Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Bir Rapid Süperkritik Ekstraksiyon Yöntemi ile Silika AEROJEL Monoliths hazırlanıyor

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

Summary

Bu madde, silika aerojeller üretmek için bir hızlı süperkritik özütleme yöntemi tarif etmektedir. Kapalı bir kalıp ve hidrolik sıcak pres kullanılarak, yekpare aerojeller sekiz saat veya daha kısa yapılabilir.

Abstract

Hızlı bir süperkritik özütleme işlemi ile sekiz saat ya da daha az yekpare olarak silis aerojelleri imalatı için bir prosedür tarif edilmektedir. Bu prosedür, bir sıvı ön-karışım hazırlanmıştır ve sıcak pres içinde işlenmesi birkaç saat ile bir hidrolik sıcak presin baskı levhaları arasına yerleştirilir ardından bir metal kalıbın kuyu içine dökülmüş sırasında hazırlık süresi 15-20 dk, gerektirir. Metanol: su: amonyak öncü çözeltisi tetramethylorthosilicate bir 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 -3 mol oranında (TMOS) oluşur. Kalıp, gözenekli silika sol-jel matris formları her çukuruna. Kalıp ve içeriğinin ısısı artar olarak, kalıp içindeki basınç yükselir. Sıcaklık / basınç koşulları (bu durumda, bir metanol / su karışımı), matrisin gözenekleri içinde çözücü için süper kritik nokta aşmak sonra, süper kritik akışkan yayımlanan ve tek parça aerojel kalıbın kuyu içinde kalır.Bu prosedürde kullanılan kalıp ile, 2.2 cm çapında ve 1.9 cm yüksekliğinde plastik bir silindir yekpare üretilmektedir. Bu hızlı bir yöntem ile oluşturulan Aerogels karşılaştırılabilir özelliklere ilave reaksiyon adımlarını ya da çözücü ekstraksiyonu ya da dahil diğer yöntemler (daha fazla kimyasal atık oluşturmak lengthier prosesleri) ile hazırlanabilir kişilerce (düşük yığın yoğunluğu ve iskelet, yüksek yüzey alanlı, gözenekli morfoloji). Hızlı var süper kritik ekstraksiyon yöntemi, aynı zamanda diğer ön-madde tarifleri göre aerojellerin üretim için uygulanabilir.

Introduction

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

Silis aerojel maddeler, düşük yoğunluklu, yüksek bir yüzey alanı ve mükemmel optik özelliklere sahip olan nano gözenekli yapısı ile birlikte düşük ısı ve elektrik iletkenliğine sahiptir. Bir malzeme, bu özelliklerin kombinasyonu, uygulama 1, çok sayıda aerojeller cazip hale getirmektedir. Bir yeni yorum makalede, Gurav ve ark. bilimsel araştırma ve endüstriyel ürün 2 gelişimi hem de ayrıntılı olarak silis aerojel malzemelerin mevcut ve potansiyel uygulamalar tarif etmektedir. Örneğin, silika aerojeller yakıt depolama ortamı olarak ve ısı yalıtım uygulamaları 2, geniş bir dizi için, düşük dielektrik malzeme olarak, sensörler olarak, emiciler olarak kullanılmıştır.

Aerojeller, tipik olarak iki aşamalı bir işlem kullanılarak imal edilir. İlk adım, daha sonra ıslak bir jel oluşturmak için yoğunlaştırma ve hidroliz reaksiyonlara uygun kimyasal öncüleri, karıştırma içerir. Silis jelleri hazırlamak için,Hidroliz reaksiyonları, bu durumda tetramethylorthosilicate olarak, su ve bir silis ihtiva eden ön-arasında meydana gelen (TMOS, Si (OCH3) 4), asit veya baz katalizör mevcudiyetinde.
Si (OCH3) 4 + H 2 O ok Si (OCH3) 4-n (OH) n + n CH3 OH

TMOS suda çözünmez. Hidrolizi kolaylaştırmak için, bu durum, metanol (MeOH, CH3 OH) olarak, bir çözücü eklemek için, ve karışım karıştırıldı ve sonikasyon için gereklidir. Taban katalize polikondensasyon reaksiyonları daha sonra hidrolize tabi tutulmuş silika, türler arasında meydana gelir:

