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Chemistry

एक तेज सुपर निष्कर्षण विधि के माध्यम से सिलिका Aerogel Monoliths तैयारी

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

Summary

यह लेख सिलिका aerogels fabricating के लिए एक तेजी से सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण विधि का वर्णन करता है. एक सीमित ढालना और हाइड्रोलिक गर्म प्रेस का उपयोग करके, अखंड aerogels आठ घंटे या उससे कम समय में किया जा सकता है.

Abstract

एक तेजी से सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण प्रक्रिया के माध्यम से आठ घंटे या उससे कम में अखंड सिलिका aerogels के निर्माण के लिए एक प्रक्रिया का वर्णन किया है. प्रक्रिया एक तरल अग्रदूत मिश्रण तैयार किया है और गर्म प्रेस भीतर प्रसंस्करण के कई घंटे तक, एक हाइड्रोलिक गर्म प्रेस के platens के बीच रखा गया पीछा किया जाता है कि एक धातु मोल्ड के कुओं में डाला जाता है, जिसके दौरान तैयारी समय से 15-20 मिनट की आवश्यकता है. मेथनॉल: पानी: अमोनिया अग्रदूत समाधान tetramethylorthosilicate की एक 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 -3 दाढ़ अनुपात (TMOS) के होते हैं. मिट्टी, एक झरझरा सिलिका जेल प मैट्रिक्स रूपों में से प्रत्येक कुएं में. मोल्ड और उसकी सामग्री का तापमान बढ़ जाता है, मिट्टी के भीतर दबाव बढ़ जाता है. तापमान / दबाव की स्थिति (इस मामले में, एक मेथनॉल / पानी के मिश्रण) मैट्रिक्स का pores के भीतर विलायक के लिए सुपर बिंदु को पार करने के बाद, सुपर तरल जारी है, और अखंड airgel मोल्ड के कुओं के भीतर रहता है.इस प्रक्रिया में इस्तेमाल किया आचारण के साथ, 2.2 सेमी व्यास और 1.9 सेमी ऊंचाई के बेलनाकार monoliths उत्पादित कर रहे हैं. इस तेजी से विधि द्वारा गठित Aerogels तुलनीय गुणों अतिरिक्त प्रतिक्रिया कदम या विलायक निष्कर्षण या तो शामिल है कि अन्य विधियों (अधिक रासायनिक अपशिष्ट उत्पन्न कि लंबी प्रक्रियाओं) द्वारा तैयार उन लोगों के लिए (कम थोक और कंकाल घनत्व, उच्च सतह क्षेत्र, mesoporous आकृति विज्ञान). तेजी है सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण विधि भी अन्य अग्रदूत व्यंजनों पर आधारित aerogels का निर्माण करने के लिए लागू किया जा सकता है.

Introduction

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सिलिका airgel सामग्री कम घनत्व, उच्च सतह क्षेत्र, और उत्कृष्ट ऑप्टिकल गुणों के साथ एक nanoporous संरचना के साथ संयुक्त कम तापीय विद्युत चालकता है. एक सामग्री में इन गुणों का संयोजन आवेदन पत्र 1 की एक बड़ी संख्या में aerogels आकर्षक बना देता है. हाल ही में एक समीक्षा लेख में, Gurav एट अल. वैज्ञानिक अनुसंधान के क्षेत्र में और औद्योगिक उत्पादों 2 का विकास, दोनों में विस्तार से सिलिका airgel सामग्री के मौजूदा और संभावित अनुप्रयोगों का वर्णन. उदाहरण के लिए, सिलिका aerogels ईंधन के लिए भंडारण मीडिया के रूप में, और थर्मल इन्सुलेट अनुप्रयोगों 2 की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए, कम ढांकता हुआ सामग्री में, सेंसर के रूप में, absorbents के रूप में इस्तेमाल किया गया है.

