Waiting
Login processing...

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

Engineering

Estetiskt förbättrad kiseldioxid aerogel via införlivande av laser etsning och färgämnen

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

Detta protokoll beskriver en metod för etsning av text, mönster och bilder på ytan av kiselflygelmonoliter i inhemsk och färgad form och montering av aerogelerna i mosaikdesign.

Abstract

Ett förfarande för estetiskt förbättra kiseldioxid aerogel monoliter genom laser etsning och införlivande av färgämnen beskrivs i detta manuskript. Med hjälp av en snabb superkritisk extraktionsmetod kan stor kiselflygelmonolit (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) tillverkas i ca 10 h. Färgämnen som ingår i prekursorblandningen resulterar i gul-, rosa- och orangefärgade aerogeler. Text, mönster och bilder kan etsas fast på aerogelmonolitens yta (eller ytor) utan att massstrukturen skadas. Lasergravören kan användas för att skära former från aerogelen och bilda färgglada mosaiker.

Introduction

Kiselflygel är en nanoporös, hög yta, akustiskt isolerande material med låg värmeledningsförmåga som kan användas i en rad olika tillämpningar från insamling av rymddamm till byggnadsisoleringsmaterial1,2. När kiseldioxidflygel tillverkas i monolitisk form är de genomskinliga och kan användas för att göra mycket isolerande fönster3,4,5.

Nyligen har vi visat att det är möjligt att ändra utseendet på en kiselflygel genom att etsa på eller skära genom ytan med hjälp av ett lasergravyrsystem6,7 utan att orsaka bulkstrukturella skador på aerogelen. Detta kan vara användbart för att göra estetiska förbättringar, skriva ut lagerinformation och bearbeta aerogelmonoliter i olika former. Femtosecond lasrar har visat sig fungera för rå "mikrobearbetning" av aerogeler8,9,10,11; Det nuvarande protokollet visar dock förmågan att ändra aerogelernas yta med ett enkelt lasergravyrsystem. Som ett resultat är detta protokoll i stort sett tillämpligt på de konstnärliga och tekniska samhällena.

Det är också möjligt att införliva färgämnen i aerogelkemikaliens föregångareblandning och därmed göra färgdämpade aerogeler med en rad nyanser. Denna metod har använts för att tillverka kemiska sensorer12,13, för att förbättra Cerenkov detektion14, och av rent estetiska skäl. Här demonstrerar vi användningen av färgämnen och laseretsning för att förbereda estetiskt tilltalande aerogeler.

I avsnittet som följer beskriver vi procedurer för att göra stora kiselflygelmonoliter, ändra monolitpreparatet för att införliva färgämnen, etsning av text, mönster och bilder på ytan av en aerogelmonolit och skära former från stora färgade monoliter som ska monteras i mosaiker.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Skyddsglasögon eller skyddsglasögon ska bäras vid beredning av aerogelprekursorlösningarna, arbeta med den heta pressen och använda lasergravyrsystemet. Laboratoriehandskar bör bäras vid rengöring och beredning av formen, förbereda den kemiska reagenslösningen, hälla lösningen i formen i den heta pressen och hantera aerogelen. Läs säkerhetsdatablad (SDS) för alla kemikalier, inklusive lösningsmedel, innan du arbetar med dem. Tetrametritormosilikat (TMOS), metanol och koncentrerad ammoniak samt lösningar som innehåller dessa reagenser måste hanteras i en rökhuv. Färgämnen kan vara giftiga och/eller cancerframkallande, så det är viktigt att använda lämplig personlig skyddsutrustning (se SDS). Som nämnts i vårt tidigareprotokoll 15, bör en säkerhetssköld installeras runt den heta pressen; den heta pressen ska ventileras ordentligt och tändkällorna ska avlägsnas. Innan du använder lasergravören, se till att vakuumavgassystemet är i drift.

1. Skaffa eller tillverka en aerogelmonolit

OBS: Metoder för att göra en 10 cm x 11 cm x 1,5 cm aerogelmonolith i en innesluten metallform via en snabb superkritisk extraktionsmetod (RSCE)15,16,17,18 beskrivs här. Denna RSCE-process tar bort lösningsmedelsblandningen från kiseldioxidmatrisens porer utan att orsaka strukturell kollaps. Eftersom prekursorblandningen fyller formen, innebär denna metod superkritisk extraktion av en betydligt mindre volym alkohol (i detta fall metanol) än andra högtemperatur alkohol superkritiska extraktionsmetoder. Aerogeler som produceras med denna metod har densiteter på cirka 0,09 g/ml och ytytor på ca 500 m2/g. För etsning kan monoliten vara av vilken storlek som helst stor nog att etsa på och förberedas med vilken lämplig metod som helst (dvs. CO2 superkritisk extraktion, frystorkning, omgivande torkning). För färgade aerogeler kanske dessa andra metoder inte är lika lämpliga eftersom färgämnet kan läcka ut under lösningsmedelsutbytessteg. Om du använder en monolit som erhållits från en annan källa hoppar du till steg 2.

