Подготовка аэрогеля диоксида кремния Монолиты через Быстрое сверхкритической экстракции методом

Аэрогель двуокиси кремния материалы имеют низкую плотность, высокую площадь поверхности и низкую тепло-и электропроводность в сочетании с нанопористого структуры с превосходными оптическими свойствами. Сочетание этих свойств в одном материале составляет аэрогели привлекательным в большом количестве приложений ^1. В недавнем обзоре, Gurav др.. подробно описать существующие и потенциальные применения аэрогеля диоксида кремния материалов, как в научных исследованиях и в разработке промышленной продукции ^2. Например, диоксид кремния аэрогель были использованы в качестве абсорбентов, как датчики, в условиях низкой диэлектрической материалов, в качестве носителя данных для топлива, а также для широкого круга теплоизоляционных приложений ^2.

Аэрогели обычно изготавливают с использованием двухступенчатого процесса. Первый этап включает в себя смешивание соответствующие химические прекурсоры, которые затем конденсируются и гидролиза реакции с образованием влажный гель. Чтобы подготовить силикагели,реакций гидролиза происходит между водой и оксида кремни предшественника, в данном случае тетраметилортосиликата (TMOS, Si (OCH _{3) 4),} в присутствии кислоты или основного катализатора.
Si (OCH _{3) 4} + H ₂ O Si (ОСН _{3) 4-н} (ОН) _п + _п CH ₃ OH

TMOS нерастворим в воде. Для того чтобы облегчить гидролиз, необходимо включить другой растворитель, в данном случае метаноле (MeOH, СН ₃ ОН), и перемешивают или разрушать ультразвуком смесь. Катализируемой основанием реакции поликонденсации затем происходят между гидролизованных видов кремнезема:

R ₃ SiOH + HOSiR ₃ R ₃ Si-O-SiR ₃ + H ₂ O

R ₃ SiOH + СН ₃ </суб> OSiR ₃ R ₃ Si-O-SiR ₃ + CH ₃ OH

Реакции поликонденсации привести к образованию влажной гель, состоящий из пористого SiO ₂ твердую матрицу, в которой поры заполнены с растворителем побочных продуктов реакции, в данном случае метанола и воды. Второй этап включает сушку влажного геля с образованием аэрогель: удаление растворителя из пор не изменяя твердую матрицу. Процесс сушки является критически важным для формирования аэрогеля. Если не будут выполняться должным образом хрупкие наноструктурные обвалы и Ксерогель формируется как схематически показано на рисунке 1.

Есть три основных способа сушки золь-гель материалов для производства аэрогели: сверхкритической экстракции, сублимационной сушки и сушки атмосферном давлении. Сверхкритическая методы экстракциинедействительными пересечения фазовой линии жидкость-пар так что эффекты поверхностного натяжения не вызывают наноструктуры геля, чтобы свернуть. Способами сверхкритической экстракции могут быть выполнены при высокой температуре (250-300 ° С) и давлении с прямого извлечения побочного продукта конденсации и гидролиза реакций ^3-7 спиртовом растворителе. Кроме того, можно выполнить множество обменов и заменить спиртовой растворитель с жидкой двуокиси углерода, который имеет низкую температуру сверхкритического (~ 31 ° C). Экстракция может быть выполнена при относительно низкой температуре ^8,9, хотя при высоком давлении. Замораживание способы сушки ^10,11 первую заморозить влажный гель при низкой температуре, а затем позволить растворитель сублимировать непосредственно в виде паров, снова избежать пересечения фазовой линии жидкость-пар. Метод использует давление окружающей среды поверхностно-активные вещества, чтобы уменьшить эффекты поверхностного натяжения или полимеров по укреплению наноструктуры с последующим высушиванием влажного геля при комнатной давлеповторно ^12-16.

Колледж Союза Быстрое сверхкритической экстракции (РГКП) процесс метод ^17-19 один шаг (предшественником аэрогеля). Метод использует высокотемпературную сверхкритической экстракции, что позволяет изготавливать монолитные аэрогели в часах, а не дней до нескольких недель, требуемых другими методами. Способ использует в замкнутое металлической пресс-формы и программируемый гидравлического горячего пресса. Химических предшественников смешивают и выливают непосредственно в пресс-форму, которая находится между пластинами гидравлического горячего пресса. Горячий пресс запрограммирован, чтобы закрыть и применить удерживающую силу, чтобы запечатать плесени. Горячий пресс затем нагревает почву с заданной скоростью до температуры, Т _{высокий,} выше критической температуры растворителя (см. Рисунок 2 для участке процесса). В течение периода разогрев химические вещества реагируют с образованием геля и гель усилится и возраст. В пресс-форму нагревают давление также повышается, в конечном итогесверхкритическую давление. По достижении Т _{высокий,} горячий пресс пребывает в неподвижном состоянии в то время как система уравновешивается. Следующая горячая усилие пресса уменьшается, и сверхкритические побеги жидкость, оставляя за собой горячей аэрогеля. В пресс затем охлаждает почву и ее содержимое до комнатной температуры. В конце процесса (который может иметь 3-8 ч) пресса открывает и монолитные аэрогели извлекают из формы.

Этот метод РГКП дает значительные преимущества перед другими методами аэрогель изготовления. Это быстро (<8 ч всего) и не очень трудоемким, как правило, требуется только 15-20 время подготовки мин с последующим 3-8 времени обработки час. Он не требует обмена с растворителем, что означает, что относительно немного растворитель отходы образуются в ходе процесса.

В следующем разделе мы опишем протокол для подготовки набор цилиндрических аэрогеля диоксида кремния монолитов с помощью метода Союз РГКП из смеси предшественника содержатьд из ТМОС, метанола и воды с водным раствором аммиака, используемого в качестве катализатора гидролиза и поликонденсации реакций (с TMOS: MeOH: H ₂ O: NH ₃ мольное отношение 1.0:12:3.6:3.5 х 10 ^-3). Отметим, что метод Union RSCE могут быть использованы для получения аэрогели различных различных размеров и форм, в зависимости от металлической пресс-формы и гидравлического горячего пресса работают. Этот метод RSCE также используется для получения других типов аэрогелей (диоксид титана, оксид алюминия и т.д.) с различными рецептами предшественников ^20.