Waiting
Login processing...

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

Chemistry

הכנת מונוליתים Aerogel סיליקה באמצעות ראפיד סופר קריטי חילוץ שיטה

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

Summary

מאמר זה מתאר שיטת חילוץ סופר קריטית מהירה לבודת aerogels סיליקה. על ידי ניצול עובש מוגבל ועיתונות חמה הידראולית, יכול להתבצע aerogels מונוליטי בשמונה שעות או פחות.

Abstract

הליך עבור הייצור של aerogels סיליקה מונוליטי בשמונה שעות או פחות באמצעות תהליך חילוץ סופר קריטי מהיר מתואר. ההליך דורש 15-20 דקות של זמן הכנה, שבמהלכו תערובת מבשר נוזלית מוכנה ושפכו לתוך בארות של תבנית מתכת שממוקם בין הגלילים של עיתונות חמה הידראולית, ואחרי כמה שעות של עיבוד בעיתונות החמה. מבשר הפתרון מורכב מיחס 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 -3 טוחנת של tetramethylorthosilicate (TMOS): מתנול: מים: אמוניה. בכל טוב של העובש, צורות מטריצה ​​נקבוביות סיליקה סול. ככל שהטמפרטורה של העובש והתוכן שלה היא גדלה, הלחץ בתוך התבנית עולה. לאחר תנאי טמפרטורה / לחץ לעלות את הנקודה קריטית עבור הממס בתוך הנקבוביות של המטריצה ​​(במקרה זה, מתנול / תערובת מים), נוזל הסופר קריטי הוא שוחרר, וairgel מונוליטי נשאר בתוך הבארות של העובש.עם העובש בשימוש בהליך זה, פסלים גליליים של 2.2 קוטר סנטימטר ו1.9 גובה סנטימטר מיוצרים. יש לי aerogels שהוקם על ידי שיטה מהירה זו מאפיינים דומים (בתפזורת נמוכה וצפיפות שלד, שטח פנים גבוהים, מורפולוגיה mesoporous) לאלה שהוכנו על ידי שיטות אחרות שכרוכות גם בצעדי תגובה נוספים או עקירות ממס (תהליכים ארוכות יותר שיוצרים פסולת כימית יותר). המהיר שיטת חילוץ סופר קריטית יכולה להיות מיושמת גם לייצור של aerogels המבוסס על מתכונים מבשר אחרים.

Introduction

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

יש חומרי airgel סיליקה בצפיפות נמוכה, שטח פנים גבוהים, וחשמל מוליכות תרמית נמוכה בשילוב עם מבנה nanoporous עם תכונות אופטיות מעולים. השילוב של תכונות אלה בחומר אחד גורם aerogels אטרקטיבי במספר גדול של יישומי 1. במאמר סקירה האחרון, Gurav et al. לתאר בפירוט את היישומים הנוכחיים ופוטנציאליים של חומרי airgel סיליקה, הן במחקר מדעי ובפיתוח של מוצרים תעשייתיים 2. לדוגמא, aerogels סיליקה היה בשימוש כחומרים סופגים, כמו חיישנים, בחומרים נמוכים דיאלקטרי, כאמצעי אחסון לדלקים, ועבור מגוון רחב של יישומי בידוד תרמיים 2.

Aerogels בדרך כלל מיוצרים באמצעות תהליך בן שני שלבים. הצעד הראשון כרוך בערבוב מבשרים כימיים מתאימים, אשר לאחר מכן לעבור תגובות עיבוי והידרוליזה כדי ליצור ג'ל רטוב. להכין ג'לי סיליקה,תגובות הידרוליזה מתרחשות בין מים ומבשר המכיל סיליקה, במקרה tetramethylorthosilicate זה (TMOS, סי (Och 3) 4), בנוכחות חומצה או זרז בסיס.
סי (Och 3) 4 + H 2 O חץ סי (Och 3) 4-n (OH) n + n CH 3 OH

TMOS הוא מסיס במים. על מנת להקל על הידרוליזה, יש צורך לכלול ממס אחר, במקרה זה מתנול (MeOH, CH 3 OH), ולעורר או sonicate את התערובת. תגובות polycondensation זרז בסיס אז להתרחש בין מיני סיליקה שעברו הידרוליזה:

