Forbereder Silica Aerogel Monoliths via en Rapid superkritisk Extraction Method

Summary

Denne artikkelen beskriver en hurtig superkritisk ekstraksjon fremgangsmåte for fremstilling av silika aerogel. Ved å benytte et lukket form og hydraulisk varmpresset, kan monolittisk aerogel gjøres i åtte timer eller mindre.

Abstract

En fremgangsmåte for fremstilling av monolittiske silika aerogel i åtte timer eller mindre via en hurtig superkritisk ekstraksjon prosess er beskrevet. Denne fremgangsmåten krever 15 til 20 minutter for fremstillingen tid, i løpet av hvilken et flytende forstadium blanding ble fremstilt, og helt over i brønner på en metallform, som er lagt inn mellom pressorganene i en hydraulisk varmpresse, etterfulgt av flere timers behandling i den varme presse. Forløperen løsningen består av en 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 ^-3 molart forhold av tetrametylortosilikat (TMOS): methanol: vann: ammoniakk. I hver brønn av formen, et porøst silisiumdioksyd sol-gel matriseformer. Ettersom temperaturen av formen og dens innhold økes, øker trykket inne i formen stiger. Etter at temperatur / trykkforhold overgå den superkritiske punktet for løsningsmidlet inne i porene av matriksen (i dette tilfellet, en metanol / vann-blanding), blir det superkritiske fluid frigis, og monolittisk aerogel forblir i brønnene i støpeformen.Med støpeformen som brukes i denne fremgangsmåten, er sylindriske monolitter av 2,2 cm diameter og 1,9 cm høyde produsert. Aerogels dannet av denne raske metode har sammenlignbare egenskaper (lav bulk-og skjelett-tetthet, høyt overflateareal, mesoporøst morfologi) til de som fremstilles ved andre metoder som involverer enten ytterligere reaksjonstrinn eller løsemiddel ekstraksjon (omstendelig prosesser som genererer mer kjemisk avfall). The rapid superkritisk ekstraksjon metoden kan også anvendes for fabrikasjon av aerogel basert på andre forløper-oppskrifter.

Introduction

Silika aerogelprodukter materialer har lav tetthet, høyt overflateareal og lav termisk og elektrisk ledningsevne i kombinasjon med en nanoporøse struktur med utmerkede optiske egenskaper. Kombinasjonen av disse egenskaper i et materiale som gjør aerogels attraktiv i et stort antall applikasjoner ^1. I en fersk oversiktsartikkel, Gurav et al. beskrive i detalj de nåværende og potensielle anvendelser av silika aerogelprodukter materialer, både i vitenskapelig forskning og i utvikling av industrielle produkter ^to. For eksempel har silika aerogel blitt brukt som absorbenter, som sensorer, i lav-dielektrisk materiale, som lagringsmedium for drivstoff, og for et bredt spekter av varmeisolerende applikasjoner ^to.

Aerogel er vanligvis fabrikkert ved hjelp av en to-trinns prosess. Det første trinnet omfatter å blande egnede kjemiske forløpere, som deretter gjennomgår kondensasjons-og hydrolysereaksjoner for å danne en våt gel. For å forberede silikageler, denhydrolysereaksjoner oppstår mellom vann og et silisiumoksyd-inneholdende forløper, i dette tilfelle tetrametylortosilikat (TMOS, Si (OCH _{3) 4),} i nærvær av syre-eller basekatalysator.
Si (OCH _{3) 4} + H ₂ O Si (OCH _{3) 4-n} (OH) _n + n CH ₃ OH

TMOS er uløselig i vann. For å lette hydrolyse, er det nødvendig å inkludere et annet løsningsmiddel, i dette tilfelle metanol (MeOH, CH ₃ OH), og å røre eller sonicate blandingen. Base-katalysert polykondensasjons reaksjoner da oppstår mellom de hydrolyserte silika arter:

R ₃ SiOH + HOSiR ₃ R _{3-Si-O-SiR 3} + _H2O

_R3 SiOH + CH ₃ </sub> OSiR ₃ R _{3-Si-O-SiR 3} + CH ₃ OH

De polykondensasjons-reaksjoner resulterer i dannelsen av en våt gel, består av en porøs SiO ₂ fast matriks, hvor porene er fylt med løsningsmiddel-biprodukter av reaksjonen, i dette tilfelle metanol og vann. Det andre trinnet omfatter å tørke den våte gel for å danne en aerogel: fjerning av løsningsmidlet fra porene uten å endre den faste matriks. Tørkeprosessen er kritisk viktig for dannelsen av aerogelen. Hvis ikke riktig utført den skjøre nanostrukturen kollapser og en xerogel dannes som skissert i Figur 1.

