Preparazione Silica Aerogel Monoliti tramite una rapida supercritica metodo di estrazione

Summary

Questo articolo descrive un metodo di estrazione supercritica rapida per la realizzazione di aerogel di silice. Utilizzando uno stampo confinato e pressa calda idraulica, aerogel monolitici possono essere effettuate in otto ore o meno.

Abstract

Procedimento per la fabbricazione di aerogel di silice monolitici in otto ore o meno tramite un rapido processo di estrazione supercritica viene descritto. La procedura richiede 15-20 minuti di tempo di preparazione, durante il quale una miscela precursore liquido è preparato e versato in pozzetti di uno stampo metallico che viene inserito tra le piastre di una pressa a caldo idraulica, seguiti da diverse ore di lavorazione all'interno della pressa a caldo. La soluzione precursore è costituito da un rapporto di 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 ^-3 molare di tetramethylorthosilicate (TMOS): metanolo: acqua: ammoniaca. In ciascun pozzetto dello stampo, un porosi forme matrice sol-gel di silice. Quando la temperatura dello stampo e del suo contenuto viene aumentata, la pressione all'interno dello stampo aumenta. Dopo le condizioni di temperatura / pressione superano il punto supercritica del solvente all'interno dei pori della matrice (in questo caso, una miscela metanolo / acqua), il fluido supercritico viene rilasciato, e aerogel monolitica rimane nei pozzetti dello stampo.Con lo stampo utilizzato in questa procedura, monoliti cilindrici di 2,2 cm di diametro e 1,9 cm di altezza sono prodotti. Aerogel formate da questo metodo rapido hanno proprietà confrontabili (bassa massa e densità scheletrica, elevata area superficiale, morfologia mesoporosi) a quelli preparati con altri metodi che coinvolgono sia fasi di reazione complementari o estrazioni di solventi (processi più lunghe che generano più rifiuti chimici). La rapida Metodo di estrazione supercritica può essere applicato anche alla fabbricazione di aerogel basati su altri ricette precursori.

Introduction

Materiali aerogel di silice hanno una bassa densità, elevata area superficiale, e bassa conducibilità termica ed elettrica combinata con una struttura nanoporosa con eccellenti proprietà ottiche. La combinazione di queste proprietà in un materiale rende aerogel attraente in un gran numero di applicazioni ^1. In un recente articolo di revisione, Gurav et al. descrivere in dettaglio le applicazioni attuali e potenziali di materiali aerogel di silice, sia nella ricerca scientifica e nello sviluppo di prodotti industriali ^2. Ad esempio, aerogel di silice sono stati utilizzati come assorbenti, come sensori, in materiali a basso dielettrico, come supporto di memorizzazione per combustibili, e per una vasta gamma di applicazioni per isolamento termico ^2.

Aerogel sono tipicamente fabbricati con un processo in due fasi. La prima fase comporta la miscelazione opportuni precursori chimici, che poi subiscono reazioni di condensazione e di idrolisi per formare un gel umido. Per preparare gel di silice, l'reazioni di idrolisi si verificano tra acqua e un precursore contenente silice, in questo caso tetramethylorthosilicate (TMOS, Si (OCH _{3) 4),} in presenza di acido o catalizzatore basico.
Si (OCH _{3) 4} + H ₂ O Si (OCH _{3) 4-n} (OH) _n + n CH ₃ OH

TMOS è insolubile in acqua. Per facilitare idrolisi, è necessario includere un altro solvente, in questo caso metanolo (MeOH, CH ₃ OH), e agitare o sonicare miscela. Reazioni di policondensazione Base-catalizzate poi si verificano tra le specie silice idrolizzate:

R ₃ SiOH + HOSiR ₃ R ₃ Si-O-SiR ₃ + H ₂ O

R ₃ SiOH + CH ₃ </sub> OSiR ₃ R ₃ Si-O-SIR ₃ + CH ₃ OH

Le reazioni di policondensazione risultato la formazione di un gel liquido, costituito da un materiale poroso SiO ₂ matrice solida, in cui i pori sono riempiti con i sottoprodotti solvente della reazione, in questo caso metanolo e acqua. La seconda fase prevede essiccare il gel umido per formare un aerogel: rimozione del solvente dai pori senza modificare la matrice solida. Il processo di essiccazione è di fondamentale importanza per la formazione del aerogel. Se non eseguita correttamente crolli nanostruttura fragili e xerogel è formato come illustrato schematicamente in figura 1.

Ci sono tre metodi di base per essiccare materiali sol-gel per la produzione di aerogel: estrazione supercritica, liofilizzazione ed essiccazione pressione ambiente. Il metodi di estrazione supercritica unvuoto attraversano la linea di fase liquido-vapore in modo che gli effetti della tensione superficiale non causano la nanostruttura del gel al collasso. Metodi di estrazione supercritica può essere eseguita a temperatura elevata (250-300 C °) e pressione con estrazione diretta del solvente alcol sottoprodotto delle reazioni di condensazione e idrolisi ^3-7. In alternativa, si può eseguire una serie di scambi e sostituire il solvente alcolico con anidride carbonica liquida, che ha una temperatura supercritica bassa (~ 31 ° C). L'estrazione può essere effettuata a temperatura relativamente bassa ^8,9, anche se ad alta pressione. Congelare metodi di essiccazione ^10,11 prima congelare il gel umido a bassa temperatura e quindi lasciare il solvente per sublimare direttamente a una forma di vapore, ancora una volta evitando di attraversare la linea di fase liquido-vapore. Il metodo pressione ambiente utilizza tensioattivi per ridurre gli effetti di tensione superficiale o polimeri per rafforzare la nanostruttura, seguito da essiccazione del gel bagnato a pressio ambientere ^12-16.