Aerogels आम तौर पर एक दो कदम प्रक्रिया का उपयोग कर निर्मित कर रहे हैं. पहला कदम तो एक गीला जेल के लिए फार्म संक्षेपण और hydrolysis प्रतिक्रियाओं से गुजरना जो उचित रासायनिक व्यापारियों, मिश्रण शामिल है. सिलिका जैल तैयार करते हैं,हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं इस मामले tetramethylorthosilicate में, पानी और एक सिलिका युक्त अग्रदूत के बीच होते हैं (TMOS, सी (OCH 3) 4), एसिड या आधार उत्प्रेरक की उपस्थिति में.
सी (OCH 3) 4 + एच 2 हे तीर सी (OCH 3) 4-N (OH) एन एन सीएच 3 OH

TMOS पानी में अघुलनशील है. हाइड्रोलिसिस की सुविधा के लिए आदेश में, यह इस मामले मेथनॉल (MeOH, सीएच 3 OH) में, एक और विलायक शामिल करने के लिए, और मिश्रण हलचल या sonicate के लिए आवश्यक है. बेस उत्प्रेरित polycondensation प्रतिक्रियाओं तो हाइड्रोलाइज्ड सिलिका प्रजातियों के बीच होते हैं:

आर 3 SiOH + HOSiR 3 तीर आर 3 सी-O-महोदय 3 + एच 2 हे

आर 3 SiOH + CH 3 3 तीर आर 3 सी-O-महोदय 3 + CH 3 OH

polycondensation प्रतिक्रियाओं pores इस मामले मेथनॉल और पानी में, प्रतिक्रिया की विलायक byproducts से भर रहे हैं, जिसमें एक झरझरा 2 Sio ठोस मैट्रिक्स के शामिल एक गीला जेल, के गठन में परिणाम. ठोस मैट्रिक्स फेरबदल के बिना pores से विलायक हटाने: दूसरे चरण के लिए एक airgel के लिए फार्म गीला जेल सुखाने शामिल है. सुखाने की प्रक्रिया airgel के गठन के लिए महत्वपूर्ण है. सही ढंग से कमजोर nanostructure गिर बाहर ले गए और चित्रा 1 में रेखाचित्र के रूप में सचित्र के रूप में एक xerogel बनाई है अगर नहीं.

, सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण सुखाने और परिवेश के दबाव सुखाने फ्रीज: aerogels निर्माण करने के लिए जेल प सामग्री सुखाने के लिए तीन बुनियादी तरीके हैं. सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण तरीकों एककि सतह तनाव प्रभाव पतन के लिए जेल की nanostructure का कारण नहीं है तो शून्य तरल भाप चरण लाइन पार. सुपर निकासी तरीकों उच्च तापमान (250-300 डिग्री सेल्सियस) और संक्षेपण और hydrolysis प्रतिक्रियाओं 3-7 की शराब विलायक प्रतिफल के प्रत्यक्ष निकासी के साथ दबाव में किया जा सकता है. वैकल्पिक रूप से, एक एक्सचेंजों के एक सेट के प्रदर्शन और एक कम सुपरक्रिटिकल तापमान (~ 31 डिग्री सेल्सियस) है, जो तरल कार्बन डाइऑक्साइड, साथ शराब विलायक बदल सकते हैं. निकासी तो उच्च दबाव में हालांकि, अपेक्षाकृत कम तापमान 8,9 में प्रदर्शन किया जा सकता है. 10,11 पहले कम तापमान पर गीला जेल फ्रीज और फिर विलायक तरल भाप चरण लाइन पार करने से परहेज फिर, एक भाप के रूप में सीधे निर्मल करने की अनुमति सुखाने तरीकों रुक. परिवेश के दबाव विधि परिवेश pressu पर गीला जेल के सूखने के द्वारा पीछा किया, nanostructure मजबूत करने के लिए सतह तनाव प्रभाव या पॉलिमर कम करने के लिए surfactants का उपयोग करता है12-16 पुनः.

संघ कॉलेज तेज सुपर निष्कर्षण (RSCE) प्रक्रिया एक एक कदम (airgel के अग्रदूत) विधि 17-19 है. विधि अन्य तरीकों से आवश्यक हफ्तों के लिए नहीं बल्कि दिनों से घंटों में अखंड aerogels के निर्माण की अनुमति देता है जो उच्च तापमान सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण, कार्यरत हैं. विधि एक सीमित धातु मोल्ड और एक प्रोग्राम हाइड्रोलिक गर्म प्रेस का इस्तेमाल करता. रासायनिक व्यापारियों मिश्रित कर रहे हैं और हाइड्रोलिक गर्म प्रेस के platens के बीच रखा गया है, जो मिट्टी, में सीधे डाल दिया. गर्म प्रेस ढालना सील करने के लिए एक निरोधक बल को बंद करने और लागू करने के लिए प्रोग्राम है. गर्म प्रेस तब विलायक की महत्वपूर्ण तापमान ऊपर टी एक उच्च तापमान,, (प्रक्रिया के एक भूखंड के लिए देखें चित्र 2) के लिए एक निर्धारित दर पर ढालना तपता है. Heatup अवधि के दौरान रसायनों एक जेल और जेल को मजबूत और उम्र फार्म पर प्रतिक्रिया. ढालना गरम किया जाता है जैसा दबाव भी अंततः तक पहुँचने, उगताएक सुपर दबाव. प्रणाली equilibrates जबकि उच्च टी तक पहुँचने पर, गर्म प्रेस एक निश्चित राज्य में बसता है. अगले गर्म प्रेस बल सुपर तरल पलायन एक गर्म airgel पीछे छोड़ने में कमी आई है और कर रहा है. प्रेस फिर कमरे के तापमान को ढालना और उसकी सामग्री ठंडा. प्रक्रिया (3-8 घंटे लग सकते हैं) के अंत में प्रेस को खोलता है और अखंड aerogels मोल्ड से हटा रहे हैं.