R 3 SiOH + HOSiR 3 חץ R 3 Si-O-SIR 3 + H 2 O

R 3 SiOH + CH 3 3 חץ R 3 Si-O-SIR 3 + CH 3 OH

תגובות polycondensation לגרום להיווצרות של ג'ל רטוב, מורכב ממטריצה ​​מוצקה נקבובית SiO 2, שבו הנקבוביות מתמלאים בתוצרי לוואי הממס של התגובה, במקרה מתנול ומים זה. הצעד השני כרוך בייבוש ג'ל הרטוב כדי ליצור airgel: הסרת הממס מהנקבוביות מבלי לשנות את המטריצה ​​מוצקה. תהליך הייבוש הוא קריטי חשוב להיווצרות של airgel. אם לא בוצע בצורה נכונה מתמוטטת nanostructure השביר וxerogel נוצר כפי שמודגם באופן סכמטי באיור 1.

ישנן שלוש שיטות בסיסיות לייבוש חומרי סול לייצר aerogels: חילוץ סופר קריטי, להקפיא ייבוש וייבוש לחץ הסביבה. שיטות חילוץ הסופר קריטיחלל שחצה את קו שלב אדי נוזל כך שתופעות מתח פנים אינן גורם nanostructure של ג'ל לקרוס. ניתן לבצע שיטות חילוץ סופר קריטיים בטמפרטורה גבוהה (250-300 ° C) ולחץ עם חילוץ ישיר של תוצר לוואי ממס האלכוהול של תגובות העיבוי והידרוליזה 3-7. לחלופין, ניתן לבצע סדרה של חילופי דברים ולהחליף את ממס האלכוהול בנוזל פחמן דו חמצני, שיש לו טמפרטורה נמוכה סופר קריטית (~ 31 במעלות צלזיוס). החילוץ ואז יכול להתבצע בטמפרטורה נמוכה יחסית 8,9, אם כי בלחץ גבוה. להקפיא את שיטות ייבוש 10,11 להקפיא ראשון ג'ל הרטוב בטמפרטורה נמוכה ולאחר מכן לאפשר הממס לעדן ישירות לצורת אדים, שוב הימנעות חציית קו שלב אדי הנוזל. שיטת לחץ הסביבה משתמשת בחומרים פעילי שטח כדי להפחית את השפעות פני השטח מתח או פולימרים לחיזוק nanostructure, ואחרי ייבוש של הג'ל הרטוב בpressu הסביבהמחדש 12-16.

תהליך יוניון קולג' ראפיד סופר קריטי חילוץ (RSCE) הוא שיטת צעד אחד (מבשר airgel) 17-19. השיטה מעסיקה חילוץ בטמפרטורה גבוהה סופר קריטי, המאפשר ייצור של aerogels מונוליטי בשעות, ולא את הימים עד שבועות הנדרשים על ידי שיטות אחרות. השיטה מנצלת תבנית מתכת מרותקת ועיתונות חמה הידראולית הניתנת לתכנות. מבשרים כימיים הם מעורבים ושפכו ישירות לתוך התבנית, אשר ממוקמת בין הגלילים של העיתונות החמה ההידראולית. העיתונות החמה מתוכנת כדי לסגור ולהחיל כוח מרסן כדי לאטום את העובש. העיתונות החמה אז מחממת את העובש בשיעור שנקבע לטמפרטורה, T גבוה, מעל הטמפרטורה הקריטית של הממס (ראה איור 2 לעלילה של התהליך). במהלך תקופת heatup הכימיקלים להגיב בצורת ג'ל ומחזק ג'ל וגילים. כעובש מחומם הלחץ גם עולה, סופו של דבר להגיעלחץ סופר קריטי. בהגיעם T הגבוה, העיתונות החמה שוכנת במצב קבוע ואילו מערכת equilibrates. הבא כוח העיתונות החם הוא ירד ובריחות נוזל הסופר קריטי, והותירה אחרי airgel חם. העיתונות לאחר מכן מקררת את העובש ואת התוכן שלה לטמפרטורת חדר. בסופו של התהליך (שיכול לקחת 3-8 hr) העיתונות פותחת וaerogels מונוליטי יוסרו מן התבנית.