Il processo di Union College Rapid supercritica estrazione (RSCE) è un metodo di ^17-19 one-step (precursore aerogel). Il metodo impiega ad alta temperatura di estrazione supercritica, che consente la realizzazione di aerogel monolitico tra ore, anziché giorni a settimane richiesti da altri metodi. Il metodo utilizza uno stampo di metallo confinato e una pressa a caldo idraulica programmabile. Precursori chimici viene agitato e versato direttamente nello stampo, che si trova tra le piastre della pressa calda idraulica. La stampa a caldo è programmata per chiudere e applicare una forza di contenimento per sigillare lo stampo. La pressa a caldo riscalda poi lo stampo per una determinata ad una temperatura, T _alto, superiore alla temperatura critica del solvente (vedere la Figura 2 per una trama di processo). Durante la fase di riscaldamento periodo sostanze chimiche reagiscono per formare un gel e le rafforza gel e le età. Come lo stampo è riscaldato la pressione sale anche, eventualmente arrivandouna pressione supercritica. Giunti a T _alta, la stampa a caldo abita in uno stato fisso mentre il sistema si equilibra. Avanti la forza di pressa a caldo è diminuito e le fughe dei fluidi supercritici, lasciando dietro di sé un aerogel caldo. La stampa poi raffredda lo stampo e il suo contenuto a temperatura ambiente. Alla fine del processo (che può richiedere 3-8 hr) la pressa si apre e aerogel monolitici sono rimosse dallo stampo.

Questo metodo RSCE offre notevoli vantaggi rispetto ad altri metodi aerogel di fabbricazione. E 'veloce (<8 ore totali) e non molto alta intensità di manodopera, in genere richiede solo 15-20 tempo di preparazione min seguita da 3-8 ore di tempo di lavorazione. Non richiede scambi di solvente, il che significa che relativamente poco rifiuti solvente viene generato durante il processo.

Nella sezione che segue, si descrive un protocollo per la preparazione di una serie di monoliti aerogel di silice cilindrici tramite il metodo dell'Unione RSCE da una miscela precursore comprendonod di TMOS, metanolo e acqua con ammoniaca acquosa impiegato come catalizzatore per le reazioni di idrolisi e policondensazione (con TMOS: MeOH: H ₂ O: NH ₃ rapporto molare di 1.0:12:3.6:3.5 x 10 ^-3). Notiamo che il metodo dell'Unione RSCE può essere utilizzato per preparare aerogel di varie dimensioni e forme diverse, a seconda del stampo metallico e pressa calda idraulica impiegata. Questo metodo RSCE è stato utilizzato anche per preparare altri tipi di aerogel (biossido di titanio, allumina, ecc) a partire da ricette diverse precursori ^20.

Protocol

Considerazioni sulla sicurezza: occhiali di protezione devono essere indossati in ogni momento durante il lavoro preparatorio con soluzioni e la pressa calda idraulica. Guanti di laboratorio devono essere indossati durante la preparazione della soluzione reagente chimico e quando si versa la soluzione nello stampo nella pressa a caldo. TMOS, metanolo e ammoniaca concentrata e soluzioni contenenti tali reagenti, devono essere gestiti all'interno di una cappa aspirante. Il metanolo caldo supercritici processo d…

Representative Results

Seguendo la procedura descritta qui traduce in lotti consistenti di aerogel di silice monolitici. Figura 4 mostra immagini di aerogel di silice tipici effettuate tramite questo processo. Ogni aerogel assume la forma e le dimensioni del pozzo nello stampo trattamento senza ritiro. Le immagini mostrano che gli aerogel di silice sono trasparenti. Le proprietà fisiche di questi aerogel sono riassunti nella Tabella 4. Essi sono paragonabili a quelli di aerogel d…

Discussion

Il metodo RSCE produce lotti consistenti di aerogel di silice monolitici utilizzando un processo automatizzato e semplice. Il metodo come presentato qui richiede una fase di lavorazione di otto ore. E 'possibile velocizzare le fasi di riscaldamento e raffreddamento per rendere aerogel monolitiche in appena 3 ore ^22; tuttavia, quando viene impiegata una procedura di 8 ore, partite più consistenti di monoliti aerogel risultato. Piccole variazioni dei parametri di processo non influenzano le proprietà fisi…

Materials

Tetramethylorthosilicate  (TMOS)	Sigma Aldrich   www.sigmaaldrich.com	218472-500G	98% purity, CAS 681-84-5
Methanol  (MeOH)	Fisher Scientific  www.fishersci.com	A412-20	Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8%
Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia)	Fisher Scientific  www.fishersci.com	A669S212	Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w%
Deionized Water	On tap in house
Flexible Graphite Sheet	Phelps Industrial Products	7500.062.3	1/16" thick
Stainless Steel Foil	Various		.0005" thick, 304 Stainless Steel
High Temperature Mold Release Spray	Various  (for example, CRC Industrial Dry PTFE Lube)		Should be able to withstand high temperatures.