Det er tre grunnleggende metoder for tørking av sol-gel-materialer for å produsere aerogels: superkritisk ekstraksjon, frysetørking, og omgivende trykk tørking. Den superkritisk utvinning metoder envoid krysser væske-dampfase-linje, slik at overflatespenningseffekter ikke forårsaker nanostrukturen av gelen til å kollapse. Superkritisk ekstraksjon metoder kan utføres ved høy temperatur (250-300 ° C) og trykk med direkte ekstraksjon av alkoholløsningsmiddel biprodukt av kondensasjonsproduktene og hydrolysereaksjoner ^3-7. Alternativt kan man utføre et sett med utveksling og erstatte den alkoholløsningsmiddel med flytende karbondioksyd, som har et lavt overkritisk temperatur (~ 31 ° C). Ekstraksjonen kan deretter utføres ved relativt lav temperatur ^8,9, om enn ved høyt trykk. Fryse tørkemetoder ^10,11 først fryse den våte gel ved lav temperatur, og deretter tillate løsningsmidlet å sublimere direkte til en dampform, igjen unngår å krysse det væske-dampfase-linje. Det omgivende trykk metoden bruker overflateaktive midler for å redusere overflatespenningen effekter eller polymerer for å styrke nanostrukturen, etterfulgt av tørking av den våte gel ved omgivelsesrykketre ^12-16.

The Union College Rapid superkritisk Utvinning (Rsce) prosessen er en ett-trinns (forløper til aerogel) metoden ^17-19. Fremgangsmåten anvender høy temperatur superkritisk ekstraksjon, som tillater fremstilling av monolittiske aerogeler i timer, i stedet for dager til uker som kreves av andre metoder. Fremgangsmåten benytter en begrenset metallform, og et programmerbart hydraulisk varmpresse. Kjemiske forløpere blandes og helles direkte ned i formen, som er plassert mellom platens i hydrauliske varmpresset. Den varme er programmert til å lukke slik at en tilbakeholdende kraft for å tette formen. Den varmpresset varmer deretter i formen ved en spesifisert hastighet til en temperatur, T _høyt, over den kritiske temperatur for løsningsmidlet (se figur 2 for et plott av prosessen). Under heatup for kjemikaliene reagerer for å danne en gel, og de gel-styrker og aldre. Når støpeformen er oppvarmet trykket stiger også, eventuelt nåen superkritisk trykk. Da nådde T _høy, den varmpresset bor på en fast tilstand mens systemet equilibrates. Neste varm presskraft er redusert og de superkritisk fluid rømming, etterlater en varm aerogel. Pressen kjøles deretter i formen og innholdet til romtemperatur. Ved slutten av prosessen (som kan ta 3-8 timer) pressen åpnes og monolittiske aerogeler er fjernet fra formen.

Denne Rsce fremgangsmåte gir betydelige fordeler fremfor andre aerogel fremstillingsmetoder. Det er rask (<8 timer totalt) og ikke veldig arbeidskrevende, vanligvis krever bare 15-20 min forberedelsestid etterfulgt av 3-8 timers behandlingstid. Det krever ikke løsningsmiddelutveksling, hvilket betyr at forholdsvis lite oppløsningsmiddel avfallet under prosessen.

I avsnittet som følger, beskriver vi en protokoll for å utarbeide et sett med sylindriske silika aerogelprodukter monolitter via Union Rsce metoden fra en forløper blanding omfatted av TMOS, metanol, vann og med vandig ammoniakk anvendes som en katalysator for hydrolyse-og polykondensasjons-reaksjoner (med en TMOS: MeOH: _H2O: NH ₃ molart forhold av 1.0:12:3.6:3.5 x 10 ^-3). Vi merker oss at Union Rsce fremgangsmåte kan anvendes for fremstilling av aerogeler av ulike størrelser og former, avhengig av metallform, og hydraulisk varmpresse som anvendes. Dette Rsce metoden har også blitt brukt til å forberede andre typer aerogel (Titania, alumina, etc.) fra ulike forløper oppskrifter ^20.

Protocol

Sikkerhetsmessige hensyn: Beskyttelsesbriller bør brukes til enhver tid under den forberedende arbeidet med løsninger og hydraulikkvarmpresset. Laboratoriehansker bør brukes ved utarbeidelse av kjemisk reagens løsning og når helle løsningen i formen i den varme trykk. TMOS, metanol og konsentrert ammoniakk, og oppløsninger som inneholder disse reagenser må håndteres i en avtrekkshette. Den superkritiske ekstraksjonsprosessen frigjør varm metanol, slik at det er nødvendig både for å ventilere hydrauli…

Representative Results

Ifølge fremgangsmåten som beskrives her resulterer i ensartede grupper av monolittiske silika aerogel. Figur 4 viser bilder av typiske silika aerogel gjort via denne prosessen. Hver aerogel tar opp formen og størrelsen av brønnen i behandlingen formen uten noen krymping. Bildene viser at silica aerogel er gjennomsiktig. De fysikalske egenskapene til disse aerogeler er oppsummert i tabell 4.. De er sammenlignbare med de av silika aerogel fremstilt fra til…

Discussion

Den Rsce metoden gir konsistente grupper av monolittisk silica aerogel ved hjelp av en automatisert og enkel prosess. Fremgangsmåten som er presentert her kreves en åtte-timers behandlingstrinnet. Det er mulig å øke hastigheten på oppvarming og kjøling skritt for å gjøre monolittisk aerogel i så lite som 3 hr ^22, men når en 8 timers prosedyre er ansatt, mer konsistente grupper av aerogelprodukter monolitter føre. Små variasjoner i prosessparametrene ikke påvirker de fysiske egenskapene til de res…

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.