R3 SiOH + HOSiR 3 ok R3, Si-O-SİR 3 + H 2 O

R3 SiOH + CH3 3 ok R3, Si-O-SİR 3 + CH3 OH

Polikondensasyon reaksiyonları gözenekleri bu durumda, metanol ve su içinde, reaksiyonun yan ürünleri çözücü ile doldurulur, bir gözenekli SiO 2 katı matris meydana gelen bir ıslak jel, oluşmasına neden olur. Katı matris değiştirmeden gözeneklerinden çözücünün çıkarılması: ikinci aşama, bir aerojeli oluşturmak için ıslak jel kurutma içerir. Kurutma işlemi, aerojel oluşumu için son derece önemlidir. Doğru kırılgan nano çöker gerçekleştirilir ve Şekil 1 'de şematik olarak gösterildiği gibi bir kserojel oluşturulur değilse.

Süperkritik ekstraksiyon kurutma ve dondurarak kurutma çevre basıncı: aerojeller üretmek için sol-jel malzemeler kurutma için üç temel yöntem vardır. Süperkritik özütleme yöntemleribu yüzey gerilimi etkiler daraltmak için jelin nano yapısını neden olmayan void sıvı-buhar fazlı çizgisinden. Süperkritik çıkarma yöntemleri, yüksek sıcaklıkta (250-300 ° C) ve yoğunlaşma ile hidroliz reaksiyonları 3-7 alkol çözücü yan ürün doğrudan ekstre ile bir basınçta gerçekleştirilebilir. Alternatif olarak, bir değişim bir dizi yapar ve düşük bir süper kritik sıcaklığı (~ 31 ° C) sahip sıvı karbon dioksit ile alkol çözücü yerini alabilir. Ekstraksiyon sonra yüksek basınç da olsa, nispeten düşük bir sıcaklıkta 8,9 ile gerçekleştirilebilir. 10,11 birinci düşük ısıda ıslak jel dondurma ve daha sonra çözücü, sıvı-buhar fazlı çizgisinden kaçınarak daha, buhar şeklinde, doğrudan katı durumdan gaz durumuna izin kurutma yöntemleri dondurun. Ortam basıncı yöntem ortam pressu de ıslak jel kurutma, ardından nano yapısını güçlendirmek için yüzey gerilimi etkilerini azaltmak ya da polimerler için yüzey aktif maddeler kullanır12-16 tekrar.

Union College Rapid Süperkritik Ekstraksiyon (Rsce) işlemi, tek aşama (aerojel için ön-madde) bir yöntem olup, 17-19. Bu yöntem, diğer yöntemlerin gerektirdiği hafta yerine gün saatten daha yekpare aerojellerin imalat sağlayan yüksek sıcaklık süper kritik çıkarma, kullanır. Yöntem sınırlı metal kalıp ve bir programlanabilir hidrolik sıcak pres kullanır. Kimyasal ön karıştırılır ve hidrolik sıcak presin baskı levhaları arasına yerleştirilir kalıp, içine doğrudan doğruya döküldü. Sıcak pres kalıp mühür bir yasaklama kuvvet kapatmak ve uygulamak için programlanmıştır. Sıcak pres daha sonra çözücünün kritik sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta yüksek T, (sürecin bir arsa için bakınız Şekil 2) ile belirtilen bir hızda kalıp ısıtır. Heatup süre boyunca kimyasal bir jel ve jel güçlendirir ve yaş oluşturmak için tepkimeye sokulur. Kalıp ısıtılır gibi basınç da sonunda ulaşan yükselirbir süper kritik basıncı. Sistem equilibrates yüksek ise T ulaştıktan sonra, sıcak pres sabit bir devlet yaşıyor. Sonraki sıcak pres gücü süperkritik akışkan kaçar sıcak aerojelinin geride bırakarak, azalmış ve. Pres, daha sonra oda sıcaklığına kadar kalıp ve içeriğini soğutur. İşlem (3-8 saat sürebilir) sonunda pres açılır ve tek parça aerojeller kalıptan çıkarılır.