שיטת RSCE זה מציעה יתרונות משמעותיים על פני שיטות ייצור airgel אחרות. הוא מהיר (<סך שעות 8) ולא מאוד עבודה אינטנסיבית, בדרך כלל דורש רק 15-20 זמן הכנה דקות אחרי 3-8 זמן עיבוד משאבי אנוש. היא אינה דורשת חילופי ממס, מה שאומר שפסולת ממס קטנה יחסית שנוצר בתהליך.

בקטע הבא, אנו מתארים פרוטוקול להכנת קבוצה של פסלי airgel סיליקה גליליים באמצעות שיטת האיחוד RSCE מתערובת מבשר מהווהד של TMOS, מתנול, ומים עם אמוניה מימית מועסק כזרז לתגובות הידרוליזה וpolycondensation (עם TMOS: MeOH: H 2 O: NH 3 יחס טוחנת של 1.0:12:3.6:3.5 x 10 -3). נציין כי שיטת האיחוד RSCE ניתן להשתמש כדי להכין aerogels בגדלים שונים ובצורות שונות, בהתאם לתבנית המתכת והעיתונות חמה הידראולית המועסקות. שיטת RSCE זה שימשה גם להכנת סוגים אחרים של aerogels (טיטניה, אלומינה, וכו ') ממתכונים מבשר שונים 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

שיקולי בטיחות: משקפיים בטיחות או משקפי צריכים להיות משוחק בכל העת במהלך עבודת ההכנה של פתרונות והעיתונות החמה ההידראולית. כפפות מעבדה צריכה להיות משוחק בעת הכנת תמיסת המגיב הכימי וכאשר שופך את הפתרון לעובש בעיתונות החמה. TMOS, מתנול ואמוניה מרוכזת, ופתרונות המכילים חומרים כימיים הללו, חייבים להיות מטופלים בתוך מנדף. מתנול החם משחרר תהליך חילוץ הסופר קריטי, ולכן יש צורך גם לפרוק העיתונות החמה ההידראולית, וכדי להבטיח שאין מקורות הצתה בתוך נתיב פורקן של העיתונות החמה. בנוסף, אנו ממליצים על התקנה של מגן בטיחות מסביב לעיתונות החמה. במקרה של כשל אטם, מגן יעזור להכיל את חתיכות אטם וכתוצאה מכך ובכך להגן על כל מי שעובד בסמוך לעיתונות החמה.

1. הכן ריאגנטים וציוד אחר

  1. אסוף את חומרים כימיים הנחוצים למתכון: tetramethylorthosilicate, מתנול, מים deionized, ואמוניה.
  2. הפוך 100.0 מיליליטר של תמיסת אמוניה 1.5 M. כדי לעשות זאת, לדלל 10.1 מיליליטר של 14.8 M אמוניה מרוכזת לעם מים deionized 100 מיליליטר.
  3. לרכוש עובש מרובע נירוסטה, 12.7 סנטימטר x 12.7 סנטימטר x 1.9 סנטימטר גבוה, עם 9 בארות מעגליות של 2.2 קוטר סנטימטר (ראה איור 3). נגב את העובש עם סמרטוט לח ונקי כדי להסיר כל שמן משטח או אבק. ספריי בתוך כל הטוב עגול עם תרסיס שחרור עובש בטמפרטורה גבוהה כדי להקל בהסרת aerogels מהתבנית לאחר עיבוד.
  4. הכן שלושה סטים של אטמי איטום מ1/16 ב( 1.6 מ"מ) גיליון גרפיט עבה ו0.0005 ב( 0.012 מ"מ) רדיד נירוסטה עבה. חותכים שלוש חתיכות של כל חומר מספיק כדי לכסות את התבנית לחלוטין (> 12.7 סנטימטר x> 12.7cm).

2. הכן את מכשירים

  1. לתכנת את העיתונות החמה איטום ותוכניות חילוץ. להגדיר ראשית תכנית איטום שיהיה שימושד לאטום את תחתית התבנית הפתוחה. ראה לוח 1 לערכי תכנית ההכרחיים. הבא להגדיר את תכנית החילוץ עם הפרמטרים הנכונים לaerogels סיליקה באמצעות העובש שתואר לעיל. ראה טבלה 2 לפרמטרים אלה.
  2. הכן את כלי זכוכית. כדי למנוע זיהום, תהיה צורך ארבע כוסות זכוכית, כוס 250 מיליליטר אחד שכותרתו 'פתרון מבשר', שכותרתו כוס 100 מיליליטר אחד 'מתנול,' שכותרתו כוס 20 מיליליטר אחד 'מים די', וכוס 10 מיליליטר אחד שכותרת '1 .5 M אמוניה '. ודא שכל כוסות נקיות ויבשות.
  3. הכן טפטפות. יש להשתמש בטפטפות דיגיטלית על מנת להקל. פיפטה דיגיטלית 10 מ"ל וטפטפו 1,000 μl תהיה בשימוש. ודא טיפים פיפטה מרובים זמינים.
  4. הכן sonicator על ידי הוספת מים עד קו המילוי.

