Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Voorbereiden van Silica Aerogel monolieten via een Rapid superkritische extractie methode

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

Summary

Dit artikel beschrijft een snelle superkritische extractie werkwijze voor het vervaardigen van silica aerogel. Door gebruik een afgesloten matrijs en hydraulische hete pers, monolithische aerogel kan worden in acht uur of minder.

Abstract

Een werkwijze voor de vervaardiging van monolithische silica aerogel acht uur of minder via een snel superkritische extractiewerkwijze beschreven. De procedure vereist 15-20 minuten voorbereidingstijd, waarin een vloeibaar precursor mengsel bereid en gegoten in putjes van een metalen matrijs die is geplaatst tussen de platen van een hydraulische hete pers, gevolgd door enkele uren van verwerking in de hete pers. De voorloper oplossing bestaat uit een 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 -3 molverhouding van tetramethylorthosilicaat (TMOS): methanol: water: ammoniak. In elk putje van de mal, een poreuze silica sol-gel matrix vormen. Wanneer de temperatuur van de matrijs en de inhoud wordt verhoogd, de druk in de matrijs stijgt. Nadat de temperatuur / drukomstandigheden overtreffen het superkritische punt van het oplosmiddel in de poriën van de matrix (in dit geval, een methanol / water-mengsel), wordt de superkritische vloeistof vrijgegeven en monolithische aerogel in de putjes van de matrijs blijft.Met de gietvorm gebruikt in deze procedure zijn cilindrische monolieten van 2,2 cm diameter en 1,9 cm hoogte geproduceerd. Aerogels gevormd door deze snelle methode hebben vergelijkbare eigenschappen (lage bulk en skelet dichtheid, hoge oppervlakte, mesoporeuze morfologie) aan degenen die door andere methoden die hetzij aanvullende reactie stappen of oplosmiddel extracties betrekken (langere processen die meer chemisch afval te genereren). De snelle superkritische extractie werkwijze kan ook worden toegepast op het vervaardigen van aerogels basis van andere precursor recepten.

Introduction

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

Silica aerogel materialen hebben een lage dichtheid, hoog oppervlak en lage thermische en elektrische geleidbaarheid gecombineerd met een nanoporeuze structuur met uitstekende optische eigenschappen. De combinatie van deze eigenschappen in een materiaal met aerogel aantrekkelijk in een groot aantal toepassingen 1. In een recent overzichtsartikel, Gurav et al.. gedetailleerde beschrijving van de huidige en potentiële toepassingen van silica aerogel materialen, zowel in wetenschappelijk onderzoek en in de ontwikkeling van industriële producten 2. Zo zijn silica aerogel gebruikt als absorbentia, zoals sensoren, lage diëlektrische materialen, als opslagmedium voor brandstof en voor een breed scala van thermisch isolerende toepassingen 2.

Aerogels zijn meestal vervaardigd met behulp van een proces in twee stappen. De eerste stap is het mengen van de juiste chemische precursoren, die vervolgens ondergaan condensatie en hydrolyse reacties op een natte gel te vormen. Silica gels te bereiden, dehydrolyse reacties optreden tussen water en een siliciumdioxide bevattende precursor, in casu tetramethylorthosilicaat (TMOS, Si (OCH3) 4), bij aanwezigheid van zure of basische katalysator.
Si (OCH3) 4 + H2O pijl Si (OCH3) 4-n (OH) n + n CH3OH

TMOS is onoplosbaar in water. Om hydrolyse vergemakkelijken, moet een ander oplosmiddel omvatten, in casu methanol (MeOH, CH3 OH), en roer het mengsel of ultrasone trillingen. Base-gekatalyseerde polycondensatiereacties dan optreden tussen de gehydrolyseerde silica species:

R3 SiOH + HOSiR 3 pijl R3 Si-O-SiR3 + H2O

R 3SiOH + CH 3 OSiR3 pijl R3 Si-O-SiR3 + CH3OH

De polycondensatie reacties resulteren in de vorming van een natte gel, bestaande uit een poreuze SiO 2 vaste matrix, waarin de poriën zijn gevuld met het oplosmiddel bijproducten van de reactie, in casu methanol en water. De tweede stap is het drogen van de natte gel om een ​​aerogel vormen: het verwijderen van het oplosmiddel uit de poriën zonder de vaste matrix. Het droogproces is van cruciaal belang voor de vorming van de aerogel. Indien niet correct uitgevoerd de kwetsbare nanostructuur instort en een xerogel wordt gevormd zoals schematisch weergegeven in figuur 1.