Bu Rsce yöntem, diğer aerojeli imalat yöntemlerine göre önemli avantajlar sunuyor. Genellikle 3-8 saat işlem süresinin ardından sadece 15-20 dakika hazırlık süresi gerektiren, hızlı (<8 saat toplam) ve çok emek yoğundur. Bu, nispeten daha az solvent atık işlemi sırasında oluşturulan anlamına gelir ki, solvent değişim gerektirmez.

Aşağıdaki bölümde, bir ön-madde karışımını ihtiva arasındaki Union Rsce yöntemi ile silindirik silika aerojel yekpare bir set hazırlanması için bir protokol açıklarhidroliz ve polikondansasyon reaksiyonları için katalizör olarak kullanılan sulu amonyak ile TMOS, metanol, su ve d (: MeOH: a TMOS H 2 O: 10 x -3 1.0:12:3.6:3.5 NH 3 molar oran). Biz, Union Rsce yöntem olup, metal kalıp ve kullanılan hidrolik sıcak pres ile ilgili olarak, çeşitli farklı boyut ve şekillerde aerojel hazırlamak için kullanılabilen unutmayın. Bu yöntem, aynı zamanda farklı Rsce haberci tarifleri 20 aerojeller diğer türleri (titanyum oksit, alüminyum oksit, vb) hazırlamak için kullanılmıştır.

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

Emniyet Hususlar: Emniyet gözlükleri çözümleri ve hidrolik sıcak pres ile hazırlayıcı çalışmaları sırasında her zaman giyilmelidir. Kimyasal reaktif solüsyon hazırlanırken ve sıcak preste kalıba dökme işlemi sırasında çözelti Laboratory eldivenler olmalıdır. TMOS, metanol ve konsantre amonyak ve bu reaktifler içeren çözeltiler, bir çeker ocak içinde ele alınması gerekir. Süperkritik ekstraksiyon işlemi bültenleri sıcak metanol, hem hidrolik sıcak basın havalandırma ve sıcak basın havalandırma yolu içinde ateşleme kaynaklarının yok olmasını sağlamak için gereklidir yüzden. Buna ek olarak, biz sıcak pres etrafında bir güvenlik kalkanı kurulmasını öneriyoruz. Bir conta başarısızlık olması durumunda, koruyucu edilen conta parçaları içeren yardımcı olmak ve bu şekilde sıcak pres yakın çalışma kimse koruyacaktır.

1.. Reaktifler ve Diğer Sarf Malzemeleri hazırlayın

  1. Tetrameth: tarifi için gerekli reaktifleri toplayınylorthosilicate, metanol, iyonu giderilmiş su, ve amonyak.
  2. Bir 1.5 M amonyak çözeltisi 100.0 ml olun. Bunu yapmak için, deiyonize su ile 100 ml'ye kadar konsantre edildi 14.8 M amonyak 10.1 ml seyreltik.
  3. Bir kare paslanmaz çelik kalıp, 2.2 cm çapında 9 dairesel kuyu ile, 12.7 cm x 12.7 cm x 1.9 cm yüksek (bkz. Şekil 3) edinin. Herhangi bir yüzey yağı veya tozu temizlemek için temiz, nemli bir bez ile silin kalıp. Işlendikten sonra kalıptan aerojellerin çıkarılması kolaylaştırmak için yüksek sıcaklık kalıp ayırma spreyi ile, her dairesel kuyu içine püskürtün.
  4. (0.012 mm) kalınlığında paslanmaz çelik folyo (1.6 mm) kalınlığında grafit levha ve 0,0005 içinde 1/16 dan kapatma contalarıyla üç set hazırlayın. Tamamen kalıp karşılamak için yeterli her malzemenin üç parça (> 12.7 cm x> 12.7cm) kesin.

2. Aletleri hazırlayın

  1. Sıcak sızdırmazlık basın ve çıkarma programları programlayın. İlk kullanım olacak bir sızdırmazlık program kurmakaçık kalıbın alt mühür d. Gerekli program değerler için Tablo 1'e bakınız. Sonraki yukarıda açıklanan kalıp kullanılarak silika aerojelleri için doğru parametrelerle çıkarma programı kurmak. Bu parametreler için Tablo 2'ye bakınız.
  2. Cam hazırlayın. Kontaminasyonu önlemek için, dört cam bardak gerekli olacak, etiketli bir 250 ml beher 'öncü çözeltisi,' bir 100 ml beher etiketli 'metanol', bir 20 ml beher ', DI su' etiketli ve bir 10 ml beher '1 .5 M amonyak etiketli . ' Tüm bardak temiz ve kuru olduğundan emin olun.
  3. Pipetler hazırlayın. Dijital pipetler kolaylığı için kullanılmalıdır. Bir 10 ml dijital pipet ve 1000 ul pipet kullanılacaktır. Birden pipet uçları kullanılabilir olduğundan emin olun.
  4. Doldurma hattına su eklenerek sonikatör hazırlayın.

