية المذيبات من التكثيف وردود فعل التحلل 3-7. بدلا من ذلك، يمكن للمرء أن أداء مجموعة من التبادلات واستبدال المذيبات الكحول مع ثاني أكسيد الكربون السائل، والذي لديه درجة حرارة منخفضة فوق الحرجة (~ 31 درجة مئوية). ويمكن بعد ذلك إجراء استخراج منخفضة نسبيا في درجة حرارة 8،9، وإن كان تحت ضغط عال. تجميد أساليب التجفيف 10،11 الأول تجميد هلام الرطب في درجة حرارة منخفضة ومن ثم السماح المذيب إلى تسامى مباشرة إلى شكل بخار، ومرة أخرى تجنب عبور خط مرحلة السائل بخار. يستخدم أسلوب الضغط المحيط السطحي للحد من آثار التوتر السطحي أو البوليمرات لتعزيز البنية النانوية، تليها جفاف الجل الرطب في pressu المحيطةإعادة 12-16.

عملية إتحاد كلية السريع فوق الحرجة استخراج (RSCE) هو الأسلوب 17-19 على بعد خطوة واحدة (مقدمة لايروجيل). طريقة توظف درجات حرارة عالية فوق الحرجة استخراج، والذي يسمح تصنيع aerogels متجانسة في ساعات بدلا من أيام إلى أسابيع المطلوبة من قبل وسائل أخرى. يستخدم الأسلوب قالب معدني المحصورة والصحافة الساخنة الهيدروليكية للبرمجة. السلائف الكيميائية المختلطة وسكب مباشرة في القالب الذي يوضع بين ممرات الصحافة الساخنة الهيدروليكية. وتمت برمجة الصحافة الساخنة للإغلاق وتطبيق قوة زجرية لختم العفن. الصحافة الساخنة ثم يسخن القالب بمعدل المحدد إلى درجة حرارة، T عالية، أعلى من درجة الحرارة الحرجة من المذيب (انظر الشكل 2 للحصول على قطعة من هذه العملية). خلال الفترة heatup المواد الكيميائية تتفاعل لتشكيل مادة هلامية ويقوي جل والأعمار. كما يتم تسخين القالب يرتفع الضغط أيضا، ليصل في نهاية المطافالضغط فوق الحرج. عند بلوغ T عالية، يسكن الصحافة الساخنة في حالة ثابتة بينما equilibrates النظام. المقبل وانخفضت قوة الصحافة الساخنة وهروب السوائل فوق الحرجة، تاركا وراءه ايروجيل الساخنة. الصحافة ثم يبرد القالب ومحتوياته إلى درجة حرارة الغرفة. في نهاية العملية (والتي يمكن أن يستغرق 3-8 ساعة) يفتح الصحافة وتتم إزالة aerogels متجانسة من العفن.

يقدم هذا الأسلوب RSCE مزايا هامة على طرق تصنيع ايروجيل الأخرى. فهي سريعة (<8 ساعة الكل) وليس غاية كثيفة العمالة، والتي تتطلب عادة فقط 15-20 دقيقة الوقت اللازم لإعداد تليها 3-8 ساعة وقت المعالجة. أنها لا تتطلب تبادل المذيب، وهو ما يعني أن تتولد النفايات المذيبات قليلا نسبيا خلال العملية.

في المقطع الذي يلي، وصفنا بروتوكول لإعداد مجموعة من كتل اسطوانية السيليكا ايروجيل عبر أسلوب الاتحاد RSCE من خليط السلائف تشملد من TMOS، والميثانول، والمياه مع الأمونيا المائية المستخدمة باعتبارها حافزا للوالتحلل من polycondensation ردود الفعل (مع TMOS: MeOH: H 2 O: NH 3 نسبة المولي من 1.0:12:3.6:3.5 × 10 -3). نلاحظ أن أسلوب الاتحاد RSCE يمكن استخدامها لإعداد aerogels من مختلف الأحجام والأشكال المختلفة، اعتمادا على قالب معدني والصحافة الساخنة الهيدروليكية المستخدمة. كما تم استخدام هذا الأسلوب RSCE لإعداد أنواع أخرى من aerogels (تيتانيا، والألومينا، وغيرها) من وصفات مختلفة السلائف 20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

