إعداد السيليكا Aerogel كتل عن طريق استخراج الطريقة السريعة فوق الحرجة
Summary
توضح هذه المقالة طريقة استخراج فوق الحرجة السريع لافتعال aerogels السيليكا. من خلال الاستفادة من العفن المحصورة والصحافة الساخنة الهيدروليكية، aerogels متجانسة يمكن أن يتم في ثماني ساعات أو أقل.
Abstract
ووصف الإجراء لتصنيع aerogels السيليكا متجانسة في ثماني ساعات أو أقل خلال عملية استخراج فوق الحرجة السريع. يتطلب الإجراء 15-20 دقيقة من الوقت اللازم لإعداد خلالها يتم إعداد خليط السلائف السائل وتصب في قالب من الآبار المعدنية التي يتم وضعها بين ممرات الصحافة الساخنة الهيدروليكية، تليها عدة ساعات من المعالجة في إطار الصحافة الساخنة. يتكون الحل السلائف من نسبة 1.0:12.0:3.6:3.5 × 10 -3 المولي من tetramethylorthosilicate (TMOS): الميثانول: الماء: الأمونيا. في كل بئر من العفن، والتي يسهل اختراقها السليكا أشكال مصفوفة سول هلام. كما أن درجة حرارة القالب ومحتوياته وزيادة، والضغط داخل القالب يرتفع. بعد تجاوز ظروف درجة الحرارة / الضغط نقطة فوق الحرجة للالمذيب داخل المسام من المصفوفة (في هذه الحالة، والميثانول / الماء المخلوط)، يتم تحرير السوائل فوق الحرجة، ويبقى ايروجيل متجانسة داخل الآبار من العفن.مع القالب المستخدم في هذا الإجراء، يتم إنتاج كتل اسطوانية من 2.2 سم وقطرها 1.9 سم ارتفاع. Aerogels التي شكلتها هذه الطريقة السريعة لها خصائص مماثلة (منخفض الكثافة السائبة والهيكل العظمي، ومساحة عالية، مورفولوجيا mesoporous) لتلك التي تنطوي على الطرق الأخرى التي إما خطوات التفاعل إضافية أو الاستخراج بالمذيبات (العمليات أطول أن تولد المزيد من النفايات الكيميائية) التي أعدت. والسريع ويمكن أيضا طريقة استخراج فوق الحرجة تطبيقها على تلفيق aerogels بناء على وصفات أخرى السلائف.
Introduction
مواد السيليكا ايروجيل يكون منخفض الكثافة، ومساحة عالية، وانخفاض الموصلية الحرارية والكهربائية جنبا إلى جنب مع بنية نانوية مسامية مع الخصائص البصرية ممتازة. الجمع بين هذه الخصائص في مادة واحدة يجعل aerogels جذابة في عدد كبير من التطبيقات 1. في مراجعة مقال نشر مؤخرا، Gurav وآخرون. وصف تفصيلي للتطبيقات الحالية والمحتملة للمواد السيليكا ايروجيل، سواء في مجال البحث العلمي والتطوير في المنتجات الصناعية 2. على سبيل المثال، استخدمت aerogels السيليكا كما الماصة، وأجهزة الاستشعار، في مواد عازلة منخفضة، وسائط التخزين للوقود، ومجموعة واسعة من تطبيقات العزل الحراري 2.
وعادة ما تكون ملفقة Aerogels باستخدام عملية من خطوتين. ينطوي الخطوة الأولى خلط السلائف الكيميائية المناسبة، التي تخضع ثم التكثيف والتحلل ردود الفعل على تشكيل مادة هلامية الرطب. لإعداد المواد الهلامية السيليكا، وتحدث تفاعلات التحلل المائي بين الماء والسلائف التي تحتوي على السيليكا، في هذه الحالة tetramethylorthosilicate (TMOS، سي (OCH 3) 4)، في وجود حمض أو قاعدة المحفز.
الاشتراكية (OCH 3) 4 + H 2 O 
الاشتراكية (OCH 3) 4 ن (OH) ن ن + CH 3 OH
TMOS غير قابل للذوبان في الماء. من أجل تسهيل التحلل، فمن الضروري أن تشمل المذيبات آخر، في هذه الحالة الميثانول (MeOH، CH 3 OH)، وإلى إثارة أو يصوتن الخليط. ردود الفعل من polycondensation قاعدة بحافز ثم تحدث بين الأنواع السيليكا تحلل:
R + 3 SiOH HOSiR 3 R 3 سي-O-3 + H السير 2 O
R 3 SiOH + CH 3 </الفرعية> أوزير 3 R 3 سي-O-3 + سيدي CH 3 OH
ردود الفعل من polycondensation تؤدي إلى تشكيل مادة هلامية الرطب، وتتألف من مسامية شافي 2 المصفوفة الصلبة، والتي تمتلئ المسام مع تركات المذيبات من رد الفعل، في هذه الحالة الميثانول والماء. ينطوي على الخطوة الثانية تجفيف هلام الرطب لتشكيل ايروجيل: إزالة المذيبات من المسام دون تغيير المصفوفة الصلبة. عملية التجفيف مهم للغاية لتشكيل ايروجيل. إذا لم تنفذ بشكل صحيح انهيار البنية النانوية الهشة ويتم تشكيل هلامة جافة كما هو موضح في الشكل 1 تخطيطي.
