АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

В этой статье описывается быстрый сверхкритического метод извлечения изготовления кварцевого аэрогеля. При использовании в замкнутое плесени и гидравлического горячего пресса, монолитные аэрогели могут быть сделаны в восемь часов или меньше.

Аннотация

Процедура для изготовления монолитных аэрогеля диоксида кремния в восемь часов или менее через быстрому сверхкритической процесса экстракции описывается. Эта процедура требует 15-20 мин времени на подготовку, в ходе которой жидкая смесь предшественника подготовленный и выливают в лунки металлической пресс-формы, который помещен между пластинами гидравлического горячего пресса, а затем несколько часов обработки в горячем прессе. Раствор предшественника состоит из 1.0:12.0:3.6:3.5 х 10 -3 молярном соотношении тетраметилортосиликата (TMOS): метанол: вода: аммиак. В каждую лунку пресс-формы, из пористого диоксида кремни золь-гель матричных форм. Когда температура пресс-формы и ее содержимого возрастает, давление внутри пресс-формы повышается. После того, как условия температура / давление превысит точку для сверхкритического растворителя в порах матрицы (в данном случае, в смеси метанол / вода), сверхкритической жидкости освобождается, и монолитный аэрогель остается в лунки формы.С формы, используемой в этой процедуре, цилиндрические монолиты 2,2 см в диаметре и 1,9 см высотой производятся. Аэрогели образованные этого экспресс-метода имеют сопоставимые свойства (низкую объемную и скелетная плотность, высокую площадь поверхности, мезопористый морфологии) для тех, получены другими способами, которые включают либо дополнительные стадии реакции или добычи растворитель (продолжительные процессы, которые генерируют больше химических отходов). Быстрое сверхкритической экстракции способ также может быть применен к изготовлению аэрогелей, основанных на других рецептов предшественников.

Введение

Аэрогель двуокиси кремния материалы имеют низкую плотность, высокую площадь поверхности и низкую тепло-и электропроводность в сочетании с нанопористого структуры с превосходными оптическими свойствами. Сочетание этих свойств в одном материале составляет аэрогели привлекательным в большом количестве приложений 1. В недавнем обзоре, Gurav др.. подробно описать существующие и потенциальные применения аэрогеля диоксида кремния материалов, как в научных исследованиях и в разработке промышленной продукции 2. Например, диоксид кремния аэрогель были использованы в качестве абсорбентов, как датчики, в условиях низкой диэлектрической материалов, в качестве носителя данных для топлива, а также для широкого круга теплоизоляционных приложений 2.

Аэрогели обычно изготавливают с использованием двухступенчатого процесса. Первый этап включает в себя смешивание соответствующие химические прекурсоры, которые затем конденсируются и гидролиза реакции с образованием влажный гель. Чтобы подготовить силикагели,реакций гидролиза происходит между водой и оксида кремни предшественника, в данном случае тетраметилортосиликата (TMOS, Si (OCH 3) 4), в присутствии кислоты или основного катализатора.
Si (OCH 3) 4 + H 2 O figure-introduction-1345 Si (ОСН 3) 4-н (ОН) п + п CH 3 OH

TMOS нерастворим в воде. Для того чтобы облегчить гидролиз, необходимо включить другой растворитель, в данном случае метаноле (MeOH, СН 3 ОН), и перемешивают или разрушать ультразвуком смесь. Катализируемой основанием реакции поликонденсации затем происходят между гидролизованных видов кремнезема:

R 3 SiOH + HOSiR 3 figure-introduction-1929 R 3 Si-O-SiR 3 + H 2 O

R 3 SiOH + СН 3 OSiR 3 figure-introduction-2174 R 3 Si-O-SiR 3 + CH 3 OH

Реакции поликонденсации привести к образованию влажной гель, состоящий из пористого SiO 2 твердую матрицу, в которой поры заполнены с растворителем побочных продуктов реакции, в данном случае метанола и воды. Второй этап включает сушку влажного геля с образованием аэрогель: удаление растворителя из пор не изменяя твердую матрицу. Процесс сушки является критически важным для формирования аэрогеля. Если не будут выполняться должным образом хрупкие наноструктурные обвалы и Ксерогель формируется как схематически показано на рисунке 1.