  1. Förbered formen
    OBS: Alla lösningspreparat ska utföras i en rökhuv med handskar och skyddsglasögon.
    1. Få en tredelad (4140 legerad) stålform bestående av en topp, mitten och bottendel med yttermått på 15,24 cm x 14 cm och en hålighet på 10 cm x 11 cm i mitten (se figur 1). Den övre delen av formen har fjorton 0,08 cm ventilationshål, sju på varje sida. Denna formmontering kommer att producera en 10 cm x 11 cm x 1,5 cm aerogel.
      OBS: En annan storlek mögel kan användas; Parametrarna måste dock justeras, som beskrivs i Roth, Anderson och Carroll20.
    2. Använd utspädd tvål och en grov texturerad svamp för att skrubba och rengöra toppen, mitten och nedre delen av formen. Torka alla delar av formen med en ren pappershandduk.
    3. Häll 20 ml aceton i en 50 ml eller större bägare. Doppa en engångsrengöringsservett i acetonen och torka formen med en ny rengöringsservett för varje del. Upprepa tills rengöringsservetten verkar ren efter torkning.
    4. Slipa lätt alla ytor med 2 000 grit sandpapper tills formen är slät vid beröring och eventuella rester från tidigare användningsområden har tagits bort. Var extra uppmärksam på insidan av mittenformen där aerogelen bildas.
    5. Flöda tryckluft genom ventilationshålen i den övre mögeldelen för att rensa dem.
    6. Pressa ut cirka 2,4 ml högvakuumfett och applicera manuellt ett tjockt, jämnt, 1-2 mm fettlager på hela (26 mm) toppanslutningsytan på bottenformen (se figur 1).
    7. Pressa ut cirka 1,0 ml högvakuumfett och applicera manuellt ett tjockt, jämnt 1-2 mm lager fett på den yttre halvan (13 mm) av toppformens bottenanslutningsyta (se figur 1).
    8. Pressa ut cirka 0,5 ml högvakuumfett och applicera manuellt ett tunt (mindre än 0,5 mm), jämnt fettskikt på de inre ytorna på topp- och bottenformen (de ytor som kommer att komma i kontakt med prekursorlösningen och den resulterande aerogeln, se figur 1).
    9. Torka bort överflödigt fett med en engångsrengöringsservett tills ytan känns slät och ingen klibbighet från fettet känns.
    10. Pressa ut cirka 0,5 ml högvakuumfett och applicera manuellt ett tunt (mindre än 0,5 mm), jämnt fettlager på den inre ytan av mellanformen (se figur 1). Torka inte bort överflödigt fett.
    11. Placera den mellersta mögeldelen ovanpå den nedre mögeldelen. Använd en gummihammare täckt med engångsrengöringsservetter (för att skydda mögelytan) och hamra försiktigt in den mellersta delen i den nedre delen tills alla sidor är jämnt förseglade.
    12. Använd två 0,0005" (0,0127 mm) tjocka 16 cm x 15 cm bitar av rostfritt stålfolie och en 0,0625" (1,59 mm) tjock 16 cm x 15 cm bit flexibel grafitplåt, gör en bottenpackning bestående av grafiten inklämd mellan två lager rostfri folie. Gör en liknande packning för toppen av formen.
    13. Placera den nedre packningen på den nedre varmpressplattan och placera sedan de monterade mitt- och bottenformbitarna ovanpå packningen (se figur 2). Se till att mögelenheten placeras i mitten av varmpressplattan och använd den heta pressen för att applicera en 90 kN-kraft på formen i ca 5 min för att försegla de två bitarna.
    14. Ta bort formen från den heta pressen. Använd en engångsrengöringsservett för att avlägsna överflödigt fett som kan ha pressats ut mellan de mellersta och nedre delarna. Se till att inget skräp finns på formens inre yta.
  2. Förbered aerogelprekursorblandning
    OBS: Detta recept är för en TMOS-baserad kiseldioxid aerogel som kan tillverkas i formen som beskrivs ovan i avsnitt 1.1. Alla lämpliga kiselflygelrecept kan användas så länge föregångarens receptgelering tar mer än 15 minuter men mindre än 120 min vid rumstemperatur (se till exempel Estok et al.19 för ett lämpligt tetraetylorkosilikatbaserat RSCE-recept). Aerogeler kan beredas på infödda (steg 1.2.1) eller färgad form (steg 1.2.2). Allt lösningsberedningsarbete utförs i en rökhuv med handskar och skyddsglasögon.
    1. Infödda aerogeler
      1. Samla följande reagenser: TMOS, metanol, avjoniserat vatten och 1,5 M ammoniak.
      2. Använd en analytisk balans för att mäta 34,28 g TMOS till en ren 250 ml bägare. Häll den uppmätta TMOS i en ren 600 ml bägare och täck med paraffinfilm.
      3. Använd en analytisk balans för att mäta 85,76 g metanol i ytterligare 250 ml bägare. Häll den uppmätta metanolen i 600 ml bägare som innehåller TMOS och täck med paraffinfilm.
      4. Mät 14,14 g avjoniserat vatten i en 50 ml bägare med hjälp av en analytisk balans. Använd en mikropipett för att tillsätta 1,05 ml 1,5 M ammoniak till vattnet i bägaren. Rör försiktigt.
      5. Häll vatten- och ammoniakblandningen i 600 ml bägare med de återstående reagenserna och täck med paraffinfilm. Placera bägaren i en ljuddator och ultraljudsbehandling i 5 min.