هناك ثلاث طرق أساسية لتجفيف المواد سول هلام لإنتاج aerogels: استخراج فوق الحرجة، وتجميد التجفيف والتجفيف المحيطة الضغط. وفوق الحرجة أساليب الاستخراج والفراغ عبور خط الطور السائل بخار بحيث آثار التوتر السطحي لا تسبب البنية النانوية من هلام للانهيار. لا يمكن أن يؤديها أساليب الاستخراج فوق الحرجة في درجة حرارة عالية (250-300 ° C)، والضغط المباشر مع استخراج الكحول من ثانوية المذيبات من التكثيف وردود فعل التحلل 3-7. بدلا من ذلك، يمكن للمرء أن أداء مجموعة من التبادلات واستبدال المذيبات الكحول مع ثاني أكسيد الكربون السائل، والذي لديه درجة حرارة منخفضة فوق الحرجة (~ 31 درجة مئوية). ويمكن بعد ذلك إجراء استخراج منخفضة نسبيا في درجة حرارة 8،9، وإن كان تحت ضغط عال. تجميد أساليب التجفيف 10،11 الأول تجميد هلام الرطب في درجة حرارة منخفضة ومن ثم السماح المذيب إلى تسامى مباشرة إلى شكل بخار، ومرة أخرى تجنب عبور خط مرحلة السائل بخار. يستخدم أسلوب الضغط المحيط السطحي للحد من آثار التوتر السطحي أو البوليمرات لتعزيز البنية النانوية، تليها جفاف الجل الرطب في pressu المحيطةإعادة 12-16.
عملية إتحاد كلية السريع فوق الحرجة استخراج (RSCE) هو الأسلوب 17-19 على بعد خطوة واحدة (مقدمة لايروجيل). طريقة توظف درجات حرارة عالية فوق الحرجة استخراج، والذي يسمح تصنيع aerogels متجانسة في ساعات بدلا من أيام إلى أسابيع المطلوبة من قبل وسائل أخرى. يستخدم الأسلوب قالب معدني المحصورة والصحافة الساخنة الهيدروليكية للبرمجة. السلائف الكيميائية المختلطة وسكب مباشرة في القالب الذي يوضع بين ممرات الصحافة الساخنة الهيدروليكية. وتمت برمجة الصحافة الساخنة للإغلاق وتطبيق قوة زجرية لختم العفن. الصحافة الساخنة ثم يسخن القالب بمعدل المحدد إلى درجة حرارة، T عالية، أعلى من درجة الحرارة الحرجة من المذيب (انظر الشكل 2 للحصول على قطعة من هذه العملية). خلال الفترة heatup المواد الكيميائية تتفاعل لتشكيل مادة هلامية ويقوي جل والأعمار. كما يتم تسخين القالب يرتفع الضغط أيضا، ليصل في نهاية المطافالضغط فوق الحرج. عند بلوغ T عالية، يسكن الصحافة الساخنة في حالة ثابتة بينما equilibrates النظام. المقبل وانخفضت قوة الصحافة الساخنة وهروب السوائل فوق الحرجة، تاركا وراءه ايروجيل الساخنة. الصحافة ثم يبرد القالب ومحتوياته إلى درجة حرارة الغرفة. في نهاية العملية (والتي يمكن أن يستغرق 3-8 ساعة) يفتح الصحافة وتتم إزالة aerogels متجانسة من العفن.
يقدم هذا الأسلوب RSCE مزايا هامة على طرق تصنيع ايروجيل الأخرى. فهي سريعة (<8 ساعة الكل) وليس غاية كثيفة العمالة، والتي تتطلب عادة فقط 15-20 دقيقة الوقت اللازم لإعداد تليها 3-8 ساعة وقت المعالجة. أنها لا تتطلب تبادل المذيب، وهو ما يعني أن تتولد النفايات المذيبات قليلا نسبيا خلال العملية.
في المقطع الذي يلي، وصفنا بروتوكول لإعداد مجموعة من كتل اسطوانية السيليكا ايروجيل عبر أسلوب الاتحاد RSCE من خليط السلائف تشملد من TMOS، والميثانول، والمياه مع الأمونيا المائية المستخدمة باعتبارها حافزا للوالتحلل من polycondensation ردود الفعل (مع TMOS: MeOH: H 2 O: NH 3 نسبة المولي من 1.0:12:3.6:3.5 × 10 -3). نلاحظ أن أسلوب الاتحاد RSCE يمكن استخدامها لإعداد aerogels من مختلف الأحجام والأشكال المختلفة، اعتمادا على قالب معدني والصحافة الساخنة الهيدروليكية المستخدمة. كما تم استخدام هذا الأسلوب RSCE لإعداد أنواع أخرى من aerogels (تيتانيا، والألومينا، وغيرها) من وصفات مختلفة السلائف 20.
Protocol
Representative Results
Discussion
تنتج طريقة RSCE دفعات ثابت من aerogels السيليكا متجانسة باستخدام عملية مؤتمتة وبسيطة. الأسلوب كما قدمت هنا يتطلب خطوة تجهيز ثماني ساعات. فمن الممكن لتسريع التدفئة والتبريد الخطوات لجعل aerogels متجانسة في اقل من 3 ساعة 22، ولكن عندما يعمل إجراء 8 ساعة، ينتج دفعات أكثر اتسا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفين أشكر طلاب المرحلة الجامعية Lutao شيه، على الخصائص الفيزيائية للمواد ايروجيل، وAUDE Bechu، لاختبار مشروع الإجراء. ونحن ممتنون للمختبر الهندسة كلية الاتحاد للبالقطع العفن الفولاذ المقاوم للصدأ. وقد تم تمويل مختبر كلية الاتحاد Aerogel من المنح المقدمة من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF التصوير بالرنين المغناطيسي CTS-0216153، NSF RUI CHE-0514527، NSF التصوير بالرنين المغناطيسي CMMI-0722842، NSF RUI CHE-0847901، NSF RUI DMR-1206631، والتصوير بالرنين المغناطيسي NSF CBET -1228851). ويستند هذه المواد على العمل بدعم من جبهة الخلاص الوطني في إطار منحة رقم 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. |
References
- 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).
