Bir Rapid Süperkritik Ekstraksiyon Yöntemi ile Silika AEROJEL Monoliths hazırlanıyor
Summary
Bu madde, silika aerojeller üretmek için bir hızlı süperkritik özütleme yöntemi tarif etmektedir. Kapalı bir kalıp ve hidrolik sıcak pres kullanılarak, yekpare aerojeller sekiz saat veya daha kısa yapılabilir.
Abstract
Hızlı bir süperkritik özütleme işlemi ile sekiz saat ya da daha az yekpare olarak silis aerojelleri imalatı için bir prosedür tarif edilmektedir. Bu prosedür, bir sıvı ön-karışım hazırlanmıştır ve sıcak pres içinde işlenmesi birkaç saat ile bir hidrolik sıcak presin baskı levhaları arasına yerleştirilir ardından bir metal kalıbın kuyu içine dökülmüş sırasında hazırlık süresi 15-20 dk, gerektirir. Metanol: su: amonyak öncü çözeltisi tetramethylorthosilicate bir 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10 -3 mol oranında (TMOS) oluşur. Kalıp, gözenekli silika sol-jel matris formları her çukuruna. Kalıp ve içeriğinin ısısı artar olarak, kalıp içindeki basınç yükselir. Sıcaklık / basınç koşulları (bu durumda, bir metanol / su karışımı), matrisin gözenekleri içinde çözücü için süper kritik nokta aşmak sonra, süper kritik akışkan yayımlanan ve tek parça aerojel kalıbın kuyu içinde kalır.Bu prosedürde kullanılan kalıp ile, 2.2 cm çapında ve 1.9 cm yüksekliğinde plastik bir silindir yekpare üretilmektedir. Bu hızlı bir yöntem ile oluşturulan Aerogels karşılaştırılabilir özelliklere ilave reaksiyon adımlarını ya da çözücü ekstraksiyonu ya da dahil diğer yöntemler (daha fazla kimyasal atık oluşturmak lengthier prosesleri) ile hazırlanabilir kişilerce (düşük yığın yoğunluğu ve iskelet, yüksek yüzey alanlı, gözenekli morfoloji). Hızlı var süper kritik ekstraksiyon yöntemi, aynı zamanda diğer ön-madde tarifleri göre aerojellerin üretim için uygulanabilir.
Introduction
Silis aerojel maddeler, düşük yoğunluklu, yüksek bir yüzey alanı ve mükemmel optik özelliklere sahip olan nano gözenekli yapısı ile birlikte düşük ısı ve elektrik iletkenliğine sahiptir. Bir malzeme, bu özelliklerin kombinasyonu, uygulama 1, çok sayıda aerojeller cazip hale getirmektedir. Bir yeni yorum makalede, Gurav ve ark. bilimsel araştırma ve endüstriyel ürün 2 gelişimi hem de ayrıntılı olarak silis aerojel malzemelerin mevcut ve potansiyel uygulamalar tarif etmektedir. Örneğin, silika aerojeller yakıt depolama ortamı olarak ve ısı yalıtım uygulamaları 2, geniş bir dizi için, düşük dielektrik malzeme olarak, sensörler olarak, emiciler olarak kullanılmıştır.
Aerojeller, tipik olarak iki aşamalı bir işlem kullanılarak imal edilir. İlk adım, daha sonra ıslak bir jel oluşturmak için yoğunlaştırma ve hidroliz reaksiyonlara uygun kimyasal öncüleri, karıştırma içerir. Silis jelleri hazırlamak için,Hidroliz reaksiyonları, bu durumda tetramethylorthosilicate olarak, su ve bir silis ihtiva eden ön-arasında meydana gelen (TMOS, Si (OCH3) 4), asit veya baz katalizör mevcudiyetinde.
Si (OCH3) 4 + H 2 O 
Si (OCH3) 4-n (OH) n + n CH3 OH
TMOS suda çözünmez. Hidrolizi kolaylaştırmak için, bu durum, metanol (MeOH, CH3 OH) olarak, bir çözücü eklemek için, ve karışım karıştırıldı ve sonikasyon için gereklidir. Taban katalize polikondensasyon reaksiyonları daha sonra hidrolize tabi tutulmuş silika, türler arasında meydana gelir:
R3 SiOH + HOSiR 3 R3, Si-O-SİR 3 + H 2 O
R3 SiOH + CH3 </sub> OSiR 3 R3, Si-O-SİR 3 + CH3 OH
Polikondensasyon reaksiyonları gözenekleri bu durumda, metanol ve su içinde, reaksiyonun yan ürünleri çözücü ile doldurulur, bir gözenekli SiO 2 katı matris meydana gelen bir ıslak jel, oluşmasına neden olur. Katı matris değiştirmeden gözeneklerinden çözücünün çıkarılması: ikinci aşama, bir aerojeli oluşturmak için ıslak jel kurutma içerir. Kurutma işlemi, aerojel oluşumu için son derece önemlidir. Doğru kırılgan nano çöker gerçekleştirilir ve Şekil 1 'de şematik olarak gösterildiği gibi bir kserojel oluşturulur değilse.
Süperkritik ekstraksiyon kurutma ve dondurarak kurutma çevre basıncı: aerojeller üretmek için sol-jel malzemeler kurutma için üç temel yöntem vardır. Süperkritik özütleme yöntemleribu yüzey gerilimi etkiler daraltmak için jelin nano yapısını neden olmayan void sıvı-buhar fazlı çizgisinden. Süperkritik çıkarma yöntemleri, yüksek sıcaklıkta (250-300 ° C) ve yoğunlaşma ile hidroliz reaksiyonları 3-7 alkol çözücü yan ürün doğrudan ekstre ile bir basınçta gerçekleştirilebilir. Alternatif olarak, bir değişim bir dizi yapar ve düşük bir süper kritik sıcaklığı (~ 31 ° C) sahip sıvı karbon dioksit ile alkol çözücü yerini alabilir. Ekstraksiyon sonra yüksek basınç da olsa, nispeten düşük bir sıcaklıkta 8,9 ile gerçekleştirilebilir. 10,11 birinci düşük ısıda ıslak jel dondurma ve daha sonra çözücü, sıvı-buhar fazlı çizgisinden kaçınarak daha, buhar şeklinde, doğrudan katı durumdan gaz durumuna izin kurutma yöntemleri dondurun. Ortam basıncı yöntem ortam pressu de ıslak jel kurutma, ardından nano yapısını güçlendirmek için yüzey gerilimi etkilerini azaltmak ya da polimerler için yüzey aktif maddeler kullanır12-16 tekrar.
Union College Rapid Süperkritik Ekstraksiyon (Rsce) işlemi, tek aşama (aerojel için ön-madde) bir yöntem olup, 17-19. Bu yöntem, diğer yöntemlerin gerektirdiği hafta yerine gün saatten daha yekpare aerojellerin imalat sağlayan yüksek sıcaklık süper kritik çıkarma, kullanır. Yöntem sınırlı metal kalıp ve bir programlanabilir hidrolik sıcak pres kullanır. Kimyasal ön karıştırılır ve hidrolik sıcak presin baskı levhaları arasına yerleştirilir kalıp, içine doğrudan doğruya döküldü. Sıcak pres kalıp mühür bir yasaklama kuvvet kapatmak ve uygulamak için programlanmıştır. Sıcak pres daha sonra çözücünün kritik sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta yüksek T, (sürecin bir arsa için bakınız Şekil 2) ile belirtilen bir hızda kalıp ısıtır. Heatup süre boyunca kimyasal bir jel ve jel güçlendirir ve yaş oluşturmak için tepkimeye sokulur. Kalıp ısıtılır gibi basınç da sonunda ulaşan yükselirbir süper kritik basıncı. Sistem equilibrates yüksek ise T ulaştıktan sonra, sıcak pres sabit bir devlet yaşıyor. Sonraki sıcak pres gücü süperkritik akışkan kaçar sıcak aerojelinin geride bırakarak, azalmış ve. Pres, daha sonra oda sıcaklığına kadar kalıp ve içeriğini soğutur. İşlem (3-8 saat sürebilir) sonunda pres açılır ve tek parça aerojeller kalıptan çıkarılır.
Bu Rsce yöntem, diğer aerojeli imalat yöntemlerine göre önemli avantajlar sunuyor. Genellikle 3-8 saat işlem süresinin ardından sadece 15-20 dakika hazırlık süresi gerektiren, hızlı (<8 saat toplam) ve çok emek yoğundur. Bu, nispeten daha az solvent atık işlemi sırasında oluşturulan anlamına gelir ki, solvent değişim gerektirmez.
Aşağıdaki bölümde, bir ön-madde karışımını ihtiva arasındaki Union Rsce yöntemi ile silindirik silika aerojel yekpare bir set hazırlanması için bir protokol açıklarhidroliz ve polikondansasyon reaksiyonları için katalizör olarak kullanılan sulu amonyak ile TMOS, metanol, su ve d (: MeOH: a TMOS H 2 O: 10 x -3 1.0:12:3.6:3.5 NH 3 molar oran). Biz, Union Rsce yöntem olup, metal kalıp ve kullanılan hidrolik sıcak pres ile ilgili olarak, çeşitli farklı boyut ve şekillerde aerojel hazırlamak için kullanılabilen unutmayın. Bu yöntem, aynı zamanda farklı Rsce haberci tarifleri 20 aerojeller diğer türleri (titanyum oksit, alüminyum oksit, vb) hazırlamak için kullanılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rsce yöntem bir otomatik ve basit bir işlem kullanılarak tek parça olarak silis aerojelleri tutarlı toplu üretir. Burada sunulan gibi bir yöntem sekiz saatlik bir işlem adımı gerektirir. Bu kadar az 3 saat 22 monolitik aerojel için ısıtma ve soğutma aşamaları hızlandırmak mümkündür, ancak bir 8 saat prosedür kullanıldığında, aerojel yekpare daha tutarlı bir toplu sonuçlanır. Işlem parametreleri küçük varyasyonlar süreç 22 sağlam olduğunu gösteren aerojel elde e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar taslak prosedürü test etmek için, aerojel malzemelerin fiziksel karakterizasyonu için lisans öğrencileri Lutao Xie'yi, ve Aude BECHU teşekkür ederim. Biz paslanmaz çelik kalıp işleme için Union College Mühendisliği Laboratuvarı minnettarız. Union College AEROJEL Laboratuvarı, Ulusal Bilim Vakfı (NSF MRG CTS-0216153, NSF RUI CHE-0514527, NSF MR CMMI-0722842, NSF RUI CHE-0847901, NSF RUI DMR-1206631 ve NSF MR CBET hibe tarafından finanse edilmiştir -1228851). Bu malzeme, Bağış No CSH-0847901 altında NSF tarafından desteklenen çalışma dayanır.
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).