Er zijn drie methoden voor het drogen van sol-gel materialen om aerogels produceren: superkritische extractie, vriesdrogen en omgevingsdruk drogen. De superkritische extractie methoden eenvoid die de vloeistof-dampfase lijn zodat oppervlaktespanning effecten veroorzaken geen nanostructuur van de gel te storten. Superkritische extractie werkwijzen kunnen worden uitgevoerd bij hoge temperatuur (250-300 ° C) en druk met een directe extractie van het oplosmiddel alcohol bijproduct van de condensatie en hydrolyse reacties 3-7. Als alternatief kan men een reeks van uitwisselingen te voeren en vervang de alcohol oplosmiddel met vloeibare kooldioxide, die een lage superkritische temperatuur (~ 31 ° C) heeft. De extractie kan dan worden uitgevoerd bij relatief lage temperatuur 8,9, zij het ​​op hoge druk. Vriesdrogen methoden 10,11 eerste de natte gel bij lage temperatuur te bevriezen en vervolgens laat het oplosmiddel direct sublimeren tot een damp vorm, opnieuw het vermijden van het oversteken van de vloeistof-damp fase lijn. De omgevingsdruk methode gebruikt oppervlakteactieve stoffen oppervlaktespanning effecten of polymeren de nanostructuur versterking verminderen, gevolgd door drogen van de natte gel bij omgevingstemperatuur drukniveaure 12-16.

De Union College Rapid superkritische extractie (RSCE) proces is een methode 17-19 een stap (voorloper van aerogel). De werkwijze maakt hoge-temperatuur superkritische extractie, die vervaardiging van monolithische aerogel kan in uren, plaats de dagen tot weken door andere methoden. De methode maakt gebruik van een afgesloten metalen mal en een programmeerbare hydraulische hete pers. Chemische precursoren wordt gemengd en uitgegoten direct in de mal, die is geplaatst tussen de platen van de hydraulische hete pers. De hete pers is geprogrammeerd om te sluiten en toe te passen een straatverbod kracht om de mal af te dichten. De hete pers verwarmt vervolgens de mal tegen een specifiek tarief tot een temperatuur, T hoog, boven de kritische temperatuur van het oplosmiddel (zie figuur 2 voor een perceel van het proces). Tijdens de opwarm-periode de chemicaliën reageren op een gel en de gel versterkt en leeftijden vormen. Aangezien de matrijs wordt verhit de druk stijgt ook uiteindelijk toteen superkritische druk. Bij het ​​bereiken van T hoog, de hete pers woont tegen een vaste toestand terwijl het systeem in evenwicht. Naast de hete pers kracht wordt verminderd en de superkritische vloeistof ontsnapt, met achterlating van een hete aerogel. De pers koelt de mal met inhoud tot kamertemperatuur. Aan het einde van het proces (die 3-8 uur kan duren) de pers geopend en monolithische aerogel is verwijderd uit de vorm.

Dit RSCE methode biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere aerogel fabricagemethoden. Het is snel (<8 uur totaal) en niet erg arbeidsintensief, meestal is er slechts 15-20 minuten voorbereidingstijd gevolgd door 3-8 uur verwerkingstijd. Het maakt niet oplosmiddel uitwisseling nodig, wat betekent dat relatief weinig oplosmiddel afval ontstaat tijdens het proces.

In het gedeelte dat volgt, beschrijven we een protocol voor het bereiden van een reeks cilindrische silica aerogel monolieten via de Unie RSCE methode van een precursor mengsel is samengesteldd van TMOS, methanol en water met waterige ammonia gebruikt als de katalysator voor de hydrolyse en polycondensatie reactie (met TMOS: MeOH: H2O: NH3 molverhouding van 1.0:12:3.6:3.5 x 10 -3). We merken op dat de EU RSCE methode kan worden gebruikt om aerogel van verschillende afmetingen en vormen te bereiden, afhankelijk van de metalen mal en hydraulische hete pers toegepast. Deze RSCE methode wordt ook gebruikt om andere soorten aërogels (titaanoxide, aluminiumoxide, enz.) te bereiden uit verschillende precursor recepten 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

