Подготовка аэрогеля диоксида кремния Монолиты через Быстрое сверхкритической экстракции методом
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 
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 R 3 Si-O-SiR 3 + H 2 O
R 3 SiOH + СН 3 </суб> OSiR 3 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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. |
Riferimenti
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Gurav, J. L., Jung, I. -. K., Park, H. -. H., Kang, E. S., Nadargi, D. Y. Silica aerogel: Synthesis and applications. J. Nanomater. , .
- Kistler, S. S. Coherent expanded aerogels. J. Phys. Chem. 13, 52-64 (1932).
- Phalippou, J., Woignier, T., Prassas, M. Glasses from aerogels. J. Mater. Sci. 25 (7), 3111-3117 (1990).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tewari, P. H., Hunt, A. J., Lofftus, K. Ambient-temperature supercritical drying of transparent silica aerogels. Mater. Lett. 3 (9), 363-367 (1985).
- Van Bommel, M. J., de Haan, A. B. Drying of silica aerogel with supercritical carbon dioxide. J. Non-Cryst. Solids. 186, 78-82 (1995).
- 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).
- 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).
- Prakash, S. S., Brinker, C. J., Hurd, A. J. Silica aerogel films at ambient pressure. J. Non-Cryst. Solids. 190 (3), 264-275 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pierre, A. C., Rigacci, A., Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SiO2+aerogels.”>SiO2 aerogels. Aerogels Handbook. , (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Plata, D. L., Briones, Y. J., et al. Aerogel-Platform Optical Sensors for Oxygen Gas. J. Non-Cryst. Solids. 350, 326-335 (2004).
- 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).