Есть три основных способа сушки золь-гель материалов для производства аэрогели: сверхкритической экстракции, сублимационной сушки и сушки атмосферном давлении. Сверхкритическая методы экстракциинедействительными пересечения фазовой линии жидкость-пар так что эффекты поверхностного натяжения не вызывают наноструктуры геля, чтобы свернуть. Способами сверхкритической экстракции могут быть выполнены при высокой температуре (250-300 ° С) и давлении с прямого извлечения побочного продукта конденсации и гидролиза реакций 3-7 спиртовом растворителе. Кроме того, можно выполнить множество обменов и заменить спиртовой растворитель с жидкой двуокиси углерода, который имеет низкую температуру сверхкритического (~ 31 ° C). Экстракция может быть выполнена при относительно низкой температуре 8,9, хотя при высоком давлении. Замораживание способы сушки 10,11 первую заморозить влажный гель при низкой температуре, а затем позволить растворитель сублимировать непосредственно в виде паров, снова избежать пересечения фазовой линии жидкость-пар. Метод использует давление окружающей среды поверхностно-активные вещества, чтобы уменьшить эффекты поверхностного натяжения или полимеров по укреплению наноструктуры с последующим высушиванием влажного геля при комнатной давлеповторно 12-16.

Колледж Союза Быстрое сверхкритической экстракции (РГКП) процесс метод 17-19 один шаг (предшественником аэрогеля). Метод использует высокотемпературную сверхкритической экстракции, что позволяет изготавливать монолитные аэрогели в часах, а не дней до нескольких недель, требуемых другими методами. Способ использует в замкнутое металлической пресс-формы и программируемый гидравлического горячего пресса. Химических предшественников смешивают и выливают непосредственно в пресс-форму, которая находится между пластинами гидравлического горячего пресса. Горячий пресс запрограммирован, чтобы закрыть и применить удерживающую силу, чтобы запечатать плесени. Горячий пресс затем нагревает почву с заданной скоростью до температуры, Т высокий, выше критической температуры растворителя (см. Рисунок 2 для участке процесса). В течение периода разогрев химические вещества реагируют с образованием геля и гель усилится и возраст. В пресс-форму нагревают давление также повышается, в конечном итогесверхкритическую давление. По достижении Т высокий, горячий пресс пребывает в неподвижном состоянии в то время как система уравновешивается. Следующая горячая усилие пресса уменьшается, и сверхкритические побеги жидкость, оставляя за собой горячей аэрогеля. В пресс затем охлаждает почву и ее содержимое до комнатной температуры. В конце процесса (который может иметь 3-8 ч) пресса открывает и монолитные аэрогели извлекают из формы.

Этот метод РГКП дает значительные преимущества перед другими методами аэрогель изготовления. Это быстро (<8 ч всего) и не очень трудоемким, как правило, требуется только 15-20 время подготовки мин с последующим 3-8 времени обработки час. Он не требует обмена с растворителем, что означает, что относительно немного растворитель отходы образуются в ходе процесса.

В следующем разделе мы опишем протокол для подготовки набор цилиндрических аэрогеля диоксида кремния монолитов с помощью метода Союз РГКП из смеси предшественника содержатьд из ТМОС, метанола и воды с водным раствором аммиака, используемого в качестве катализатора гидролиза и поликонденсации реакций (с TMOS: MeOH: H 2 O: NH 3 мольное отношение 1.0:12:3.6:3.5 х 10 -3). Отметим, что метод Union RSCE могут быть использованы для получения аэрогели различных различных размеров и форм, в зависимости от металлической пресс-формы и гидравлического горячего пресса работают. Этот метод RSCE также используется для получения других типов аэрогелей (диоксид титана, оксид алюминия и т.д.) с различными рецептами предшественников 20.

протокол

Безопасности соображения: Защитные очки или очки следует носить в любое время в течение препаративной работы с решениями и гидравлического пресса для горячего прессования. Лабораторные следует надевать перчатки при подготовке решения химических реагентов и при заливке раствора в форму в горячем прессе. TMOS, метанол и концентрировали аммиак и растворы, содержащие эти реагенты, необходимо обращаться в вытяжной шкаф. Сверхкритические релизы процесса экстракции горячей метанол, поэтому необходимо как для выпуска гидравлического горячего пресса, а также обеспечить, что нет никаких источников воспламенения на пути распространения вентиляционной горячего пресса. Кроме того, мы рекомендуем установку защитным экраном вокруг горячего пресса. В случае выхода из строя прокладки, щит поможет содержать результирующие прокладка части и тем самым защитить тех, кто работает рядом с горячим прессом.

