Waiting
Login processing...

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

Engineering

Эстетически улучшенный аэрогель кремнезема с помощью лазерного травления и красителей

Published: March 12, 2021 doi: 10.3791/61986
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Mechanical Engineering, Union College, 2Department of Chemistry, Union College

Summary

Этот протокол описывает способ травления текста, узоров и изображений на поверхности монолитов аэрогеля кремнезема в нативной и окрашенной форме и сборки аэрогелей в мозаичные конструкции.

Abstract

В данной рукописи описана процедура эстетического усиления монолитов аэрогеля кремнезема методом лазерного травления и включения красителей. Используя быстрый сверхкритический метод экстракции, большой монолит аэрогеля кремнезема (10 см х 11 см х 1,5 см) может быть изготовлен примерно за 10 ч. Красители, включенные в смесь прекурсоров, приводят к получению аэрогелей желтого, розового и оранжевого оттенка. Текст, узоры и изображения могут быть выгравированы на поверхности (или поверхностях) аэрогелевого монолита без повреждения объемной структуры. Лазерный гравер можно использовать для вырезания фигур из аэрогеля и формирования красочных мозаик.

Introduction

Аэрогель кремнезема представляет собой нанопористый, с высокой площадью поверхности, акустически изоляционный материал с низкой теплопроводностью, который может быть использован в ряде применений от сбора космической пыли до строительного изоляционного материала1,2. При изготовлении в монолитном виде аэрогели кремнезема являются полупрозрачными и могут быть использованы для изготовления высокоизоляционных окон3,4,5.

Недавно мы продемонстрировали, что можно изменить внешний вид аэрогеля кремнезема путем травления или разрезания поверхности с помощью системы лазерной гравировки6,7, не вызывая объемного структурного повреждения аэрогеля. Это может быть полезно для создания эстетических улучшений, печати инвентарной информации и обработки аэрогелевых монолитов в различные формы. Было показано, что фемтосекундные лазеры работают для грубой «микрообработки» аэрогелей8,9,10,11; однако текущий протокол демонстрирует возможность изменения поверхности аэрогелей с помощью простой системы лазерной гравировки. В результате этот протокол широко применим к художественному и техническому сообществам.

Также возможно включение красителей в смесь химических прекурсоров аэрогеля и тем самым изготовление аэрогелей, легированных красителем, с различными оттенками. Этот метод был использован для изготовления химических датчиков12,13,для улучшения обнаруженияЦеренкова 14,и по чисто эстетическим соображениям. Здесь мы демонстрируем использование красителей и лазерного травления для приготовления эстетически приятных аэрогелей.

В следующем разделе мы описываем процедуры изготовления больших монолитов аэрогеля кремнезема, изменение процедуры подготовки монолита для включения красителей, травления текста, узоров и изображений на поверхности аэрогелевого монолита и вырезания форм из больших окрашенных монолитов для сборки в мозаику.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Защитные очки или очки следует носить при приготовлении растворов-предшественников аэрогеля, работе с горячим прессом и использовании системы лазерной гравировки. Лабораторные перчатки следует надевать при очистке и подготовке формы, приготовлении раствора химического реагента, заливке раствора в форму в горячем прессе и обработке аэрогеля. Прочитайте паспорта безопасности (SDS) для всех химических веществ, включая растворители, перед работой с ними. Тетраметилортосиликат (ТМОС), метанол и концентрированный аммиак, а также растворы, содержащие эти реагенты, должны обрабатываться в вытяжном капюшоне. Красители могут быть токсичными и /или канцерогенными, поэтому важно использовать соответствующие средства индивидуальной защиты (см. SDS). Как отмечалось в нашем предыдущем протоколе15,защитное ограждение должно быть установлено вокруг горячего пресса; горячий пресс должен быть надлежащим образом вентилирован, а источники зажигания должны быть удалены. Перед использованием лазерного гравера убедитесь, что вакуумная выхлопная система работает.

1. Получение или изготовление аэрогелевого монолита

ПРИМЕЧАНИЕ: Способы изготовления аэрогелевого монолита размером 10 см х 11 см х 1,5 см в содержащейся металлической форме методом быстрой сверхкритической экстракции (RSCE)15,16,17,18 описаны здесь. Этот процесс RSCE удаляет смесь растворителей из пор кремнеземной матрицы, не вызывая структурного коллапса. Поскольку смесь прекурсоров заполняет форму, этот метод предполагает сверхкритическую экстракцию значительно меньшего объема спирта (в данном случае метанола), чем другие высокотемпературные методы сверхкритической экстракции спирта. Аэрогели, полученные с использованием этого метода, имеют плотность приблизительно 0,09 г/мл и площадь поверхности около 500м2/г. Для травления монолит может быть любого размера, достаточно большого для травления и приготовления любым подходящим методом (например, сверхкритическая экстракция CO2, сублимационная сушка, сушка в окружающей среде). Для окрашенных аэрогелей эти другие способы могут быть не такими подходящими, поскольку краситель может выщелачиваться на этапах обмена растворителем. При использовании монолита, полученного из другого источника, перейдите к шагу 2.

