Estetiskt förbättrad kiseldioxid aerogel via införlivande av laser etsning och färgämnen
Summary
Detta protokoll beskriver en metod för etsning av text, mönster och bilder på ytan av kiselflygelmonoliter i inhemsk och färgad form och montering av aerogelerna i mosaikdesign.
Abstract
Ett förfarande för estetiskt förbättra kiseldioxid aerogel monoliter genom laser etsning och införlivande av färgämnen beskrivs i detta manuskript. Med hjälp av en snabb superkritisk extraktionsmetod kan stor kiselflygelmonolit (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) tillverkas i ca 10 h. Färgämnen som ingår i prekursorblandningen resulterar i gul-, rosa- och orangefärgade aerogeler. Text, mönster och bilder kan etsas fast på aerogelmonolitens yta (eller ytor) utan att massstrukturen skadas. Lasergravören kan användas för att skära former från aerogelen och bilda färgglada mosaiker.
Introduction
Kiselflygel är en nanoporös, hög yta, akustiskt isolerande material med låg värmeledningsförmåga som kan användas i en rad olika tillämpningar från insamling av rymddamm till byggnadsisoleringsmaterial1,2. När kiseldioxidflygel tillverkas i monolitisk form är de genomskinliga och kan användas för att göra mycket isolerande fönster3,4,5.
Nyligen har vi visat att det är möjligt att ändra utseendet på en kiselflygel genom att etsa på eller skära genom ytan med hjälp av ett lasergravyrsystem6,7 utan att orsaka bulkstrukturella skador på aerogelen. Detta kan vara användbart för att göra estetiska förbättringar, skriva ut lagerinformation och bearbeta aerogelmonoliter i olika former. Femtosecond lasrar har visat sig fungera för rå “mikrobearbetning” av aerogeler8,9,10,11; Det nuvarande protokollet visar dock förmågan att ändra aerogelernas yta med ett enkelt lasergravyrsystem. Som ett resultat är detta protokoll i stort sett tillämpligt på de konstnärliga och tekniska samhällena.
Det är också möjligt att införliva färgämnen i aerogelkemikaliens föregångareblandning och därmed göra färgdämpade aerogeler med en rad nyanser. Denna metod har använts för att tillverka kemiska sensorer12,13, för att förbättra Cerenkov detektion14, och av rent estetiska skäl. Här demonstrerar vi användningen av färgämnen och laseretsning för att förbereda estetiskt tilltalande aerogeler.
I avsnittet som följer beskriver vi procedurer för att göra stora kiselflygelmonoliter, ändra monolitpreparatet för att införliva färgämnen, etsning av text, mönster och bilder på ytan av en aerogelmonolit och skära former från stora färgade monoliter som ska monteras i mosaiker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll visar hur laseretsning och införandet av färgämnen kan användas för att förbereda estetiskt tilltalande aerogelmaterial.
Att göra stora (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) aerogelmonoliter kräver korrekt mögelberedning genom slipning, rengöring och fettapplikation för att förhindra att aerogeln fastnar på formen och stora sprickor bildas. De delar av formen som kommer i direkt kontakt med föregångarens lösning/snart bildas aerogel är de mest kritiska. Att minska formens y…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill uppmärksamma Union College Faculty Research Fund, Student Research Grant program och sommarens grundutbildningsprogram för ekonomiskt stöd till projektet. Författarna vill också uppmärksamma Joana Santos för utformningen av den tredelade formen, Chris Avanessian för SEM-avbildning, Ronald Tocci för etsning på den böjda aerogelytan och Dr. Ioannis Michaloudis för inspiration och inledande arbete med etsningsprojektet samt för att ge Kouros-bilden och cylindrisk aerogel.