اعتبارات السلامة: السلامة النظارات أو نظارات واقية يجب أن ترتديه في جميع الأوقات أثناء العمل التحضيرية مع الحلول والصحافة الساخنة الهيدروليكية. يجب ارتداء قفازات عند إعداد مختبر الحل الكواشف الكيميائية وعندما صب الحل في القالب في الصحافة الساخنة. TMOS والميثانول والأمونيا المركزة، والحلول التي تحتوي على هذه الكواشف، ويجب التعامل معها داخل غطاء الدخان. وفوق الحرجة النشرات عملية استخراج الميثانول الساخنة، لذلك فمن الضروري على حد سواء للتنفيس عن الصحافة الساخنة الهيدروليكية، وضمان عدم وجود أي مصادر الاشتعال ضمن مسار تنفيس الصحافة الساخنة. بالإضافة إلى ذلك، فإننا نوصي تركيب درع السلامة حول الصحافة الساخنة. في حال فشل حشية، سوف الدرع مساعدة في احتواء القطع طوقا الناتجة عنها، وبالتالي حماية أي شخص يعمل بالقرب من الصحافة الساخنة.

1. إعداد الكواشف واللوازم الأخرى

  1. جمع الكواشف اللازمة لصفة: tetramethylorthosilicate، والميثانول والماء منزوع الأيونات، والأمونيا.
  2. جعل 100.0 مل من محلول الأمونيا 1.5 M. للقيام بذلك، وتمييع 10.1 مل من 14.8 M الأمونيا تتركز إلى 100 مل مع الماء منزوع الأيونات.
  3. الحصول على مربع قالب الفولاذ المقاوم للصدأ، 12.7 سم × 12.7 سم × 1.9 سم ارتفاع، مع 9 آبار دائرية قطرها من 2.2 سم (انظر الشكل 3). مسح القالب مع نظيفة، قطعة قماش مبللة لإزالة أي نفط أو الغبار السطح. رذاذ داخل كل بئر دائرية مع رش درجات حرارة عالية الافراج عن القالب لتخفيف في إزالة aerogels من العفن بعد المعالجة.
  4. إعداد ثلاث مجموعات من ختم الحشايا من 1/16 في (1.6 ملم) ورقة الجرافيت سميكة و0.0005 في (0.012 ملم) سميكة احباط الفولاذ المقاوم للصدأ. قطع ثلاث قطع من كل مادة كافية لتغطية القالب تماما (> 12.7 سم x> 12.7CM).

2. إعداد الأدوات

  1. برمجة الصحافة الساخنة ختم والبرامج الاستخراج. أولا إعداد برنامج الختم التي سيتم استخدامهاد لاغلاق الجزء السفلي من قالب مفتوح. انظر الجدول رقم 1 للقيم البرامج الضرورية. مجموعة تالية حتى برنامج استخراج مع المعلمات الصحيحة لaerogels السيليكا باستخدام القالب هو موضح أعلاه. انظر الجدول رقم 2 لهذه المعلمات.
  2. إعداد الأواني الزجاجية. لتجنب التلوث، وسوف تكون هناك حاجة إلى أربعة أكواب الزجاج، واحد كوب 250 مل المسمى "الحل السلائف، 'واحد كوب 100 مل المسمى" الميثانول "، واحد كوب 20 مل المسمى" المياه DI،' واحد الدورق 10 مل '1 .5 المسمى M الأمونيا ". تأكد من أن جميع الأكواب نظيفة وجافة.
  3. إعداد الماصات. وينبغي استخدام ماصات الرقمية لسهولة. وسيتم استخدام 10 مل ماصة الرقمية وماصة ميكرولتر 1،000. تأكد من ونصائح ماصة متعددة المتاحة.
  4. إعداد sonicator بإضافة الماء إلى خط التعبئة.