  1. Подготовьте форму
    ПРИМЕЧАНИЕ: Все приготовления раствора следует выполнять в вытяжном капюшоне в перчатках и защитных очках.
    1. Получите трехкомплектную (4140-легированную) стальную форму, состоящую из верхней, средней и нижней части с наружными размерами 15,24 см х 14 см и полостью 10 см х 11 см в центре (см. Рисунок 1). Верхняя часть формы имеет четырнадцать вентиляционных отверстий размером 0,08 см, по семь с каждой стороны. Эта сборка пресс-формы будет производить аэрогель 10 см х 11 см х 1,5 см.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Может использоваться форма разного размера; однако параметры необходимо будет скорректировать, как описано в Roth, Anderson, and Carroll20.
    2. Используйте разбавленое мыло и губку грубой текстуры, чтобы очистить и очистить верхнюю, среднюю и нижнюю часть формы. Высушите все части формы с помощью чистого бумажного полотенца.
    3. Налейте 20 мл ацетона в 50 мл или более. Окуните одноразовую чистящую салфетку в ацетон и протрите форму, используя новую чистящую салфетку для каждой детали. Повторяйте до тех пор, пока очищающая салфетка не появится чистой после протирания.
    4. Слегка отшлифуйте все поверхности наждачной наждачной наждачкой на 2000 зернистости до тех пор, пока форма не будет гладкой на ощупь и все остатки от предыдущих применений не будут удалены. Обратите особое внимание на внутреннюю часть средней формы, где образуется аэрогель.
    5. Пропускайте сжатый воздух через вентиляционные отверстия в верхней части пресс-формы, чтобы очистить их.
    6. Выдавите приблизительно 2,4 мл высоковакуумной смазки и вручную нанесите толстый, ровный, 1-2 мм слой смазки на всю (26 мм) верхнюю соединительную поверхность нижней формы (см. Рисунок 1).
    7. Выдавите приблизительно 1,0 мл высоковакуумной смазки и вручную нанесите толстый, даже 1-2 мм слой смазки на внешнюю половину (13 мм) нижней соединительной поверхности верхней формы (см. Рисунок 1).
    8. Выдавить примерно 0,5 мл высоковакуумной смазки и вручную нанести тонкий (менее 0,5 мм) ровный слой смазки на внутренние поверхности верхней и нижней формы (те поверхности, которые будут контактировать с раствором предшественника и полученным аэрогелем, см. Рисунок 1).
    9. Протрите излишки жира одноразовой чистящей салфеткой до тех пор, пока поверхность не сяденется гладкой и не будет ощущаться липкость от жира.
    10. Выдавите примерно 0,5 мл высоковакуумной смазки и вручную нанесите тонкий (менее 0,5 мм) ровный слой смазки на внутреннюю поверхность средней формы (см. Рисунок 1). Не вытирайте лишнюю смазку.
    11. Поместите среднюю часть формы поверх нижней части формы. Используйте резиновый молоток, покрытый одноразовыми чистящими салфетками (для защиты поверхности формы) и аккуратно вбивайте среднюю часть в нижнюю часть, пока все стороны не будут равномерно запечатаны.
    12. Используя два куска фольги из нержавеющей стали толщиной 0,0005 дюйма (0,0127 мм) толщиной 16 см х 15 см и кусок гибкого графитового листа толщиной 0,0625 дюйма (1,59 мм) толщиной 16 см х 15 см, сделайте нижнюю прокладку, состоящую из графита, зажатого между двумя слоями фольги из нержавеющей стали. Сделайте аналогичную прокладку для верхней части формы.
    13. Поместите нижнюю прокладку на нижнюю плиту горячего пресса, а затем поместите собранные средние и нижние части формы поверх прокладки (см. Рисунок 2). Убедитесь, что пресс-форма находится в центре плиты горячего пресса, и используйте горячий пресс для применения силы 90 кН к пресс-форме в течение примерно 5 минут, чтобы запечатать две части.
    14. Снимите форму с горячего пресса. Используйте одноразовую чистящую салфетку для удаления лишней смазки, которая, возможно, выдавилась между средним и нижним кусками. Убедитесь, что на внутренней поверхности формы нет мусора.
  2. Приготовление смеси предшественников аэрогеля
    ПРИМЕЧАНИЕ: Этот рецепт предназначен для аэрогеля кремнезема на основе ТМОС, который может быть изготовлен в пресс-форме, описанной выше в разделе 1.1. Любой подходящий рецепт аэрогеля кремнезема может быть использован до тех пор, пока гелеобразование рецепта предшественника занимает более 15 минут, но менее 120 минут при комнатной температуре (см., например, Estok et al.19 для подходящего рецепта RSCE на основе тетраэтилортосиликата). Аэрогели могут быть получены в нативном (этап 1.2.1) или окрашенном виде (этап 1.2.2). Все работы по приготовлению раствора выполняются в вытяжном капюшоне с использованием перчаток и защитных защитных защитных точек.
    1. Нативные аэрогели
      1. Соберите следующие реагенты: ТМОС, метанол, деионизированную воду и 1,5 М аммиака.
      2. Используйте аналитические весы для измерения 34,28 г TMOS в чистый 250 мл мусор. Вылейте измеренный ТМОС в чистый 600 мл замок и накройте парафиновой пленкой.
      3. Используйте аналитические весы для измерения 85,76 г метанола в другой 250 мл. Вылейте измеренный метанол в 600 мл, содержащий ТМОС, и накройте парафиновой пленкой.
      4. Измерьте 14,14 г деионизированной воды в 50 мл с помощью аналитических весов. Используйте микропипетку, чтобы добавить 1,05 мл 1,5 М аммиака в воду в мукере. Осторожно перемешать.