3. חותם תחתון עובש

  1. הנח עובש וחומר אטם חם עיתונות. First מרכז גיליון גרפיט על platen נמוך יותר, להוסיף יריעת פלדה אל חלד ומניח את התבנית על גבי נייר כסף הנירוסטה. הוספת קבוצה נוספת של חומר אטם (נירוסטה אז גרפיט) ​​על גבי התבנית. (שים לב: חומר אטם משמש ניתן להשתמש בחלק העליון בשלב זה, אך יש להשתמש בחומרי אטם חדשים בתחתית.)
  2. הפעל את תכנית איטום העיתונות החמה, תוך שימוש בפרמטרים שמוצגים בטבלה 1. תכנית זו חותמת את תחתית התבנית כדי למנוע כימיקלים מבשר נוזל דולף כאשר העובש מלא בפתרון מבשר.

4. הפוך מבשר פתרון

המתכון לaerogels סיליקה מבוסס TMOS מוצג בטבלה 3. כל עבודת הכנת הפתרון מתבצעת במנדף.

  1. aliquots פיפטה הראשונים של TMOS בהיקף של 17.0 מיליליטר מהבקבוק מגיב לכוס זכוכית מיליליטר 250 שכותרתו 'פתרון מבשר'.
  2. לשפוךכמה מתנול לתוך כוס זכוכית 100 מיליליטר ולאחר מכן aliquots פיפטה של ​​מתנול בהיקף של 55.0 מיליליטר לתוך כוס זכוכית מיליליטר 250 שכותרתו 'פתרון מבשר'.
  3. יוצקים מעט מים deionized לתוך כוס 20 מיליליטר שכותרתו 'מים די' ומאותו פיפטה כוס 7.2 מיליליטר של מים לתוך כוס 250 מיליליטר.
  4. , לבסוף לשפוך קצת 1.5 M NH 3 לתוך כוס 10 מיליליטר ומאותו פיפטה כוס 270 μl של הפתרון לתוך כוס מיליליטר 250.
  5. לאטום את הכוס עם סרט פרפין פלסטיק.
  6. מערבבים את חומרים כימיים כדי להבטיח הידרוליזה שמתרחשת על ידי sonicating הפתרון מבשר על לפחות 5 דקות. לפני sonication, שתי שכבות נוזל הן לפעמים גלויות בתערובת המבשר. בעקבות 5 דקות של sonication, הפתרון צריך להיראות monophasic. אם לא, sonicate את התערובת במשך 5 דקות נוספות.

5. יוצקים מבשר פתרון לעובש בעיתונות חמה

בסוף תכנית איטום עובש גלילי העיתונות החמים ייפתחו. הסר את חומר האטם העליון בצד ומניח בצד. השאר את העובש כהוא בעיתונות החמה, כך שהצד התחתון של העובש נשאר אטום.
  • מלא כל טוב של העובש לחלוטין עם הפתרון המבשר. (שים לב: לא יהיה על 10 מיליליטר של airgel מבשר פתרון שנשאר לאחר מילוי העובש זה יכול להיות מושלך או מעובד בתנאי סביבה כדי להפוך xerogels..)
  • שים את חומר אטם טרי בחלק העליון של העובש: רדיד הנירוסטה הראשון ולאחר מכן גרפיט על גבי.
  • הפעל את התכנית החמה עיתונות חילוץ (שמוצגת בטבלה 2). תכנית זו אוטמת את התבנית, מחממת את התוכן למצב סופר קריטי, מבצעת חילוץ הסופר קריטי ולאחר מכן מקררת את העובש.
  • 6. הסר את Aerogels מהעובש

    1. כאשר תהליך החילוץ הושלם, להסיר את התבנית וחומר אטם מהעיתונות החמה. הסר את חומר האטם העליון מהעובש. מניח בצד זה.
    2. בעדינות לשחרר את התבנית מחומר האטם התחתון.
    3. מוציא בזהירות את כל airgel מהעובש, אחד בכל פעם, על ידי לחיצה בתקיפותם דרך מצד אחד עם אצבע עטויה בכפפה.
    4. כאשר aerogels יוסרו מן העובש, להשלמת התהליך.