    2. Färgdämpade aerogeler
      OBS: Om ett annat förfarande används som innebär utbyte av lösningsmedel, kommer en betydande mängd färgämne att tvättas ut under utbytena. Följaktligen kommer färgerna på de resulterande aerogelerna inte att vara lika livliga som de som presenteras här.
      1. Samla följande reagenser: tetrametrinorosilikat (TMOS), metanol, avjoniserat vatten, 1,5 M ammoniak och ett lämpligt färgämne.
      2. Använd en analytisk balans för att mäta 34,28 g TMOS till en ren 250 ml bägare. Häll den uppmätta TMOS i en ren 600 ml bägare och täck med paraffinfilm.
      3. Använd en analytisk balans för att mäta 42,88 g metanol i en 250 ml bägare. Häll den uppmätta metanolen i 600 ml bägare som innehåller TMOS och täck med paraffinfilm. Använd en analytisk balans för att mäta ytterligare 42,88 g metanol i 250 ml bägare.
      4. Använd en analytisk balans för att mäta 0,050 g fluorescein (för att göra en gulfärgad aerogel) eller 0,042 g rhodamin B (för att göra en rosafärgad aerogel) eller 0,067 g Rhodamin 6 G (för att göra en orangefärgad aerogel) till en 10 ml bägare. Tillsätt färgämnet till 250 ml bägare som innehåller metanol och blanda försiktigt tills det är upplöst.
        OBS: Dessa instruktioner är för aerogeler som används i exemplet mosaikdesign; Färgkoncentrationen kan ändras för att ändra färgdjupet i den resulterande aerogeln (se tabell 1).
      5. Häll färglösningen i 600 ml bägare som innehåller TMOS och täck med paraffinfilm.
      6. Mät 14,14 g avjoniserat vatten i en 50 ml bägare med hjälp av en analytisk balans. Använd en mikropipett för att tillsätta 1,05 ml 1,5 M ammoniak till vattnet i bägaren.
      7. Häll vatten- och ammoniakblandningen i 600 ml bägare med de återstående reagenserna och täck med paraffinfilm. Placera bägaren i en ljuddator och ultraljudsbehandling i 5 min.
  3. Utför snabb superkritisk extraktion
    OBS: Denna procedur använder en 30-tons programmerbar varmpress utrustad med en säkerhetssköld. Handskar och skyddsglasögon ska bäras.
    1. Programmera snabbpressextraktionsprogrammet med parametrarna som visas i tabell 2. Parametrarna är inställda på att förbereda en 10 cm x 11 cm x 1,5 cm aerogel i formen som beskrivs i steg 1.1.1. Om en annan storlek mögel används, parametrarna måste justeras, som beskrivs i Roth, Anderson och Carroll20.
    2. Placera mitten/bottenformenheten tillbaka ovanpå den nedre packningen i den heta pressen. Se till att formen placeras i mitten av varmpressplattan (se figur 2).
    3. Häll aerogelprekursorlösningen (infödd eller färgämneshaltig) i formen tills lösningen är ~ 2 mm från toppen. Detta säkerställer att formen är helt fylld med föregångarens lösning när den övre delen av formen tillsätts. Det kommer att finnas cirka 10 ml blandning kvar i bägaren, som kan kasseras eller tillåtas gel vid rumstemperatur.
    4. Placera försiktigt den övre delen av formen på plats på mitten / bottenformenheten. Överflödig lösning kan komma ut ur ventilationshålen på toppen av formen när den placeras på mittenformen. Torka av lösningen med en engångsrengöringsservett.
    5. Placera engångsrengöringsservetter ovanpå formen för att skydda mögelytan. Använd en gummihammare för att knacka lätt på toppformen tills den är jämnt förseglad på varje sida.
    6. Placera den övre packningen ovanpå den monterade formen; stäng säkerhetsskyddet och starta varmpressprogrammet. Föregångaren blandar geler när systemet värms upp. Hela processen tar 10,25 h att slutföra för denna storlek aerogel.
  4. Ta bort aerogelmonolit från mögel
    OBS: Handskar ska bäras vid hantering av aerogelmonoliten.
    1. När extraktionsprocessen är klar öppnar du säkerhetsskyddet, tar bort formen och placerar den på en ren arbetsyta.
    2. För in en skruvmejsel med platt huvud i kaviteten mellan topp- och mellanformen (se figur 1). Placera en handske på baksidan av formen och tryck ner på skruvmejseln för att separera de övre och mellersta mögeldelarna.
    3. När tätningen är bruten, upprepa steg 1.4.2, gå runt kanterna på formen medan du trycker ner skruvmejseln för att frigöra den övre mögeldelen. Placera handsken där det behövs för att hålla ner formen medan du öppnar den.
    4. När alla sidor av toppformen är fria från mittenformen, ta bort toppformen. Placera toppformen åt sidan.
    5. Få en spärrbehållare som är tillräckligt stor för att hålla aerogelen; ta bort locket och placera behållarens nedre del upp och ner på mittenformen med behållaren och mögelhålan i linje. Vänd formen upp och ner; aerogeln ska falla försiktigt i behållaren.
    6. Sätt tillbaka locket på behållaren för att skydda aerogelen. Aerogelen kan förvaras på obestämd tid innan du utför etsning eller skärning.