      5. В 600 мл вылейте смесь воды и аммиака с оставшимися реагентами и залейте парафиновой пленкой. Поместите бикер в ультразвук и обливайте ультразвуком в течение 5 мин.
    2. Аэрогели, легированные красителем
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если используется другая процедура, которая включает обмен растворителями, значительное количество красителя будет вымываться во время обмена; следовательно, цвета полученных аэрогелей не будут такими яркими, как представленные здесь.
      1. Соберите следующие реагенты: тетраметилортосиликат (ТМОС), метанол, деионизированную воду, 1,5 М аммиака и подходящий краситель.
      2. Используйте аналитические весы для измерения 34,28 г TMOS в чистый 250 мл мусор. Вылейте измеренный ТМОС в чистый 600 мл замок и накройте парафиновой пленкой.
      3. Используйте аналитические весы для измерения 42,88 г метанола в 250 мл. Вылейте измеренный метанол в 600 мл, содержащий ТМОС, и накройте парафиновой пленкой. Используйте аналитические весы для измерения еще 42,88 г метанола в 250 мл.
      4. Используйте аналитические весы для измерения 0,050 г флуоресцеина (для получения аэрогеля с желтым оттенком) или 0,042 г родамина B (для получения аэрогеля с розовым оттенком) или 0,067 г родамина 6 г (для получения аэрогеля с оранжевым оттенком) в 10 мл. Добавьте краситель в 250 мл, содержащий метанол, и осторожно перемешайте до растворения.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Эти инструкции предназначены для аэрогелей, используемых в примере мозаичного дизайна; концентрация красителя может быть изменена для изменения глубины цвета в полученном аэрогеле (см. табл. 1).
      5. Вылейте раствор красителя в 600 мл, содержащий ТМОС, и закройте парафиновой пленкой.
      6. Измерьте 14,14 г деионизированной воды в 50 мл с помощью аналитических весов. Используйте микропипетку, чтобы добавить 1,05 мл 1,5 М аммиака в воду в мукере.
      7. В 600 мл вылейте смесь воды и аммиака с оставшимися реагентами и залейте парафиновой пленкой. Поместите бикер в ультразвук и обливайте ультразвуком в течение 5 мин.
  3. Выполнение быстрого сверхкритического извлечения
    ПРИМЕЧАНИЕ: В этой процедуре используется 30-тонный программируемый горячий пресс, оснащенный защитным экраном. Перчатки и защитные очки следует носить.
    1. Программа экстракции горячего пресса с параметрами, указанными в таблице 2. Параметры устанавливаются для приготовления аэрогеля 10 см х 11 см х 1,5 см в пресс-форме, описанной на этапе 1.1.1. Если используется форма другого размера, параметры необходимо будет отрегулировать, как описано в Roth, Anderson и Carroll20.
    2. Поместите среднюю /нижнюю форму в сборе обратно на верхнюю часть нижней прокладки в горячем прессе. Убедитесь, что пресс-форма помещена в центр плиты горячего пресса (см. рисунок 2).
    3. Вылейте раствор предшественника аэрогеля (нативный или содержащий краситель) в форму до тех пор, пока раствор не будет на высоте ~2 мм от вершины. Это гарантирует, что форма будет полностью заполнена раствором предшественника при добавлении верхнего куска формы. В мукере останется примерно 10 мл смеси, которую можно выбросить или дать гелеобразить при комнатной температуре.
    4. Аккуратно поместите верхнюю часть пресс-формы в положение на среднем/нижнем узеле пресс-формы. Избыток раствора может выйти из вентиляционных отверстий в верхней части формы, поскольку он помещается на среднюю форму. Протрите раствор одноразовой чистящей салфеткой.
    5. Поместите одноразовые чистящие салфетки поверх формы, чтобы защитить поверхность формы. Используйте резиновый молоток, чтобы слегка постучать по верхней форме, пока она не будет равномерно запечатана с каждой стороны.
    6. Поместите верхнюю прокладку поверх собранной формы; закройте защитную защитную защитную защитную кожу и запустите программу горячего прессовития. Смесь предшественников гелев по мере нагрева системы. Весь процесс займет 10,25 ч для завершения аэрогеля такого размера.
  4. Удаление аэрогелевого монолита из плесени
    ПРИМЕЧАНИЕ: Перчатки следует носить при обращении с аэрогелем монолита.
    1. Когда процесс экстракции будет завершен, откройте защитный экран, удалите форму и поместите ее на чистую рабочую поверхность.
    2. Вставьте отвертку с плоской головкой в полость между верхней и средней формой (см. Рисунок 1). Поместите руку в перчатке на заднюю сторону формы и надавитесь на отвертку, чтобы разделить верхнюю и среднюю части формы.
    3. После того, как уплотнение сломано, повторите шаг 1.4.2, обхвя края формы, одновременно толкая отвертку вниз, чтобы освободить верхнюю часть формы. Поместите руку в перчатке туда, где это необходимо, чтобы удерживать форму при ее открытии.
    4. Когда все стороны верхней формы будут свободны от средней формы, удалите верхнюю форму. Поместите верхнюю форму в сторону.
    5. Получите контейнер с крышкой, достаточно большой, чтобы вместить аэрогель; снимите крышку и поместите нижнюю часть контейнера вверх ногами поверх средней формы с выровненной емкостью контейнера и полостью формы. Перевернуть форму вверх дном; аэрогель следует осторожно опустить в контейнер.
    6. Наложите крышку обратно на контейнер, чтобы защитить аэрогель. Аэрогель можно хранить бесконечно перед выполнением любого травления или резки.