3. ختم العفن أسفل

  1. وضع العفن والمواد طوقا في الصحافة الساخنة. Fتوسيط IRST ورقة الجرافيت على أقل الصوانى، إضافة ورقة من رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ ووضع القالب في أعلى رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ. إضافة مجموعة أخرى من المواد طوقا (الفولاذ المقاوم للصدأ ثم الجرافيت) على الجزء العلوي من القالب. (ملاحظة: تستخدم المواد طوقا يمكن استخدامها في الجزء العلوي في هذه الخطوة، ولكن يجب استخدام مواد جديدة طوقا على الجزء السفلي.)
  2. بدء تشغيل البرنامج الختم الصحافة الساخنة، وذلك باستخدام المعلمات هو مبين في الجدول رقم 1. هذا البرنامج الأختام الجزء السفلي من العفن لمنع السلائف الكيميائية السائلة من تسرب عندما يتم تعبئة القالب مع الحل السلائف.

4. جعل الحل السلائف

يظهر صفة لaerogels السيليكا مقرها TMOS في الجدول 3. يتم تنفيذ جميع أعمال إعداد الحل في غطاء الدخان.

  1. مأخوذة ماصة الأول من TMOS بلغ مجموعها 17.0 مل من زجاجة الكاشف في كوب 250 مل الزجاج المسمى "الحل السلائف".
  2. صببعض الميثانول في كوب 100 مل دورق ثم مأخوذة ماصة من الميثانول يبلغ مجموعها 55.0 مل في دورق 250 مل الزجاج المسمى "الحل السلائف. '
  3. صب بعض الماء منزوع الأيونات في دورق 20 مل المسمى "المياه DI 'ومنذ ذلك ماصة دورق 7.2 مل من الماء في كوب 250 مل.
  4. أخيرا، صب نحو 1.5 M NH 3 في دورق 10 مل ومنذ ذلك ماصة دورق 270 ميكرولتر من الحل في مل دورق 250.
  5. ختم الكأس مع فيلم البلاستيك البارافين.
  6. مزج الكواشف لضمان حدوث ذلك التحلل بواسطة sonicating الحل السلائف لمدة 5 دقائق على الأقل. قبل صوتنة، طبقتين السائل واضحة في بعض الأحيان في خليط السلائف. بعد 5 دقائق من صوتنة، يجب أن يظهر الحل ليكون الطور. إذا لم يحدث ذلك، يصوتن الخليط لمدة 5 دقائق إضافية.

5. صب السلائف الحل في مقلب ساخن في الصحافة

في نهاية البرنامج ختم العفن ستفتح ممرات الصحافة الساخنة. إزالة المواد حشية من جانب أعلى وتوضع جانبا. يترك القالب كما هو في الصحافة الساخنة بحيث الجانب السفلي من العفن لا تزال مختومة.
  • ملء كل بئر من العفن تماما مع الحل السلائف. (ملاحظة: سوف يكون هناك حوالي 10 مل من ايروجيل حل السلائف خلفها بعد ملء القالب هذه يمكن التخلص منها أو معالجتها في ظل الظروف المحيطة لجعل xerogels.)
  • وضع المواد الطازجة طوقا على الجزء العلوي من القالب: احباط الفولاذ المقاوم للصدأ أولا ثم الجرافيت على القمة.
  • تشغيل برنامج استخراج الصحافة الساخنة (كما هو موضح في الجدول رقم 2). هذا البرنامج الأختام العفن، وتسخن محتويات إلى حالة فوق الحرجة، ويؤدي استخراج فوق الحرجة ثم يبرد القالب.
  • 6. إزالة Aerogels من العفن