इस RSCE विधि अन्य airgel निर्माण विधियों से अधिक महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है. यह आम तौर पर 3-8 घंटे प्रसंस्करण समय से पीछा केवल 15-20 मिनट तैयारी के समय की आवश्यकता होती है, तेजी से (<8 घंटा सम्पूर्ण) और न बहुत श्रम गहन है. यह अपेक्षाकृत कम विलायक अपशिष्ट प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न होता है जिसका मतलब है कि, विलायक एक्सचेंजों की आवश्यकता नहीं है.

इस प्रकार है कि खंड में, हम एक अग्रदूत मिश्रण शामिल है से संघ RSCE विधि के माध्यम से बेलनाकार सिलिका airgel monoliths का एक सेट तैयार करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णनhydrolysis और polycondensation प्रतिक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्यरत जलीय अमोनिया के साथ TMOS, मेथनॉल, और पानी के डी (: MeOH: एक TMOS साथ एच 2 ओ: 10 x -3 1.0:12:3.6:3.5 के एनएच 3 दाढ़ अनुपात). हम संघ RSCE विधि धातु मोल्ड और नियोजित हाइड्रोलिक गर्म प्रेस पर निर्भर करता है, विभिन्न विभिन्न आकारों और आकार के aerogels तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि ध्यान दें. इस RSCE विधि भी अलग अग्रदूत व्यंजनों 20 से aerogels के अन्य प्रकार (titania, एल्यूमिना, आदि) तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया गया है.

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Protocol

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सुरक्षा कारणों: सुरक्षा चश्मा या चश्मे समाधान और हाइड्रोलिक गर्म प्रेस के साथ प्रारंभिक काम के दौरान हर समय पहना होना चाहिए. रासायनिक अभिकर्मक समाधान तैयार करते समय और गर्म प्रेस में मोल्ड में समाधान घनघोर जब प्रयोगशाला दस्ताने पहना जाना चाहिए. TMOS, मेथनॉल और केंद्रित अमोनिया, और इन अभिकर्मकों युक्त समाधान, एक धूआं हुड के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए. सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण प्रक्रिया विज्ञप्ति गर्म मेथनॉल, यह दोनों हाइड्रोलिक गर्म प्रेस उतारना, और गर्म प्रेस से उतारना पथ के भीतर कोई इग्निशन स्रोत हैं कि यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है तो. इसके अलावा, हम गर्म प्रेस के चारों ओर एक सुरक्षा कवच की स्थापना की सिफारिश. एक गैसकेट विफलता की स्थिति में, ढाल परिणामस्वरूप गैसकेट टुकड़े होते मदद और इस तरह गर्म प्रेस के पास काम कर रहे किसी की रक्षा करेगा.