1. Подготовка реактивов и других расходных материалов

  1. Соберите реагенты, необходимые для рецепта: тетраметилylorthosilicate, метанол, деионизированная вода, и аммиак.
  2. Сделать 100,0 мл 1,5 М раствора аммиака. Для этого разведите 10,1 мл 14,8 М концентрированный аммиак до 100 мл деионизированной воды.
  3. Приобретать квадратную нержавеющей стали плесень, 12,7 см х 12,7 см х высота 1,9 см, с 9 круглых скважин 2.2 см в диаметре (см. Рисунок 3). Протрите плесень с чистой влажной тряпкой, чтобы снять напряжение на поверхности масла или пыли. Спрей внутри каждой круговой скважины с высокой температуры выпуска плесень спрей для облегчения к удалению аэрогеля из формы после обработки.
  4. Подготовка три набора уплотнительные прокладки от 1/16 дюймов (1,6 мм) графитового листа и 0,0005 в (0,012 мм) из нержавеющей стали фольги. Отрежьте три куска каждого материала, достаточный для покрытия плесени полностью (> 12,7 см х> 12.7cm).

2. Подготовьте инструменты

  1. Запрограммировать горячего пресса уплотнения и программ добычи. Впервые создать программу уплотнительную которая будет использованиед для герметизации дна открытую форму. См. Таблицу 1 для необходимых значений программы. Следующая настроить программу извлечения с правильными параметрами для кремнезема аэрогеля с использованием пресс-формы, описанной выше. См. Таблицу 2 для этих параметров.
  2. Подготовьте посуду. Чтобы избежать загрязнения, четыре стеклянные стаканы будут необходимы, один 250 мл стакан как 'раствор предшественника, "один стакан объемом 100 мл с меткой' метанол, 'один 20 мл стакан как' DI воды", и один 10 мл стакан помечены '1 .5 M аммиак ». Убедитесь, что все стаканы были чистыми и сухими.
  3. Подготовка пипетки. Цифровые пипетки должны использоваться для простоты. Будет использоваться 10 мл цифровой пипетки и 1000 мкл пипетки. Убедитесь несколько наконечники доступны.
  4. Подготовка ультразвукового путем добавления воды к линии заполнения.

3. Уплотнение дна изложницы

  1. Наведите плесени и материала прокладки в горячем прессе. FIRST центр графитовый лист на нижней плите, добавить лист из нержавеющей стали фольги и поместите форму в верхней части фольги из нержавеющей стали. Добавить еще один набор прокладочного материала (то нержавеющей стали графит) в верхней части кристаллизатора. (Примечание: используемый прокладочный материал может быть использован на верхней на этой стадии, но новый прокладочный материал должен быть использован на дне.)
  2. Начать программу прессования горячей сварки, используя параметры, показанные в таблице 1. Эта программа герметизирует дно формы, чтобы предотвратить химические вещества, жидкий предшественник от утечки, когда пресс-форма заполнена раствора предшественника.

4. Сделать прекурсоров решение

Рецепт аэрогелей оксида кремния TMOS основе показано в таблице 3. Все приготовления раствора работа производится в вытяжной шкаф.

  1. Первые пипеток аликвоты TMOS на общую сумму 17,0 мл из бутылки реагента в 250 мл стеклянный стакан как 'раствор предшественника.
  2. Литьнекоторые метанол в стеклянный стакан 100 мл, а затем пипеток аликвоты метанола на общую сумму 55,0 мл в 250 мл стеклянный стакан как 'раствора предшественника.'
  3. Налейте деионизированной воды в 20 мл химический стакан с надписью «DI воды" и с этого стакана пипеткой 7,2 мл воды в 250 мл химический стакан.
  4. Наконец, налить 1,5 М NH 3 в 10 мл химический стакан и с этого стакана пипеткой 270 мкл раствора в 250 мл химический стакан.
  5. Закройте стакан с пластиковой парафиновой пленки.
  6. Смешайте реагенты для того, чтобы гидролиз происходит обработкой ультразвуком раствор предшественника, по крайней мере 5 мин. До обработки ультразвуком, две жидкие слои иногда видны в смеси предшественников. После 5 мин ультразвуком, решение должно оказаться монофазные. Если этого не произойдет, разрушать ультразвуком смесь в течение еще 5 мин.