3. Kalıp Alt Seal

  1. Sıcak pres kalıp ve conta malzeme koyun. First, alt baskı levhası üzerinde bir grafit levha merkezi paslanmaz çelik folyo bir yaprak ekleme ve paslanmaz çelik folyo üzerine kalıp yerleştirin. Kalıbın üstünde conta malzemesinin başka bir dizi (paslanmaz çelik daha sonra grafit) eklenir. (: Ikinci conta madde, bu aşamada üst kullanılabilir, ancak yeni bir conta malzemesi alt kullanılabilir gerekir.)
  2. Tablo 1'de gösterilen parametreleri kullanarak, sıcak pres sızdırmazlık programını başlatın. Bu program, kalıp öncü çözeltisi ile dolu olduğunda sızmasını sıvı ön-madde kimyasal önlemek için kalıbın alt kısmını kapatır.

4. Öncü olun Çözüm

TMOS dayalı olarak silis aerojelleri için tarifi, Tablo 3 'de gösterilmiştir. Solüsyonla isleme bir çeker ocak içinde gerçekleştirilir.

  1. 250 ml'lik bir cam kabın içine reaktif şişe, 17.0 ml toplam TMOS önce pipet tam bölünen miktarları, "ön-çözelti" etiketli.
  2. Dökmekyaklaşık 100 ml'lik bir cam kabın içine, metanol ve 250 ml'lik bir cam kabın içine 55,0 ml toplam metanol daha sonra pipet alikoları 'ön bileşik çözeltisi.' etiketli
  3. 250 ml'lik bir cam kaba 7.2 ml su 'DI su' etiketli 20 ml beher içine ve bu kabı pipetle bir miktar deiyonize su konur.
  4. Son olarak, 10 ml lik bir beher içine bir 1.5 M NH3 dökmek ve bu beher pipetten çözeltinin 270 ul 250 ml beher içine.
  5. Plastik parafin film ile beher Seal.
  6. Bu hidroliz, en az 5 dakika boyunca sonike ön bileşik çözeltisi ile gerçekleşir sağlamak için reaktif karıştırın. Önce, sonikasyon işlemine, iki sıvı ön-karışımı tabakaları bazen görebilir. Sonikasyon 5 dakika sonra, çözelti fazlı olarak görünmelidir. Aksi takdirde, ilave bir 5 dakika için karışımın sonikasyon.

5. Sıcak pres içinde kalıp içine öncü çözeltisi dökün

Kalıp sızdırmazlık programının sonunda sıcak pres baskı levhaları açılacaktır. Üst tarafı conta malzemesini çıkarın ve bir kenara koyun. Sıcak preste olduğu gibi, kalıbın alt tarafı kapalı kalır ve böylece kalıp bırakın.
  • Ön-madde çözeltisi ile tam olarak kalıbın Her çukurun doldurun. (Not: kalıp doldurma sonra kalan aerojel ön madde çözeltisi yaklaşık 10 ml olacak Bu atılır veya kserojeller yapmak için normal koşullar altında işlenebilir.).
  • Birinci ve üst sonra grafit paslanmaz çelik folyo kalıbın üstüne taze conta malzemesi koyun.
  • (Tablo 2'de) sıcak pres ekstraksiyon programını çalıştırın. Bu program, kalıp kapatan bir süper kritik duruma içeriğini ısıtır, süperkritik ekstraksiyon işlemi gerçekleştirilir ve daha sonra kalıp soğutur.
  • 6. Kalıptan çıkarın aerojeller

    1. Çıkarma işlemi tamamlandığında, sıcak basından kalıp ve conta malzemelerini çıkartın. Kalıptan üst conta malzemelerini çıkarın. Kenara bu ayarlayın.
    2. Yavaşça alt conta malzemesinden kalıp gevşetin.
    3. Dikkatlice sıkıca eldivenli parmak ile bir taraftan bunlar aracılığıyla iterek, bir anda kalıp, her bir aerojeli çıkarın.
    4. Aerojeller kalıptan çıkarılır, bu işlem tamamlanır.