2. Förbered lasergraverutskriftsfil

OBS: Det är möjligt att skriva ut text, mönster och bilder på aerogelen. Alla lämpliga ritprogram kan användas. Bilder tolkas i gråskala. Lasergravören kommer att brinna aerogelytan på platser där det finns text eller ett mönster och varierar laserpulstätheten för att uppnå gråskalevärden. Etsning sker på platser där den utskrivna bilden är icke-vit. Etsning sker inte där bilden är vit. Separata instruktioner ingår för text-, mönster- eller bildfiler. Alla tre kan kombineras i en fil om så önskas6.

  1. Textfiler
    1. Öppna ritprogrammet och starta ett nytt dokument. Lägg till önskad text av valfri storlek, linjewidth och format direkt i dokumentet.
    2. Spara filen.
  2. Mönsterfiler
    1. Öppna ritprogrammet och starta ett nytt dokument.
    2. Lägg till linjer och former direkt i dokumentet med önskad linjewidth.
    3. För att utforma ett mosaikmönster som kommer att skäras från (istället för etsat på) aerogelmonoliten, använd former och linjer i verktygslådan och ställ in alla linjebredder på hårfäste. Se figur 3 för ett exempel på ett mosaikmönster.
    4. Spara filen.
  3. Bildfiler
    1. Välj en bild och använd alla bildbehandlingsprogram som ska redigeras.
    2. Använd bildbehandlingsprogram för att ta bort icke-vita avsnitt som inte ska skrivas ut från bilden. Se figur 4 som exempel på detta.
      OBS: Etsning sker på alla icke-vita platser.
    3. Konvertera bilden till gråskala för en visuell indikation på hur den etsade bilden kommer att se ut och justera kontrasten mellan bildfärgerna tills den är övertygad om att det finns tillräcklig kontrast för att visa önskade funktioner (se figur 4).
      OBS: Kontrastnivån som behövs beror på mängden detaljer i bilden som användaren vill etsa fast på aerogeln. Ritprogrammet bör ge vägledning, men användaren kan behöva experimentera med olika kontrastnivåer för att uppnå önskat resultat.
    4. Öppna ritprogrammet och starta ett nytt dokument. Ladda upp en bild till ritprogrammet.
    5. Spara filen.

3. Etsningsprocedur

OBS: Följande instruktioner gäller för en 50 W CO2 lasergraver/fräs men kan modifieras för användning med andra system. Detta system justerar hastighets- och effektegenskaper på procentsbasis från 0% till 100%. Relevanta lasergravyregenskaper ingår i tabell 3. Ett vakuumavgassystem bör användas för att ventilera lasergravören. Använd handskar vid hantering av aerogelmonoliten.

