Lazer Gravür ve Boyaların Dahili Yoluyla Estetik Olarak Geliştirilmiş Silika Aerogel
Summary
Bu protokol, metni, desenleri ve görüntüleri silika aerojel monolitlerin yüzeyine yerel ve boyalı biçimde kazıma ve aerojelleri mozaik tasarımlara monte etme yöntemini açıklar.
Abstract
Bu yazıda silika aerojel monolitlerin lazerle kazınması ve boyaların birleştirilmesi ile estetik olarak geliştirilmesine yönelik bir prosedür açıklanmıştır. Hızlı bir süperkritik ekstraksiyon yöntemi kullanılarak, büyük silika aerojel monolit (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) yaklaşık 10 saat içinde imal edilebilir. Öncü karışıma dahil edilen boyalar sarı, pembe ve turuncu renkte aerojellerle sonuçlanır. Metin, desenler ve görüntüler, dökme yapıya zarar vermeden aerogel monolitin yüzeyine (veya yüzeylerine) kazınabilir. Lazer gravür, aerojelden şekilleri kesmek ve renkli mozaikler oluşturmak için kullanılabilir.
Introduction
Silika aerogel, alan tozu toplamadan bina yalıtım malzemesine kadar çeşitli uygulamalarda kullanılabilen düşük ısı iletkenliğine sahip akustik yalıtım malzemesi olan nanoporous, yüksek yüzey alanıdır1,2. Monolitik formda üretildiğinde, silika aerojeller yarı saydamdır ve yüksek yalıtımlı pencereler yapmak için kullanılabilir3,4,5.
Son zamanlarda, aerojelde toplu yapısal hasara neden olmadan6,7 lazer gravür sistemi kullanarak yüzeye kazıyarak veya keserek bir silika aerojel görünümünü değiştirmenin mümkün olduğunu gösterdik. Bu, estetik geliştirmeler yapmak, envanter bilgilerini yazdırmak ve aerojel monolitleri çeşitli formlara işlemek için yararlı olabilir. Femtosaniye lazerlerin aerogellerin ham “mikro işleme” için çalıştığı gösterilmiştir 8,9,10,11; bununla birlikte, mevcut protokol basit bir lazer gravür sistemi ile aerojellerin yüzeyini değiştirme yeteneğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu protokol sanatsal ve teknik topluluklar için geniş ölçüde geçerlidir.
Boyaları aerogel kimyasal öncü karışımına dahil etmek ve böylece çeşitli tonlarda boyalı aerojeller yapmak da mümkündür. Bu yöntem, Cerenkov algılama 14’ü geliştirmek için12,13, kimyasal sensörler imal etmek için ve tamamen estetik nedenlerle kullanılmıştır. Burada estetik açıdan hoş aerojeller hazırlamak için boya ve lazer gravür kullanımını gösteriyoruz.
Aşağıdaki bölümde, büyük silika aerojel monolitler yapma, boyaları dahil etmek için monolit hazırlama prosedürünü değiştirme, metin, desen ve görüntüleri bir aerojel monolitin yüzeyine kazıma ve mozaiklere monte edilecek büyük boyalı monolitlerden şekilleri kesme prosedürlerini açıklıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, estetik açıdan hoş aerojel malzemeler hazırlamak için lazer gravür ve boyaların dahil edilmesinin nasıl kullanılabileceğini göstermektedir.
Büyük (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) aerojel monolitler yapmak, aerojellerin kalıba yapışmasını ve büyük çatlakların oluşmasını önlemek için zımparalama, temizleme ve gres uygulaması yoluyla uygun kalıp hazırlamayı gerektirir. Kalıbın öncül çözelti ile doğrudan temas halinde olan parçaları/yakında oluşacak …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Birlik Koleji Fakülte Araştırma Fonu, Öğrenci Araştırma Hibe programı ve projenin finansal desteği için yaz lisans araştırma programını kabul etmek isterler. Yazarlar ayrıca üç parçalı kalıbın tasarımı için Joana Santos’u, SEM görüntüleme için Chris Avanessian’ı, kavisli aerojel yüzeye kazınması için Ronald Tocci’yi ve gravür projesi üzerinde ilham ve ilk çalışmaların yanı sıra Kouros görüntüsünü ve silindirik aerogel’i sağlamak için Dr. Ioannis Michaloudis’i kabul etmek istiyor.
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).