    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

    Yekpare olarak silis aerojelleri tutarlı gruplar ile sonuçlanan burada anlatılan prosedür izlenerek. Şekil 4, bu işlem ile yapılan tipik olarak silis aerojelleri görüntülerini gösterir. Her bir aerojel büzüşmeden işlem kalıptaki kuyunun şekli ve boyutu alır. Görüntüler, silika aerojeller saydam olduğunu göstermektedir.

    Bu aerojellerin fiziksel özellikleri Tablo 4 de özetlenmiştir. Bunlar, düşük sıcaklık süper kritik çıkarma 21. Şekil 5, ön-madde kullanarak benzer tariflere göre üretilebilir olarak silis aerojelleri kişilerce karşılaştırılabilir kısa sürede 2010.The aerojeller içinde bir zirve ile gözenekli olan Micromeritics ile elde desorpsiyon izoterm BJH analizi ile elde edilen tipik bir gözenek dağılımı 20 nm yakın çapı gözenek.

    Adım # Sıcaklık Sıcaklık Oranı Kuvvet Kuvvet Oranı Yerde kalma süresi (dakika) Adım Süre (dakika)
    1 kapalı - 20.000 £
    (89 kN)
    K 600 lb / dak *
    (2.669 N / dak)
    10 10
    2 Sonu Adım

    Tablo 1.. Hot Press Kalıp Sızdırmazlık Program Ayarları.
    * Bu oran maksimum baskı oranını temsil

    Adım # Sıcaklık Sıcaklık Oranı Basın Gücü Kuvvet Oranı Yerde kalma süresi (dakika) Adım Süre (dakika)
    1 - Seal Kalıp 90 ° F
    (32 ° C)
    200 ° F / dak
    (111 ° C / dakika) *
    40.000 £
    (178 kN)
    £ 600,000 / dak
    (2.669 kN / dk) *
    2 2
    2 - Isı ve dengelenmesi 550 ° F
    (288 ° C)
    2 ° F / dak
    (1.1 ° C / dakika)
    40.000 £
    (178 kN)
    - 30 260
    3 - Özü ve dengelenmesi 550 ° F
    (288 ° C)
    - £ 1000
    (4.4 kN)
    £ 1000 / dak
    (4.4 kN / dakika)
    30 69
    4 - Cool Down 100 ° F
    (38 ° C)
    3 ° F / dak
    (1.7 ° C / dakika)
    £ 1000
    (4.4 kN)
    - 1 151
    5 - Finish Sonu Adım Toplam Süre: 482 dk
    (8 saat)

    Tablo 2.. Hot Press Ekstraksiyon Program Ayarları.
    * Bu oranlar maksimum basın oranlarını temsil

    Kimyasal Miktarı (mi)
    TMOS 17
    MeOH 55
    H 2 O 7.2
    1.5 M NH3 0.27

    Tablo 3. 80 ml ​​Silika Öncü Çözüm için tarifi.

    P roperty Tipik Değer
    Yoğunluk 0,1 g / cm 3
    İskelet Yoğunluk 1.9 g / cm 3
    BET yüzey alanı 560 m 2 / g
    Kümülatif Gözenek Hacmi 3.9 cm3 / g
    Ortalama Gözenek Çapı BJH Desorpsiyon 21 nm
    Ortalama BJH Adsorpsiyon Gözenek Çapı 27 nm

    Tablo 4. Silis aerojellerin özellikleri Rsce işlem ile hazırlanmıştır.

    Şekil 1
    Şekil 1. Sol-jel kurutma işleminin şematik.

    içerik "fo: keep-together.within-page =" Her zaman "> Şekil 2,
    . Rsce sürecinde kullanılan Şekil 2. Sıcak pres işleme parametreleri. (Not: sıcak pres bu birimlerde programlanmış çünkü İngiliz birimleri bu şekilde istihdam edilmektedir.)