1. अभिकर्मकों और अन्य सामग्री तैयार करें

  1. Tetrameth: नुस्खा के लिए आवश्यक अभिकर्मकों इकट्ठाylorthosilicate, मेथनॉल, विआयनीकृत पानी, और अमोनिया.
  2. एक 1.5 एम अमोनिया समाधान के 100.0 मिलीलीटर. ऐसा करने के लिए, विआयनीकृत पानी के साथ 100 मिलीलीटर के लिए 14.8 एम केंद्रित अमोनिया की 10.1 मिलीलीटर पतला.
  3. एक वर्ग स्टेनलेस स्टील मोल्ड, 2.2 सेमी व्यास के 9 परिपत्र कुओं के साथ, 12.7 सेमी x 12.7 सेमी x 1.9 सेमी उच्च (चित्रा 3 देखें) मोल. किसी भी सतह तेल या धूल हटाने के लिए एक साफ, नम चीर के साथ मोल्ड साफ कर लें. प्रसंस्करण के बाद मोल्ड से aerogels को हटाने में कम करने के लिए उच्च तापमान ढालना जारी स्प्रे के साथ प्रत्येक परिपत्र अच्छी तरह से अंदर स्प्रे.
  4. (0.012 मिमी) मोटी स्टेनलेस स्टील पन्नी में (1.6 मिमी) मोटी ग्रेफाइट शीट और 0.0005 में 1/16 से गास्केट सीलिंग के तीन सेट तैयार करते हैं. पूरी तरह से मोल्ड को कवर करने के लिए पर्याप्त प्रत्येक सामग्री के तीन टुकड़े (> 12.7 सेमी x> 12.7 सेमी) में कटौती.

2. साधनों की तैयारी

  1. गर्म सील प्रेस और निष्कर्षण प्रोग्राम कार्यक्रम. सबसे पहले प्रयोग किया जाएगा कि एक सील कार्यक्रम निर्धारितखुला आचारण के नीचे सील करने के लिए डी. आवश्यक कार्यक्रम मूल्यों के लिए 1 टेबल देखें. अगला ऊपर वर्णित फफूंदी का उपयोग सिलिका aerogels के लिए सही मानकों के साथ निकासी कार्यक्रम निर्धारित किया है. इन मापदंडों के लिए 2 टेबल देखें.
  2. कांच के बने पदार्थ तैयार करें. संक्रमण से बचने के लिए, चार गिलास बीकर जरूरत होगी, लेबल एक 250 मिलीलीटर बीकर 'अग्रदूत समाधान,' एक 100 मिलीलीटर बीकर लेबल 'मेथनॉल,' एक 20 मिलीलीटर बीकर ', डि पानी' लेबल और एक 10 मिलीलीटर बीकर '1 .5 एम अमोनिया लेबल . ' सभी बीकर को साफ और शुष्क हैं सुनिश्चित करें.
  3. Pipettes तैयार करें. डिजिटल pipettes आसानी के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए. एक 10 एमएल डिजिटल पिपेट और एक 1000 μl विंदुक का उपयोग किया जाएगा. कई विंदुक युक्तियाँ उपलब्ध हैं सुनिश्चित करें.
  4. भरण लाइन को पानी जोड़कर sonicator तैयार करें.

3. मोल्ड नीचे सील

  1. गर्म प्रेस में ढालना और गैसकेट सामग्री रखें. एफirst, कम पट्ट पर एक ग्रेफाइट शीट केंद्र स्टेनलेस स्टील पन्नी की एक चादर जोड़ने और स्टेनलेस स्टील पन्नी के शीर्ष पर ढालना जगह है. मोल्ड के शीर्ष पर गैस्केट सामग्री का एक और सेट (स्टेनलेस स्टील फिर ग्रेफाइट) जोड़ें. (: प्रयुक्त गैसकेट सामग्री इस चरण में शीर्ष पर इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन नए गैसकेट सामग्री तल पर इस्तेमाल किया जाना चाहिए ध्यान दें.)
  2. तालिका 1 में दिखाया मापदंडों का उपयोग, गर्म प्रेस सील प्रोग्राम प्रारंभ करें. इस कार्यक्रम ढालना अग्रदूत समाधान से भर जाता है जब लीक से तरल अग्रदूत साबित रसायनों को रोकने के लिए आचारण के नीचे जवानों.

4. अग्रदूत समाधान करें

TMOS आधारित सिलिका aerogels के लिए नुस्खा 3 तालिका में दिखाया गया है. सभी समाधान तैयार करने का काम एक धूआं हुड में किया जाता है.