2. Подготовьте файл печати лазерного гравера

ПРИМЕЧАНИЕ: На аэрогеле можно печатать текст, узоры и изображения. Можно использовать любую подходящую программу для рисования. Изображения интерпретируются в оттенках серого. Лазерный гравер будет сбликатировать поверхность аэрогеля в местах, где есть текст или рисунок, и изменяет плотность лазерного импульса для достижения значений шкалы серого. Травление происходит в местах, где напечатанное изображение не является белым. Травление не происходит там, где изображение белое. Отдельные инструкции включены для текстовых файлов, файлов шаблонов или изображений. Все три могут быть объединены в один файл при желании6.

  1. Текстовые файлы
    1. Откройте приложение для рисования и запустите новый документ. Добавьте нужный текст любого размера, обтекаемости и стиля непосредственно в документ.
    2. Сохраните файл.
  2. Файлы шаблонов
    1. Откройте приложение для рисования и запустите новый документ.
    2. Добавляйте линии и фигуры непосредственно в документ, используя требуемую обтекаемую линию.
    3. Чтобы создать мозаичный узор, который будет вырезан из (а не выгравирован) аэрогелевого монолита, используйте формы и линии на панели инструментов и установите всю ширину линий на линию волоса. Пример мозаичного узора см. на рисунке 3.
    4. Сохраните файл.
  3. Файлы изображений
    1. Выберите изображение и используйте любую программу обработки изображений для редактирования.
    2. Используйте программное обеспечение для обработки изображений, чтобы удалить небелые участки, которые не должны быть напечатаны с изображения. Пример этого см. на рисунке 4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Травление происходит в любом небелом месте.
    3. Преобразуйте изображение в оттенки серого для визуального указания того, как будет выглядеть вытравленное изображение, и отрегулируйте контраст между оттенками изображения, пока не убедитесь, что существует достаточная контрастность для отображения желаемых признаков (см. Рисунок 4).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимый уровень контрастности будет зависеть от количества деталей на изображении, которые пользователь желает вытравить на аэрогеле. Программа рисования должна предоставлять рекомендации, но пользователю может потребоваться экспериментировать с различными уровнями контрастности для достижения желаемого результата.
    4. Откройте приложение для рисования и запустите новый документ. Загрузите изображение в программу рисования.
    5. Сохраните файл.

3. Процедура травления

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие инструкции предназначены для лазерного гравера/резака CO2 мощностью 50 Вт, но могут быть модифицированы для использования с другими системами. Эта система регулирует скорость и энергетические свойства в процентах от 0% до 100%. Соответствующие свойства лазерного гравера приведены в таблице 3. Для вентиляции лазерного гравера следует использовать вакуумную выхлопную систему. Используйте перчатки при работе с аэрогелем монолита.

  1. Включите лазерный гравер, вакуумную выхлопную систему и подключенный компьютер.
  2. Измерьте размер поверхности аэрогеля монолита, которая будет вытравлена (в примере выше размер составляет 10 см х 11 см).
  3. Запустите программу рисования и откройте ранее сохраненный файл (из шага 2.1, 2.2 или 2.3). Установите размер документа в соответствии с измеренным размером монолита аэрогеля.
  4. Откройте крышку лазерного гравера. С помощью руки в перчатке поместите аэрогель (нативный или окрашенный) на платформу лазерного гравера, как показано на рисунке 5. Выровняйте аэрогель в левом верхнем углу так, чтобы аэрогель касался верхней и левой линеек.
  5. Возьмите V-образный магнит ручного фокусомера, прикрепленный к лазеру, и переверните его вверх дном. Нажмите Фокус на лазерном гравере.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за прозрачности монолита аэрогеля кремнезема необходимо вручную устанавливать параметры фокусировки для травления. Не используйте автофокус.
  6. Поместите одноразовую чистящую салфетку поверх аэрогелевого монолита, чтобы защитить его. Используя стрелку вверх на панели управления лазерным гравером, перемещайте платформу лазерного гравера до тех пор, пока нижняя часть ручного фокусировки не коснется аэрогеля.
  7. Снимите одноразовую чистящую салфетку и верните датчик в исходное положение. Закройте крышку лазерного гравера.
  8. В программе рисования щелкните Файл, а затем Печать. Выберите программу рисования в качестве места печати и откройте окно Свойства.
  9. Отрегулируйте свойства, выбрав растровый режим: DPI 600, скорость 100% (208 см/с) и мощность 55% (27,5 Вт). Убедитесь, что размер куска соответствует измеренной величине монолита аэрогеля. Нажмите кнопку Применить, а затем Печать.
  10. На передней панели лазерного гравера нажмите Job и выберите соответствующее имя файла. Нажмите кнопку Перейти.
  11. Когда лазерный гравер закончит работу, нажмите кнопку «Фокус» и используйте стрелку вниз на передней панели управления лазером, чтобы опустить основание. Рукой в перчатке аккуратно извлеките аэрогель с платформы лазерного гравера и поместите его обратно в контейнер.
  12. Очистите задание от лазерного гравера, нажав на кнопку Корзина. Выключите лазерный гравер и пропылесосьте.

4. Процедура резки

  1. Включите лазерный гравер, вакуумную выхлопную систему и подключенный компьютер.
  2. Измерьте размер поверхности аэрогеля монолита, которая будет разрезана (в приведенном выше примере размер составляет 10 см х 11 см).
  3. Для общей резки откройте программу рисования и запустите новый документ. Введите размеры документа/куска, чтобы соотнести их с измеренным размером монолита аэрогеля.
  4. Используйте инструменты в программе рисования, чтобы создать фигуру или линию, которая будет вырезана с использованием ширины линии «волосяной линии». Найдите форму/линию в соответствии с нужным местом разреза на аэрогеле.
  5. Для мозаичных узоров импортируйте ранее сохраненный файл (из шага 2.2) и отрегулируйте размер в соответствии с размером аэрогелевого монолита.
  6. Получите лист фольги из нержавеющей стали толщиной 0,0005 дюйма (0,0127 мм), достаточно большой, чтобы покрыть основание аэрогелевого монолита. С помощью чистящей салфетки очистите нержавеющую сталь ацетоном.
  7. Откройте крышку лазерного гравера, поместите фольгу из нержавеющей стали на платформу лазерного гравера, чтобы предотвратить обесцвечивание аэрогеля на платформе во время резки, и поместите монолит аэрогеля поверх фольги. Выровняйте аэрогель и фольгу из нержавеющей стали в левом верхнем углу с аэрогелем, касающимся верхней и левой линеек.
  8. Выполните шаги 3.5-3.8 из процедуры травления выше.
  9. Настройка свойств печати. Выберите векторный режим: DPI 600, скорость 3% (0,27 см/с), мощность 90% (45 Вт) и частота 1000 Гц. Убедитесь, что размер куска соответствует измеренной величине аэрогеля. Глубина разреза будет варьироваться в зависимости от скорости лазера. См. таблицу 4 и рисунок 6.
  10. Выполните шаги 3.10-3.12 из процедуры травления.
  11. Небольшие кусочки абляции аэрогеля будут оставлены на лицевой стороне монолита, который контактировал с лазером, как показано на рисунке 7. Чтобы удалить частицы, используйте пенную щетку и аккуратно протрите кусочки.