Veiligheidsoverwegingen: Veiligheidsbril moet worden gedragen ten alle tijden tijdens de voorbereidende werkzaamheden met oplossingen en de hydraulische hete pers. Laboratorium handschoenen moeten gedragen worden bij het opstellen van de chemische reagens oplossing en wanneer het gieten van de oplossing in de mal in de hete pers. TMOS, methanol en geconcentreerde ammonia, en oplossingen die deze reagentia, dient binnen een zuurkast worden behandeld. De superkritische extractie proces releases hete methanol, zodat het noodzakelijk is, zowel om te ventileren de hydraulische hete pers, en om ervoor te zorgen dat er geen ontstekingsbronnen in de ontluchtingstraject van de hete pers. Daarnaast adviseren wij de installatie van een veiligheids schild rond de hete pers. Bij een pakking falen, zal het schild bijdragen bevatten resulterende stukken pakking en daardoor iedereen die bij de hete pers te beschermen.

1. Bereid reagentia en andere benodigdheden

  1. Verzamel de reagentia die nodig zijn voor het recept: tetramethylorthosilicate, methanol, gedemineraliseerd water en ammoniak.
  2. Maak 100,0 ml van een 1,5 M ammonia. Om dit te doen, verdunnen 10,1 ml 14,8 M geconcentreerde ammonia om met gedeïoniseerd water tot 100 ml.
  3. Schaf een vierkante roestvrij stalen mal, 12,7 cm x 12,7 cm x 1,9 cm hoog, met 9 ronde putten van 2,2 cm diameter (zie figuur 3). Veeg de vorm met een schone, vochtige doek om elk oppervlak olie of stof te verwijderen. Spray binnenkant van elke ronde goed bij hoge temperatuur insmeren spray om te verlichten in het verwijderen van aerogels uit de mal na verwerking.
  4. Bereid drie sets van de afdichtingen van 1/16 in (1,6 mm) dik grafiet plaat en 0,0005 in (0.012 mm) dik roestvrij staal folie. Knip drie stukken van elk materiaal, voldoende om de mal volledig te bedekken (> 12,7 cm x> 12,7).

2. Bereid Instruments

  1. Programmeer de hete pers afdichting en extractie programma. Eerst een afdichting programma dat gebruik zal wordend onderaan de open matrijs dichten. Zie tabel 1 voor de noodzakelijke programma waarden. Vervolgens stellen de extractie programma met de juiste parameters voor het silica aerogel volgens de hierboven beschreven vorm. Zie Tabel 2 voor deze parameters.
  2. Bereid glaswerk. Om contaminatie te voorkomen, zal vier glazen bekers nodig, een bekerglas van 250 ml met het label 'precursor oplossing,' een bekerglas van 100 ml met het label 'methanol,' een bekerglas 20 ml label 'DI water, en een beker 10 ml gelabeld '1 0,5 M ammoniak . ' Zorg ervoor dat alle bekers schoon en droog zijn.
  3. Bereid pipetten. Digitale pipetten worden gebruikt voor het gemak. Een 10 ml pipet en een digitale 1.000 III pipet gebruikt. Zorg ervoor dat meerdere pipet tips beschikbaar.
  4. Bereid sonicator door toevoeging van water aan de vullijn.

3. Seal Mold Bottom

  1. Plaats schimmel en pakkingmateriaal in hete pers. Ferste centreren een grafiet blad op de onderste plaat, voeg een roestvrijstalen plaat folie en leg de mal op de top van de roestvrijstalen folie. Voeg andere set pakking materiaal (roestvrij staal dan grafiet) op de top van de mal. (Opmerking: gebruikt pakkingmateriaal kan worden gebruikt op de bovenkant in deze stap, maar nieuwe pakking materiaal moet worden gebruikt op de bodem.)
  2. Start de hete pers afdichting programma, met de in tabel 1 parameters. Dit programma sluit de bodem van de vorm te voorkomen dat de vloeibare precursoren lekt wanneer de mal wordt gevuld met precursor oplossing.

4. Maak precursoroplossing

Het recept voor TMOS-gebaseerde silica aerogel is weergegeven in Tabel 3. Alle oplossing voorbereidend werk wordt uitgevoerd in een zuurkast.

  1. Eerste pipet monsters van TMOS totaal 17,0 ml van het reagens fles in de 250 ml bekerglas met het label 'precursor oplossing'.
  2. Gietensommige methanol in 100 ml bekerglas en pipetteer porties methanol totaal 55,0 ml in 250 ml bekerglas als 'precursor oplossing.'
  3. Giet wat gedemineraliseerd water in het bekerglas 20 ml label 'DI-water' en vanaf die beker pipet 7,2 ml water in het bekerglas van 250 ml.
  4. Tenslotte giet wat 1,5 M NH3 in het bekerglas 10 ml en van die beker pipet 270 ul van de oplossing in het bekerglas van 250 ml.
  5. Dicht de beker met plastic folie paraffine.
  6. Meng reagentia zodat hydrolyse plaatsvindt door sonicatie de precursor oplossing ten minste 5 minuten. Voorafgaand aan sonicatie, twee vloeibare lagen soms zichtbaar in het precursor mengsel. Na 5 min. sonicatie, moet de oplossing monofasische blijken te zijn. Als dit niet gebeurt, ultrasone trillingen het mengsel nog 5 minuten.

5. Giet Precursor Oplossing in de mal in de Hot Press

Aan het einde van de matrijs afdichting programma de hete persplaten openen. Verwijder de bovenzijde pakkingmateriaal en zet apart. Laat de vorm zoals in de hete pers, zodat de onderzijde van de mal gesloten blijft.
  • Vul elk putje van de matrijs volledig met de precursor oplossing. (Let op: er zullen ongeveer 10 ml van aerogel precursor oplossing overblijft na het vullen van de matrijs Dit kan worden weggegooid of onder omgevingsomstandigheden te xerogels maken verwerkt..)
  • Zet verse pakkingsmateriaal bovenop de mal: roestvrij staal folie en daarna de grafiet bovenaan.
  • Voer de hete pers extractieprogramma (Tabel 2). Dit programma sluit de mal, verwarmt de inhoud naar een superkritische toestand, voert de superkritische extractie en dan koelt de mal.
  • 6. Verwijder de Aerogels uit de Mold

    1. Wanneer het extractieproces is voltooid, verwijdert de schimmel en pakking materiaal van de hete pers. Verwijder de bovenste pakkingmateriaal uit de mal. Stel deze opzij.
    2. Draai voorzichtig de mal van de onderkant pakkingmateriaal.
    3. Verwijder voorzichtig elke aerogel uit de mal, een voor een, door stevig te drukken ze door van de ene kant met een gehandschoende vinger.
    4. Wanneer de aerogel is verwijderd uit de matrijs, het proces is voltooid.

    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

    Volgens de hier beschreven resulteert in consistente partijen monolithische aërogels procedure. Figuur 4 toont beelden van typische silica aerogel via dit proces. Elke aerogel neemt de vorm en grootte van de put in de verwerkingsmatrijs zonder krimp. De beelden tonen dat het silica aerogel is doorschijnend.

    De fysische eigenschappen van deze aërogels zijn samengevat in Tabel 4. Zij zijn vergelijkbaar met die van silica aerogel geproduceerd soortgelijke precursor recepten met lage temperatuur superkritische extractie 21. Figuur 5 toont een typische porieverdeling verworven BJH-analyse van de desorptie isotherm verkregen met een Micromeritics ASAP 2010 kunnen aerogel is mesoporeus met een piek in poriëngrootte nabij 20 nm.

    Stap # Temp Temp Rate Kracht Force Rate Dwell tijd (min) Stap Duur (min)
    1 af - £ 20.000
    (89 kN)
    600 k lb / min *
    (2669 N / min)
    10 10
    2 End Step

    Tabel 1. Hot Press Mold Sealing programma-instellingen.
    * Dit percentage is de maximale druk op koers

    Stap # Temperatuur Temp Rate Druk Force Force Rate Dwell tijd (min) Stap Duur (min)
    1 - Seal Mold 90 ° F
    (32 ° C)
    200 ° F / min
    (111 ° C / min) *
    £ 40.000
    (178 kN)
    600.000 £ / min
    (2,669 kN / min) *
    2 2
    2 - Warmte en evenwicht komen 550 ° F
    (288 ° C)
    2 ° C / min
    (1.1 ° C / min)
    £ 40.000
    (178 kN)
    - 30 260
    3 - Extract gebracht en evenwicht 550 ° F
    (288 ° C)
    - £ 1000
    (4.4 kN)
    1000 £ / min
    (4.4 kN / min)
    30 69
    4 - Cool Down 100 ° F
    (38 ° C)
    3 ° C / min
    (1.7 ° C / min)
    £ 1000
    (4.4 kN)
    - 1 151
    5 - Finish End Step Totale tijd: 482 min
    (8 uur)

    Tabel 2. Hot Press Extraction programma-instellingen.
    * Deze tarieven zijn maximaal perstarieven

    Chemisch Hoeveelheid (ml)
    TMOS 17
    MeOH 55
    H2O 7.2
    1,5 M NH3 0,27

    Tabel 3. Recept voor 80 ml ​​silicavoorloper Solution.