Materials
| 2000 grit sandpaper | Various | ||
| 50W Laser Engraver | Epilog Laser | Any laser cutter is suitable | |
| Acetone | Fisher Scientific www.fishersci.com | A18-20 | Certified ACS Reagent Grade |
| Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A669S212 | Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w% |
| Beakers | Purchased from Fisher Scientific | Any glass beaker is suitable. | |
| Deionized Water | On tap in house | ||
| Digital balance | OHaus Explorer Pro | Any digital balance is suitable. | |
| Disposable cleaning wipes | Fisher Scientific www.fishersci.com | 06-666 | KimWipe |
| Drawing Software | CorelDraw Graphics Suite | CorelDraw | |
| Flexible Graphite Sheet | Phelps Industrial Products | 7500.062.3 | 1/16" thick |
| Fluorescein | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | F2456 | Dye content ~95% |
| Foam paint brush | Various | 1-2 cm size | |
| High Vacuum Grease | Dow Corning | ||
| Hydraulic Hot Press | Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com | MTP-14 | Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons. |
| Laser Engraver | Epilogue Laser | Helix – 24 | 50 W |
| Methanol (MeOH) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A412-20 | Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8% |
| Mold | Fabricated in House | Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel. | |
| Paraffin Film | Fisher Scientific www.fishersci.com | S37441 | Parafilm M Laboratory Film |
| Rhodamine-6G Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 20,132-4 | Dye content ~95% |
| Rhodamine-B Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | R-953 | Dye content ~80% |
| Soap to clean mold | Various | ||
| Stainless Steel Foil | Various | .0005" thick, 304 Stainless Steel | |
| Tetramethylorthosilicate (TMOS) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 218472-500G | 98% purity, CAS 681-84-5 |
| Ultrasonic Cleaner | FisherScientific FS6 | 153356 | Any sonicator is suitable. |
| Vacuum Exhaust system | Purex | 800i | Any exhaust system is suitable. |
| Variable micropipettor, 100-1000 µL | Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com | S304665 | Any 100-1000 µL pipettor is suitable. |
References
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
- Bhuiya, M. M. H., et al. Preparation of monolithic silica aerogel for fenestration applications: scaling up, reducing cycle time, and improving performance. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (25), 6971-6981 (2016).
- Jelle, B. P., et al. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells. 96, 1-28 (2012).
- Michalous, I., Carroll, M. K., Kupiec, S., Cook, K., Anderson, A. M. Facile method for surface etching of silica aerogel monoliths. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 87 (1), 22-26 (2018).
- Stanec, A. M., Anderson, A. M., Avanessian, C., Carroll, M. K. Analysis and characterization of etched silica aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 94, 406-415 (2020).
- Sun, J., Longtin, J. P., Norris, P. M. Ultrafast laser micromachining of silica aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 281 (1-3), 39-47 (2001).
- Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
- Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
- Vainos, N. A., Karoutsos, V., Mills, B., Eason, R. W., Prassas, M. Isotropic contractive scaling of laser written microstructures in vitrified aerogels. Optical Materials Express. 6 (12), 3814-3825 (2016).
- Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. , (2011).
- Bockhorst, M., Heinloth, K., Pajonk, G. M., Begag, R., Elaloui, E. Fluorescent dye doped aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection. Journal of Non-Crystalline Solids. 186, 388-394 (1995).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing silica aerogel monoliths via a rapid supercritical extraction method. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51421 (2014).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. Journal of Non-Crystalline 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. U.S. Patent. , (2011).
- 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. U.S. Patent. , (2008).
- Estok, S. K., Hughes, T. A., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Fabrication and characterization of TEOS-based silica aerogels prepared using rapid supercritical extraction. Journal of Sol-gel Science and Technology. 70 (3), 371-377 (2014).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina sol gels: Effects of heat treatment on structure and catalytic ability. Journal of Non-Crystalline Solids. 453, 94-102 (2016).
- 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).
- Tobin, Z. M., et al. Preparation and characterization of copper-containing alumina and silica aerogels for catalytic applications. Journal of Sol-gel Science and Technology. 84 (3), 432-445 (2017).
- Tsou, P., Brownlee, D. E., Glesias, R., Grigoropoulos, C. P., Weschler, M. Cutting silica aerogel for particle extraction. Lunar and Planetary Science XXXVI. Part 19. , (2005).
- Ishii, H. A., et al. Rapid extraction of dust impact tracks from silica aerogel by ultrasonic microblades. Meteoritics & Planetary Science. 40 (11), 1741-1747 (2005).
- Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).
