एक तेज सुपर निष्कर्षण विधि के माध्यम से सिलिका Aerogel Monoliths तैयारी
Summary
यह लेख सिलिका aerogels fabricating के लिए एक तेजी से सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण विधि का वर्णन करता है. एक सीमित ढालना और हाइड्रोलिक गर्म प्रेस का उपयोग करके, अखंड aerogels आठ घंटे या उससे कम समय में किया जा सकता है.
Abstract
एक तेजी से सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण प्रक्रिया के माध्यम से आठ घंटे या उससे कम में अखंड सिलिका aerogels के निर्माण के लिए एक प्रक्रिया का वर्णन किया है. प्रक्रिया एक तरल अग्रदूत मिश्रण तैयार किया है और गर्म प्रेस भीतर प्रसंस्करण के कई घंटे तक, एक हाइड्रोलिक गर्म प्रेस के platens के बीच रखा गया पीछा किया जाता है कि एक धातु मोल्ड के कुओं में डाला जाता है, जिसके दौरान तैयारी समय से 15-20 मिनट की आवश्यकता है. मेथनॉल: पानी: अमोनिया अग्रदूत समाधान tetramethylorthosilicate की एक 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 -3 दाढ़ अनुपात (TMOS) के होते हैं. मिट्टी, एक झरझरा सिलिका जेल प मैट्रिक्स रूपों में से प्रत्येक कुएं में. मोल्ड और उसकी सामग्री का तापमान बढ़ जाता है, मिट्टी के भीतर दबाव बढ़ जाता है. तापमान / दबाव की स्थिति (इस मामले में, एक मेथनॉल / पानी के मिश्रण) मैट्रिक्स का pores के भीतर विलायक के लिए सुपर बिंदु को पार करने के बाद, सुपर तरल जारी है, और अखंड airgel मोल्ड के कुओं के भीतर रहता है.इस प्रक्रिया में इस्तेमाल किया आचारण के साथ, 2.2 सेमी व्यास और 1.9 सेमी ऊंचाई के बेलनाकार monoliths उत्पादित कर रहे हैं. इस तेजी से विधि द्वारा गठित Aerogels तुलनीय गुणों अतिरिक्त प्रतिक्रिया कदम या विलायक निष्कर्षण या तो शामिल है कि अन्य विधियों (अधिक रासायनिक अपशिष्ट उत्पन्न कि लंबी प्रक्रियाओं) द्वारा तैयार उन लोगों के लिए (कम थोक और कंकाल घनत्व, उच्च सतह क्षेत्र, mesoporous आकृति विज्ञान). तेजी है सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण विधि भी अन्य अग्रदूत व्यंजनों पर आधारित aerogels का निर्माण करने के लिए लागू किया जा सकता है.
Introduction
सिलिका airgel सामग्री कम घनत्व, उच्च सतह क्षेत्र, और उत्कृष्ट ऑप्टिकल गुणों के साथ एक nanoporous संरचना के साथ संयुक्त कम तापीय विद्युत चालकता है. एक सामग्री में इन गुणों का संयोजन आवेदन पत्र 1 की एक बड़ी संख्या में aerogels आकर्षक बना देता है. हाल ही में एक समीक्षा लेख में, Gurav एट अल. वैज्ञानिक अनुसंधान के क्षेत्र में और औद्योगिक उत्पादों 2 का विकास, दोनों में विस्तार से सिलिका airgel सामग्री के मौजूदा और संभावित अनुप्रयोगों का वर्णन. उदाहरण के लिए, सिलिका aerogels ईंधन के लिए भंडारण मीडिया के रूप में, और थर्मल इन्सुलेट अनुप्रयोगों 2 की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए, कम ढांकता हुआ सामग्री में, सेंसर के रूप में, absorbents के रूप में इस्तेमाल किया गया है.
Aerogels आम तौर पर एक दो कदम प्रक्रिया का उपयोग कर निर्मित कर रहे हैं. पहला कदम तो एक गीला जेल के लिए फार्म संक्षेपण और hydrolysis प्रतिक्रियाओं से गुजरना जो उचित रासायनिक व्यापारियों, मिश्रण शामिल है. सिलिका जैल तैयार करते हैं,हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं इस मामले tetramethylorthosilicate में, पानी और एक सिलिका युक्त अग्रदूत के बीच होते हैं (TMOS, सी (OCH 3) 4), एसिड या आधार उत्प्रेरक की उपस्थिति में.