5. Изготовление аэрогелевых мозаик

  1. Чтобы получить трехцветную мозаику, приготовьте три разных монолита одинаковой толщины, но с разными красителями. (Также можно получить мозаику с тремя различными оттенками, используя разные монолиты одинаковой толщины, но с различными концентрациями одного и того же красителя, или включить нативный аэрогель с окрашенным аэрогелем в мозаичные узоры.)
  2. Используйте процедуру резки в разделе 4 с мозаичным дизайном из раздела 2.2, чтобы разрезать мозаичные узоры на три разных цветных аэрогеля одинаковой толщины.
  3. Поместите разрезанные цветные аэрогели на ровную, чистую поверхность.
  4. Аккуратно разберите каждый одноцветный аэрогель и отделите компоненты разрезанной конструкции с помощью пинцета или острого ножа, чтобы облегчить разделение и предотвратить поломку.
  5. Аккуратно смажьте стороны каждой формы поролоновой щеткой, чтобы удалить лишние белые частицы, оставленные процедурой лазерной резки.
  6. Обменивайтесь одинаковыми формами с разными цветами для получения разноцветной мозаики(рисунок 8)и собирайте вырезанные фигуры, сжимая их вместе, чтобы сформировать полную мозаичную плитку, которую можно поместить в стеклянную раму.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Этот протокол может быть использован для подготовки широкого спектра эстетически приятных аэрогелевых монолитов для применений, включая, но не ограничиваясь, искусством и устойчивым дизайном зданий. Включение в смесь предшественников небольших количеств красителя, используемого здесь, только наблюдается для воздействия на цвет полученного аэрогелевого монолита; изменения других оптических или структурных свойств не наблюдаются.

На рисунке 8 показан подход к приготовлению аэрогелевой мозаики из крупных монолитов кремнезема. Один и тот же рисунок (показан на рисунке 3)разрезан на три различных окрашенных аэрогелевыхмонолита (рисунок 8a-c). Затем части аэрогеля собираются в мозаичный узор(рисунок 8d-e). Для подготовки мозаичного окна аэрогелевая мозаика может быть зажата между двумя стеклами или прозрачным пластиком в рамном сборе. Использование компрессионной рамы устранит зазоры между повторно собранными частями в окончательной мозаичной сборке.

Можно травить конструкции на небольших монолитных кусках, следуя той же процедуре, описанной в разделе 3, чтобы получить визуально интересные композиции. На рисунке 9 представлены изображения окрашенных, травленых аэрогелевых деталей при естественном освещении(рисунок 9a)и под ультрафиолетовым светом(рисунок 9b),подчеркивая флуоресцентную природу используемых здесь красителей. Обратите внимание, что небольшие монолиты неправильного размера и формы использовались для иллюстрации возможности травления на более мелких кусках; процесс травления не заставил их сломаться.

На фиг.10 представлен монтаж травленых аэрогелей, иллюстрирующих различные эстетические эффекты, которые могут быть достигнуты с помощью этого протокола: нативные аэрогели, выгравированные узорами различной плотности(Рисунок 10a-c),аэрогели с фотографиями, напечатанными на передней поверхности плоской поверхности(Рисунок 10d)и передней и задней части изогнутой поверхности(Рисунок 10e),а также травленый флуоресцеиновый аэрогель(Рисунок 10f) ). Монтаж иллюстрирует универсальность процессов травления и окрашивания.

Травление приводит к изменениям поверхности аэрогеля, но визуальное наблюдение, визуализация и анализ BET показывают, что он оставляет объемную структуру нетронутой6,7. Фотографии на рисунке 5, рисунке 6, рисунке 7, рисунке 8, рисунке 9 иллюстрируют, что невырванные части монолита невредимы. Локализованные повреждения, вызванные травлением, могут быть сфображены. На рисунке 11 показаны изображения травленого аэрогеля кремнезема (SEM) сканирующего электронного микроскопа (SEM). На рисунке 11а показан интерфейс между вытравленными «линиями» (верхняя правая часть изображения, с признаками в паттерне венации) и нетравным нанопористым аэрогелем (который при этом увеличении выглядит почти гладким). Травление вызывает абляцию материала с поверхности и плавление части кремнезема в нитевидные структуры длиной в сотни мкм длиной7. На фиг.11b показано действие одного лазерного импульса в аэрогеле.