    Şekil 3,
    Şekil 3,. Rsce işleminde kullanılan kalıbın şematik. Aerogels tüm kalıp yüksekliği (tüm ölçüler cm olarak ifade edilmiştir) geçen dokuz kuyu, her birinde meydana getirilir.

    oad/51421/51421fig4.jpg "/>
    Şekil 4,. Silis aerojellerin Görüntüsü Bu Rsce işlem ile hazırlanmıştır.

    Şekil 5,
    Şekil 5,. Tipik BJH gözenek dağılımı (desorpsiyon) Rsce ile hazırlanabilir silika aerojel için sonuçlanır.

    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

    Rsce yöntem bir otomatik ve basit bir işlem kullanılarak tek parça olarak silis aerojelleri tutarlı toplu üretir. Burada sunulan gibi bir yöntem sekiz saatlik bir işlem adımı gerektirir. Bu kadar az 3 saat 22 monolitik aerojel için ısıtma ve soğutma aşamaları hızlandırmak mümkündür, ancak bir 8 saat prosedür kullanıldığında, aerojel yekpare daha tutarlı bir toplu sonuçlanır. Işlem parametreleri küçük varyasyonlar süreç 22 sağlam olduğunu gösteren aerojel elde edilen fiziksel özelliklerini etkilemez.

    Burada kullanılan öncü tarifi monolitik silika aerojelleri sonuçlanır, ancak, hızlı süperkritik ekstraksiyon işlemi değişen uygulamalar için hidrofobik silika aerojelleri 23 (dahil olmak üzere potansiyel geniş bir kullanım yelpazesi için aerojellerin 20 diğer türleri çeşitli yapmak için istihdam edilebilir kimyasal sızıntısı gelişmiş günışığı için temizleme), titanyum ve titanyum-si(katalizi uygulamaları için) Lica (fotokataliz için) 24 Aerojellerin ve alüminyum ve alüminyum oksit esaslı bir aerojeller 25,26. Bu işlem için kalıbın kuyularda bu çalışmada olduğu gibi bir sıvı ön-karışım, ya da daha önceden hazırlanmış bir ıslak jel 26 yerleştirmek mümkündür. Ana sınırlama, sol-jel matrisinin oluşumunda rol oynayan kimyasal özütleme işleminde kullanılan sıcaklıklarda metal kalıp veya conta malzemesi ile reaksiyona girmeyen ya da olmasıdır. Buna ek olarak, aerojel gözenekleri içinde çözücünün ya da çözücü karışımının süper kritik noktası sıcak pres işlemi sırasında aşılması sağlamak için gereklidir.

    Bununla birlikte, eklenen kimyasallar gerekir, aerojeller ön-madde karışımı içinde saf çözücünün yerine metanol veya su içinde takviye molekülün bir çözelti ile (. Örneğin et al 27 Plata olarak sensörler için) başka bir kimyasal katkılı olabilir max termal olarak kararlıImum sıcaklık Rsce işleme hayatta kalmak için sıcak pres programında istihdam.

    Union Rsce işlemi kullanırken, sıkıştırma kuvveti uygun miktarda temin etmek önemlidir. Farklı büyüklükte ve şekilli kalıplar kullanılabilir, ancak sıcak pres ile bir sıkıştırma kuvveti ile uygun şekilde 28 ayarlanması gerekir. Kuvvet çok düşük ise, daha sonra çözücü bir alt kritik delik ve ıslak jel kalıp içinde küçülecektir. Kuvvet çok yüksekse, o zaman aşırı basınç, kalıp içinde oluşturmak ve aerojel ekstre üzerine yok edilecektir. Maksimum boyut aerojel sıcak presin en fazla sıkıştırma kuvveti ile sınırlıdır. 24 ton sıcak pres ile, 7.6 cm x 7.6 cm x 1.3 cm kadar büyük yekpare hazırladık. Roth et al. 28 uygun işlem koşulları hakkında daha fazla bilgi sağlar.