    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

    בעקבות ההליך שתואר כאן גורם לקבוצות של aerogels סיליקה מונוליטי עקביים. איור 4 מראה תמונות של aerogels סיליקה הטיפוסי שנעשה באמצעות תהליך זה. כל airgel לוקח על עצם את הצורה ואת הגודל של הבאר בעובש העיבוד עם הצטמקות לא. התמונות מראות כי aerogels סיליקה הם שקופים.

    התכונות הפיסיקליות של aerogels אלה מסוכמות בטבלה 4. הם דומים לאלה של aerogels סיליקה המופקים ממתכונים מבשר דומים באמצעות מיצוי סופר קריטי טמפרטורה נמוכה 21. איור 5 מראה הפצה נקבובית אופיינית נרכשה על ידי ניתוח BJH של האיזותרמה desorption רכשה עם Micromeritics ASAP 2010.The aerogels הוא mesoporous עם שיא ב נקבובית בקוטר קרוב 20 ננומטר.

    שלב # Temp דרג טמפ חיל חיל דרג להתעכב זמן (דקות) צעד משך (דקות)
    1 את - 20,000 £
    (89 kN)
    600 k ליברות / דקות *
    (2,669 N / min)
    10 10
    2 שלב הסוף

    טבלת 1. הגדרות תכנית האיטום חמות עובש העיתונות.
    * שיעור זה מייצג את השיעור המרבי העיתונות

    שלב # טמפרטורה דרג טמפ חיל עיתונות חיל דרג להתעכב זמן (דקות) צעד משך (דקות)
    1 - עובש חותם 90 ° F
    (32 מעלות צלזיוס)
    200 ° F / דקה
    (111 ° C / min) *
    40,000 £
    (178 kN)
    600,000 £ / דקה
    (2,669 kN / min) *
    2 2
    2 - חום ולאזן 550 ° F
    (288 מעלות צלזיוס)
    2 ° F / דקה
    (1.1 ° C / min)
    40,000 £
    (178 kN)
    - 30 260
    3 - חלץ ולאזן 550 ° F
    (288 מעלות צלזיוס)
    - £ 1000
    (4.4 kN)
    £ 1000 / דקה
    (4.4 kN / min)
    30 69
    4 - להתקרר 100 ° F
    (38 מעלות צלזיוס)
    3 ° F / דקה
    (1.7 ° C / min)
    £ 1000
    (4.4 kN)
    - 1 151
    5 - סיום שלב הסוף סה"כ זמן: 482 דקות
    (8 שעות)

    טבלה 2. חם עיתונות הגדרות תכנית חילוץ.
    * שיעורים אלה מייצגים שיעורי עיתונות מרביים

    כימי כמות (מיליליטר)
    TMOS 17
    MeOH 55
    H 2 O 7.2
    1.5 M NH 3 0.27

    לוח 3. מתכון ל80 מיליליטר סיליקה מבשר פתרון.

    P roperty ערך טיפוסי
    צפיפות בצובר 0.1 גר '/ סנטימטר 3
    צפיפות שלד 1.9 גר '/ סנטימטר 3
    שטח הפנים BET 560 מ 2 / g
    נפח נקבובית מצטבר 3.9 סנטימטר 3 / g
    קוטר BJH Desorption הנקבובית ממוצע 21 ננומטר
    קוטר BJH ספיחה נקבובית ממוצע 27 ננומטר

    לוח 4. מאפיינים של Aerogels סיליקה הוכן באמצעות תהליך RSCE.

    איור 1
    איור 1. סכמטי של תהליך ייבוש סול.

    תוכן "עבור: לשמור-together.within-page =" תמיד "> איור 2
    פרמטרים איור 2 חמים עיתונות עיבוד המשמשים במהלך תהליך RSCE.. (הערה: יחידות אנגלית מועסקות בנתון זה, כי העיתונות החמה מתוכנת ביחידות אלה.)

    איור 3
    איור 3. סכמטי של עובש המשמש בתהליך RSCE. Aerogels נוצרים בכל אחת מהבארות תשע, שעוברים בכל גובה התבנית (כל המידות הן בסנטימטרים).

    oad/51421/51421fig4.jpg "/>
    איור 4. תמונות של aerogels סיליקה שהוכנו באמצעות תהליך RSCE זה.

    איור 5
    איור 5. הפצה אופיינית BJH הנקבובית (desorption) תוצאות לairgel סיליקה שהוכן באמצעות 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

    שיטת RSCE מייצרת קבוצות עקביות של aerogels סיליקה מונוליטי באמצעות תהליך אוטומטי ופשוט. השיטה כפי שהוצג כאן מחייבת צעד עיבוד של שמונה שעות. אפשר לזרז את צעדי חימום וקירור לעשות aerogels מונוליטי קטן כמו 3 שעות 22, אולם כאשר הליך 8 שעות הוא מועסק, קבוצות של פסלי airgel עקביים יותר לגרום. שינויים קטנים בפרמטרי התהליך אינו משפיעים על התכונות הפיסיקליות של aerogels וכתוצאה מכך, מצביעים על כך שהתהליך הוא איתן 22.

    מתכון המבשר מועסק כאן התוצאה aerogels סיליקה מונוליטי, עם זאת, יכול להיות מועסק תהליך חילוץ הסופר קריטי המהיר כדי ליצור מגוון של סוגים אחרים של aerogels 20 למגוון רחב של שימושים פוטנציאליים כוללים aerogels הידרופובי סיליקה 23 (עבור יישומים החל לשפוך כימי ניקוי לתאורת יום משופר), טיטניה וטיטניה-siLica aerogels 24 (לphotocatalysis), ואלומינה וaerogels מבוסס אלומינה 25,26 (עבור יישומי קטליזה). אפשר למקם את תערובת נוזלית מבשר, כמו בעבודה זו, או ג'ל הרטוב שהוכן קודם לכן 26 בבארות של העובש לעיבוד. המגבלה העיקרית היא שהחומרים הכימיים המעורבים ביצירה של מטריצת סול לא מגיבים גם עם תבנית המתכת או חומר אטם בטמפרטורות מועסקות בתהליך החילוץ. בנוסף, יש צורך להבטיח כי הנקודה של התערובת הממס או ממס בתוך הנקבוביות של airgel הסופר קריטי יכולה להיות חריגה במהלך תהליך העיתונות החם.

    יכול להיות מסומם aerogels עם כימיקלים אחרים (לדוגמא ליצירת חיישנים כמו בפלטה ואח' 27.) על ידי שימוש בפתרון של מולקולת dopant במתנול או מים במקום של ממס טהור בתערובת המבשר, עם זאת, הכימיקלים הוסיפו חייבות להיות יציב תרמית עד המקסימוםטמפרטורת imum מועסק בתכנית העיתונות החמה כדי לשרוד עיבוד RSCE.

    בעת השימוש בתהליך האיחוד RSCE חשוב לספק את הכמות המתאימה של כוח מרסן. ניתן להשתמש בתבניות בגודל וצורה שונות, אך הכוח מרסן העיתונות החמה חייב להיות בהתאם 28. אם הכוח הוא נמוך מדי, ולאחר מכן הממס יהיה לפרוק את המשנה באופן ביקורתי וג'ל הרטוב יתכווץ בתוך התבנית. אם הכוח הוא גבוה מדי, ולאחר מכן לחץ מוגזם יהיה לבנות בעובש וairgel יושמד על חילוץ. גודל airgel המרבי מוגבל על ידי הכוח המרסן המרבי של העיתונות החמה. עם עיתונות חמה 24 טון, הכנו פסלים גדולים כמו 7.6 סנטימטר x 7.6 סנטימטר x 1.3 סנטימטר. רוט ואח'. 28 לספק מידע נוסף על תנאי עיבוד מתאימים.

