Préparation aérogel de silice monolithes par une extraction rapide Méthode Supercritique
introduction
matériaux d'aérogel de silice ont une faible densité, une surface spécifique élevée et une faible conductivité thermique et électrique combinée à une structure nanoporeuse avec d'excellentes propriétés optiques. La combinaison de ces propriétés dans un matériau fait aérogels attrayant dans un grand nombre d'applications 1. Dans un récent article de revue, Gurav et al. décrire en détail les applications actuelles et potentielles de matériaux d'aérogel de silice, à la fois dans la recherche scientifique et dans le développement de produits industriels 2. Par exemple, les aérogels de silice ont été utilisés comme absorbants, comme des capteurs, des matériaux à faible diélectrique, comme support de stockage pour les combustibles et pour un large éventail d'applications d'isolation thermique 2.
Les aérogels sont généralement fabriqués en utilisant un procédé en deux étapes. La première étape consiste à mélanger les précurseurs chimiques appropriées, qui sont ensuite soumis à des réactions de condensation et d'hydrolyse pour former un gel humide. Pour préparer les gels de silice, les réactions d'hydrolyse se produisent entre l'eau et un précurseur contenant de la silice, dans ce cas, le tétraméthylorthosilicate (TMOS, Si (OCH3) 4), en présence d'un catalyseur acide ou basique. Si (OCH3) 4 + H2 O
TMOS est insoluble dans l'eau. Afin de faciliter l'hydrolyse, il est nécessaire d'inclure un autre solvant, dans ce cas, le methanol (MeOH, CH3 OH), et sous agitation ou sonication du mélange. des réactions de polycondensation catalysée par une base se produit alors entre les espèces hydrolysées de silice:
Les réactions de polycondensation conduisent à la formation d'un gel humide, constitué d'une matrice solide poreuse SiO2, dans laquelle les pores sont remplis avec les sous-produits du solvant de la réaction, dans ce cas du methanol et de l'eau. La deuxième étape consiste à sécher le gel humide pour former un aérogel à: éliminer le solvant des pores sans modifier la matrice solide. Le processus de séchage est extrêmement important pour la formation de l'aérogel. Dans le cas contraire effectuée correctement les effondrements de nanostructures fragiles et un xérogel est formé comme illustré schématiquement sur la figure 1.
Il existe trois méthodes de base pour le séchage des matériaux sol-gel pour produire des aérogels: extraction supercritique, lyophilisation et séchage à la pression ambiante. Les méthodes d'extraction supercritique éviter de franchir la ligne de phase liquide-vapeur de sorte que les effets de tension de surface ne provoquent pas la nanostructure du gel à l'effondrement. les méthodes d'extraction supercritique peut être réalisée à haute température (250 à 300 # X000b0; C) et la pression à l'extraction directe du sous-produit alcool solvant des réactions de condensation et d'hydrolyse 3-7. En variante, on peut effectuer une série d'échanges et de remplacer le solvant alcool avec du dioxyde de carbone liquide, qui présente une faible température supercritique (
31 # X000b0; C). L'extraction peut alors être effectué à 8,9 à température relativement basse. mais à haute pression. Congeler des procédés de séchage 10,11 premier gel du gel humide à basse température, puis le solvant permettent de sublimer directement sous forme de vapeur, ce qui évite à nouveau franchissement de la ligne de phase liquide-vapeur. La méthode de la pression ambiante utilise des agents tensioactifs pour réduire les effets de tension de surface ou des polymères pour renforcer la nanostructure, suivie d'un séchage du gel humide à la pression ambiante de 12 à 16.
Cette méthode de RSCE offre des avantages significatifs par rapport à d'autres méthodes de fabrication de l'aérogel. Il est rapide (# x0003c; 8 h au total) et peu de main-d'œuvre, ce qui nécessite généralement seulement 15-20 min temps de préparation suivie 3-8 heures de temps de traitement. Il ne nécessite pas d'échanges de solvants, ce qui signifie que les déchets solvant relativement peu est générée au cours du processus.