Краситель и структура Температура плавления (°C) Массовое соотношение (краситель/метанол) в стоковой растворе Изображения результирующих аэрогелей

Флуоресцеин
Image 1 		315 0,05% г/г Image 3

Родамин B
Image 2 		165 0,075% г/г Image 4

Родамин 6G
Image 3 		290 0,16% г/г Image 5

Таблица 1: Информация о красителях. Информация о красителях, используемых для изготовления аэрогелей желтого, розового и оранжевого оттенка, и репрезентативных изображений. Различные оттенки достигаются путем разбавления смеси метанола/красителя дополнительным метанолом (как описано на этапе 1.2.2.4) перед использованием в смеси прекурсоров. Изображения показаны для материалов, приготовленных с 0-кратным разбавлением (стоковый раствор, показанный слева), 2-кратным разбавлением (50% метанола/красителя + 50% метанола, показанным в центре) и 6,67-кратным разбавлением (15% метанола/красителя + 85% метанола, показанного справа).

Шаг Температура (°F, °C) T-скорость (°F/мин, °C/мин) Усилие (Кип, кН) F-Rate (кип /мин, кН / мин) Двелл (мин) Продолжительность шага (мин)
1 90, 32 200, 111 55, 245 600, 2700 30 30
2 550, 288 2, 1.1 55, 245 -- 55 285
3 550, 288 -- 1, 4.5 1, 4.5 15 70
4 90, 32 2, 1.1 1, 4.5 -- 0 230

Таблица 2: Параметры горячего пресса.

Параметр Значения
Максимальная скорость 8,9 см/с (векторный режим)
208 см/с (растровый режим)
Максимальная мощность 50 Вт
Диапазон частот 1 - 5000 Гц
Разрешение печати 75 - 1200 то же время

Таблица 3: Свойства лазерного гравера.

Скорость (см/с) Глубина реза (мм)
0.27 12.8
0.45 12.2
0.71 10.4
0.89 10.2
1.78 7
2.67 6.2
3.56 5.2
4.45 4.6
5.34 4.3
6.23 3.7
7.12 3.4
8.01 2.8
8.9 3

Таблица 4: Глубина лазерного разреза в функции скорости лазерной головки для лазерной мощности 100% (50 Вт) и частоты 500 Гц, прорезающей образец аэрогеля толщиной 12,7 мм.

Figure 1
Рисунок 1: Mстарая сборка. Схемы(a)верхнего (с четырнадцатью вентиляционными отверстиями),(b)среднего и(c)нижнего узла пресс-формы. Синяя поверхность(d)указывает на соединительную поверхность нижней части (аналогичная существует на верхней поверхности), а небелые поверхности(e)указывают на внутренние поверхности средней и нижней формы (аналогичная существует на верхней поверхности). Трехкомпостивная форма используется для облегчения удаления аэрогеля, если это необходимо. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2:Схема, показывающая размещение пресс-формы в горячем прессе. (a)Плиты для горячего пресса,(b)графитовая прокладка,(c)фольга из нержавеющей стали,(d)3-компонентная форма. ПРИМЕЧАНИЕ: Кусок фольги из нержавеющей стали может быть помещен между плитой и графитовой прокладкой для предотвращения прилипания к плите, как описано на этапе 1.1.12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3:Пример построения мозаичного дизайна. (a) квадратный контур создан, (b) диагональные линии добавлены, (c) круг добавлен, (d) внутренние диагональные линии удалены, (e) шестиугольник добавлен и (f) окончательный дизайн. См. рисунок 8 для аэрогелевой мозаики, построенной из этой конструкции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 

Figure 4
Рисунок 4:Пример настройки облачного образа. (a) Оригинальное изображение. (b) Перевернутое изображение с небелым фоном. (c)Исходное изображение с удаленным фоном и контрастностью, скорректированной до 40%, чтобы выделить особенности. d)Фотография аэрогеля, выгравированного с изображением, показанным на панели а. Низкий уровень контрастности на исходном изображении приводит к нечеткому травлению. e)Фотография аэрогеля, выгравированного с изображением, показанным на панели b. Здесь облако более заметно, но небелый фон приводит к меньшему различию. Обратите внимание, что наблюдаемые трещины присутствовали на монолите до травления и не связаны с процессом травления. (f)Фотография аэрогеля, выгравированного с изображением, показанным на панели c. Скорректированная контрастность и удаление фона приводят к более отчетливому облаку. На всех снимках облако имеет высоту около 2 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5:Лазерный гравер. ( a )ручнойфокусировки, (b) лазер и сборка линзы, (c) аэрогель и (d) платформа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6:Глубина реза по сравнению со скоростью лазера. Глубина реза по сравнению со скоростью лазера (100% левый разрез, 3% правый срез) для мощности 100% (50 Вт) и частоты 500 Гц (см. сопроводительные данные в таблице 4)для образца аэрогеля толщиной 12,7 мм. Этот рисунок был изменен из Stanec et al.7 Стрелка указывает на разрез, который проник во всю глубину аэрогеля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7:Фотография края разреза аэрогеля. Кусочки абляции аэрогеля можно увидеть на самой левой поверхности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 