    הטמפרטורה המרבית בשימוש בפרוטוקול זה היא 288 מעלות צלזיוס, שהיא הרבה מעל לטמפ 'הקריטיerature של מתנול (C ° 240) אבל מתחת לטמפרטורה קריטית של מים (374 מעלות צלזיוס). ג'ל הרטוב סביר מכיל מעט מים ולכן הגדלנו את הטמפרטורה המרבית כדי לעבור את הנקודה של תערובת ממס סופר קריטית. אפשר לחמם לטמפרטורה נמוכה יותר מרבי (~ 250 מעלות צלזיוס) במידת הצורך, אך אם זה נעשה זמן רב יותר להתעכב (~ 60 דקות) בפרוטוקול 2 של תכנית חילוץ העיתונות החמה (ראה טבלה 2) מומלץ על מנת להבטיח כי עובש וג'ל רטוב להגיע לטמפרטורה גבוהה מספיק.

    אם פעולות העיבוד לא מייצרות באופן עקבי פסלים שקופים, ואז להשתמש בעובש instrumented, מצוידים בחיישני לחץ וטמפרטורה (כמו באנדרסון et al. 22 או רוט ואח'. 28) מומלץ כדי לאשר תנאים בעובש. אם airgel פסלים הם נצפו להיות מעורפלים יותר מהרגיל, לשקול הכנת משלוח חדש של פתרון זרז. במשך זמן, 1.תמיסת אמוניה 5 M יכולה להיות פחות מרוכזת בשל תגובה של אמוניה עם CO 2 באטמוספרה. הפתרון נמוך יותר הריכוז של זרז האמוניה תוצאות בפעמי gelation ארוכות יותר, אבל זה לא מבחינה ויזואלית נראה לעין כאשר gelation מתרחשת בתוך התבנית בעיתונות החמה.

    אנו משתמשים בתבנית עם בארות שהולכות לחלוטין באמצעות הבלוק של מתכת. כגון עובש מאפשר הסרה קלה של aerogels מונוליטי ללא פגע לאחר עיבוד, אלא הוא גם קל יותר למכונה מאשר עובש שבו לכל אחד יש תחתית מוצקה, שטוחה כן. חסרון של עיצוב העובש הזה הוא שאם העובש אינו אטום כהלכה בפרוטוקול 3 לפקודת הפרוצדורה, מבשרי הנוזל ידלפו מתחתית התבנית על platen העיתונות החם נמוך יותר. כשזה לא חשוב ביישום הרצוי כדי להשיג aerogels מונוליטי שלם, יכול להיות מועסק עובש עם בארות סגורות תחתית. במקרה זה, פסלים עדיין יוצרים בעובש, אבל בגלל חוסר ההתכווצות שלמטריקס, אחד לא צריך לשבור את aerogels כדי להסיר אותם מהתבנית.

    לסיכום, יש לו את שיטת יוניון קולג' מהירה סופר קריטי החילוץ לairgel ייצור מספר יתרונות. היא מהירה: הפרוטוקול המתואר כאן תוצאה פסלי airgel סיליקה באיכות גבוהה בשמונה שעות. זוהי הסביבה ידידותית יותר ואפשרות חסכונית יותר מאשר שיטות ייצור airgel אחרות שדורשות חילופי ממס: שיטת RSCE אינה עתיר עבודה, הדורשים פחות מ 20 דקות של זמן הכנה לכל אצווה של aerogels, ומייצרת פסולת ממס קטנה. לבסוף, לשיטה RSCE זו הבטחה לאוטומציה וסולם למעלה: מכבשים הידראוליים חמים באים בגדלים רבים, ממודלי ספסל העליון לציוד קו ייצור.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

    Acknowledgments

    המחברים מודים לסטודנטים לתואר ראשון Lutao שיה, לאפיון פיזי של חומרי airgel, ואוד Bechu, לבדיקת טיוטת הנוהל. אנו מודים להנדסת המעבדה יוניון קולג' לעיבוד עובש הפלדה אל חלד. המעבדה Aerogel יוניון קולג' כבר מומנה על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדע (NSF-MRI CTS-0,216,153, NSF רוי מל"ג-0,514,527, NSF-MRI CMMI-0,722,842, NSF רוי מל"ג-0,847,901, NSF רוי DMR-1,206,631, וNSF-MRI CBET -1,228,851). חומר זה מבוסס על נתמך על ידי ה-NSF תחת גרנט לא מל"ג-0847901 עבודה.

    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).
    הכנת מונוליתים Aerogel סיליקה באמצעות ראפיד סופר קריטי חילוץ שיטה
    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