  1. 250 मिलीलीटर कांच बीकर में अभिकर्मक बोतल से 17.0 मिलीलीटर कुल TMOS के पहले पिपेट aliquots 'अग्रदूत समाधान' लेबल.
  2. बहनाकुछ 100 मिलीलीटर कांच बीकर में मेथनॉल और 250 मिलीलीटर कांच बीकर में 55.0 मिलीलीटर कुल मेथनॉल की तो पिपेट aliquots 'अग्रदूत समाधान.' लेबल
  3. 250 मिलीलीटर बीकर में पानी की 7.2 मिलीलीटर 'डि पानी' लेबल 20 मिलीलीटर बीकर में और उस बीकर पिपेट से कुछ विआयनीकृत पानी डालो.
  4. अन्त में, 10 मिलीलीटर बीकर में कुछ 1.5 एम एनएच 3 डालना और उस बीकर पिपेट से समाधान के 270 μl 250 मिलीलीटर बीकर में.
  5. प्लास्टिक आयल फिल्म के साथ बीकर सील.
  6. कि हाइड्रोलिसिस कम से कम 5 मिनट के लिए अग्रदूत समाधान sonicating से होता है यह सुनिश्चित करने के लिए अभिकर्मकों मिलाएं. पिछले sonication के लिए, दो तरल परतों अग्रदूत मिश्रण में कभी कभी दिखाई दे रहे हैं. Sonication के 5 मिनट के बाद, समाधान monophasic होना प्रकट करना चाहिए. यदि ऐसा नहीं होता, एक अतिरिक्त 5 मिनट के लिए मिश्रण sonicate.

5. हॉट प्रेस में मोल्ड में अग्रदूत समाधान डालो

ढालना सील कार्यक्रम के अंत में गर्म प्रेस platens खुलेगा. शीर्ष की ओर गैसकेट सामग्री हटाने और अलग निर्धारित करें. गर्म प्रेस में है के रूप में ढालना के नीचे की ओर सील रहता है, ताकि ढालना छोड़ दें.
  • अग्रदूत समाधान के साथ पूरी तरह से मोल्ड के प्रत्येक अच्छी तरह से भरें. (नोट: मोल्ड भरने के बाद छोड़ दिया airgel अग्रदूत समाधान के बारे में 10 मिलीलीटर हो जाएगा यह त्याग या xerogels बनाने के लिए परिवेश शर्तों के तहत कार्रवाई की जा सकती है..)
  • पहली और शीर्ष पर फिर ग्रेफाइट स्टेनलेस स्टील पन्नी: मोल्ड के शीर्ष पर ताजा गैसकेट सामग्री डाल.
  • (2 तालिका में दिखाया गया है) गर्म प्रेस निष्कर्षण प्रोग्राम चलाएँ. इस कार्यक्रम, मिट्टी जवानों एक सुपरक्रिटिकल राज्य के लिए सामग्री तपता है, सुपरक्रिटिकल निकासी करता है और फिर मोल्ड ठंडा.
  • 6. मोल्ड से Aerogels निकालें

    1. निष्कर्षण प्रक्रिया के पूरा होने पर, गर्म प्रेस से ढालना और गैसकेट सामग्री को हटा दें. आचारण से शीर्ष गैस्केट सामग्री निकालें. अलग सेट.
    2. धीरे नीचे गैसकेट सामग्री से मोल्ड ढीला.
    3. ध्यान से मजबूती से एक दस्ताने उंगली के साथ एक तरफ से उन के माध्यम से आगे बढ़ाने के द्वारा, एक समय में ढालना, एक से प्रत्येक airgel हटा दें.
    4. Aerogels मोल्ड से हटा रहे हैं, इस प्रक्रिया को पूरा हो गया है.

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    Representative Results

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    अखंड सिलिका aerogels के अनुरूप बैचों में परिणाम यहाँ वर्णित प्रक्रिया के बाद. 4 आंकड़ा इस प्रक्रिया के माध्यम से किया ठेठ सिलिका aerogels की छवियों को दिखाता है. प्रत्येक airgel कोई सिकुड़न के साथ प्रसंस्करण मोल्ड में अच्छी तरह के आकार और आकार पर ले जाता है. छवियों सिलिका aerogels पारदर्शी हैं कि दिखा.

    इन aerogels के भौतिक गुणों तालिका 4 में संक्षेप हैं. वे कम तापमान सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण 21. चित्रा 5 का उपयोग इसी तरह के अग्रदूत व्यंजनों से उत्पादित सिलिका aerogels के उन लोगों की तुलना कर रहे हैं ASAP 2010.The aerogels में एक चोटी के साथ mesoporous हैं एक Micromeritics साथ हासिल कर ली desorption इज़ोटेर्म की BJH विश्लेषण द्वारा अधिग्रहीत एक ठेठ ताकना वितरण से पता चलता है 20 एनएम के पास व्यास ताकना.