Figure 8
Рисунок 8:Пример аэрогелевой мозаики. Окончательный рисунок рисунка 3 разрезан на(а)родамин-6G-окрашенный аэрогель (оранжевый),(б)флуоресцеин-окрашенный (желтый) аэрогель и(в)родамин-B-окрашенный (розовый) аэрогель(d,e)отдельные вырезанные кусочки, собранные для формирования трехцветной мозаики. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 9
Рисунок 9:Образцы травленых окрашенных аэрогелей. Травленые окрашенные образцы аэрогеля(а)при естественном освещении и(б)при ультрафиолетовом излуче. Примечания: размер самого большого куска аэрогеля (левая сторона, середина) составляет примерно 3 см х 3 см х 1 см. Наблюдаемые темные пятна обусловлены окрашиванием с платформы лазерного гравера или являются рыхлыми частицами, а не признаком неоднородности в распределении красителя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 10
Рисунок 10:Фотографии травленых аэрогелей. (a)вид геометрического рисунка, выгравированного на передней и задней части аэрогеля,(b)плотный рисунок травления оставляет объемную структуру нетронутой,(c)травление цветочного рисунка,(d)фотография (вверху), выгравированная на аэрогеле кремнезема (внизу), (Этот рисунок был изменен из Michaloudis et al.6) (e ) фотография (сверху) статуи Куроса, выгравированная на передней и задней панелях цилиндрического аэрогеля диаметром 2,5 см (обратите внимание, что оригинальная фотография была перевернута для создания белого фона перед травлением), и(f)изображение, выгравированное на флуоресцеиновом кремнеземном аэрогеле высотой 9 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 11
Рисунок 11: SEM изображения аэрогеля кремнезема, показывающие эффект(a) линийтравления в верхней правой части изображения и(b)одного лазерного импульса. (Эта цифра была изменена по сравнению с Stanec et al.7) Изображения показывают структурные изменения, вызванные лазером. Шкала составляет 20 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Этот протокол демонстрирует, как лазерное травление и включение красителей могут быть использованы для приготовления эстетически приятных аэрогелевых материалов.

Изготовление больших (10 см х 11 см х 1,5 см) аэрогелевых монолитов требует надлежащей подготовки формы путем шлифования, очистки и нанесения смазки, чтобы предотвратить прилипание аэрогеля к плесени и образование крупных трещин. Наиболее критичными являются части формы, находящиеся в непосредственном контакте с раствором-предшественником/вскоре образующиеся аэрогели. Уменьшение шероховатости поверхности пресс-формы с помощью машинной полировки улучшит производительность. Важно наносить смазку только на внешний периметр (13 мм) верхней части формы, чтобы при приложении к пресс-форме горячего пресса смазка не просачивалась в полость формы. Если смазка попадет в полость, в аэрогеле образуются крупные трещины.

При использовании лазерного гравера аэрогель должен быть правильно размещен в левом верхнем углу лазерного гравера, а размеры аэрогеля должны соответствовать размерам документа программы рисования. Изображение, которое будет вытравировано, должно быть правильно подготовлено путем удаления небелого фона, регулировки контрастности, чтобы получить четкость и выделить особенности на изображении. Хотя можно напечатать плотные узоры (см. Рисунок 8b),если рисунок слишком плотный, аблятный материал может отделяться от основной массы аэрогеля. При разрезании аэрогеля параметры лазера следует корректировать во избежание обесцвечивания6,7. Высокая частота, высокая мощность и низкие настройки скорости приведут к большему ущербу. Эти настройки также повлияют на качество разреза и количество повреждений на поверхности разреза. Приведенные здесь рекомендации по уровню мощности, частоте и скорости лазера относятся к типичному аэрогелю кремнезема плотностью 0,09 г/мл. Корректировка этих параметров может потребоваться для аэрогелей различной плотности.

Важно выбрать красители, которые могут выдержать процесс изготовления аэрогеля RSCE. Они должны быть термически стабильными при 290 ° C (550 ° F) и не должны вступить в реакцию с метанолом. Однако даже если краситель соответствует этим требованиям, он может не работать. В дополнение к красителям, описанным выше, мы протестировали Bismarck Brown, Indigo, Brilliant Blue и Congo Red (в попытке удовлетворить викторианскую готическую эстетику в мозаичном дизайне). Эти красители не пережили процесс RSCE и привели к непрозрачным мутным белым аэрогелям. Уровень концентрации красителя влиял на непрозрачность аэрогеля, но не на ожидаемый цвет. Если аэрогели, полученные из раствора-предшественника, включающего краситель, не показывают цвета (что указывает на разложение красителя), максимальная температура обработки может быть снижена до 260 °C, что все еще выше сверхкритической температуры метанола. Или может быть использован альтернативный метод получения аэрогеля (сверхкритическая экстракция CO2, сушка под давлением окружающей среды или сублимационная сушка), хотя этапы обмена растворителем, вероятно, смоют значительную часть красителя. Другим методом изготовления цветных аэрогелей является включение солей металлов в смесь прекурсоров. Например, соли кобальта, никеля и меди могут быть использованы для получениясиних 21,зеленых22 и красно-коричневых аэрогелей23соответственно с помощью метода RSCE; однако полученные аэрогели непрозрачны.

Нам не известно о каких-либо других методах травления или нанесения на поверхность аэрогеля. Существуют и другие способы резки аэрогелей, включая использование механических пил24. Алмазные пилы могут резать аэрогель, но трудно избежать растрескивания и чрезмерного пильного керфа. В приложениях для удаления космической пыли из аэрогелей Ishii et al.25,26 демонстрируют использование ультразвуковых микролезвей для разрезания аэрогеля и минимизации этих проблем.