  1. Slå på lasergravören, vakuumavgassystemet och den anslutna datorn.
  2. Mät storleken på aerogelmonolithytan som kommer att etsas (i exemplet ovan är storleken 10 cm x 11 cm).
  3. Starta ritprogrammet och öppna den tidigare sparade filen (från steg 2.1, 2.2 eller 2.3). Ställ in dokumentets storlek/styckestorlek så att den motsvarar den uppmätta aerogelmonolithstorleken.
  4. Öppna locket på lasergravören. Placera aerogeln (infödd eller färgad) på lasergraverplattformen med hjälp av en handske som visas i figur 5. Rikta in aerogelen i det övre vänstra hörnet så att aerogeln vidrör de övre och vänstra linjalerna.
  5. Ta den V-formade magnethandboken som är fäst vid lasern och vänd den upp och ner. Tryck på Fokusera på lasergravören.
    OBS: På grund av insynen i kiselflygelns monolit är det nödvändigt att manuellt ställa in fokusparametrarna för etsning. Använd inte Auto Focus.
  6. Placera en engångsrengöringsservett ovanpå aerogelmonoliten för att skydda den. Använd uppilen på lasergraverkontrollpanelen och flytta lasergraverplattformen tills den nedre delen av den manuella fokusmätaren bara vidrör aerogeln.
  7. Ta bort engångsrengöringsservetten och sätt tillbaka mätaren i sitt ursprungliga läge. Stäng lasergravyrlocket.
  8. Klicka på Arkiv i ritprogrammet och skriv sedan ut. Välj ritprogrammet som utskriftsplats och öppna fönstret Egenskaper.
  9. Justera egenskaperna genom att välja rasterläget: ett DPI på 600, en hastighet på 100 % (208 cm/s) och en effekt på 55 % (27,5 W). Bekräfta att bitstorleken matchar den uppmätta aerogelmonolithstorleken. Klicka på Använd och skriv sedan ut.
  10. Klicka på Jobb på lasergravörens frontpanel och välj motsvarande filnamn. Klicka på Gå.
  11. När lasergravören är klar klickar du på Fokusera och använder nedpilen på laserns främre kontrollpanel för att sänka basen. Använd en handske och ta försiktigt bort aerogelen från lasergraverplattformen och placera tillbaka den i behållaren.
  12. Rensa jobbet från lasergravören genom att klicka på papperskorgen. Stäng av lasergravören och dammsuga.

4. Styckning

  1. Slå på lasergravören, vakuumavgassystemet och den anslutna datorn.
  2. Mät storleken på aerogelmonolithytan som ska skäras (i exemplet ovan är storleken 10 cm x 11 cm).
  3. För allmän skärning öppnar du ritprogrammet och startar ett nytt dokument. Ange måtten för dokument-/styckestorleken för att korrelera med den uppmätta aerogelmonolithstorleken.
  4. Använd verktygen i ritprogrammet för att skapa formen eller linjen som ska klippas med en "hårlinje" linjebredd. Leta reda på formen/linjen för att matcha önskad klippplats på aerogelen.
  5. För mosaikmönster importerar du den tidigare sparade filen (från steg 2.2) och justerar storleken så att den matchar aerogelmonolitens.
  6. Få en 0,0005" (0,0127 mm) tjock plåt av rostfritt stål folie stor nog att täcka basen av aerogel monolit. Rengör det rostfria stålet med aceton med en rengöringsservett.
  7. Öppna locket på lasergravören, placera den rostfria folien på lasergraverplattformen för att förhindra att rester på plattformen missfärgar aerogelen under skärning och placera aerogelmonoliten ovanpå folien. Rikta in aerogelen och folien i rostfritt stål i det övre vänstra hörnet med aerogeln som vidrör de övre och vänstra linjalerna.
  8. Följ steg 3.5-3.8 från etsningsproceduren ovan.
  9. Justera utskriftsegenskaper. Välj vektorläge: ett DPI på 600, en hastighet på 3% (0,27 cm/s), effekt på 90% (45 W) och frekvens på 1 000 Hz. Se till att bitstorleken matchar den uppmätta aerogelstorleken. Skärdjupet varierar med laserhastigheten. Se tabell 4 och figur 6.
  10. Följ steg 3.10-3.12 från etsningsproceduren.
  11. Små bitar av ablerad aerogel kommer att lämnas på ytan av monoliten som var i kontakt med lasern, som visas i figur 7. För att ta bort partiklarna, använd en skumborste och torka försiktigt bort bitarna.

5. Göra aerogelmosaik

  1. För att ge en trefärgad mosaik, förbered tre olika monoliter med samma tjocklek men med olika färgämnen. (Det är också möjligt att ge mosaiker med tre olika nyanser, med olika monoliter av samma tjocklek men med varierande koncentrationer av samma färgämne, eller att inkludera inhemsk aerogel med färgad aerogel i mosaikmönster.)
  2. Använd skärproceduren i avsnitt 4 med mosaikdesignen från avsnitt 2.2 för att skära mosaikmönstren i tre olika färgade aerogeler med samma tjocklek.
  3. Placera de skurna färgade aerogelerna på en plan, ren yta.
  4. Demontera försiktigt varje enfärgad aerogel och separera komponenterna i skärdesignen med pincett eller en vass kniv för att underlätta separation och förhindra brott.
  5. Borsta försiktigt sidorna av varje form med en skumborste för att ta bort de överflödiga vita partiklarna som lämnas av laserskärningsproceduren.
  6. Byt ut samma former mot olika färger för att producera flerfärgade mosaiker (figur 8) och montera de skurna formerna genom att komprimera dem tillsammans för att bilda en komplett mosaikliknande kakel, som kan placeras inom en glasram.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Detta protokoll kan användas för att förbereda ett brett utbud av estetiskt tilltalande aerogelmonoliter för applikationer inklusive, men inte begränsat till, konst och hållbar byggnadsdesign. Införande i föregångareblandningen av de små mängder färgämne som används här observeras endast för att påverka färgen på den resulterande aerogelmonoliten. förändringar i andra optiska eller strukturella egenskaper observeras inte.

Figur 8 visar ett tillvägagångssätt för att förbereda en aerogelmosaik från stora kiselmonoliter. Samma mönster (se figur 3) skärsi tre olika färgade aerogelmonoliter (figur 8a-c). Aerogelbitar monteras sedan ihop i ett mosaikmönster (Figur 8d-e). För att förbereda ett mosaikfönster kan aerogelmosaiken smörgåsas mellan två glasrutor eller genomskinlig plast i en ramuppsättning. Användning av en kompressionsram eliminerar luckor mellan de återmonterade bitarna i den slutliga mosaikenheten.

Det är möjligt att etsa mönster på mindre monolitiska bitar, enligt samma förfarande som beskrivs i avsnitt 3, för att få visuellt intressanta arrangemang. Figur 9 visar bilder av färgade, etsade aerogelstycken under naturliga ljusförhållanden (figur 9a) och under UV-ljus (Figur 9b), som belyser den fluorescerande karaktären hos de färgämnen som används här. Observera att små monoliter av oregelbunden storlek och form användes för att illustrera möjligheten att etsa på mindre bitar. etsningsprocessen fick dem inte att bryta.

Figur 10 presenterar ett montage av etsade aerogeler som illustrerar olika estetiska effekter som kan uppnås med hjälp av detta protokoll: inhemska aerogeler etsade med mönster med olika densitet (Figur 10a-c), aerogeler med fotografier tryckta på framsidan av en planyta(figur 10d)och fram och bak på en böjd yta (figur 10e) samt en etsad fluoresceinfärgad aerogel ( Figur10f ). Montage illustrerar mångsidigheten i etsning och döende processer.

Etsning resulterar i förändringar på aerogelens yta, men visuell observation, bildbehandling och BET-analys visar att det lämnar bulkstrukturen intakt6,7. Fotografier i figur 5, figur 6, figur 7, figur 8, figur 9 visar att de ouppfluerade delarna av monoliten är oskadda. De lokaliserade skadorna som orsakas av etsning kan avbildas. Figur 11 visar SEM-bilder (Scanning Electron MicroScope) av etsad kiseldioxidflygel. Figur 11a visar gränssnittet mellan etsade "linjer" (övre högra delen av bilden, med funktioner i ett venationsmönster) och den oetsade nanoporösa aerogelen (som verkar nästan slät vid denna förstoring). Etsning orsakar ablation av material från ytan och smältning av en del av kiseldioxiden till glödtrådsliknande strukturer hundratals μm i längd7. Figur 11b visar effekten av en enda laserpuls i aerogeln.

Färg & Struktur Smältpunkt (°C) Massförhållande (färgämne/metanol) i stamlösning Bilder av resulterande aerogeler

Fluorescein (fluorescein)
Image 1 		315 0,05 % g /g Image 3

Rhodamin B (rhodamin B)
Image 2 		165 0,075 % g/g Image 4

Rhodamin 6G
Image 3 		290 0,16% g/g Image 5

Tabell 1: Information om färgämnena. Information om färgämnen som används för att göra gul-, rosa- och orangefärgade aerogeler och representativa bilder. Olika nyanser uppnås genom utspädning av blandningen av metanol/färgämneslager med ytterligare metanol (enligt beskrivningen i steg 1.2.2.4) före användning i prekursorblandningen. Bilder visas för material som framställs med 0x utspädning (stamlösning, visas till vänster), 2x utspädning (50% metanol/färgämne + 50% metanol, visas i mitten) och 6,67x utspädning (15% metanol/färgämne + 85% metanol, visas till höger).

Steg Temperatur (°F, °C) T-hastighet (°F/min, °C/min) Kraft (Kip, kN) F-kurs(Kip/min, kN/min) Uppehåll (min) Steglängd (min)
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

Tabell 2: Parametrar för tryck tryck på varma tryck.

Parameter Värden
Högsta hastighet 8,9 cm/s (vektorläge)
208 cm/s (rasterläge)
Maximal effekt 50 W
Frekvensområde 1 - 5000 Hz
Utskriftsupplösning 75 - 1200 DPI

Tabell 3: Lasergravyregenskaper.

Hastighet (cm/s) Klippdjup (mm)
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

Tabell 4: Laserskuret djup som en funktion av laserhuvudhastigheten för en lasereffekt på 100 % (50 W) och frekvensen 500 Hz genom ett 12,7 mm tjockt aerogelprov.