    कदम # अस्थायी अस्थायी दर बल सेना दर समय वास (मिनट) चरण अवधि (मिनट)
    1 बंद - £ 20,000
    (89 केएन)
    600 कश्मीर पौंड / मिनट *
    (2669 एन / मिनट)
    10 10
    2 अंत चरण

    तालिका 1. गर्म प्रेस मिट्टी सील प्रोग्राम सेटिंग्स.
    * इस दर अधिकतम प्रेस दर का प्रतिनिधित्व करता है

    कदम # तापमान अस्थायी दर प्रेस फोर्स सेना दर समय वास (मिनट) चरण अवधि (मिनट)
    1 - सील मोल्ड 90 ° F
    (32 डिग्री सेल्सियस)
    200 डिग्री एफ / मिनट
    (111 डिग्री सेल्सियस / मिनट) *
    £ 40,000
    (178 केएन)
    £ 600,000 / मिनट
    (2669 केएन / मिनट) *
    2 2
    2 - गर्मी और संतुलित करना 550 डिग्री फेरनहाइट
    (288 डिग्री सेल्सियस)
    2 ° एफ / मिनट
    (1.1 डिग्री सेल्सियस / मिनट)
    £ 40,000
    (178 केएन)
    - 30 260
    3 - निकालें और संतुलित करना 550 डिग्री फेरनहाइट
    (288 डिग्री सेल्सियस)
    - £ 1000
    (4.4 केएन)
    £ 1000 / मिनट
    (4.4 के.एन. / मिनट)
    30 69
    4 - शांत नीचे 100 ° F
    (38 डिग्री सेल्सियस)
    3 ° एफ / मिनट
    (1.7 डिग्री सेल्सियस / मिनट)
    £ 1000
    (4.4 केएन)
    - 1 151
    5 - समाप्त करें अंत चरण कुल समय: 482 मिनट
    (8 घंटा)

    तालिका 2. गर्म प्रेस निष्कर्षण प्रोग्राम सेटिंग्स.
    * इन दरों अधिकतम प्रेस दरों का प्रतिनिधित्व

    रासायनिक राशि (एमएल)
    TMOS 17
    MeOH 55
    एच 2 हे 7.2
    1.5 एम एनएच 3 0.27

    तालिका 3. 80 मिलीलीटर सिलिका अग्रदूत समाधान के लिए नुस्खा.

    पी roperty विशिष्ट मूल्य
    थोक घनत्व 0.1 ग्राम / 3 सेमी
    कंकाल घनत्व 1.9 ग्राम / 3 सेमी
    शर्त सतह क्षेत्र 560 मीटर 2 / G
    संचयी ताकना माप 3.9 सेमी 3 / G
    औसत BJH Desorption ताकना व्यास 21 एनएम
    औसत BJH सोखना ताकना व्यास 27 एनएम

    तालिका 4. सिलिका Aerogels के गुण RSCE प्रक्रिया के माध्यम से तैयार.

    चित्रा 1
    चित्रा 1. जेल प सुखाने की प्रक्रिया के योजनाबद्ध.

    सामग्री "के लिए: रखने together.within पृष्ठ =" हमेशा "> चित्रा 2
    . RSCE प्रक्रिया के दौरान इस्तेमाल किया चित्रा 2 गर्म प्रेस प्रसंस्करण मानकों. (नोट: गर्म प्रेस उन इकाइयों में प्रोग्राम है, क्योंकि अंग्रेजी इकाइयों इस आंकड़े में कार्यरत हैं.)

    चित्रा 3
    चित्रा 3. RSCE प्रक्रिया में इस्तेमाल किया मोल्ड के योजनाबद्ध. Aerogels पूरे मोल्ड ऊंचाई (सभी आयामों सेमी में हैं) के माध्यम से पारित जो नौ कुओं में से प्रत्येक में गठन कर रहे हैं.

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    चित्रा 4. सिलिका aerogels की छवियाँ इस RSCE प्रक्रिया के माध्यम से तैयार किया.

    चित्रा 5
    चित्रा 5. विशिष्ट BJH ताकना वितरण (desorption) RSCE के माध्यम से तैयार सिलिका airgel के लिए यह परिणाम है.

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    Discussion

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    RSCE विधि एक स्वचालित और सरल प्रक्रिया का उपयोग कर अखंड सिलिका aerogels के अनुरूप बैचों पैदा करता है. यहाँ प्रस्तुत के रूप में विधि एक आठ घंटे प्रसंस्करण कदम की आवश्यकता है. यह रूप में छोटे रूप में 3 घंटा 22 में अखंड aerogels बनाने के लिए हीटिंग और ठंडा करने के कदम तेजी लाने के लिए संभव है, लेकिन, एक 8 घंटा प्रक्रिया कार्यरत है जब, airgel monoliths के अधिक अनुरूप बैचों परिणाम. प्रक्रिया पैरामीटर में छोटे बदलाव की प्रक्रिया 22 मजबूत संकेत है कि, जिसके परिणामस्वरूप aerogels के भौतिक गुणों को प्रभावित नहीं करते.

