Bir Rapid Süperkritik Ekstraksiyon Yöntemi ile Silika AEROJEL Monoliths hazırlanıyor

Özet

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

Özet

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

Giriş

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

Aerojeller, tipik olarak iki aşamalı bir işlem kullanılarak imal edilir. İlk adım, daha sonra ıslak bir jel oluşturmak için yoğunlaştırma ve hidroliz reaksiyonlara uygun kimyasal öncüleri, karıştırma içerir. Silis jelleri hazırlamak için,Hidroliz reaksiyonları, bu durumda tetramethylorthosilicate olarak, su ve bir silis ihtiva eden ön-arasında meydana gelen (TMOS, Si _{(OCH3) 4),} asit veya baz katalizör mevcudiyetinde.
Si _{(OCH3) 4} + H ₂ O Si _{(OCH3) 4-n} (OH) _n + n _CH3 OH

TMOS suda çözünmez. Hidrolizi kolaylaştırmak için, bu durum, metanol (MeOH, _CH3 OH) olarak, bir çözücü eklemek için, ve karışım karıştırıldı ve sonikasyon için gereklidir. Taban katalize polikondensasyon reaksiyonları daha sonra hidrolize tabi tutulmuş silika, türler arasında meydana gelir:

_R3 SiOH + HOSiR _{3 R3,} Si-O-SİR ₃ + H ₂ O

_R3 SiOH + _CH3 OSiR _{3 R3,} Si-O-SİR ₃ + _CH3 OH

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

Süperkritik ekstraksiyon kurutma ve dondurarak kurutma çevre basıncı: aerojeller üretmek için sol-jel malzemeler kurutma için üç temel yöntem vardır. Süperkritik özütleme yöntemleribu yüzey gerilimi etkiler daraltmak için jelin nano yapısını neden olmayan void sıvı-buhar fazlı çizgisinden. Süperkritik çıkarma yöntemleri, yüksek sıcaklıkta (250-300 ° C) ve yoğunlaşma ile hidroliz reaksiyonları ^3-7 alkol çözücü yan ürün doğrudan ekstre ile bir basınçta gerçekleştirilebilir. Alternatif olarak, bir değişim bir dizi yapar ve düşük bir süper kritik sıcaklığı (~ 31 ° C) sahip sıvı karbon dioksit ile alkol çözücü yerini alabilir. Ekstraksiyon sonra yüksek basınç da olsa, nispeten düşük bir sıcaklıkta ^8,9 ile gerçekleştirilebilir. ^10,11 birinci düşük ısıda ıslak jel dondurma ve daha sonra çözücü, sıvı-buhar fazlı çizgisinden kaçınarak daha, buhar şeklinde, doğrudan katı durumdan gaz durumuna izin kurutma yöntemleri dondurun. Ortam basıncı yöntem ortam pressu de ıslak jel kurutma, ardından nano yapısını güçlendirmek için yüzey gerilimi etkilerini azaltmak ya da polimerler için yüzey aktif maddeler kullanır^12-16 tekrar.

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

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

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

Protokol

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

1.. Reaktifler ve Diğer Sarf Malzemeleri hazırlayın

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

2. Aletleri hazırlayın

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

3. Kalıp Alt Seal

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

4. Öncü olun Çözüm

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

1. 250 ml'lik bir cam kabın içine reaktif şişe, 17.0 ml toplam TMOS önce pipet tam bölünen miktarları, "ön-çözelti" etiketli.
2. Dökmekyaklaşık 100 ml'lik bir cam kabın içine, metanol ve 250 ml'lik bir cam kabın içine 55,0 ml toplam metanol daha sonra pipet alikoları 'ön bileşik çözeltisi.' etiketli
3. 250 ml'lik bir cam kaba 7.2 ml su 'DI su' etiketli 20 ml beher içine ve bu kabı pipetle bir miktar deiyonize su konur.
4. Son olarak, 10 ml lik bir beher içine bir 1.5 M _NH3 dökmek ve bu beher pipetten çözeltinin 270 ul 250 ml beher içine.
5. Plastik parafin film ile beher Seal.
6. Bu hidroliz, en az 5 dakika boyunca sonike ön bileşik çözeltisi ile gerçekleşir sağlamak için reaktif karıştırın. Önce, sonikasyon işlemine, iki sıvı ön-karışımı tabakaları bazen görebilir. Sonikasyon 5 dakika sonra, çözelti fazlı olarak görünmelidir. Aksi takdirde, ilave bir 5 dakika için karışımın sonikasyon.

5. Sıcak pres içinde kalıp içine öncü çözeltisi dökün

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

6. Kalıptan çıkarın aerojeller

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

Sonuçlar

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

Bu aerojellerin fiziksel özellikleri Tablo 4 de özetlenmiştir. Bunlar, düşük sıcaklık süper kritik çıkarma ...

Tartışmalar

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

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tetramethylorthosilicate  (TMOS)	Sigma Aldrich	218472-500G	98% purity, CAS 681-84-5
Methanol  (MeOH)	Fisher Scientific	A412-20	Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8%
Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia)	Fisher Scientific	A669S212	Certified ACS Plus, about 14.8 N, 28.0-20.0 w/w%
Deionized Water	on tap in house
Flexible Graphite Sheet	Phelps Industrial Products	7500.062.3	1/16 in thick
Stainless Steel Foil	Various		0.0005 in thick, 304 Stainless Steel
High Temperature Mold Release Spray	various (for example, CRC Industrial Dry PTFE Lube)		Should be able to withstand high temperatures.