    P roperty Typische waarde
    Bulk Density 0,1 g / cm 3
    Skeletal Dichtheid 1,9 g / cm 3
    BET-oppervlak 560 m 2 / g
    Cumulatieve Poriënvolume 3.9 cm 3 / g
    Gemiddelde BJH Desorption Pore Diameter 21 nm
    Gemiddelde BJH Adsorptie Pore Diameter 27 nm

    Tabel 4. Eigenschappen van Silica Aerogels bereid via RSCE Process.

    Figuur 1
    Figuur 1. Schematische van sol-gel droogproces.

    inhoud "fo: keep-together.within-page =" altijd "> Figuur 2
    . Figuur 2 Hot press parameters gebruikt tijdens RSCE proces. (Opmerking: Engels eenheden werkzaam zijn in deze figuur, omdat de hete pers is geprogrammeerd in deze eenheden.)

    Figuur 3
    Figuur 3. Schematische schimmel in RSCE werkwijze. Aerogel is gevormd in elk van de negen putjes, die over het gehele matrijs hoogte (alle afmetingen in cm).

    oad/51421/51421fig4.jpg "/>
    Figuur 4. Afbeeldingen van silica aerogel bereid via deze RSCE proces.

    Figuur 5
    Figuur 5. Typische BJH porieverdeling (desorptie) resulteert voor silica aerogel bereid via 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

    De RSCE methode levert consistente batches van monolithische silica aerogel met behulp van een geautomatiseerd en eenvoudig proces. De methode hier gepresenteerde vereist een achturige processtap. Het is mogelijk om snellere verwarming en koeling stappen monolithische aerogel maken in slechts 3 uur 22, maar wanneer een 8 hr procedure wordt gevolgd, meer consistente batches aerogel monolieten leiden. Kleine variaties in de procesparameters beïnvloeden de fysische eigenschappen van de verkregen aerogels, wat aangeeft dat de werkwijze robuust 22.

    De precursor recept hier toegepast resulteert in monolithische silica aerogel, maar kan de snelle superkritische extractiewerkwijze worden toegepast om een verscheidenheid van andere soorten aërogels 20 voor een breed scala van mogelijke toepassingen waaronder hydrofoob silica aerogel 23 (voor toepassingen maken van chemische lekkage opruimen tot een betere daglichttoetreding), Titania en titania-siLica Aerogels 24 (voor fotokatalyse) en alumina en alumina gebaseerde aerogel 25,26 (voor katalysetoepassingen). Het is mogelijk om een vloeibare precursor-mengsel, zoals in dit werk, of een eerder bereide natte gel 26 plaatsen in de putjes van de mal voor verwerking. De voornaamste beperking is dat de bij de vorming van de sol-gel matrix chemicaliën reageren met ofwel de metalen matrijs of pakkingmateriaal bij de temperaturen gebruikt in het extractieproces. Bovendien is het noodzakelijk dat het superkritische punt van het oplosmiddel of oplosmiddelmengsel in de poriën van de aerogel tijdens de hete pers proces worden overschreden.

    De aerogels kunnen worden gedoteerd met andere chemicaliën (bijvoorbeeld sensoren maken in Plata et al. 27.) Met een oplossing van het doteringsmiddel molecuul in methanol of water in plaats van zuivere oplosmiddel in het precursor mengsel, maar moet de toegevoegde chemicaliën thermisch stabiel tot het maximummale temperatuur die in de hete pers programma om RSCE verwerking overleven.

