بخشی از مقاله
چکیده
دراین پژوهش هدف ایجاد یک ساختار بسیار متخلخل و کم چگال به نام آیروژل سیلیکا1 از طریق فرآیند سل-ژل وخشک کردن فوق بحرانی2 و بررسی عملیات اصلاح سطح 3 با یک طرح جدید و رسیدن به یک ابر عایق حرارتی و صوتی است. مواد اولیه آن شامل 4TEOS، آمونیوم فلورید5، آمونیوم هیدروکسید 6، اتانول7، هگزان8، 9TMCS و آب مقطر 10است. در مرحله اول ساخت، با ایده ای جدید محلول سل-ژل را تولید می کنیم. در این مرحله محلول اصلاح سطح - TMCS/n- - Hexane/ETOHرا در حین فرآیند سل-ژل اضافه می کنیم. در مرحله بعد با قرار دادن ژل در اتانول جهت خروج کاتالیزور و آب از محلول خالص سازی می شود و در مرحله آخر با قرار دادن ژل در داخل دستگاه اتوکلاو و دمیدن یک گاز خنثی نظیر CO2 در فشار 72 3 بار و دمای 32 5 °C به مدت زمان لازم به منظور تبخیر سشدن و خارج شدن حلال ها از ساختار و سپس کاهش فشار مخزن تا رسیدن به فشار محیط پیش میرویم تا به آیروژل سیلیکا برسیم. در خشک کردن فوق بحرانی برای جایگزین کردن مایع داخل آیروژل با گاز در شرایطی که کشش سطحی و مویینگی از بین رفته انجام می شود، به گونه ای که منافذ ظریف شبکه نانوساختار مواد از بین نروند.
کلمات کلیدی: آیروژل سیلیکا، سل-ژل، متخلخل، ، اصلاح سطح، خشک کردن فوق بحرانی، عایق صوتی
مقدمه
آیروژل ها مواد جامد متخلخلی هستند که خواصی متفاوت از حالت طبیعی را به ما می دهند. برجسته ترین این خواص چگالی بسیار کم این ماده می باشد. - در محدوده 0/5 تا - gr/cm3 0/0011 در واقع تنها مواد جامد با این چگالی کم آیروژل ها می باشند. نوعی ازین آیروژل ها، آیروژل سیلیکا می باشد که چگالی آن تنها 3 برابر هوا می باشد و حتی می تواند از هوا هم سبک تر شود در صورتی که هوای داخل منافذ آن را خارج کنیم. آیروژل های معمولی هم چگالی در حدود gr/cm3 0/20 یا بیشتر دارند. - که حدود 15 برابر سگین تر از هواست - که این چگالی پایین باعث می شود که حدود 150 قطعه آیروژل در اندازه یک آجر وزنی در حدود یک گالن آب داشته باشد.
بطور معمول 95 تا %99 آیروژل ها هواست و تا کنون آیروژل با کمترین چگالی تولید شده چیزی در حدود %99/98 آن را هوا تشکیل داده است. اساساً آیروژل ها خشک هستند، چگالی کمی دارند و متخلخل هستند. آیروژل ها با تخلخل باز می باشند که گاز در داخل این حفره ها به دام می افتد. که مقدار این خلل و فرج ها در محدوده 1 تا 100 نانومتر می باشند. - یک میلیاردم متر - و با قطر در حدود <20nm می باشند. آیروژل ها موادی خشک هستند - برخلاف ژل که مرطوب است - که واژه آیروژل به این معناست که آیروژل ها از ژل مرطوب به یک ساختار جامد می رسند و تنها گاز یا خلأ در خلل فرج آن به جای مایع وجود دارد.[8]
آیروژل شروع زندگی خود را به عنوان یک ژل آغاز می کند. ژل یک سیستم کلوئیدی است که در آن یک شبکه نانو ساختار از ذرات به هم پیوسته در یک حجم مایع می باشد. ژل برخی از خواص مایع از جمله چگالی را دارد و برخی از خواص جامد مانند دارا بودن یک شکل ثابت را دارد. از آنجا که منافذ ژل آنقدر کوچک اند، نیروی مویینگی اعمال شده توسط مایع به قدر کافی قوی می باشد تا مایع داخل ژل به سادگی از آن خارج نشود. هنگامی که یک ژل ساخته شد، باید آن را قبل از هرگونه عملیاتی، خالص سازی اش کنیم.[8] هنگامی که یک ژل سیلیکا تشکیل می شود، مایع درون خلل و فرج آن معمولاً حاوی ناخالصی هایی می باشد. ژل از طریق روش آلکوکسید همراه با الکل، آب،کاتالیزور و دیگر ترکیبات آلی تصادفی تشکیل شده است.
اگر ژل با روش SCD خشک شود، این ناخالصی ها مانند - آب و نمک سدیم - با محلول SCD - اتانول و CO2 و ... - قابل استخراج نیست و آن ها در منافذ آیروژل گیر می کنند، که این باعث کاهش شفافیت و مقاومت مکانیکی و ترک خوردگی شود و رطوبت در آیروژل باقی بماند. در نتیجه باید مایع داخل ژل پاکسازی شود،که اینکار به سادگی با خیساندن ژل در یک حلال خالص که معمولاً یک حلال آلی مانند متانول، اتانول و ... انجام می شود و حلال ناخالص از ژل خارج و حلال خالص وارد منافذ ژل می شود - تا به تعادل برسند - که بسته به اندازه و شکل ژل این کار می تواند از چند ساعت تا چند روز طول بکشد، و این فرآیند بهتر است با حلال تازه، چند بار تکرار شود تا از حذف کامل ناخالصی اطمینان پیدا کنیم.
در طول این فرآیند هم برخی از واکنش های شیمیایی نهایی که به تقویت چهارچوب ساختاری ژل کمک می کند هم ممکن است رخ بدهد که به این فرآیند پیرسازی11 می گویند.[8] به منظور کاهش غیر قابل برگشت انقباض از دانه های هیدروژل ها در موقع خشک کردن، دانه های ژل را با استفاده ازگروه های تری متیل ارائه شده توسط تری متیل کلروسیلان12 اصلاح سطح می کنیم. واکنش های شیمیایی برای تبادل حلال و به طور همزمان ،روند اصلاح سطح به شرح زیر است:در این مرحله هدف این است که این محلول کمک می کند که واکنش هایی که در تبدیل سل به ژل بطور کامل انجام نشده اند، انجام شوند و در واقع ساختار - چارچوب ژل - بطور کامل شکل بگیرد.[7]
بیشتر حلال های آلی دارای دمای بحرانی نسبتاً بالا حدود 200 - تا 500 درجه سانتیگراد - با فشار بحرانی 50 - تا 100 اتمسفر - می باشند که این حلال ها بخاطر قابل اشتعال بودن در این شرایط انفجاری خطرناک هستند. در نتیجه در دمای بالا و فوق بحرانی خشک کردن نیاز به اقدامات احتیاطی خاصی می باشد. در مورد خشک کردن فوق بحرانی آیروژل سیلیکا، متانول اغلب به عنوان حلال استفاده می شود که در نقطه