5. Налейте прекурсоров решение в форму в Hot Press

  • В конце программы плесень уплотнительной горячие валики пресс откроется. Снимите материал верхняя сторона прокладки и отложите в сторону. Оставьте форму как в горячем прессе так, чтобы нижняя сторона кристаллизатора остается запечатанным.
  • Заполните каждую лунку формы полностью с решением предшественника. (Примечание: будет около 10 мл аэрогеля раствора предшественника, оставшиеся после заполнения формы Это может быть отброшен или обработанные в условиях окружающей среды, чтобы сделать ксерогели..)
  • Поместите свежий материал прокладки в верхней части формы: нержавеющая сталь фольги, а затем графит сверху.
  • Выполнить программу прессования горячей экстракции (см. таблицу 2). Эта программа герметизирует формы, нагревает содержимое в сверхкритическом состоянии, выполняет сверхкритической экстракции и затем охлаждает формы.

    • 6. Снимите Аэрогели от плесени

    1. Когда процесс распаковка завершится, удалить плесень и материала прокладки из горячего пресса.
    2. Удалите верхнюю прокладочный материал из формы. Отложите это.
    3. Осторожно ослабьте почву от нижней материала прокладки.
    4. Осторожно снимите каждый аэрогель из формы, по одному за раз, крепко толкает их через с одной стороны с палец в перчатке.
    5. Когда аэрогели извлекают из формы, процесс будет завершен.

    Результаты

    Следуя процедуре, описанной здесь приводит последовательных партий монолитных аэрогелей двуокиси кремния. Рисунок 4 показывает изображения типичных аэрогелей оксида кремния, сделанных с помощью этого процесса. Каждый аэрогель занимает от формы и размера скважины в обрабаты...

    Обсуждение

    Метод РГКП производит последовательные партии монолитных аэрогеля диоксида кремния, используя простой автоматический процесс. Способ по представленные здесь требует этап обработки восьмичасовой. Можно ускорить нагрев и охлаждение шаги, чтобы сделать монолитные аэрогели в качестве ...

    Раскрытие информации

    Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.

    Благодарности

    Авторы благодарят студентов Lutao Се, для определения физических характеристик аэрогеля материалов и Од Bechu, для тестирования проект процедуры. Мы благодарны инженерной лаборатории Союз колледжа для механической обработки нержавеющей стали плесени. Аэрогель Лаборатория Колледж Союза была осуществлена ​​за счет грантов от Национального научного фонда (NSF МРТ CTS-0216153, NSF RUI CHE-0514527, NSF МРТ CMMI-0722842, NSF RUI CHE-0847901, NSF RUI DMR-1206631, и NSF МРТ CBet -1228851). Этот материал основан на работе, поддержанной ННФ по гранту № CHE-0847901.

    Материалы

    NameCompanyCatalog NumberComments
    Tetramethylorthosilicate  (TMOS)Sigma Aldrich218472-500G98% purity, CAS 681-84-5 
    Methanol  (MeOH)Fisher ScientificA412-20Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8%
    Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia)Fisher ScientificA669S212Certified ACS Plus, about 14.8 N, 28.0-20.0 w/w%
    Deionized Wateron tap in house
    Flexible Graphite SheetPhelps Industrial Products7500.062.31/16 in thick
    Stainless Steel FoilVarious0.0005 in thick, 304 Stainless Steel
    High Temperature Mold Release Sprayvarious (for example, CRC Industrial Dry PTFE Lube)Should be able to withstand high temperatures.

    Ссылки

    1. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
    2. Gurav, J. L., Jung, I. -. K., Park, H. -. H., Kang, E. S., Nadargi, D. Y. Silica aerogel: Synthesis and applications. J. Nanomater. , .
    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., Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. SiO2 aerogels. Aerogels Handbook. , (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).

    Перепечатки и разрешения

    Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

    Запросить разрешение

    Смотреть дополнительные статьи

    84SilicaTMOS

    This article has been published

    Video Coming Soon

    JoVE Logo

    Конфиденциальность

    Условия эксплуатации

    Политика

    СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

    РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

    НОВОСТИ JoVE

    Исследования

    Образование

    АВТОРЫ

    Библиотекарь

    О JoVE

    Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены