Herstellung von Silica-Aerogel-Monolithe über eine schnelle Supercritical Extraction Method
Einführung
Silica-Aerogel-Materialien haben eine geringe Dichte, hohe Oberfläche und eine niedrige thermische und elektrische Leitfähigkeit mit einer nanoporösen Struktur kombiniert mit hervorragenden optischen Eigenschaften. Die Kombination dieser Eigenschaften in einem Material macht Aerogele attraktiv in einer großen Anzahl von Anträgen 1. In einem kürzlich erschienenen Übersichtsartikel, Gurav et al. im Detail beschreibt die aktuellen und potenzielle Anwendungen von Silica-Aerogel-Materialien, sowohl in der wissenschaftlichen Forschung und in der Entwicklung von Industrieprodukten 2. Zum Beispiel Silicaaerogelen wurde als Absorptionsmittel, wie Sensoren, in geringen dielektrischer Materialien, als Speichermedium für Kraftstoffe verwendet und für eine breite Palette von wärmedämmenden Anwendungen 2.
Aerogele sind hergestellt typischerweise einen zweistufigen Prozess. Der erste Schritt beinhaltet geeigneten chemischen Vorläufern Mischen, die dann Kondensation und Hydrolysereaktionen unterziehen, um ein nasses Gel auszubilden. Um Kieselgele, die Hydrolysereaktionen auftreten, zwischen Wasser und einem Siliciumdioxid enthaltenden Vorstufe, in diesem Fall Tetramethylorthosilicat (TMOS, Si (OCH 3) 4), in Gegenwart von sauren oder basischen Katalysators herzustellen. Si (OCH 3) 4 + H 2 O
TMOS ist in Wasser unlöslich. Um die Hydrolyse zu erleichtern, ist es notwendig, ein anderes Lösungsmittel, in diesem Fall Methanol (MeOH, CH 3 OH) aufzunehmen und zu rühren oder die Mischung beschallen. Basenkatalysierte Polykondensationsreaktionen dann zwischen der hydrolysierten Kieselsäure Spezies auftreten:
Die Polykondensationsreaktionen führen zur Bildung eines feuchten Gels, bestehend aus einer porösen SiO2 festen Matrix, in der die Poren mit den Lösungsmittelnebenprodukten der Reaktion, in diesem Fall Methanol und Wasser gefüllt sind. Der zweite Schritt beinhaltet das Naßgel getrocknet, wobei ein Aerogel zu bilden: das Lösungsmittel aus den Poren zu entfernen, ohne dass die feste Matrix zu verändern. Der Trocknungsprozess ist von entscheidender Bedeutung für die Bildung des Aerogels. Wenn sie nicht korrekt die zerbrechliche Nanostruktur kollabiert durchgeführt und ein Xerogel gebildet wird, wie schematisch in Abbildung 1.
Es gibt drei grundlegende Verfahren Sol-Gel-Materialien für die Trocknung von Aerogelen zu erzeugen: überkritische Extraktion, Gefriertrocknung und Umgebungsdruck Trocknen. Die überkritische Extraktion Verfahren vermeiden Überquerung der Flüssigkeits-Dampf-Phasenleitung, so daß Oberflächenspannungseffekte die Nanostruktur des Gels nicht dazu führen, zu kollabieren. Überkritischem Extraktionsverfahren bei hohen Temperatur durchgeführt werden (250-300 # X000b0; C) und Druck mit direkter Extraktion des Alkohollösungsmittel Nebenprodukts der Kondensation und Hydrolysereaktionen 3-7. Alternativ kann man eine Reihe von Vermittlungsstellen durchführen und die Alkohol-Lösungsmittel mit flüssigem Kohlendioxid ersetzen, die eine niedrige Temperatur aufweist kritische (
31 # X000b0; C). Die Extraktion kann dann bei relativ niedriger Temperatur 8,9 durchgeführt werden. wenn auch bei hohem Druck. Die Gefriertrocknungsverfahren 10,11 zuerst das nasse Gel bei niedriger Temperatur gefrieren und dann ermöglichen das Lösungsmittel zu sublimieren direkt in eine Dampfform, wiederum vermeidet Überquerung der Flüssigkeits-Dampf-Phasenlinie. Der Umgebungsdruck Methode verwendet Tenside die Oberflächenspannungseffekte oder Polymere zu verringern die Nanostruktur zu verstärken, 12-16 durch Trocknen des feuchten Gels bei Umgebungsdruck folgt.
Dieses RSCE Verfahren bietet erhebliche Vorteile gegenüber anderen Aerogel Herstellungsverfahren. Es ist schnell (# x0003c; 8 Stunden insgesamt) und nicht sehr arbeitsintensiv, in der Regel erfordern nur 15-20 Minuten Vorbereitungszeit, gefolgt von 3-8 Stunden Bearbeitungszeit. Es erfordert keinen Lösungsmittelaustausch, was bedeutet, dass relativ wenig Lösungsmittelabfall während des Prozesses erzeugt wird.