    1. عندما هو عملية الاستخراج كاملة، وإزالة العفن والمواد طوقا من الصحافة الساخنة. إزالة الجزء العلوي المواد طوقا من العفن. تعيين هذا جانبا.
    2. تخفيف بلطف العفن من المواد طوقا القاع.
    3. إزالة بعناية كل ايروجيل من العفن، واحدة في وقت واحد، من خلال دفعهم بقوة من خلال من جانب واحد مع إصبع القفاز.
    4. عندما تتم إزالة aerogels من العفن، واكتمال العملية.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

    بعد الإجراء الموضح هنا النتائج على دفعات ثابت من aerogels السيليكا متجانسة الشكل 4 يوضح صور aerogels السيليكا النموذجية التي عبر هذه العملية. كل ايروجيل يأخذ على شكل وحجم البئر في قالب تجهيز مع عدم وجود انكماش. وتظهر الصور أن aerogels السيليكا وشفافة.

    وتتلخص الخصائص الفيزيائية لهذه aerogels في الجدول 4. فهي مماثلة لتلك التي من aerogels السيليكا المنتجة من صفات السلائف مماثلة باستخدام درجات الحرارة المنخفضة استخراج فوق الحرجة 21. الشكل 5 يظهر توزيع المسام النموذجية التي حصل عليها التحليل BJH من الأيسوثرم الامتزاز المكتسبة مع Micromeritics في اسرع وقت ممكن 2010.The aerogels هي mesoporous مع ذروة في مسام قطرها 20 نانومتر قرب.

    الخطوة # درجة الحرارة درجة الحرارة قيم قوة قيم القوة يسكن الوقت (دقيقة) الخطوة المدة (دقيقة)
    1 بعيدا - £ 20000
    (89 كيلو نيوتن)
    600 ك رطل / دقيقة *
    (2،669 N / دقيقة)
    10 10
    2 نهاية الخطوة

    الجدول 1. الصحافة الساخنة قالب إعدادات البرنامج ختم.
    * هذا المعدل يمثل الحد الأقصى لمعدل الصحافة

    الخطوة # درجة الحرارة درجة الحرارة قيم قوة الصحافة قيم القوة يسكن الوقت (دقيقة) الخطوة المدة (دقيقة)
    1 - ختم العفن 90 ° F
    (32 ° C)
    200 ° F / دقيقة
    (111 درجة مئوية / دقيقة) *
    £ 40000
    (178 كيلو نيوتن)
    £ 600،000 / دقيقة
    (2،669 كيلو نيوتن / دقيقة) *
    2 2
    2 - الحرارة وتتوازن 550 ° F
    (288 ° C)
    2 ° F / دقيقة
    (1.1 ° C / دقيقة)
    £ 40000
    (178 كيلو نيوتن)
    - 30 260
    3 - استخراج وتتوازن 550 ° F
    (288 ° C)
    - £ 1000
    (4.4 كيلو نيوتن)
    £ 1000 / دقيقة
    (4.4 كيلو نيوتن / دقيقة)
    30 69
    4 - تهدئة 100 ° F
    (38 ° C)
    3 ° F / دقيقة
    (1.7 ° C / دقيقة)
    £ 1000
    (4.4 كيلو نيوتن)
    - 1 151
    5 - إنهاء نهاية الخطوة إجمالي الوقت: 482 دقيقة
    (8 ساعات)

    الجدول 2. الصحافة الساخنة إعدادات البرنامج استخراج.
    * هذه الأسعار تمثل أسعار الصحافة الأقصى

    مادة كيميائية المبلغ (مل)
    TMOS 17
    MeOH 55
    H 2 O 7.2
    1.5 M NH 3 0.27

    الجدول 3. وصفة ل80 مل السيليكا السلائف الحل.

    P roperty القيمة النموذجية
    الكثافة الأكبر 0.1 جم / سم 3
    الكثافة العظمية 1.9 جم / سم 3
    BET المساحة بالمتر المربع 560 م 2 / ز
    التراكمي مسام حجم التداول 3.9 سم 3 / ز
    متوسط ​​BJH الامتزاز مسام القطر 21 نانومتر
    متوسط ​​BJH الامتزاز مسام القطر 27 نانومتر

    الجدول 4. خصائص السيليكا Aerogels إعداد عبر RSCE عملية.

    الشكل 1
    الشكل 1. تخطيطي لعملية التجفيف سول هلام.

    المحتويات "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما "> الرقم 2
    . الرقم 2 المعلمات الساخن الصحافة تجهيز استخدمت خلال عملية RSCE. (ملاحظة: تستخدم وحدات اللغة الإنجليزية في هذا الرقم، لأن مبرمجة الصحافة الساخنة في تلك الوحدات.)

    الرقم 3
    الرقم 3. تخطيطي القالب المستخدم في عملية RSCE. تتشكل Aerogels في كل من الآبار التسع، والتي تمر عبر ارتفاع القالب بأكمله (جميع أبعاد هي في سم).

    oad/51421/51421fig4.jpg "/>
    الشكل 4. صور aerogels السيليكا أعدت عبر هذه العملية RSCE.

    الرقم 5
    الرقم 5. نموذجي توزيع المسام BJH (الامتزاز) النتائج لايروجيل السيليكا أعدت عبر RSCE.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

    تنتج طريقة RSCE دفعات ثابت من aerogels السيليكا متجانسة باستخدام عملية مؤتمتة وبسيطة. الأسلوب كما قدمت هنا يتطلب خطوة تجهيز ثماني ساعات. فمن الممكن لتسريع التدفئة والتبريد الخطوات لجعل aerogels متجانسة في اقل من 3 ساعة 22، ولكن عندما يعمل إجراء 8 ساعة، ينتج دفعات أكثر اتساقا من كتل ايروجيل. اختلافات صغيرة في المعلمات العملية لا تؤثر على الخصائص الفيزيائية للaerogels الناتجة عن ذلك، مشيرا إلى أن هذه العملية هي قوية 22.

    وصفة السلائف المستخدمة هنا النتائج في aerogels السيليكا متجانسة، ومع ذلك، يمكن استخدام عملية استخراج فوق الحرجة السريع لتقديم مجموعة متنوعة من أنواع أخرى من aerogels 20 لمجموعة واسعة من الاستخدامات المحتملة بما في ذلك aerogels السيليكا مسعور 23 (للتطبيقات تتراوح من تسرب المواد الكيميائية تنظيف لتعزيز ضوء النهار)، وتيتانيا تيتانيا الاشتراكيةLICA aerogels 24 (لتحفيز ضوئي)، والألومينا وaerogels القائم على الألومينا 25،26 (لتطبيقات الحفز). فمن الممكن لوضع خليط السائل السلائف، كما هو الحال في هذا العمل، أو هلام الرطب معدة مسبقا 26 في الآبار من العفن للمعالجة. القيد الرئيسي هو أن المواد الكيميائية المشاركة في تشكيل مصفوفة سول جل لا تتفاعل مع أي من القوالب المعدنية أو مواد طوقا في درجات الحرارة المستخدمة في عملية الاستخراج. بالإضافة إلى ذلك، فإنه من الضروري ضمان أن النقطة الحرجة للخليط المذيبات أو المذيبات داخل مسام ايروجيل يمكن تجاوزها أثناء عملية الصحافة الساخنة.

    يمكن مخدر aerogels مع المواد الكيميائية الأخرى (على سبيل المثال لجعل أجهزة الاستشعار كما في بلاتا وآخرون 27.) باستخدام محلول جزيء إشابة في الميثانول أو الماء بدلا من المذيب النقي في الخليط السلائف، ولكن يجب على المواد الكيميائية المضافة تكون مستقرة حراريا يصل إلى أقصى الحدوددرجة الحرارة IMUM العاملين في برنامج الصحافة الساخنة من أجل البقاء على قيد الحياة تجهيز RSCE.