Figure 1
Figur 1: Mgamla församlingen. Schemat för ( a )toppen(med fjorton ventilationshål), (b) mitten och (c) bottenformuppsättning. Den blå ytan (d) anger den nedre delens anslutningsyta (en liknande finns på den övre ytan) och de off-white ytorna ( e ) indikerardeinre ytorna på mitten och bottenformen (en liknande finns på den övre ytan). En tredelad form används för att underlätta avlägsnandet av aerogelen, om det behövs. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 2
Bild 2: Schematiskt visar mögelplacering i varm press. a)Varmpressplåtar,b)grafitpackning,c)folie av rostfritt stål,d)3-delarsform. OBS: En bit rostfri folie kan placeras mellan plåten och grafitpackningen för att förhindra att den fastnar på plåten, enligt beskrivningen i steg 1.1.12. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 3
Figur 3:Exempel på konstruktion av enmosaikdesign. (a) kvadratisk kontur skapad,( b) diagonala linjer tillsatta, (c) cirkel tillagd,( d) inre diagonala linjer borttagna, (e) hexagon tillagd och( f) slutlig design. Se figur 8 för aerogelmosaik tillverkad av denna design. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren. 

Figure 4
Bild 4: Exempeljustering av en molnbild. a)Originalbild. b)Inverterad bild med off-white bakgrund. (c) Originalbild med bakgrund borttagen och kontrast justerad till 40% för att markera funktioner. d)Fotografi av aerogel etsat med bild som visas på panel a. Den låga kontrastnivån i originalbilden resulterar i ett otydligt etsat mönster. e)Fotografi av aerogel etsat med bild som visas i panel b. Här är molnet mer synligt men den off-white bakgrunden resulterar i mindre skillnad. Observera att de observerade sprickorna fanns på monoliten före etsning och inte beror på etsningsprocessen. f)Fotografi av aerogel etsat med bild som visas i panel c. Den justerade kontrasten och borttagningen av bakgrunden resulterar i ett mer distinkt moln. I alla bilder är molnet cirka 2 cm högt. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 5
Figur 5:Lasergravör. (a) manuell fokusmätare,b) laser- och linsuppsättning,c)aerogel och(d)plattform. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 6
Bild 6:Skärdjup kontra laserhastighet. Skärdjup kontra laserhastighet (100 % vänsterst snitt, 3 % längst till höger) för en effekt på 100 % (50 W) och en frekvens på 500 Hz (se medföljande data i tabell 4)för ett 12,7 mm tjockt aerogelprov. Denna siffra har modifierats från Stanec et al.7 Pilen indikerar snittet som trängde in i aerogelens fulla djup. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 7
Bild 7: Fotografi av den skurna aerogelkanten. Bitar av ablated aerogel kan ses på den vänstra ytan. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 8
Figur 8: Exempel på aerogelmosaik. Det slutliga mönstret i figur 3 skureni a)rhodamin-6G-färgad aerogel (orange),b)fluoresceinfärgad (gul) aerogel ochc)rhodamin-B-färgad (rosa) aerogel(d,e)enskilda snittbitar som monterats ihop igen för att bilda trefärgade mosaiker. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 9
Figur 9:Etsade färgade aerogelprover. Etsade färgade aerogelprovera) under naturliga ljusförhållanden ochb)under UV-ljus. Anmärkningar: storleken på den största aerogelbiten (vänster sida, mitten) är ca 3 cm x 3 cm x 1 cm. Mörka fläckar som observeras beror på färgning från lasergraverplattformen eller är lösa partiklar, snarare än en indikation på inhomogenitet i färgfördelningen. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 10
Figur 10:Fotografier avetsade aerogeler. (a) vy över geometriskt mönster etsat på aerogelns fram- och baksida,b) ett tätt etsningsmönster lämnar bulkstrukturen intakt,(c) blommönsteretsetsning,(d)fotografi (överst) etsat på kiselflygel (botten), (Denna siffra har modifierats från Michaloudism.fl. 6) (e ) fotografi (överst) av Kouros staty etsat på fram- och baksidan av cylindrisk aerogel med diameter 2,5 cm (notera att originalfotot var inverterat för att skapa en vit bakgrund före etsning), och (f) bild etsad på fluoresceinfärgad kiseldioxid aerogel av höjd 9 cm. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 11
Figur 11: SEM-bilder av en kiselflygel som visar effekten ava) etsningslinjer på bildens övre högra sida ochb) en enda laserpuls. (Denna siffra har ändrats från Stanec et al.7) Bilderna visar strukturella förändringar orsakade av lasern. Skalstrecket är 20 μm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Detta protokoll visar hur laseretsning och införandet av färgämnen kan användas för att förbereda estetiskt tilltalande aerogelmaterial.