सी (OCH 3) 4 + एच 2 हे 
सी (OCH 3) 4-N (OH) एन एन सीएच 3 OH
TMOS पानी में अघुलनशील है. हाइड्रोलिसिस की सुविधा के लिए आदेश में, यह इस मामले मेथनॉल (MeOH, सीएच 3 OH) में, एक और विलायक शामिल करने के लिए, और मिश्रण हलचल या sonicate के लिए आवश्यक है. बेस उत्प्रेरित polycondensation प्रतिक्रियाओं तो हाइड्रोलाइज्ड सिलिका प्रजातियों के बीच होते हैं:
आर 3 SiOH + HOSiR 3 आर 3 सी-O-महोदय 3 + एच 2 हे
आर 3 SiOH + CH 3 </उप> Osir 3 आर 3 सी-O-महोदय 3 + CH 3 OH
polycondensation प्रतिक्रियाओं pores इस मामले मेथनॉल और पानी में, प्रतिक्रिया की विलायक byproducts से भर रहे हैं, जिसमें एक झरझरा 2 Sio ठोस मैट्रिक्स के शामिल एक गीला जेल, के गठन में परिणाम. ठोस मैट्रिक्स फेरबदल के बिना pores से विलायक हटाने: दूसरे चरण के लिए एक airgel के लिए फार्म गीला जेल सुखाने शामिल है. सुखाने की प्रक्रिया airgel के गठन के लिए महत्वपूर्ण है. सही ढंग से कमजोर nanostructure गिर बाहर ले गए और चित्रा 1 में रेखाचित्र के रूप में सचित्र के रूप में एक xerogel बनाई है अगर नहीं.
, सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण सुखाने और परिवेश के दबाव सुखाने फ्रीज: aerogels निर्माण करने के लिए जेल प सामग्री सुखाने के लिए तीन बुनियादी तरीके हैं. सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण तरीकों एककि सतह तनाव प्रभाव पतन के लिए जेल की nanostructure का कारण नहीं है तो शून्य तरल भाप चरण लाइन पार. सुपर निकासी तरीकों उच्च तापमान (250-300 डिग्री सेल्सियस) और संक्षेपण और hydrolysis प्रतिक्रियाओं 3-7 की शराब विलायक प्रतिफल के प्रत्यक्ष निकासी के साथ दबाव में किया जा सकता है. वैकल्पिक रूप से, एक एक्सचेंजों के एक सेट के प्रदर्शन और एक कम सुपरक्रिटिकल तापमान (~ 31 डिग्री सेल्सियस) है, जो तरल कार्बन डाइऑक्साइड, साथ शराब विलायक बदल सकते हैं. निकासी तो उच्च दबाव में हालांकि, अपेक्षाकृत कम तापमान 8,9 में प्रदर्शन किया जा सकता है. 10,11 पहले कम तापमान पर गीला जेल फ्रीज और फिर विलायक तरल भाप चरण लाइन पार करने से परहेज फिर, एक भाप के रूप में सीधे निर्मल करने की अनुमति सुखाने तरीकों रुक. परिवेश के दबाव विधि परिवेश pressu पर गीला जेल के सूखने के द्वारा पीछा किया, nanostructure मजबूत करने के लिए सतह तनाव प्रभाव या पॉलिमर कम करने के लिए surfactants का उपयोग करता है12-16 पुनः.