    Bu protokolde kullanılan azami sıcaklık de kritik sıcaklığı üzerinde 288 ° C, olupmetanol erature (240 ° C), ancak suyun süper kritik sıcaklığının altında (374 ° C). Bu çözücü karışımının süper kritik nokta aşmak için maksimum sıcaklık arttı böylece ıslak jel muhtemelen bazı su içerir. Bu, gerekirse daha düşük bir maksimum sıcaklık (~ 250 ° C) ısıtmak mümkündür, bu sıcak pres ile ekstre etme programı Protokolü 2 daha uzun bir kalma süresi (~ 60 dakika) yapılır, ancak, (bakınız Tablo 2) önerilmektedir bu kalıp ve ıslak jel sağlamak için yeteri kadar yüksek bir sıcaklığa ulaşır.

    Işlem adımları sürekli olarak saydam yekpare üreten değil ise, o zaman (Anderson, et al. 22 veya Roth et al. 28 gibi) sıcaklık ve basınç sensörleri ile donatılmış bir aletli kalıp kullanımı kalıp içi koşullar teyit etmek için tavsiye edilir. Aerojeli monolitleri normalden daha cloudier olduğu gözlenirse, katalizör çözeltisi taze bir parti hazırlamak düşünün. Zamanla, 1.5 M amonyak çözeltisi nedeniyle atmosferik CO 2 ile amonyağın reaksiyonu daha az konsantre olabilir. Amonyak katalizörün düşük konsantrasyon çözeltisi daha jelleşme zamanı ile sonuçlanır, ancak jelleşme sıcak preste kalıp içinde meydana geldiğinde, bu görsel olarak belirgin değildir.

    Bu metal blok içinden tamamen gitmek kuyucuklu bir kalıbı kullanın. Bu tür bir kalıp işlem sonrası sağlam yekpare aerojellerin kolay çıkarılması için izin verir, aynı zamanda her bir katı, düz bir taban kısmına sahip olan bir kalıp makinesi daha kolaydır. Bu kalıp tasarımın bir dezavantajı, kalıp doğru Prosedürün Protokol 3 sızdırmaz değilse, sıvı ön-maddeleri daha düşük bir sıcak pres baskı levhası üzerine kalıbın altından sızıntısı olacaktır. Bu sağlam monolitik aerojel elde etmek için arzu edilen uygulamasında önemli olmadığında, kapalı alt-kuyucuklu bir kalıp kullanılabilir. Bu durumda, yekpare halen kalıp formu, ancak çünkü büzülme eksikliği doyurmayamatris bir kalıptan kaldırmak için aerojeller kırmak olacaktır.

    Özet olarak, aerojel üretim için Union College hızlı süperkritik özütleme yöntemi birçok avantajı vardır. Bu hızlı: Burada açıklanan protokol sekiz saat içinde yüksek kaliteli silis aerojeli monolitten sonuçlanır. Bu maliyet-etkin çözücü alışverişini gerektiren diğer aerojeli imalat yöntemlerine göre daha çevre dostu ve potansiyel olarak daha: Rsce yöntemi emek-yoğun değil, aerojellerin toplu başına hazırlık süresi en az 20 dakika gerektiren ve az solvent atık üretir. Son olarak, bu Rsce yöntem otomasyon ve ölçek-up için söz vardır: Hidrolik sıcak presler tezgah üstü modelleri üretim hattı ekipmanları, çeşitli boyutlarda gelir.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Yazarlar, hiçbir rakip mali çıkarlarını olmadığını beyan ederim.

    Acknowledgments

    Yazarlar taslak prosedürü test etmek için, aerojel malzemelerin fiziksel karakterizasyonu için lisans öğrencileri Lutao Xie'yi, ve Aude BECHU teşekkür ederim. Biz paslanmaz çelik kalıp işleme için Union College Mühendisliği Laboratuvarı minnettarız. Union College AEROJEL Laboratuvarı, Ulusal Bilim Vakfı (NSF MRG CTS-0216153, NSF RUI CHE-0514527, NSF MR CMMI-0722842, NSF RUI CHE-0847901, NSF RUI DMR-1206631 ve NSF MR CBET hibe tarafından finanse edilmiştir -1228851). Bu malzeme, Bağış No CSH-0847901 altında NSF tarafından desteklenen çalışma dayanır.

    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).
    Bir Rapid Süperkritik Ekstraksiyon Yöntemi ile Silika AEROJEL Monoliths hazırlanıyor
    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