Dans la section qui suit, on décrit un protocole pour la préparation d'un ensemble de monolithes d'aérogel de silice cylindrique par le procédé Union RSCE à partir d'un mélange précurseur comprenant des TMOS, du methanol et de l'eau avec de l'ammoniaque aqueuse utilisée comme catalyseur pour les réactions d'hydrolyse et de polycondensation ( avec un TMOS: MeOH: H2 O: rapport molaire NH3 de 1,0: 12: 3,6: 3,5 x 10 -3). Nous notons que la méthode de l'Union RSCE peut être utilisé pour préparer aérogels de différentes tailles et de formes différentes, en fonction du moule métallique et presse à chaud hydraulique employé. Cette méthode de RSCE a également été utilisé pour préparer d'autres types d'aérogels, de l'alumine (oxyde de titane, etc.) de différentes recettes précurseurs 20.
Considérations de sécurité. Des lunettes de sécurité ou des lunettes doivent être portés en tout temps pendant les travaux de préparation des solutions et la presse chaude hydraulique. Gants de laboratoire doivent être portés lors de la préparation de la solution de réactif chimique et en versant la solution dans le moule dans la presse à chaud. TMOS, du methanol et de l'ammoniaque concentrée, et des solutions contenant ces réactifs, doivent être manipulés dans une hotte. Le procédé d'extraction supercritique de presse du methanol chaud, à la fois pour évacuer la presse chaude hydraulique de sorte qu'il est nécessaire, et de veiller à ce que il n'y a aucune source d'inflammation à l'intérieur du trajet d'évacuation de la presse à chaud. De plus, nous recommandons l'installation d'un bouclier de sécurité autour de la presse à chaud. En cas de défaillance d'un joint, le bouclier aider à contenir les morceaux de joint résultant et ainsi protéger tous ceux qui travaillent à proximité de la presse à chaud.
1. Préparer les réactifs et autres fournitures
Rassembler les réactifs nécessaires à la recette: tétraméthylorthosilicate, le methanol, l'eau désionisée, et de l'ammoniac.
Ajouter 100,0 ml de 1,5 M; # x000a0 solution d'ammoniaque. Pour ce faire, on dilue 10,1 ml de 14,8 M d'ammoniaque concentrée à 100 ml avec de l'eau désionisée.
Acquérir un moule carré en acier inoxydable, de 12,7 cm x 12,7 cm x 1,9 cm de hauteur, avec 9 puits circulaires de 2,2 cm de diamètre (voir Figure 3). Essuyer le moule avec un chiffon propre et humide pour enlever l'huile de la surface ou de la poussière. Pulvériser à l'intérieur de chaque puits circulaire avec le jet de démoulage à température élevée pour faciliter l'élimination des aérogels du moule après le traitement.
Préparer trois ensembles d'étanchéité des joints de 1/16 à # x000a0; (1,6 mm) d'épaisseur feuille de graphite et de 0,0005 à # x000a0; (0,012 mm) feuille d'acier inoxydable d'épaisseur. Couper trois morceaux de chaque matériau suffisante pour recouvrir complètement le moule (# x0003e; x 12,7 cm # X0003e; 12,7 cm).
2. Préparer Instruments
Programmez les programmes d'étanchéité et d'extraction à chaud. Tout d'abord mettre en place un programme d'étanchéité qui sera utilisé pour sceller le fond du moule ouvert. Voir le tableau 1 pour les valeurs du programme nécessaires. Suivant mettre en place le programme d'extraction avec les paramètres corrects pour les aérogels de silice, en utilisant le moule décrit ci-dessus. Voir le tableau 2 pour ces paramètres.
Préparer la verrerie. Pour éviter toute contamination, quatre béchers en verre seront nécessaires, une 250 # x000a0; bêcher ml étiqueté 'solution de précurseur,' une 100 # x000a0; ml bécher étiqueté 'methanol,' une 20 # x000a0; ml bécher étiqueté 'eau DI', et une 10 # x000a0; bêcher en ml étiqueté '1,5 # x000a0; M d'ammoniac.' Assurez-vous que tous les béchers sont propres et secs.
Préparer pipettes. pipettes numériques doivent être utilisés pour faciliter. A 10 # x000a0; ml pipette numérique et un 1.000 # x000a0; # x003bc; l # x000a0; pipette est utilisée. Assurez-vous que plusieurs embouts de pipette sont disponibles.
Préparer sonicateur par addition d'eau à la ligne de remplissage.
3. Joint moule inférieur
Placer moule et le matériau de joint d'étanchéité dans la presse à chaud. Premier centre d'une feuille de graphite sur le plateau inférieur, ajoutez une feuille d'acier inoxydable et placer le moule au-dessus de la feuille d'acier inoxydable. Ajouter un autre ensemble de matériau de joint (en acier inoxydable, puis en graphite) sur le dessus du moule. (Remarque: matériau de joint utilisé peut être utilisé sur le dessus dans cette étape, mais le nouveau matériau de joint doit être utilisé sur le fond.)
Démarrer le programme d'étanchéité presse à chaud, en utilisant les paramètres indiqués dans le tableau 1. Ce programme assure l'étanchéité du fond du moule pour empêcher les précurseurs chimiques liquides de fuir lorsque le moule est rempli avec une solution de précurseur.
4. Faire Solution Precursor
La recette pour les aérogels de silice à base de TMOS est montré dans le tableau 3. Tous les travaux de préparation de la solution est effectuée dans une hotte.
aliquots première pipette de TMOS totalisant 17,0 ml du flacon de réactif 250 dans la x000a0 #; # ml x000a0; bêcher en verre étiqueté «solution de précurseur.
Versez un peu de methanol dans le 100 # x000a0; ml bécher en verre puis des aliquotes de pipette de methanol total de 55,0 ml dans le 250 # x000a0; ml bêcher en verre étiqueté « solution de précurseur. »
Verser de l'eau désionisée dans le 20 # x000a0; ml bécher étiqueté « eau DI » et à partir de cette pipette bécher 7,2 ml d'eau dans le 250 # x000a0; ml bécher.
Enfin, verser environ 1,5 # x000a0; M NH3 dans le 10 # x000a0; ml bécher et à partir de cette pipette bécher 270 # X000b5; l # x000a0, de la solution dans le 250 # x000a0; bêcher ml.
Sceller le bêcher avec un film de paraffine plastique.
Mélanger les réactifs pour assurer que l'hydrolyse se produit par sonication de la solution de précurseur d'au moins 5 min. Avant la sonification, deux couches de liquide sont parfois visibles dans le mélange précurseur. Suite à 5 min de sonication, la solution devrait sembler être monophasique. Si elle ne le fait pas, sonication le mélange pendant 5 minutes supplémentaires.
5. Verser la solution Precursor dans le moule dans le Hot Press
A la fin du programme d'étanchéité du moule les plateaux de la presse à chaud sera affichée. Retirer le matériau de joint d'étanchéité du côté supérieur et mettre de côté. Laisser le moule est dans la presse à chaud de telle sorte que la face inférieure du moule reste fermée.
Remplir chaque puits du moule complètement avec la solution de précurseur. (Remarque: il y aura environ 10 ml de solution de précurseur d'aérogel reste après le remplissage du moule Ceci peut être mis au rebut ou traité dans des conditions ambiantes pour faire xérogels.).
Mettre matériau de joint neuf sur la partie supérieure du moule: la feuille d'acier inoxydable en premier et ensuite le graphite sur le dessus.
Exécuter le programme d'extraction de la presse à chaud (indiqué dans le Tableau 2). Ce programme assure l'étanchéité du moule, chauffe le contenu à un état supercritique, effectue l'extraction supercritique et refroidit ensuite le moule.
6. Retirez le aérogels du moule
Lorsque le processus d'extraction est terminée, retirer le moule et le matériau de joint d'étanchéité de la presse à chaud.
Retirer le matériau de joint supérieure du moule. Mettre de côté.
desserrer doucement le moule du matériau de joint d'étanchéité de fond.
Retirer soigneusement chaque aérogel du moule, une à la fois, en les poussant fermement par l'intermédiaire d'un côté avec un doigt ganté.
Lorsque les aérogels sont retirés du moule, le processus est terminé.
Les résultats représentatifs
À la suite de la procédure décrite ici se traduit par lots cohérents de aérogels de silice monolithique. La figure 4 montre des images de aérogels de silice typiques préparés par ce procédé. Chaque aérogel prend la forme et la taille du puits dans le moule de traitement sans retrait. Les images montrent que les aérogels de silice sont translucides.
Tableau 1.Hot moule de presse d'étanchéité Paramètres du programme. * Ce taux représente le taux de presse maximale