Att göra stora (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) aerogelmonoliter kräver korrekt mögelberedning genom slipning, rengöring och fettapplikation för att förhindra att aerogeln fastnar på formen och stora sprickor bildas. De delar av formen som kommer i direkt kontakt med föregångarens lösning/snart bildas aerogel är de mest kritiska. Att minska formens ytjämnhet via maskinpolering förbättrar prestandan. Det är viktigt att applicera fett endast på den yttre omkretsen (13 mm) av den övre delen av formen så att när den heta presskraften appliceras på formen sipprar fett inte in i formens hålighet. Om fett kommer in i kaviteten bildas stora sprickor i aerogelen.

Vid användning av lasergravören måste aerogelen placeras korrekt i lasergraverns övre vänstra hörn och aerogelns dimensioner måste motsvara dem i ritningsprogramdokumentet. Bilden som ska etsas måste förberedas korrekt genom att ta bort den icke-vita bakgrunden, justera kontrasten för att få definition och markera funktioner i bilden. Även om det är möjligt att skriva ut täta mönster (se figur 8b), om mönstret är för tätt, kan det ablerade materialet separeras från huvuddelen av aerogelen. Vid skärning genom en aerogel ska laserparametrarna justeras för att undvikamissfärgning 6,7. Högfrekventa, hög effekt och låghastighetsinställningar kommer att orsaka mer skada. Dessa inställningar kommer också att påverka skärkvaliteten och mängden skador vid skärytan. Riktlinjerna för lasereffektnivå, frekvens och hastighet är här för en typisk kiselflygel med densitet 0,09 g/ml. Justeringar av dessa parametrar kan behövas för aerogeler med olika densitet.

Det är viktigt att välja färgämnen som kan överleva RSCE aerogeltillverkningsprocessen. De måste vara termiskt stabila vid 290 °C (550 °F) och de får inte reagera med metanol. Men även om ett färgämne uppfyller dessa krav kanske det inte fungerar. Förutom färgämnena som beskrivs ovan testade vi Bismarck Brown, Indigo, Brilliant Blue och Congo Red (i ett försök att tillfredsställa viktoriansk gotisk estetik i mosaikdesignen). Dessa färgämnen överlevde inte RSCE-processen och resulterade i ogenomskinliga grumliga vita aerogeler. Färgkoncentrationen påverkade aerogelens opacitet men inte den förväntade färgen. Om aerogeler som framställts av en prekursorlösning som innehåller färgämne inte visar någon färg (vilket indikerar nedbrytning av färgämnet) kan den maximala bearbetningstemperaturen sänkas till 260 °C, vilket fortfarande ligger över metanolens superkritiska temperatur. Eller en alternativ aerogelberedningsmetod (CO2 superkritisk extraktion, omgivande trycktorkning eller frystorkning) kan användas, även om steg för lösningsmedelsutbyte sannolikt kommer att tvätta bort en betydande del av färgämnet. En annan metod för att göra färgade aerogeler är att införliva metallsalter i föregångareblandningen. Till exempel kan kobolt-, nickel- och kopparsalter användas för att producerablå 21,gröna 22 respektive rödbruna aerogeler23,via RSCE-metoden; De resulterande aerogelerna är dock ogenomskinliga.

Vi känner inte till några andra metoder för etsning eller skrivning på en aerogelyta. Det finns andra metoder för att skära aerogeler inklusive användning av mekaniska sågar24. Diamantsågar kan skära aerogel, men det är svårt att undvika sprickbildning och överdriven såg kerf. I applikationer för att ta bort rymddamm från aerogels Ishii et al.25,26 visa användningen av ultraljud microblades för att skära aerogel och minimera dessa problem.

Förmågan att färga och etsa på kiseldioxidflygel kan användas för att förbättra estetiken hos aerogelmonoliter, som i inhemsk oetsad form ofta uppvisar brister på grund av dis och ljusspridning. Vi införlivar de resulterande estetiskt förbättrade aerogelerna i fönsterprototyper och skulptur; Det skulle dock vara möjligt att använda de metoder som beskrivs här i andra tillämpningar, inklusive utskrift av inventeringsinformation och exakta målmönster på aerogelmonoliter. Skär- och etsningsförfarandena erbjuder också metoder för bearbetning av kiseldioxidflygel i specifika former.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill uppmärksamma Union College Faculty Research Fund, Student Research Grant program och sommarens grundutbildningsprogram för ekonomiskt stöd till projektet. Författarna vill också uppmärksamma Joana Santos för utformningen av den tredelade formen, Chris Avanessian för SEM-avbildning, Ronald Tocci för etsning på den böjda aerogelytan och Dr. Ioannis Michaloudis för inspiration och inledande arbete med etsningsprojektet samt för att ge Kouros-bilden och cylindrisk aerogel.

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

Teknik Nummer 169 kiselflygel etsning lasergravyr etsade aerogeler färgdämpade aerogeler aerogelmosaik
Estetiskt förbättrad kiseldioxid aerogel via införlivande av laser etsning och färgämnen
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