    यहां कार्यरत अग्रदूत नुस्खा अखंड सिलिका aerogels में यह परिणाम है, लेकिन, तेजी से सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण प्रक्रिया लेकर अनुप्रयोगों के लिए हाइड्रोफोबिक सिलिका aerogels 23 (सहित संभावित उपयोग करता है की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए aerogels 20 अन्य प्रकार की एक किस्म बनाने के लिए नियोजित किया जा सकता रासायनिक रिसाव से बढ़ाया daylighting को सफाई), titania और titania-Si(कटैलिसीस अनुप्रयोगों के लिए) Lica (photocatalysis के लिए) 24 aerogels, और एल्यूमिना और एल्यूमिना आधारित aerogels 25,26. यह प्रसंस्करण के लिए मिट्टी के कुओं में इस काम के रूप में एक तरल अग्रदूत मिश्रण, या एक पहले से तैयार गीला जेल में 26 जगह संभव है. मुख्य सीमा प मैट्रिक्स जेल के गठन में शामिल रसायन निकालने की प्रक्रिया में कार्यरत तापमान पर धातु मोल्ड या गैसकेट सामग्री या तो साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है. इसके अलावा, यह airgel के pores के भीतर विलायक या विलायक मिश्रण की सुपरक्रिटिकल बिंदु गर्म प्रेस की प्रक्रिया के दौरान पार किया जा सकता है यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है.

    हालांकि, कहा रसायन चाहिए; aerogels अग्रदूत मिश्रण में शुद्ध विलायक की जगह में मेथनॉल या पानी में dopant अणु का एक समाधान का उपयोग करके (. उदाहरण के लिए एट अल 27 प्लाटा में ही सेंसर बनाने के लिए) अन्य रसायनों के साथ डाल दिया गया हो सकता है अधिकतम करने के लिए thermally स्थिर होimum तापमान RSCE प्रसंस्करण जीवित रहने के लिए गर्म प्रेस कार्यक्रम में कार्यरत हैं.

    संघ RSCE प्रक्रिया का उपयोग करते समय यह निरोधक बल की उचित मात्रा में आपूर्ति करने के लिए महत्वपूर्ण है. विभिन्न आकार और आकार molds इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन गर्म प्रेस निरोधक बल के हिसाब से 28 समायोजित किया जाना चाहिए. बल बहुत कम है, तो विलायक उप समीक्षकों वेंट जाएगा और गीला जेल ढालना भीतर हटना होगा. बल बहुत अधिक है, तो अत्यधिक दबाव मोल्ड में निर्माण होगा और airgel निकासी पर नष्ट कर दिया जाएगा. अधिकतम airgel आकार गर्म प्रेस की अधिकतम निरोधक बल द्वारा सीमित है. एक 24 टन गर्म प्रेस के साथ, हम 7.6 सेमी x 7.6 सेमी x 1.3 सेमी के रूप में बड़े monoliths तैयार किया है. रोथ एट अल. 28 उपयुक्त प्रसंस्करण की स्थिति के बारे में अधिक जानकारी प्रदान करते हैं.

    इस प्रोटोकॉल में प्रयुक्त अधिकतम तापमान में अच्छी तरह से महत्वपूर्ण अस्थायी ऊपर है जो 288 डिग्री सेल्सियस है,मेथनॉल के erature (240 डिग्री सेल्सियस), लेकिन पानी की सुपरक्रिटिकल तापमान नीचे (374 डिग्री सेल्सियस). हम विलायक मिश्रण की सुपरक्रिटिकल बिंदु को पार करने के क्रम में अधिकतम तापमान में वृद्धि हुई है तो गीला जेल संभावना कुछ पानी होता है. यह अगर जरूरत एक कम अधिकतम तापमान (~ 250 डिग्री सेल्सियस) के लिए गर्म करने के लिए संभव है, यह गर्म प्रेस निकासी कार्यक्रम के प्रोटोकॉल 2 में एक लंबे समय तक रहने के लिये समय (~ 60 मिनट) किया जाता है हालांकि, अगर (2 टेबल देखें) की सिफारिश की है कि मोल्ड और गीला जेल सुनिश्चित करने के लिए एक पर्याप्त उच्च तापमान तक पहुँचने.