संघ कॉलेज तेज सुपर निष्कर्षण (RSCE) प्रक्रिया एक एक कदम (airgel के अग्रदूत) विधि 17-19 है. विधि अन्य तरीकों से आवश्यक हफ्तों के लिए नहीं बल्कि दिनों से घंटों में अखंड aerogels के निर्माण की अनुमति देता है जो उच्च तापमान सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण, कार्यरत हैं. विधि एक सीमित धातु मोल्ड और एक प्रोग्राम हाइड्रोलिक गर्म प्रेस का इस्तेमाल करता. रासायनिक व्यापारियों मिश्रित कर रहे हैं और हाइड्रोलिक गर्म प्रेस के platens के बीच रखा गया है, जो मिट्टी, में सीधे डाल दिया. गर्म प्रेस ढालना सील करने के लिए एक निरोधक बल को बंद करने और लागू करने के लिए प्रोग्राम है. गर्म प्रेस तब विलायक की महत्वपूर्ण तापमान ऊपर टी एक उच्च तापमान,, (प्रक्रिया के एक भूखंड के लिए देखें चित्र 2) के लिए एक निर्धारित दर पर ढालना तपता है. Heatup अवधि के दौरान रसायनों एक जेल और जेल को मजबूत और उम्र फार्म पर प्रतिक्रिया. ढालना गरम किया जाता है जैसा दबाव भी अंततः तक पहुँचने, उगताएक सुपर दबाव. प्रणाली equilibrates जबकि उच्च टी तक पहुँचने पर, गर्म प्रेस एक निश्चित राज्य में बसता है. अगले गर्म प्रेस बल सुपर तरल पलायन एक गर्म airgel पीछे छोड़ने में कमी आई है और कर रहा है. प्रेस फिर कमरे के तापमान को ढालना और उसकी सामग्री ठंडा. प्रक्रिया (3-8 घंटे लग सकते हैं) के अंत में प्रेस को खोलता है और अखंड aerogels मोल्ड से हटा रहे हैं.
इस RSCE विधि अन्य airgel निर्माण विधियों से अधिक महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है. यह आम तौर पर 3-8 घंटे प्रसंस्करण समय से पीछा केवल 15-20 मिनट तैयारी के समय की आवश्यकता होती है, तेजी से (<8 घंटा सम्पूर्ण) और न बहुत श्रम गहन है. यह अपेक्षाकृत कम विलायक अपशिष्ट प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न होता है जिसका मतलब है कि, विलायक एक्सचेंजों की आवश्यकता नहीं है.
इस प्रकार है कि खंड में, हम एक अग्रदूत मिश्रण शामिल है से संघ RSCE विधि के माध्यम से बेलनाकार सिलिका airgel monoliths का एक सेट तैयार करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णनhydrolysis और polycondensation प्रतिक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्यरत जलीय अमोनिया के साथ TMOS, मेथनॉल, और पानी के डी (: MeOH: एक TMOS साथ एच 2 ओ: 10 x -3 1.0:12:3.6:3.5 के एनएच 3 दाढ़ अनुपात). हम संघ RSCE विधि धातु मोल्ड और नियोजित हाइड्रोलिक गर्म प्रेस पर निर्भर करता है, विभिन्न विभिन्न आकारों और आकार के aerogels तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि ध्यान दें. इस RSCE विधि भी अलग अग्रदूत व्यंजनों 20 से aerogels के अन्य प्रकार (titania, एल्यूमिना, आदि) तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया गया है.
Protocol
Representative Results
Discussion
RSCE विधि एक स्वचालित और सरल प्रक्रिया का उपयोग कर अखंड सिलिका aerogels के अनुरूप बैचों पैदा करता है. यहाँ प्रस्तुत के रूप में विधि एक आठ घंटे प्रसंस्करण कदम की आवश्यकता है. यह रूप में छोटे रूप में 3 घंटा 22 मे?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों मसौदा प्रक्रिया के परीक्षण के लिए, airgel सामग्री की शारीरिक लक्षण वर्णन के लिए स्नातक छात्रों Lutao झी,, और औड Bechu धन्यवाद. हम स्टेनलेस स्टील मोल्ड मशीनिंग के लिए संघ कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग प्रयोगशाला के लिए आभारी हैं. संघ कॉलेज Aerogel प्रयोगशाला राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF एमआरआई सीटीएस-0216153, NSF RUI चे 0514527, NSF एमआरआई सीएमएमआई-0722842, NSF RUI चे 0847901, NSF RUI DMR-1206631, और NSF एमआरआई CBET से अनुदान द्वारा वित्त पोषित किया गया है -1228851). इस सामग्री को अनुदान सं चे 0847901 के तहत NSF द्वारा समर्थित काम पर आधारित है.
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. |
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