    عند استخدام عملية الاتحاد RSCE من المهم توفير كمية مناسبة من قوة زجرية. قوالب مختلفة الحجم والشكل يمكن استخدامها ولكن يجب أن يتم ضبط الصحافة قوة زجرية الساخنة وفقا لذلك 28. إذا كانت القوة هي منخفضة جدا، ثم المذيب سوف تنفيس شبه خطيرة وسوف يتقلص هلام الرطب داخل القالب. إذا كانت القوة هي عالية جدا، ثم الضغط المفرط سوف تتراكم في قالب وسيتم تدمير ايروجيل على الاستخراج. الحد الأقصى لحجم ايروجيل محدودة بسبب قوة زجرية أقصى الصحافة الساخنة. مع الصحافة 24 طن الساخنة، قمنا بإعداد كتل كبيرة مثل 7.6 سم × 7.6 سم × 1.3 سم. روث وآخرون 28 توفير مزيد من المعلومات حول ظروف التصنيع الملائمة.

    درجة الحرارة القصوى المستخدمة في هذا البروتوكول هو 288 درجة مئوية، وهو أعلى بكثير من درجة الحرارة الحرجةerature من الميثانول (240 درجة مئوية) ولكن تحت درجة حرارة فوق الحرجة من الماء (374 درجة مئوية). من المرجح يحتوي على هلام الرطب بعض الماء بحيث قمنا بزيادة درجة الحرارة القصوى من أجل تجاوز نقطة فوق الحرجة من خليط المذيبات. فمن الممكن لتسخين إلى أقصى انخفاض درجة الحرارة (~ 250 درجة مئوية) إذا لزم الأمر، ولكن إذا كان هذا يتم في مدة بقاء أطول (~ 60 دقيقة) في بروتوكول 2 من برنامج استخراج الصحافة الساخنة (انظر الجدول 2) ينصح لضمان أن العفن والرطب هلام تصل إلى درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية.

    إذا كانت خطوات المعالجة لا تنتج باستمرار كتل شفافة، ثم استخدم من العفن المجهزة، ومجهزة الضغط ودرجة الحرارة أجهزة الاستشعار (كما في أندرسون وآخرون 22 أو روث وآخرون 28) ويوصى لتأكيد الشروط في القالب. إذا لوحظ ايروجيل كتل أن يكون غيما من المعتاد، والنظر في إعداد دفعة جديدة من حل محفز. مع مرور الوقت، و1.5 M محلول الأمونيا يمكن أن تصبح أقل تركيزا نتيجة لتفاعل الأمونيا مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي 2. حل تركيز أقل من محفز الأمونيا النتائج في أوقات دبق أطول، ولكن هذه ليست واضحة بصريا عند حدوث دبق داخل القالب في الصحافة الساخنة.

    نستخدم قالب مع الآبار التي تذهب تماما من خلال كتلة من المعدن. مثل هذا العفن يسمح لسهولة إزالة من aerogels متجانسة سليمة بعد المعالجة، بل هو أيضا أسهل لآلة من العفن التي لكل منها جيدا صلبة، مسطحة القاع. عيوب هذا التصميم العفن هو أنه إذا لم يتم مختومة القالب بشكل صحيح في البروتوكول 3 من الإجراءات، سوف السلائف السائل يتسرب من أسفل القالب على أقل الصوانى الصحافة الساخنة. عندما لا يكون مهما في التطبيق المطلوب للحصول على aerogels متجانسة سليمة، العفن مع الآبار المغلقة أسفل يمكن استخدامها. في هذه الحالة، سوف لا تزال تشكل كتل في قالب، ولكن بسبب عدم وجود انكماشالمصفوفة، واحد سيكون لديك لكسر aerogels من أجل إزالتها من القالب.