    Wanneer de Unie RSCE proces is het belangrijk om de juiste hoeveelheid remmende werking leveren. Verschillende grootte en vorm mallen kunnen worden gebruikt, maar de hete pers remmende kracht moet dus 28 worden aangepast. Als de kracht te laag is, dan is het oplosmiddel sub-kritisch leeglopen en de natte gel krimpt in de mal. Als de kracht te hoog is, dan overmatige druk zal opbouwen in de matrijs en de aerogel wordt vernietigd na extractie. De maximale aerogel is beperkt door de maximale remmende kracht van de hete pers. Met een 24 ton hete pers, hebben we bereid monolieten zo groot als 7,6 cm x 7,6 cm x 1,3 cm. Roth et al.. 28 geven meer informatie over de juiste verwerking voorwaarden.

    De maximale gebruikt in dit protocol temperatuur is 288 ° C, dat is ruim boven de kritische tempdoor temperatuurschommelingen methanol (240 ° C) maar onder de superkritische temperatuur van water (374 ° C). De natte gel bevat waarschijnlijk wat water dus de maximale temperatuur om het superkritische punt van het oplosmiddelmengsel overschrijden toegenomen. Het is mogelijk om te verwarmen tot een lagere maximale temperatuur (~ 250 ° C), indien nodig, maar als dit gebeurt een langere verblijftijd (~ 60 min) in Protocol nr. 2 van de hete pers extractie programma (zie tabel 2) wordt aanbevolen zodat schimmel en natte gel bereikt een voldoende hoge temperatuur.

    Indien de verwerkingsstappen niet consequent produceren doorzichtig monolieten, vervolgens van een geïnstrumenteerde mal, uitgerust met druk-en temperatuursensoren (zo in Anderson et al.. 22 of Roth et al.. 28) wordt aanbevolen om in de matrijs omstandigheden bevestigen. Als aerogel monolieten worden waargenomen troebeler dan normaal, overweeg dan het opstellen van een verse partij van katalysator oplossing. Na verloop van tijd, de 1.5 M ammoniakoplossing kan minder geconcentreerd worden door reactie van ammoniak met CO2 atmosfeer. De lagere concentratie oplossing van ammoniak katalysator resulteert in langere geleringstijden, maar dit is niet duidelijk zichtbaar wanneer gelering plaatsvindt binnen de schimmel in de warme pers.

    We maken gebruik van een mal met putten die volledig gaan door het blok metaal. Zo'n mal zorgt voor het eenvoudig verwijderen van intacte monolithische aerogels na verwerking, het is ook makkelijker te bewerken dan een mal waarin ieder heeft wel een stevige, vlakke bodem. Een nadeel van deze schimmel ontwerp is dat als de mal is niet goed afgesloten in Protocol nr. 3 van de procedure zal de vloeistof voorlopers lekken uit de bodem van de vorm op de onderste hete pers glasplaat. Wanneer het niet belangrijk in de gewenste toepassing intact monolithische aerogel te verkrijgen, kan een vorm met gesloten bodem wells worden gebruikt. In dit geval zal monolieten nog vormen in de matrijs, maar vanwege het ontbreken van krimpde matrix, zal men de aerogel breken om ze uit de matrijs verwijderd.

    Kortom, de Union College snelle superkritische extractie methode voor aerogel fabricage heeft verschillende voordelen. Het is snel: de hier beschreven protocol resulteert in een hoge-kwaliteit silica aerogel monolieten in acht uur. Het is milieuvriendelijker en mogelijk meer kosten-effectiever dan andere aerogel fabricagemethoden die oplosmiddel uitwisselingen moeten worden: de RSCE methode is niet arbeidsintensief, waardoor deze minder dan 20 minuten voorbereidingstijd per batch van aerogels, en genereert weinig oplosmiddel afval. Tot slot is deze RSCE methode heeft belofte voor automatisering en opschaling: hydraulische warm persen zijn er in vele maten, van bench-top modellen om productielijn apparatuur.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.

    Acknowledgments

    De auteurs danken studenten Lutao Xie, voor fysische karakterisering van de aerogel materialen, en Aude Bechu, voor het testen van het ontwerp-procedure. Wij zijn dankbaar voor de Union College Engineering Laboratory voor de bewerking van de roestvrij stalen mal. De Union College Aerogel Laboratorium is door subsidies van de National Science Foundation (NSF MRI CTS-0216153, NSF RUI CHE-0514527, NSF MRI CMMI-0722842, NSF RUI CHE-0847901, NSF RUI DMR-1206631, en NSF MRI CBET gefinancierd -1228851). Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door de NSF onder Grant No 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).
    Voorbereiden van Silica Aerogel monolieten via een Rapid superkritische extractie methode
    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