    प्रसंस्करण कदम लगातार पारदर्शी monoliths उत्पादन नहीं कर रहे हैं, तो (एंडरसन में एट अल. 22 या रोथ एट अल. 28) के रूप में दबाव और तापमान सेंसरों से लैस एक instrumented मिट्टी, के उपयोग में ढालना की स्थिति की पुष्टि करने के लिए सिफारिश की है. Airgel monoliths सामान्य से cloudier होने के लिए मनाया जाता है, उत्प्रेरक समाधान की एक ताजा बैच की तैयारी पर विचार करें. समय के साथ, 1.5 एम अमोनिया समाधान के कारण वायुमंडलीय सीओ 2 के साथ अमोनिया की प्रतिक्रिया को कम केंद्रित हो सकता है. अमोनिया उत्प्रेरक की कम एकाग्रता समाधान अब जमाना टाइम्स में यह परिणाम है, लेकिन जमाना गर्म प्रेस में ढालना के भीतर होता है जब इस नेत्रहीन स्पष्ट नहीं है.

    हम धातु के ब्लॉक के माध्यम से पूरी तरह से जाना कि कुओं के साथ एक फफूंदी का उपयोग करें. इस तरह की एक मोल्ड प्रसंस्करण के बाद बरकरार अखंड aerogels के आसान हटाने के लिए अनुमति देता है, यह भी एक अच्छी तरह से एक ठोस, फ्लैट नीचे है जिसमें एक फफूंदी से मशीन के लिए आसान है. इस मिट्टी डिजाइन का एक नुकसान मोल्ड ठीक से प्रक्रिया के प्रोटोकॉल 3 में बंद नहीं है, तरल व्यापारियों कम गर्म प्रेस पट्ट पर आचारण के नीचे से रिसाव जाएगा. इसे बरकरार अखंड aerogels प्राप्त करने के लिए वांछित आवेदन में महत्वपूर्ण नहीं है, बंद नीचे कुओं के साथ एक फफूंदी नियोजित किया जा सकता. इस मामले में, monoliths अभी भी मोल्ड में फार्म, बल्कि इसलिए की कमी की कमी की वजह से होगामैट्रिक्स, एक सांचे से उन्हें हटाने के क्रम में aerogels तोड़ना होगा.

    संक्षेप में, airgel निर्माण के लिए संघ कॉलेज तेजी सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण विधि के कई फायदे हैं. यह तेजी से है: यहाँ वर्णित प्रोटोकॉल आठ घंटे में उच्च गुणवत्ता वाले सिलिका airgel monoliths में यह परिणाम है. यह लागत प्रभावी विलायक एक्सचेंजों की आवश्यकता है कि अन्य airgel निर्माण विधियों से पर्यावरण friendlier और संभवतः अधिक है: RSCE विधि श्रम प्रधान नहीं है, aerogels के प्रति बैच तैयारी के समय का कम से कम 20 मिनट की आवश्यकता होती है, और थोड़ा विलायक अपशिष्ट उत्पन्न करता है. अंत में, इस RSCE विधि स्वचालन और बड़े पैमाने अप के लिए वादा किया है: हाइड्रोलिक गर्म प्रेस पीठ टॉप मॉडल से उत्पादन लाइन उपकरण के लिए कई आकारों में आते हैं.

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    Disclosures

    लेखकों वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि घोषित.

    Acknowledgments

    लेखकों मसौदा प्रक्रिया के परीक्षण के लिए, airgel सामग्री की शारीरिक लक्षण वर्णन के लिए स्नातक छात्रों Lutao झी,, और औड Bechu धन्यवाद. हम स्टेनलेस स्टील मोल्ड मशीनिंग के लिए संघ कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग प्रयोगशाला के लिए आभारी हैं. संघ कॉलेज Aerogel प्रयोगशाला राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF एमआरआई सीटीएस-0216153, NSF RUI चे 0514527, NSF एमआरआई सीएमएमआई-0722842, NSF RUI चे 0847901, NSF RUI DMR-1206631, और NSF एमआरआई CBET से अनुदान द्वारा वित्त पोषित किया गया है -1228851). इस सामग्री को अनुदान सं चे 0847901 के तहत NSF द्वारा समर्थित काम पर आधारित है.

    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.

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    References

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    एक तेज सुपर निष्कर्षण विधि के माध्यम से सिलिका Aerogel Monoliths तैयारी
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    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).

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