    وباختصار، فإن طريقة استخراج إتحاد كلية السريع فوق الحرجة للايروجيل تلفيق ديها العديد من المزايا. فهي سريعة: بروتوكول الموصوفة هنا النتائج في ذات جودة عالية كتل السيليكا ايروجيل في ثماني ساعات. فمن صديقة للبيئة وغيرها من وسائل ايروجيل من تلفيق التي تتطلب تبادل المذيبات فعالة من حيث التكلفة يمكن أن تكون أكثر من ذلك: الأسلوب RSCE ليس كثيفة العمالة، وتتطلب أقل من 20 دقيقة من الوقت اللازم لإعداد لكل دفعة من aerogels، ويولد نفايات المذيبات قليلا. أخيرا، هذا الأسلوب RSCE ديه وعد لأتمتة ونطاق المتابعة: مكابس هيدروليكية الساخنة تأتي في كثير من الاحجام، من مقعد بين كبار نماذج لمعدات خط الإنتاج.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    يعلن الكتاب أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.

    Acknowledgments

    المؤلفين أشكر طلاب المرحلة الجامعية Lutao شيه، على الخصائص الفيزيائية للمواد ايروجيل، وAUDE Bechu، لاختبار مشروع الإجراء. ونحن ممتنون للمختبر الهندسة كلية الاتحاد للبالقطع العفن الفولاذ المقاوم للصدأ. وقد تم تمويل مختبر كلية الاتحاد Aerogel من المنح المقدمة من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF التصوير بالرنين المغناطيسي CTS-0216153، NSF RUI CHE-0514527، NSF التصوير بالرنين المغناطيسي CMMI-0722842، NSF RUI CHE-0847901، NSF RUI DMR-1206631، والتصوير بالرنين المغناطيسي NSF CBET -1228851). ويستند هذه المواد على العمل بدعم من جبهة الخلاص الوطني في إطار منحة رقم CHE-0847901.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Tetramethylorthosilicate  (TMOS) Sigma Aldrich 218472-500G 98% purity, CAS 681-84-5 
    Methanol  (MeOH) Fisher Scientific A412-20 Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8%
    Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia) Fisher Scientific A669S212 Certified ACS Plus, about 14.8 N, 28.0-20.0 w/w%
    Deionized Water on tap in house
    Flexible Graphite Sheet Phelps Industrial Products 7500.062.3 1/16 in thick
    Stainless Steel Foil Various 0.0005 in thick, 304 Stainless Steel
    High Temperature Mold Release Spray various (for example, CRC Industrial Dry PTFE Lube) Should be able to withstand high temperatures.