Способность окрашивать и травить на аэрогелях кремнезема может быть использована для повышения эстетики аэрогелевых монолитов, которые в нативной нетравленной форме часто проявляют недостатки из-за дымки и рассеяния света. Мы включаем полученные эстетически улучшенные аэрогели в прототипы окон и скульптуры; однако можно было бы использовать методы, описанные здесь в других приложениях, включая печать инвентарной информации и точных целевых моделей на аэрогелевых монолитах. Процедуры резки и травления также предлагают методы обработки аэрогелей кремнезема в определенные формы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы хотели бы поблагодарить Исследовательский фонд факультета Юнион-колледжа, программу студенческих исследовательских грантов и летнюю исследовательскую программу бакалавриата за финансовую поддержку проекта. Авторы также хотели бы поблагодарить Джоану Сантос за дизайн трехкомпонной формы, Криса Аванесяна за визуализацию SEM, Рональда Точчи за травление на изогнутой аэрогелевой поверхности и доктора Иоанниса Михалудиса за вдохновение и первоначальную работу над проектом офорта, а также за предоставление изображения Куроса и цилиндрического аэрогеля.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2000 grit sandpaper Various
50W Laser Engraver Epilog Laser Any laser cutter is suitable
Acetone Fisher Scientific www.fishersci.com A18-20 Certified ACS Reagent Grade 
Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia) Fisher Scientific www.fishersci.com A669S212 Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w%
Beakers Purchased from Fisher Scientific Any glass beaker is suitable.
Deionized Water On tap in house
Digital balance OHaus Explorer Pro Any digital balance is suitable.
Disposable cleaning wipes Fisher Scientific www.fishersci.com 06-666 KimWipe
Drawing Software CorelDraw Graphics Suite CorelDraw
Flexible Graphite Sheet Phelps Industrial Products 7500.062.3 1/16" thick
Fluorescein Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com F2456 Dye content ~95%
Foam paint brush  Various  1-2 cm size
High Vacuum Grease Dow Corning
Hydraulic Hot Press Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com MTP-14 Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons.
Laser Engraver Epilogue Laser Helix - 24 50 W
Methanol (MeOH) Fisher Scientific www.fishersci.com A412-20 Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8%
Mold Fabricated in House Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel.
Paraffin Film Fisher Scientific www.fishersci.com S37441 Parafilm M Laboratory Film
Rhodamine-6G
Rhodamine-6g
FlouresceinRhodamine-6g		 Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com 20,132-4 Dye content ~95%
Rhodamine-B
Rhodamine-6g
FlouresceinRhodamine-6g		 Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com R-953 Dye content ~80%
Soap to clean mold Various
Stainless Steel Foil Various .0005" thick, 304 Stainless Steel
Tetramethylorthosilicate (TMOS) Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com 218472-500G 98% purity, CAS 681-84-5
Ultrasonic Cleaner FisherScientific FS6 153356 Any sonicator is suitable.
Vacuum Exhaust system Purex 800i Any exhaust system is suitable.
Variable micropipettor, 100-1000 µL Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com S304665 Any 100-1000 µL pipettor is suitable.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Aerogels Handbook. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York. (2011).
  2. Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
  3. Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
  4. Bhuiya, M. M. H., et al. Preparation of monolithic silica aerogel for fenestration applications: scaling up, reducing cycle time, and improving performance. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (25), 6971-6981 (2016).
  5. Jelle, B. P., et al. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells. 96, 1-28 (2012).
  6. Michalous, I., Carroll, M. K., Kupiec, S., Cook, K., Anderson, A. M. Facile method for surface etching of silica aerogel monoliths. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 87 (1), 22-26 (2018).
  7. Stanec, A. M., Anderson, A. M., Avanessian, C., Carroll, M. K. Analysis and characterization of etched silica aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 94, 406-415 (2020).
  8. Sun, J., Longtin, J. P., Norris, P. M. Ultrafast laser micromachining of silica aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 281 (1-3), 39-47 (2001).
  9. Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
  10. Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
  11. Vainos, N. A., Karoutsos, V., Mills, B., Eason, R. W., Prassas, M. Isotropic contractive scaling of laser written microstructures in vitrified aerogels. Optical Materials Express. 6 (12), 3814-3825 (2016).
  12. Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
  13. Carroll, M. K., Anderson, A. M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. , Springer. New York. (2011).
  14. Bockhorst, M., Heinloth, K., Pajonk, G. M., Begag, R., Elaloui, E. Fluorescent dye doped aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection. Journal of Non-Crystalline Solids. 186, 388-394 (1995).
  15. Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing silica aerogel monoliths via a rapid supercritical extraction method. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51421 (2014).
  16. Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. Journal of Non-Crystalline Solids. 350, 238-243 (2004).
  17. 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. U.S. Patent. , 8080591 (2011).
  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. U.S. Patent. , 7384988 (2008).
  19. Estok, S. K., Hughes, T. A., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Fabrication and characterization of TEOS-based silica aerogels prepared using rapid supercritical extraction. Journal of Sol-gel Science and Technology. 70 (3), 371-377 (2014).
  20. Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
  21. Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina sol gels: Effects of heat treatment on structure and catalytic ability. Journal of Non-Crystalline Solids. 453, 94-102 (2016).
  22. 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).
  23. Tobin, Z. M., et al. Preparation and characterization of copper-containing alumina and silica aerogels for catalytic applications. Journal of Sol-gel Science and Technology. 84 (3), 432-445 (2017).
  24. Tsou, P., Brownlee, D. E., Glesias, R., Grigoropoulos, C. P., Weschler, M. Cutting silica aerogel for particle extraction. Lunar and Planetary Science XXXVI. Part 19. , (2005).
  25. Ishii, H. A., et al. Rapid extraction of dust impact tracks from silica aerogel by ultrasonic microblades. Meteoritics & Planetary Science. 40 (11), 1741-1747 (2005).
  26. Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).

Tags

Инженерия выпуск 169 аэрогель кремнезема травление лазерная гравировка травленые аэрогели аэрогели легированные красителем аэрогелевые мозаики
Эстетически улучшенный аэрогель кремнезема с помощью лазерного травления и красителей
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Stanec, A. M., Hajjaj, Z., Carroll,… More

Stanec, A. M., Hajjaj, Z., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Aesthetically Enhanced Silica Aerogel Via Incorporation of Laser Etching and Dyes. J. Vis. Exp. (169), e61986, doi:10.3791/61986 (2021).

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