In dem Abschnitt, der folgt, beschreiben wir ein Protokoll eine Reihe von zylindrischem Silica-Aerogel-Monolithe über die Union RSCE Methode aus einer Vorläufermischung, bestehend aus TMOS, Methanol und Wasser mit wässrigem Ammoniak zur Herstellung von als Katalysator für die Hydrolyse und Polykondensationsreaktionen eingesetzt ( mit einem TMOS: MeOH: H2 O: NH3 Molverhältnis von 1,0: 12: 3,6: 3,5 x 10 -3). Wir stellen fest, dass die Union RSCE Verfahren verwendet werden können Aerogele von verschiedenen Größen und Formen herzustellen, abhängig von der Metallform und hydraulische Heißpresse eingesetzt. Diese RSCE Verfahren haben auch andere Arten von Aerogelen (Titandioxid, Aluminiumoxid, etc.) zur Herstellung von verschiedenen Vorläufern Rezepte 20 verwendet.
Sicherheitsaspekte. Schutzbrille sollte während der präparativen Arbeiten mit Lösungen und der hydraulischen Heißpresse jederzeit getragen werden. Laborhandschuhe getragen werden, wenn die chemische Reagenzlösung bereitet, und wenn in der Heißpresse, die Lösung in die Form gegossen wird. TMOS, Methanol und konzentriertem Ammoniak, und Lösungen, die diese Reagenzien enthalten, müssen innerhalb einer Abzugshaube gehandhabt werden. Das überkritischen Extraktionsverfahren Mitteilungen heiße Methanol, so dass es notwendig ist, sowohl die hydraulische Heißpresse zu entlüften, und um sicherzustellen, dass es keine Zündquellen in dem Entlüftungsweg der Heißpresse. Darüber hinaus empfehlen wir die Installation eines Schutzschild um die Heißpresse. Im Fall eines Dichtungsausfalls wird das Schild dazu beitragen, die resultierenden Dichtungsteile enthalten und dadurch jemand schützt in der Nähe der heißen Presse arbeiten.
1. Bereiten Sie Reagenzien und andere Vorräte
Sammeln Sie die Reagenzien für das Rezept erforderlich: Tetramethylorthosilicat, Methanol, entionisiertes Wasser und Ammoniak.
Make 100,0 ml einer 1,5 # x000a0; M Ammoniaklösung. Um dies zu tun, verdünnte 10,1 ml von 14,8 M konzentriertem Ammoniak auf 100 ml mit entionisiertem Wasser.
Erwerb eine quadratische Form aus rostfreier Stahl, 12,7 cm x 12,7 cm x 1,9 cm hoch, mit 9 kreisförmigen Vertiefungen von 2,2 cm Durchmesser (siehe Abbildung 3). Wischen die Form mit einem sauberen, feuchten Lappen jede Oberfläche Öl oder Staub zu entfernen. Spray innerhalb jeden kreisförmigen gut mit Hochtemperatur-Formtrennspray bei der Entfernung von Aerogelen aus der Form nach der Verarbeitung zu erleichtern.
Bereiten drei Sätze von Dichtungen von 1/16 in # x000a0 Dicht; (1,6 mm) dicke Graphitfolie und 0,0005 in # x000a0; (0,012 mm) dicke Folie aus rostfreier Stahl. Drei Stücke geschnitten jedes Material ausreichend, um die Form vollständig zu bedecken (# x0003e; 12,7 cm x # X0003e; 12,7 cm).
2. Bereiten Sie Instruments
Programmieren Sie die Heißpresse Dichtungs- und Extraktionsprogramme. Zuerst ein Dichtungsprogramm eingerichtet, der verwendet wird, die Unterseite der offenen Form zu versiegeln. Siehe Tabelle 1 für die notwendigen Programmwerte. Weiter Oberhalb das Extraktionsprogramm mit den richtigen Parametern für die Kieselsäure-Aerogele unter Verwendung der Form beschrieben werden. Siehe Tabelle 2 für diese Parameter.
Bereiten Sie Gläser. Zur Vermeidung von Kontaminationen, vier Bechergläser benötigt werden, ein 250 # x000a0; ml Becherglas als ‚Precursorlösung,‘ ein 100 # x000a0; ml Becherglas Bezeichnung ‚Methanol,‘ ein 20 # x000a0; ml Becherglas als ‚DI-Wasser‘, und ein 10 # x000a0; ml Becherglas '1,5 # x000a0.; M Ammoniak' etikettiert Stellen Sie sicher, dass alle Bechergläser sauber und trocken sind.
Bereiten Sie Pipetten. Digitale Pipetten sollte für eine einfache verwendet werden. A 10 # x000a0; ml digitale Pipette und ein 1000 # x000a0; # x003bc; l # x000a0; Pipette verwendet wird. Stellen Sie sicher, mehrere Pipettenspitzen zur Verfügung stehen.
Bereiten Sie Beschallungsgerät mit Wasser bis zur Fülllinie hinzufügen.
3. Seal Mold Bottom
Legen Sie Schimmel und Dichtungsmaterial in Heißpresse. Erstes Zentrum eine Graphitschicht auf der unteren Platte, ein Blech aus rostfreier Stahlfolie hinzufügen und die Form auf der Oberseite der Folie aus rostfreien Stahl stellen. Fügen Sie einen anderen Satz von Dichtungsmaterial (Edelstahl dann Graphit) auf der Oberseite der Form. (Hinweis: verwendete Dichtungsmaterial auf der Oberseite in diesem Schritt verwendet werden, aber neues Dichtungsmaterial muss auf dem Boden verwendet werden.)
Starten der Heißpresse Dichtungs Programm unter Verwendung der in der Tabelle gezeigten Parameter 1. Dieses Programm dichtet den Boden der Form, die flüssigen Vorprodukten aus undichten zu verhindern, wenn die Form mit Vorläuferlösung gefüllt ist.
4. Stellen Sie Precursor-Lösung
Das Rezept für TMOS-basierte Kieselsäureaerogele ist in Tabelle 3 Alle Lösungsbearbeitung gezeigt in einer Abzugshaube durchgeführt wird.
Erste Pipette Aliquots von TMOS in Höhe von insgesamt 17,0 ml von der Reagenzflasche in die 250 # x000a0; ml # x000a0; Becherglas ‚Precursorlösung‘ gekennzeichnet.
Gießen Sie etwas Methanol in den 100 # x000a0; ml Becherglas und dann Pipetten Aliquots von Methanol in Höhe von insgesamt 55,0 ml in den 250 # x000a0; ‚Precursorlösung‘ ml Becherglas etikettiert
Gießen Sie etwas deionisiertem Wasser in die 20 # x000a0; ml Becherglas ‚DI-Wasser‘ markiert und aus dieser Becher Pipette 7,2 ml Wasser in die 250 # x000a0; ml Becherglas.
Schließlich etwas 1,5 # x000a0 gießen; M NH 3 in den 10 # x000a0; ml Becherglas und von diesem Becher Pipette 270 # X000b5; l # x000a0; der Lösung in den 250 # x000a0; ml Becherglas.
Siegel die Becher mit Kunststoffparaffinfilm.
Reagenzien mischen, um sicherzustellen, daß die Hydrolyse der Vorläuferlösung durch Beschallen für mindestens 5 min auftritt. Vor der Beschallung, zwei flüssige Schichten sind manchmal sichtbar in der Vorläufermischung. Nach 5 min Beschallung sollte die Lösung erscheint monophasischen sein. Wenn dies nicht der Fall, beschallen die Mischung für weitere 5 min.
5. Gießen Precursor-Lösung in die Form in der Hot Press
Am Ende des Formdichtprogrammes der heißen Pressplatten geöffnet. Entfernen Sie das oberseitige Dichtungsmaterial und beiseite stellen. Lassen Sie die Form, wie in der Heißpresse ist, so dass die untere Seite der Form abgedichtet bleibt.
Füllen Sie jede Vertiefung der Form vollständig mit der Vorläuferlösung. (Anmerkung: Es wird ca. 10 ml Aerogel Precursorlösung sein übrig bleiben, nachdem die Form gefüllt Dieser kann verworfen werden oder verarbeitet werden unter Umgebungsbedingungen Xerogele zu machen..)
Setzen Sie frisches Dichtungsmaterial auf der Oberseite der Form: die Edelstahlfolie und dann das Graphit an der Spitze.
Führen der Heißpresse Extraktionsprogramm (gezeigt in Tabelle 2). Dieses Programm dichtet die Form erwärmt sich der Inhalt in einen überkritischen Zustand, führt das überkritische Extraktion und kühlt dann auf die Form.
6. Entfernen Sie die Aerogele aus der Form
Wenn die Extraktion abgeschlossen ist, entfernen, die Form und Dichtungsmaterial aus der Heißpresse.
Entfernen Sie das obere Dichtungsmaterial aus der Form. Setzen Sie diese beiseite.
Lösen sanft die Form aus dem unteren Dichtungsmaterial.
Entfernen Sie vorsichtig jede Aerogel aus der Form, einen nach dem anderen, indem sie fest von einer Seite mit einem behandschuhten Finger schieben.
Wenn die Aerogele aus der Form entnommen werden, ist der Vorgang abgeschlossen.
Repräsentative Ergebnisse
das Verfahren hier führt zu einer konsistenten Chargen von monolithischen Silicaaerogelen beschrieben folgen. 4 zeigt Bilder typischer Siliciumdioxid-Aerogele über dieses Verfahren hergestellt. Jeder Aerogel nimmt die Form und Größe der Vertiefung in der Verarbeitungsform ohne Schrumpfung. Die Bilder zeigen, dass die Silica-Aerogele scheinend sind.
Tabelle 1.Hot Press-Form-Dichtprogrammeinstellungen. * Dieser Satz stellt die maximale Pressgeschwindigkeit