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. Aerogels Handbook. Springer. New York, New York, USA. (2011).
    2. Gurav, J. L., Jung, I. -K., Park, H. -H., Kang, E. S., Nadargi, D. Y. Silica aerogel: Synthesis and applications. J. Nanomater. Forthcoming.
    3. Kistler, S. S. Coherent expanded aerogels. J. Phys. Chem. 13, 52-64 (1932).
    4. Phalippou, J., Woignier, T., Prassas, M. Glasses from aerogels. J. Mater. Sci. 25, (7), 3111-3117 (1990).
    5. Danilyuk, A. F., Gorodetskaya, T. A., Barannik, G. B., Lyakhova, V. F. Supercritical extraction as a method for modifying the structure of supports and catalysts. React. Kinet. Catal. Lett. 63, (1), 193-199 (1998).
    6. Pajonk, G. M., Rao, A. V., Sawant, B. M., Parvathy, N. N. Dependence of monolithicity and physical properties of tmos silica aerogels on gel aging and drying conditions. J. Non-Cryst. Solids. 209, (1-2), 40-50 (1997).
    7. Poco, J. F., Coronado, P. R., Pekala, R. W., Hrubesh, L. W. A rapid supercritical extraction process for the production of silica aerogels. Mat. Res. Soc. Symp. 431, 297-302 (1996).
    8. Tewari, P. H., Hunt, A. J., Lofftus, K. Ambient-temperature supercritical drying of transparent silica aerogels. Mater. Lett. 3, (9), 363-367 (1985).
    9. Van Bommel, M. J., de Haan, A. B. Drying of silica aerogel with supercritical carbon dioxide. J. Non-Cryst. Solids. 186, 78-82 (1995).
    10. Pajonk, G. M., Repellin-Lacroix, M., Abouarnadasse, S., Chaouki, J., Klavana, D. From sol-gel to aerogels and cryogels. J. Non Cryst. Solids. 121, 66-67 (1990).
    11. Kalinin, S., Kheifets, L., Mamchik, A., Knot'ko, A., Vertigel, A. Influence of the drying technique on the structure of silica gels. J. Sol-Gel Sci. Technol. 15, (1), 31-35 (1999).
    12. Prakash, S. S., Brinker, C. J., Hurd, A. J. Silica aerogel films at ambient pressure. J. Non-Cryst. Solids. 190, (3), 264-275 (1995).
    13. Prakash, S. S., Brinker, C. J., Hurd, A. J., Rao, S. M. Silica aerogel films prepared at ambient pressure by using surface derivatization to induce reversible drying shrinkage. Nature. 374, (6521), 439-443 (1995).
    14. Haereid, S., Einarsrud, A. Mechanical strengthening of TMOS-based alcogels by aging in silane solutions. J. Sol-Gel Sci. Technol. 3, (3), 199-204 (1994).
    15. Bhagat, S. D., Oh, C. S., Kim, Y. H., Ahn, Y. S., Yeo, J. G. Methyltrimethoxysilane based monolithic silica aerogels via ambient pressure drying. Microporous Mesoporous Mater. 100, (1-3), 350-355 (2007).
    16. Leventis, N., Palczer, A., McCorkle, L., Zhang, G., Sotiriou-Leventis, C. Nanoengineered silica-polymer composite aerogels with no need for supercritical fluid drying. J. Sol-Gel Sci. Technol. 35, (2), 99-105 (2005).
    17. Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. J. Non-Cryst. Solids. 350, 238-243 (2004).
    18. 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).
    19. 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. (2011).
    20. Carroll, M. K., Anderson, A. M. Use of a rapid supercritical extraction method to prepare aerogels from various precursor chemistries. Polymer Preprints. 52, (1), 31-32 (2011).
    21. Pierre, A. C., Rigacci, A. SiO aerogels. Aerogels Handbook. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. Springer. New York, New York, USA. (2011).
    22. Anderson, A. M., Wattley, C. W., Carroll, M. K. Silica aerogels prepared via rapid supercritical extraction: Effect of process variables on aerogel properties. J. Non-Cryst. Solids. 355, (2), 101-108 (2009).
    23. Anderson, A. M., Carroll, M. K., Green, E. C., Melville, J. T., Bono, M. S. Hydrophobic silica aerogels prepared via rapid supercritical extraction. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, (2), 199-207 (2010).
    24. Brown, L. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Fabrication of titania and titania-silica aerogels using rapid supercritical extraction. J. Sol-Gel Sci. Technol. 62, (3), 404-413 (2012).
    25. Bono, M. S., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, (2), 216-226 (2010).
    26. Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Characterization of alumina and nickel-alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction. Polymer Preprints. 52, (1), 250-251 (2011).
    27. Plata, D. L., Briones, Y. J., et al. Aerogel-Platform Optical Sensors for Oxygen Gas. J. Non-Cryst. Solids. 350, 326-335 (2004).
    28. Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. J. Non-Cryst. Solids. 354, (31), 3685-3693 (2008).
    إعداد السيليكا Aerogel كتل عن طريق استخراج الطريقة السريعة فوق الحرجة
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method. J. Vis. Exp. (84), e51421, doi:10.3791/51421 (2014).More

    Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method. J. Vis. Exp. (84), e51421, doi:10.3791/51421 (2014).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter