Thiết kế chế tạo phân xưởng sản xuất vật liệu cách nhiệt silica aerogel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM  MÔN HỌC CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ NHÀ MÁY HÓA CHẤT TIỂU LUẬN CHẾ TẠO THIẾT BỊ CÁCH NHIỆT TRONG CNHH VẬT LIỆU AEROGEL SILICA CÁCH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL SILICA CÁCH NHIỆT Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2022 DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM BÁO CÁO HỌC KÌ 1, NĂM HỌC 2021 2022 Nhóm 12 (lớp thứ 3, tiết 4 6) Tên đề tài Chế tạo thiết bị cách nhiệt trong CNHH Vật liệu aerogel silica.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

AEROGEL SILICA CÁCH NHIỆT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2022

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM BÁO CÁO

HỌC KÌ 1, NĂM HỌC 2021-2022

Nhóm 12 (lớp thứ 3, tiết 4-6)

Tên đề tài : Chế tạo thiết bị cách nhiệt trong CNHH - Vật liệu aerogel silica cách nhiệt và thiết kế

phân xưởng sản xuất vật liệu aerogel silica cách nhiệt

Ghi chú:

Trưởng nhóm: Trịnh Bảo Tín

*Nhận xét của giảng viên

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 01 năm 2022

Giảng viên chấm điểm

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

THỨ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hinh 2.1 Sơ đồ cấu trúc đề xuất cho silica aerogel 3

Hinh 2.2 Bề mặt kỵ nước và ưa nước 4

Hinh 2.3 Mô hinh chế tạo silica aerogel từ thủy tinh lỏng 7

Hinh 2.4 Axit hóa phân tử natri silicat để tạo ra axit silicic và phản ứng với một phân tử khác 10

Hinh 2.5 Sơ đồ đài diện cho nồi sấy siêu tới hạn 14

Hinh 2.6 Sản phẩm silica aerogel từ thủy tinh lỏng 16

Hinh 2.7 Sản phẩm silica aerogels tổng hợp từ tiền chất TEOS 16

Hinh 2.8 Bề mặt silica aerogel chống thấm nước 17

Hinh 2.9 Bản vẽ bố trí địa điểm nhà máy 18

Hinh 2.10 Bản vẽ phân xưởng chính 19

Hinh 2.11 Sơ đồ của aerogel và dây mạng nano 20

Hinh 2.12 Hiện tượng dao động mạng chất rắn trong mặt phân cách của hạt aerogel liền kề 21

Hinh 2.13 Cơ chế truyền nhiệt bên trong aerogel 22

Hinh 2.14 Khả năng dẫn nhiệt của các thành phần dựa trên tỷ trọng của aerogel 23

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tiền chất tổng hợp silica aerogel 4

Bảng 2.2 The influence of drying techniques on the final characteristics of silica aerogel composites (obtained from TEOS85 and polyethoxydisiloxane (PEDS), a TEOS pre-polymerized 13

Bảng 2.3 Các công trinh của nhà máy và diện tích 17

Bảng 2.4 Effect of five precursors on the basic properties of silica aerogels Partly reproduced from ref 30 with the permission of Elsevier 24

Bảng 3.1 Tính chất vật lý (mật độ, thể tích co ngót và nguyên khối) của aerogel 26

Bảng 3.2 Tính chất đặc điểm và ứng dụng của silica aerogel 26

Bảng 3.3 Một số vật liệu composite silica và tính chất vật lý của chúng 29

Bảng 3.4 Mix proportions of GB-NSA cement base composites with C=Cement, S=C+GB+NSA 32

Bảng 3.5 Granule size distribution 33

DANH MỤC VIẾT TẮT

MWCNTs Multi-walled carbon nanotubes

MỤC LỤC

1 Tóm tắt 1

2 Giới thiệu 1

2.1 Khái quát về silica aerogel 1

2.2 Tính chất của silica aerogel 2

2.2.1 Cấu trúc lỗ xốp 2

2.2.2 Tỷ trọng 3

2.2.3 Tính quang học 3

2.2.4 Tính ưa nước và kỵ nước 4

2.2.5 Tính cơ học và âm thanh 5

2.2.6 Tính dẫn nhiệt 6

2.3 Quy trinh sản xuất silica aerogel cách nhiệt 7

2.3.1 Giai đoạn keo hóa 7

2.3.2 Quá trinh lão hóa - Aging 12

2.3.3 Quá trinh sấy - Drying 13

2.3.4 Thành phẩm 15

2.4 Thiết kế phân xưởng sản xuất vật liệu silica aerogel 17

2.4.1 Bố trí địa điểm xây dựng nhà máy 17

2.4.2 Hệ thống thiết bị trong phân xưởng chính 19

2.5 Truyền nhiệt ở vật liệu silica aerogel 19

2.5.1 Cơ chế truyền nhiệt 19

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng truyền nhiệt của silica aerogel 23

3 Review 25

4 Kết luận 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

1 Tóm tắt

Silica aerogel là một vật liệu với nhiều tính chất đặc trưng có tiềm năng phát triển và ứng dụngđối với nhiều lĩnh vực trong tương lai và đặc biệt là với đặc tính cách nhiệt của nó Trong bài báo cáonày, nhóm chúng tôi tập trung tim hiểu về các tính chất đặc trưng cũng như đặc điểm của silica aerogel,nguyên lí cách nhiệt và ứng dụng của loại vật liệu này trên từng lĩnh vực cụ thể Dữ liệu của bải cáocáo được thu thập và tổng hợp từ các nghiên cứu nổi bật về silica aerogel như một số nghiên cứu xâydựng, phát triển và giải thích mô hinh cách nhiệt aerogel, các ứng dụng của silica aerogel trong cáchnhiệt, Kết quả cho thấy tiềm năng phát triển rộng lớn của silica aerogel trong việc thay thế vật liệucách nhiệt trong tương lai Bên cạnh đó, chúng tôi còn nghiên cứu và tim hiểu về quy trinh sản xuất và

từ đó xây dựng nên mô hinh gia định nhà máy sản xuất silica aerogel

2 Giới thiệu

2.1 Khái quát về silica aerogel

Aerogel là vật liệu rắn nhẹ nhất thế giới và có độ dẫn nhiệt thấp nhất trong tất cả vật liệu rắn.Aerogel là một loại sol-gel được làm khô theo cách để tránh hiện tượng xẹp lỗ rỗng, để lại cấu trúcnano rắn nguyên vẹn trong vật liệu có 90–99,8% thể tích là không khí và trong suốt (độ truyền quangđến 90%) và tỷ trọng thấp (< 3kg/m3) [4] Nhờ độ xốp cao của vật liệu được tạo thành làm phát sinhcác đặc tính vật lý khác thường của nó [1]

Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật sol-gel trong suốt hai thập kỷ qua đã dẫn đến sự tiến bộnhanh chóng trong quá trinh tổng hợp có chủ ý các vật liệu xốp Những kỹ thuật này bổ sung cho cácquy trinh thông thường được sử dụng để chuẩn bị chất rắn hoặc thủy tinh vô định hinh, chẳng hạn nhưphương pháp kết tủa hoặc ngâm tẩm, sau đó là xử lý ở nhiệt độ cao Trong số tất cả các vật liệu xốprắn đã biết, aerogel đặc biệt được biết đến với kích thước lỗ nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn và khảnăng truyền quang tốt nhất

Sự ra đời của Aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện được kể lại vào cuối những năm 1920, khiSamuel Kistler (1900-1975), giáo sư hóa học người Mỹ đã đánh cược với đồng nghiệp của minhCharles Learned rằng: “Có tồn tại một loại gel không chứa thành phần chất lỏng bên trong nó" Tấtnhiên, không một ai tin điều ông nói là đúng Bằng sự kiên tri và quyết tâm của minh, sau nhiều thửnghiệm và gặp không ít thất bại, cuối cùng Kistler đã tim ra một loại gel ở trạng thái khí (không phảitrạng thái lỏng), một loại gel mới chưa từng được biết đến, thậm chí chưa một ai tưởng tượng ra nó.Ông đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí và đặt têncho nó là “Aerogel” Năm 1931, ông đã công bố phát hiện của minh trong bài viết: “CoherentExpanded Aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa học Nature

Aerogel đầu tiên trên thế giới được tổng hợp nên là silica aerogel vào năm 1931 bằng phươngpháp trích ly hết tất cả dung môi trong hệ gel, tức phương pháp chiết suất siêu lỏng tới hạn và để lại làmột cấu trúc rắn có mật độ cực thấp Silica aerogel là vật liệu rắn xốp siêu nhẹ có được từ trạng tháigel tương ứng sau khi thành phần lỏng trong cấu trúc được thay thế bằng một chất khí Hạt silicaaerogel có khả năng cho ánh sáng xuyên qua nhưng vẫn duy tri được đặc tính cách nhiệt Silica

aerogel với thành phần chủ yếu là silica và không khí nên an toàn với sức khỏe con người và thân thiệtvới môi trường Silica aerogel là vật liệu có các đặc tính khác thường như diện tích bề mặt riêng cao(500–1200m2/g), độ xốp cao (80–99,8%), truyền quang cao (99%) trong vùng khả kiến, tỷ trọng thấp(∼0,003 g/cm3), giá trị cách nhiệt cao (0,005 W/mK), hằng số điện môi cực thấp (k = 1,0–2,0), chỉ sốkhúc xạ thấp (∼1,05) và vận tốc âm thanh thấp (100 m/s) [3]

Bởi vi silica aerogel có diện tích bề mặt lớn như vậy (500~1200 m2/g), nhiều đặc tính phụ thuộcmạnh mẽ vào bản chất và số lượng của các nhóm chức có trên bề mặt Trong trường hợp không cóbước sửa đổi bề mặt rõ ràng, silica aerogel mang một nhóm silanol hoặc alkoxy trên bề mặt bên trongcủa chúng, có nguồn gốc từ tiền chất silica (thủy tinh nước, silicon alkoxit) và gel hóa, lão hóa, và cácdung dịch rửa (cồn, nước) Lưu ý rằng thành phần của các dung dịch được sử dụng trong quá trinh chếbiến có thể quan trọng hơn bản chất của tiền chất

Do các đặc tính tuyệt vời của chúng, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt cực thấp, mật độ thấp và độxốp cao, silica aerogel trở thành chất hấp phụ tiềm năng, chất xúc tác, cách nhiệt và vật liệu hấp thụ

âm thanh cho các mục đích môi trường

2.2 Tính chất của silica aerogel

2.2.1 Cấu trúc lỗ xốp

Theo phân loại của IUPAC đối với vật liệu xốp, các lỗ có đường kính nhỏ hơn 2 nm được gọi là

“micropores”; những loại có đường kính từ 2 đến 50 nm được gọi là "mesopores”, và những loại cóđường kính lớn hơn 50 nm được gọi là "macropores" Silica aerogel có các lỗ rỗng ở cả ba kích thước.Tuy nhiên, phần lớn các lỗ chân lông nằm ở dạng meso, với tương đối ít ở dạng micro Các giá trị gầnđúng của kích thước lỗ là từ 5 đến 100 nm, với đường kính lỗ trung binh từ 20 đến 40 nm và diện tích

bề mặt BET từ 600 đến 1000m2 Độ xốp có thể cao tới 99% tính chất "mở" và tính liên kết với nhau.Tuy nhiên, trong cấu trúc lỗ rỗng, chất lỏng có thể chảy từ lỗ này sang lỗ khác với sự hạn chế hạn chế

và cuối cùng đi qua toàn bộ vật liệu Các cấu trúc lỗ xốp này của silica aerogel, dẫn đến các ứng dụnglàm bộ lọc, phương tiện hấp thụ để hút ẩm Aerogel đã được công nhận trong nhiều năm là chất xúctác và chất hỗ trợ chất xúc tác tuyệt vời Việc nêu rõ phương pháp xác định được sử dụng khi nêu dữliệu về độ xốp là cực kỳ quan trọng Aerogel có sự kết hợp bất thường giữa độ xốp cao và kích thước

lỗ nhỏ, tạo nên đặc tính của độ xốp Tất cả các kỹ thuật này đều dựa trên việc áp dụng áp suất mao dẫntrên mạng aerogel, có thể gây ra lực nén thể tích lớn, dẫn đến giá trị kích thước và thể tích lỗ xốpkhông chính xác [3]

Hinh 2.1 Sơ đồ cấu trúc đề xuất cho silica aerogel [2]

2.2.2 Tỷ trọng

Silica aerogel là vật liệu có tỷ trọng thấp khoảng <3 kg/m3

Sự co lại thể tích của aerogel được tính từ thể tích của hydrogel và aerogel Hai thuật ngữ khácnhau được sử dụng để mô tả silica aerogel: mật độ khối và mật độ xương

Mật độ khối (b) được định nghĩa là tỷ số giữa khối lượng của aerogel với âm lượng của nó.Kết cấu của phần rắn của aerogel được làm từ các hạt siêu mịn Mật độ bộ xương của những hạtnày được cho là rất gần với mật độ của khối rắn Các giá trị này thu được bằng cách sử dụng phươngpháp đo picnomet heli

Phần trăm thể tích co ngót, thể tích lỗ và độ xốp của aerogel được xác định như sau [3]:

2.2.3 Tính quang học

Các tính chất quang học của aerogel SiO2 và aerogel lai vô cơ và hữu cơ có nguồn gốc khácnhau giữa trong suốt và mờ, tùy thuộc vào điều kiện chuẩn bị Điều này có nghĩa là các đơn vị hinhthành cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến Tuy nhiên, sự không đồng nhất trong mạngtrong phạm vi nanomet dẫn đến hiện tượng tán xạ Rayleigh Do đó, aerogel có màu hơi vàng dưới ánhsáng và hơi xanh trên nền tối Phần tán xạ Rayleigh tương quan trực tiếp với tính đồng nhất của mạnggel trong phạm vi nanomet Các vật thể được nhin qua một ô aerogel có vẻ hơi mờ Sự không đồng

nhất trong phạm vi micromet ở bề mặt bên ngoài của thân aerogel là nguyên nhân gây ra hiện tượngnày.

2.2.4 Tính ưa nước và kỵ nước

Silica aerogel có thể ưa nước hoặc kỵ nước, tùy thuộc vào các điều kiện trong quá trinh tổnghợp Các nhóm phân cực silanol Si – OH có trong cấu trúc aerogel là nguồn gốc chính của tính ưanước vi chúng có thể thúc đẩy sự hấp phụ của nước Nói chung, aerogel được tổng hợp bằng cách thủyphân không biến tính và ngưng tụ alkyl ortho silicat và được làm khô bằng SCD ở nhiệt độ cao là kỵnước, và những loại được làm khô bằng CO2là kỵ nước Sự khác biệt này là do các nhóm bề mặt khácnhau được hinh thành trong quá trinh SCD LTSCD tạo ra các nhóm hydroxyl (–OH) trên bề mặt tạo

ra các aerogel ưa nước HTSCD cho phép phản ứng của các nhóm hydroxyl bề mặt với dung môi đểtạo thành các nhóm methoxy (–OCH3) X và do đó tạo ra các chất béo kỵ nước [3]

Bảng 2.1 Tiền chất tổng hợp silica aerogel

Tetramethoxysilane (TMOS)

Tetraethoxysilane (TEOS)

Sodium Silicate ( Na2SiO3)

(i) Aerogels - có tính truyền quang cao

Để tổng hợp silica aerogel kỵ nước và ưa nước, có hai bước chính bao gồm: (a) tổng hợpalcoholgel bằng quá trinh sol-gel và (b) làm khô alcoholgel bằng các kỹ thuật khác nhau

Hinh 2.2 Bề mặt kỵ nước và ưa nước

���: Năng lượng tiếp xúc lỏng/ hởi

���: Năng lượng tiếp xúc lỏng rắn

Biểu thức Young [5]

���= ���+ �������

���: Năng lượng tiếp xúc rắn/hơi

�: Góc tiếp xúc

Có hai cách khác nhau để tăng tính kỵ nước của aerogel:

- Đặc tính kỵ nước có thể được tăng lên bằng cách bổ sung chất làm silylating trong bước gel Nguyên tắc này được sử dụng trong các phương pháp APD

sol Tính kỵ nước của aerogel được kiểm tra bằng cách đo góc tiếp xúc (�) của giọt nước với bềmặt aerogel theo công thức [3]:

� = 2 tan−1( 2ℎ � )

Trong đó: h là chiều cao giọt nước và w là chiều rộng giọt nước

Độ bền nhiệt của aerogel về khả năng duy tri tính kỵ nước được ước tính từ các phép phân tíchnhiệt trọng lượng và nhiệt chênh lệch (TGA – DTA) cũng như bằng cách đốt nóng aerogel trong lò vàsau đó đưa các mẫu đã được nung nóng lên bề mặt nước Việc duy tri tính kỵ nước (đặc tính đẩy nước)được đánh giá từ sự hấp thụ nước của các aerogel Gel kỵ nước chỉ thể hiện tính kỵ nước trong mộtkhoảng thời gian nhất định Tiếp xúc với không khí trong thời gian dài dẫn đến hấp thụ nước, một đặctính không điển hinh của vật liệu kỵ nước

2.2.5 Tính cơ học và âm thanh

Tính chất cơ học bao gồm nhiều khía cạnh như độ cứng, độ giòn và độ ổn định Mặc dù độ cứngcủa aerogel thấp do cấu trúc của chúng và độ giòn của các hạt SiO2, nhưng nó đủ cho hầu hết các ứngdụng Cường độ nén của aerogel SiO2 nguyên khối nằm trong khoảng 0,15 ± 0,30 N/mm2, tùy thuộcvào mật độ, với độ nén đàn hồi khoảng 2 ± 4% Một trong những thông số quyết định đến các đặc tính

cơ học là sự kết nối của mạng lưới trong phạm vi nanomet, phụ thuộc nhiều vào điều kiện chuẩn bị Ví

dụ, aerogel được chuẩn bị trong điều kiện axit hoặc trung tính có độ cứng gấp khoảng hai lần so vớicác mẫu tương ứng được chuẩn bị trong điều kiện xúc tác bazơ Các đặc tính đàn hồi của aerogel SiO2

cũng có thể được cải thiện bằng cách sửa đổi hóa học các tiền chất Các phép đo siêu âm đã được sửdụng cho các cuộc điều tra này Vận tốc âm thanh theo phương dọc được kết nối với một trong cáchằng số đàn hồi (tương quan với môđun Young) và mật độ của aerogel Lý do cho các đặc tính đàn hồiđược cải thiện của aerogel lai có lẽ là do sự hiện diện của các nhóm alkyl hoặc aryl ở bề mặt của cáchạt thứ cấp làm giảm độ cứng của cổ hạt bằng cách làm chín Ostwald

Cấu trúc mạng lưới cụ thể của aerogel tạo ra các đặc tính âm học ấn tượng, như đã đề cập ở trên,tương quan với các đặc tính đàn hồi Vận tốc âm thanh trong aerogel SiO2100 ± 300 m/s là một trongnhững tốc độ thấp nhất đối với chất rắn vô cơ (điều này đáng chú ý khi người ta cho rằng vận tốc âmthanh 5000 m/s được đo trong thủy tinh thạch anh) Tích số của mật độ và vận tốc âm thanh là trởkháng âm thanh Vi cả hai đều thấp nên SiO2aerogel có trở kháng thấp nhất trong tất cả các vật liệurắn (Z 104 ± 105 kg.m2.s-1) Điều này cho phép các ứng dụng thú vị Các aerogel nguyên khối cũnghoạt động tốt trong cách âm trên phạm vi âm thanh (20–2500 Hz) và siêu âm thấp (20–200 kHz) dokhả năng hấp thụ âm thanh tuyệt vời, đến từ mạng lưới silica liên kết lớn, độ xốp cao và độ bền cơ học

Không có gi phải bàn cãi khi chúng thuộc loại vật liệu cách nhiệt tốt nhất hiện nay Các

ưu điểm khác là tính không cháy và độ trong suốt của chúng Cụ thể hơn về cơ chế cách nhiệt chúng ta sẽ tim hiểu ở 2.5Có hai cách khác nhau để tăng tính kỵ nước của aerogel:

- Đặc tính kỵ nước có thể được tăng lên bằng cách bổ sung chất làm silylating trong bước gel Nguyên tắc này được sử dụng trong các phương pháp APD

sol Tính kỵ nước của aerogel được kiểm tra bằng cách đo góc tiếp xúc (θ) của giọt nước với bềmặt aerogel theo công thức [3]:

θ = 2 tan−1( 2h w )

Trong đó: h là chiều cao giọt nước và w là chiều rộng giọt nước

Độ bền nhiệt của aerogel về khả năng duy tri tính kỵ nước được ước tính từ các phép phân tíchnhiệt trọng lượng và nhiệt chênh lệch (TGA – DTA) cũng như bằng cách đốt nóng aerogel trong lò vàsau đó đưa các mẫu đã được nung nóng lên bề mặt nước Việc duy tri tính kỵ nước (đặc tính đẩy nước)được đánh giá từ sự hấp thụ nước của các aerogel Gel kỵ nước chỉ thể hiện tính kỵ nước trong mộtkhoảng thời gian nhất định Tiếp xúc với không khí trong thời gian dài dẫn đến hấp thụ nước, một đặctính không điển hinh của vật liệu kỵ nước

Tính cơ học và âm

2.3.Quy trình sản xuất silica aerogel cách nhiệt

Quá trinh tổng hợp aerogel thường bao gồm các giai đoạn sau: tạo gel bằng hóa học sol-gel,được gọi là giai đoạn gel hóa; lão hóa để củng cố gel; và làm khô (trong điều kiện siêu tới hạn), ngoài

ra còn có thể làm khô ở điều kiện thường hoặc lạnh đông Các silica aerogel thu được bằng phươngpháp này thể hiện các đặc tính đặc biệt như độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng, mật độ khối thấp và

độ dẫn nhiệt rất thấp

2.3.1 Giai đoạn keo hóa

Xử lý sol-gel là một phương pháp rất phổ biến và đáng tin cậy để tổng hợp vật liệu, đặc biệt làcác oxit kim loại với kích thước hạt nhỏ, đồng nhất và hinh thái đa dạng [6-10] Nó liên quan đến sựchuyển đổi của một hệ thống từ một "sol" lỏng sang một pha "gel" rắn Xử lý sol-gel ngụ ý tổng hợpmạng vô cơ bằng phản ứng hóa học trong dung dịch ở nhiệt độ thấp hoặc hinh thành mạng vô địnhhinh đối lập với sự kết tinh từ dung dịch Đặc điểm rõ ràng nhất của phản ứng này là sự chuyển đổi từdung dịch keo (chất lỏng) thành dạng gel nhiều pha (rắn) dẫn đến biểu thức “quá trinh sol-gel” [5].Quy trinh sol-gel thông thường có thể được chia thành các bước sau: tạo sol, tạo gel tiếp theo làlão hóa, làm khô và đông đặc Quá trinh sol-gel chỉ định sự chuyển đổi của một dung dịch keo thànhmột mạng lưới rối loạn, phân nhánh và liên tục được liên kết bởi các hạt keo, được xen vào bởi chấtlỏng ở nhiệt độ thấp (thường T <100°C) Quá trinh gel hóa này có thể diễn ra bằng cách tập hợp cáchạt keo thông qua việc làm mất ổn định sol, hoặc bằng cách thủy phân và tạo chuỗi ngưng các tiềnchất cơ kim hoặc bằng cách chuỗi ngưng tụ thủy tinh Con đường thứ hai được sử dụng thường xuyênnhất để điều chế aerogel, cho phép biến đổi các thông số phản ứng một cách thuận tiện nhất Sử dụngcon đường này, có thể tạo ra aerogel của oxit nhóm chính, oxit chuyển tiếp và bán kim loại, cũng nhưcác hợp chất hữu cơ, có thể được tạo ra

Bước đầu tiên là sự hòa tan các monome trong dung môi Sau đó, các hạt keo rắn độc lập có

Hinh 2.3 Mô hinh chế tạo silica aerogel từ thủy tinh lỏng

kích thước khoảng 2-10nm được hinh thành do kết quả của quá trinh trùng hợp, bao gồm việc thiết lậpcác liên kết hóa học giữa các monome Do đó, huyền phù keo còn được gọi là sol thu được với các hạtkeo rắn phân tán ổn định trong dung môi Sol có thể được điều chế bằng hai kỹ thuật là ngưng tụ vàphân tán hạt Sự ngưng tụ xảy ra bằng cách tạo mầm của các hạt đến kích thước thích hợp, trong khi

sự phân tán liên quan đến việc giảm các hạt lớn xuống đối với các kích thước của chất keo Kích thước

và tính chất của các hạt tạo thành phụ thuộc vào tỷ lệ tương đối của hai quá trinh này Sự hinh thànhSol thuận lợi khi tốc độ tạo mầm cao và tốc độ phát triển tinh thể thấp Tùy thuộc vào mức độ liên kếtchéo và quá trinh tăng trưởng mà chúng được hinh thành, các cụm vô cơ có thể là dạng keo hoặc caophân tử trong tự nhiên và có thể có đường kính từ 10 đến 200 A Một số yếu tố, chẳng hạn như độphân cực của dung môi, cường độ ion của môi trường phản ứng và nhiệt độ, có thể được sử dụng đểđiều khiển sự hinh thành sol

2.3.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu ( tiền chất)

Tiền chất là các nguyên liệu để chuẩn bị cho quá trinh sol-gel Phải đáp ứng đủ hai yêu cầu:(1)- Tiền chất phải hòa tan trong môi trường phản ứng

(2)- Tiền chất phải đủ phản ứng để tham gia vào quá trinh tạo gel [11]

Một số muối, oxide, hydroxide, phức chất, alkoxide, acylat và amin được sử dụng làm tiền chấtnếu hòa tan trong dung môi thích hợp [12,13] Alkoxide là tiền chất sol-gel phổ biến nhất, vi chúngthường có sẵn

Bradley và cộng sự đã giải thích tốt về hóa học cơ bản của tiền chất [14] Rất khó để dự đoánloại tiền chất được sử dụng cho một mục đích nhất định Khả năng phản ứng của tiền chất không chỉphụ thuộc vào bản chất hóa học của nó mà còn phụ thuộc vào điều kiện phản ứng áp dụng [15] So vớicác tiền chất của nguyên tố khác, khả năng tạo mạng của Si nhiều hơn để tạo gel [16] Đó là lý do tạisao các tiền chất alkoxide đắt tiền khác có thể được thay thế bằng các tiền chất rẻ hơn như siliconalkoxide như TEOS, TMOS, và tiền chất hòa tan trong nước như Na2SiO3để chế biến sol-gel

Các chất hiếu khí kỵ nước thu được từ tiền chất mà không có biến đổi hóa học bề mặt được gọi

là tiền chất kỵ nước, và chất ưa nước được gọi là tiền chất ưa nước như được cung cấp trong Bảng 2.1.

Alkoxide là vật liệu đắt tiền và nguy hiểm, cấm thương mại hóa Những vật liệu này không chỉđắt tiền mà còn nguy hiểm và có thể gây mù (với TMOS) Để tránh chi phí nguyên liệu thô sử dụngthủy tinh làm nguồn silica rẻ hơn Thủy tinh nước (hoặc natri silicat) đã được sử dụng để sản xuấtaerogel chi phí thấp vào những năm 1930 bằng cách sử dụng phương pháp sấy siêu tới hạn (SCD) vàhiện nay được sử dụng rộng rãi làm vật liệu chung cho tổng hợp thương mại silica aerogel bằngphương pháp làm khô áp suất tới hạn hoặc áp suất môi trường xung quanh (APD) Thủy tinh nước,được sản xuất aerogel với mức độ nguyên khối cao nhất vi những gel này có độ cứng cao nhất và kíchthước lỗ xốp lớn nhất Tỷ lệ số mol Na2O/SiO2, Na2SiO3/H2O và hàm lượng silica là các thông số quantrọng để chuẩn bị dung dịch thủy tinh Với số mol Na2SiO3/H2O tỷ lệ > 8.10−3, aerogel có tính kỵ nướctối ưu và tính chất vật lý Giá trị tối ưu của Na2O/SiO2là 1:3,3 và hàm lượng silica lớn nhất trong dungdịch là 4-8%

2.3.1.2 Chuẩn bị sol và tạo gel

Đầu tiên sự hòa tan các chất trong dung môi Sau đó, các hạt keo rắn độc lập có kích thướckhoảng 2-10nm được hinh thành do kết quả của quá trinh trùng hợp, bao gồm việc thiết lập các liênkết hóa học giữa các chất Do đó, huyền phù keo còn được gọi là sol thu được với các hạt keo rắn phântán ổn định trong dung môi Sol có thể được điều chế bằng hai kỹ thuật là ngưng tụ và phân tán hạt Sựngưng tụ xảy ra bằng cách tạo mầm của các hạt đến kích thước thích hợp, trong khi sự phân tán liênquan đến việc giảm các hạt lớn xuống đối với các kích thước của chất keo Kích thước và tính chất củacác hạt tạo thành phụ thuộc vào tỷ lệ tương đối của hai quá trinh này Sự hinh thành Sol thuận lợi khitốc độ tạo mầm cao và tốc độ phát triển tinh thể thấp Tùy thuộc vào mức độ liên kết chéo và quá trinhtăng trưởng mà chúng được hinh thành, các cụm vô cơ có thể là dạng keo hoặc cao phân tử trong tựMột số yếu tố, chẳng hạn như độ phân cực của dung môi, cường độ ion của môi trường phản ứng vànhiệt độ, có thể được sử dụng để điều khiển sự hinh thành sol

Các hạt keo này được tạo ra để liên kết với nhau khi quá trinh trùng hợp tiếp tục hoặc liên kếtchéo bởi các liên kết chéo bổ sung trong dung môi, để tạo ra một lưới mở ba chiều (3D) được gọi làgel Các hạt sol và các cụm nhỏ trong dung dịch gắn vào cụm bao trùm và mở rộng mạng lưới gel theothời gian Thông thường, các gel được biến đổi từ sol bằng quá trinh gel hóa được gọi là gel keo Đểchuẩn bị aerogel, quá trinh tạo gel được tạo ra thuận tiện nhất thông qua sự thay đổi pH của dung dịchphản ứng Trạng thái cơ học của gel phụ thuộc rất nhiều vào số lượng liên kết chéo trong mạng Rõràng là mức độ liên kết ngang càng lớn thi cấu trúc hinh thành càng cứng Mặt khác, cũng có thể tạothành một số gel trực tiếp từ các polyme mạch thẳng thay vi dung dịch tiền chất, mà không có sự xuấthiện trung gian của các hạt riêng lẻ Trong điều kiện này, gel được gọi là gel cao phân tử

Gel silica được tổng hợp từ các tiền chất chứa silicon phân tử Hai phương pháp phổ biến được

sử dụng để bắt đầu tạo gel bằng dung dịch thủy tinh:

(1)- Axit hóa hoặc trung hòa một phần dung dịch natri silicat bằng cách thêm axit Bronsted(2)- Thay thế ion natri Na+bằng proton H+bằng nhựa trao đổi ion ở dạng axit của nó, do đó tạothành dung dịch axit silicic và bắt đầu tạo gel bằng cách thêm bazơ Lewis (F-) hoặc bazơ Bronsted(OH-)

Phương pháp (1) được gọi là quy trinh một bước Điều chỉnh pH đến giá trị từ 5 đến 9 tươngđương với việc trung hòa một phần natri silicat Thông thường, thuật ngữ xúc tác axit được sử dụng để

mô tả quá trinh này Nói một cách chính xác, điều này chỉ đúng một phần, vi việc bổ sung axit phục vụmục đích chính là trung hòa một phần dung dịch natri silicat kiềm và làm giảm giá trị pH Phươngpháp (2) là một quy trinh hai bước cổ điển Trong ngôn ngữ của hóa học tetra-alkoxysilane (TEOS,TMOS), đây thường được gọi là tổng hợp xúc tác axit-bazơ Đối với hệ thống thủy tinh, ngôn ngữtương tự thường được sử dụng trong tài liệu để mô tả các giai đoạn khác nhau của quá trinh hinh thànhsol và gel

Sau đây, chúng ta hãy thảo luận về sự hinh thành silicagel từ thủy tinh nước Hai bước quantrọng trong quá trinh này làtrung hòa và ngưng tụ Hinh 2.4 cho thấy sự trung hòa của silicat thành

axit silixic H2SiO3 Trong bước thứ hai, sự hinh thành các loại dimer với một đương lượng tương ứngcủa axit silicic (A) hoặc natri silicat (B) được hiển thị.

a) Đối với Silicon Alkoxide

Gel silicat được tổng hợp bằng cách thủy phân các tiền chất silic alkoxide đơn chức và ba chức

sử dụng axit khoáng (ví dụ: HCl, C2O4H4) hoặc bazơ (ví dụ, NH3, NH4OH) làm chất xúc tác Các phảnứng sol-gel sau đây xảy ra trong quá trinh hinh thành mạng silica [5,17,18]

Quá trinh thủy phân

(R= Vinyl, Alkyl hoặc Aryl

Quá trinh ngưng tụ

Ngưng tụ nước

≡ Si OH + OH Si ≡ ⇄≡ Si − O − Si ≡+ H2O (2)

Ngưng tụ alcohol

≡ Si OH + OCH3 Si ≡ ⇄≡ Si − O − Si ≡+ CH3OH (3)

b) Silicat và khoáng chất hòa tan trong nước

Natri silicat (Na2SiO3) đã và có lẽ sẽ luôn là nguồn cung cấp axit silicic tương đối tinh khiết rẻ

nhất mà từ đó có thể tạo ra silica gel Natri silicat phản ứng với nước tạo ra axit silicic và sau đó axitsilicic trùng hợp và tạo thành silica gel như thể hiện trong các phản ứng sau:

Phản ứng thủy phân được xúc tác bằng cách thêm axit hoặc bazơ Trên thực tế, dạng cuối cùngcủa silica thủy phân phụ thuộc vào độ pH của dung dịch Ở mức độ pH thấp (có tính axit cao), hạtsilica có xu hướng hinh thành một chuỗi tuyến tính với mật độ liên kết ngang thấp Điều này dẫn đếnmột loại gel mềm, có thể đảo ngược và có thể được chia nhỏ lại trong dung dịch Khi giá trị pH tănglên, số lượng liên kết chéo giữa các chuỗi polyme cũng tăng lên Ở pH cao (có tính bazơ cao), cácpolyme trở nên phân nhánh nhiều hơn và số lượng liên kết chéo tăng lên Ở pH thấp, quá trinh thủyphân xảy ra bằng cách tấn công electron vào nguyên tử oxy của nhóm alkoxit, trong khi ở pH cao hơn,quá trinh thủy phân và trùng hợp xảy ra bằng cách tấn công nucleophin vào ion Si (Si4+) Các nguyên

tử, ion hoặc nhóm có ái lực mạnh với điện tử được gọi là electrophin, trong khi các ion dương đượcgọi là nucleophile Nói chung, tất cả các electrophin đều là chất oxy hóa và tất cả các nucleophile làchất khử

Người ta thường thấy rằng quá trinh gel hóa diễn ra với các phân đoạn nhỏ hơn hòa tan vàlắng đọng lại vào các chuỗi lớn hơn để các phân tử nhỏ hơn giảm số lượng nhưng lại hỗ trợ các phân

tử lớn hơn phát triển cho đến khi chúng tạo thành tập hợp fractal Quá trinh này được gọi là quá trinh

“Ostwald ripening” [5]

2.3.1.4 Thêm chất phụ gia

Kích thước lỗ và tính chất cơ học của gel có thể thay đổi khi bổ sung polyethylene glycol (PEG)vào sol PEG là một porogen hoạt động như một khuôn mẫu xuyên lỗ và chất hòa tan của thuốc thửsilan Nồng độ cao của PEG làm yếu chất nền rắn trong khi nồng độ PEG nhỏ làm chất nền vững chắchơn Kích thước lỗ của silica aerogel macroporous có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi nồng độpolyme hòa tan trong nước Có thể sử dụng một số chất phụ gia như rượu polyvinyl (PVA) và PEGlàm chất hỗ trợ xúc tác sinh học, vi người ta thấy rằng hoạt tính lipase được tăng cường đáng kể khi cómặt các chất phụ gia này Sự phân bố kích thước lỗ nhỏ hơn và đồng đều hơn đã được quan sát khi bổsung glycerol đóng vai trò như một chất phụ gia làm khô vi nó ngăn cản phản ứng tiếp tục của nước

Sử dụng chất hoạt động bề mặt trong dung dịch nước-etanol tạo ra aerogel được tạo khuôn chất hoạtđộng bề mặt Vi các đặc tính kỵ nước của chất aerogel dựa trên TMOS được tăng lên bằng cách kếthợp thành phần tổng hợp MTES Việc kết hợp các silan khác tương đương với việc kết hợp các chấtphụ gia Sự khác biệt về khả năng phản ứng là rõ ràng Do đó, cơ chế tạo mầm có liên quan đến sựkhác biệt về khả năng phản ứng giữa thuốc thử chính (TMOS, TEOS hoặc TPOS) và phụ gia Người ta

đã kiểm tra hoạt động của 3-(2-aminoethylamino) propyltrimethoxysilane (EDAS), 3-aminopropyltriethoxysilane (AES), 3-aminopropyl trimethoxysilane (AMS), propyltrimethoxysilane (PMS) và 3-(2-amino ethylamino) propyl trimethoxysilane (EDAES) Thuốc thử chính là TMOS và TEOS Cơ chếtạo mầm bởi chất phụ gia diễn ra Khi chất phụ gia chứa các nhóm methoxy, nó phản ứng trước tiên đểtạo thành các hạt mà thuốc thử chính ngưng tụ ở giai đoạn sau Khi cả chất phụ gia và thuốc thử chínhđều chứa nhóm etoxy, không có cơ chế tạo mầm bởi chất phụ gia Nhóm amin hoặc nhóm alkyl chỉảnh hưởng đến thời gian hồ hóa Việc bổ sung các khối cầu silica (aerosil) trong dung dịch trước khi

hồ hóa ảnh hưởng mạnh đến cơ chế kết tụ; hai cấu trúc fractal cùng tồn tại

2.3.2 Quá trình lão hóa - Aging

Khi gel được duy tri ở dạng lỏng, cấu trúc và đặc tính của nó sẽ tiếp tục thay đổi sau điểm gel.Các phản ứng hóa học của hóa học sol-gel vẫn tồn tại ngay cả khi đã đạt đến điểm gel Chất lỏng bêntrong lỗ rỗng chứa các hạt nhỏ, có khả năng ngưng tụ, cũng như các monome lang thang sẽ tham giavào mạng lưới Quá trinh liên tục của việc hinh thành liên kết ngang và cứng rắn do sự ngưng tụ thêmđược gọi là quá trinh lão hóa Nói chung, mục đích của bước lão hóa như vậy là để gia cố cơ học bộxương rắn bền được tạo ra trong quá trinh sol-gel [77,78]

Trong quá trinh lão hóa, bốn quá trinh có thể diễn ra đơn lẻ hoặc đồng thời, bao gồm trùngngưng, tổng hợp, cô đặc và chuyển pha Phản ứng đa tụ tiếp tục xảy ra trong mạng gel miễn là các hạtsol lân cận đủ gần để phản ứng, điều này làm tăng hiệu quả tính liên kết của mạng và kích thướcFractal của nó Syneresis là sự co lại tự nhiên của gel, do sự đẩy chất lỏng ra khỏi lỗ rỗng Quá trinhnày thường được cho là do sự hinh thành các liên kết mới trong phản ứng trùng ngưng, làm tăng cácliên kết bắc cầu và gây ra sự co lại của mạng lưới gel Kết quả là, các hạt lớn hơn phát triển với chi phí

là các hạt nhỏ hơn và cổ giữa các hạt bị lấp đầy, do đó dẫn đến sự phân bố kích thước hạt hẹp vớiđường kính hạt trung binh lớn hơn và diện tích bề mặt riêng giảm nhưng không co lại Hiện tượng này

có thể được tăng cường hơn nữa bằng cách tăng pH, nhiệt độ hoặc áp suất, dẫn đến cấu trúc gel bị thô

Để nâng cao tính chất cơ học của gel ướt để sản xuất aerogel, các nghiên cứu về lão hóa bằngcách sử dụng ba tuyến đường khác nhau đã được thực hiện Ba lộ trinh lão hóa khác nhau được nghiêncứu là:

i) Lão hóa trong khuôn kín:

ii) Lão hóa trong dung dịch nước có thể thúc đẩy quá trinh hòa tan và tái kết tủa của silica nhỏtrên điểm tiếp xúc của các hạt, điều này sẽ làm tăng diện tích cổ và do đó tăng cường độ bền xươngcủa silica gel

iii) Lão hóa trong dung dịch mẹ hoặc thêm monome bổ sung trước hoặc sau điểm gel cũng được

báo cáo là có thể cải thiện độ bền và độ cứng của gel ướt bằng cách xây dựng lại mạng lưới thông quaphản ứng thủy phân, ngưng tụ và phản ứng cụ thể của các monome này.

Kéo dài thời gian lão hóa có thể làm tăng độ bền xương của silica gel trong khi tăng nhiệt độ lãohóa có thể rút ngắn thời gian lão hóa Lão hóa trong dung dịch nước có thể thúc đẩy quá trinh hòa tan

và tái kết tủa của silica nhỏ trên điểm tiếp xúc của các hạt, điều này sẽ làm tăng diện tích cổ và do đótăng cường sức mạnh xương của silica gel Lão hóa trong dung dịch mẹ hoặc thêm monome bổ sungtrước hoặc sau điểm gel cũng được báo cáo là có thể cải thiện độ bền và độ cứng của gel ướt bằngcách xây dựng lại mạng lưới thông qua quá trinh thủy phân, ngưng tụ và phản ứng cụ thể của cácmonome này [21]

2.3.3 Quá trình sấy - Drying

Sự lão hóa để tăng cường mạng lưới gel; nó có thể liên quan đến tiếp tục ngưng tụ, hòa tan vàtái tạo hạt sol hoặc sự biến đổi pha bên trong chất rắn hoặc pha lỏng Điều này dẫn đến một chất rắnxốp, trong đó dung môi bị giữ lại.Vi vậy quá trinh làm khô loại bỏ phần lớn dung môi từ gel (trongtrường hợp có nguồn gốc alkoxide gel chủ yếu là rượu và nước)

Trong quá trinh sấy, có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hinh dạng của cấu trúc xốp rắn của gel.Thứ nhất, liên quan đến sự sụp đổ một phần gần như không thể tránh khỏi của mạng, vi ngay cả sự corút nhỏ nhất bên trong thân gel cũng gây ra một gradient áp suất dẫn đến các vết nứt; thứ hai, các kíchthước lỗ chân lông khác nhau trong toàn mạng lưới, nên các lỗ rỗng lân cận có bán kính khác nhau chothấy tốc độ rút đi của ‘meniscus’ khác nhau (nhanh hơn trên các lỗ chân lông to hơn) Do đó, các bứctường giữa các lỗ rỗng có kích thước khác nhau chịu đựng các mức ứng suất không đồng đều và do đó

có xu hướng bị nứt do các lực không cân bằng [22,23]

Quá trinh sấy có tác động đáng kể đến các kết cấu đặc tính của các sản phẩm aerogel cuối cùng.Dung môi trong hydrogel được loại bỏ, chỉ để lại khung rắn Do đó, làm khô aerogel để không làm sụp

đổ cấu trúc xốp của nó là rất quan trọng để có được đặc tính kết cấu tốt Phương pháp làm khô đối vớicarbon aerogel được chia thành 3 loại: sấy siêu tới hạn, sấy với áp suất môi trường xung quanh và sấylạnh đông Tùy thuộc vào sự lão hóa, cấu trúc của aerogel khô bao gồm sự sắp xếp dày đặc hơn hoặc íthơn của gel

Bảng 2.2 làm nổi bật ảnh hưởng của các điều kiện làm khô trên đặc điểm của silica aerogel: đối

với một phần tương tự của sợi nhúng, SCD ưu tiên vật liệu nhẹ hơn (3 đến 11%) [24,25]

Bảng 2.2 The influence of drying techniques on the final characteristics of silica aerogel composites(obtained from TEOS85 and polyethoxydisiloxane (PEDS), a TEOS pre-polymerized

3) nhiệt  (mWHệ số dẫn

/m.K)Microglass

matting, with bres

of 2–4 mm

diameter (9.1

hexane (at50C)

HMDZ/n-APD(vealternatives)(a) 100C, 24h(b) 50C, 5h + 80C, 24h(c) 50C, 5h + 100C,

(a) 62.2(b) 55.3(c) 38.3

(a) 248(b) 219(c) 171

(a)_

(b)_

(c)_

volume%) 24h

(d) 50C, 5h + 180C, 8h(e) 50 C, 8 h + 80 C,8h + 100C, 24h +180C, 8h

(d) 26.3(e) 22.4 (d) 138(e) 129 (d)_(e)13(at

2.3.3.1 Sấy siêu tới hạn (SCD -Supercritical drying )

Quá trinh này được thực hiện trong khuôn ở nhiệt độ và áp suất cao, tạo ra aerogel trong vòngvài giờ (<5 giờ) chứ không phải vài ngày [32] Trên thực tế, sấy siêu tới hạn bao gồm việc làm nónggel ướt trong một binh chứa kín, sao cho áp suất và nhiệt độ vượt quá nhiệt độ tới hạn, Tc và áp suấttới hạn, Pc, của dung môi bị mắc kẹt trong các lỗ bên trong gel Ngay sau khi chất lỏng bắt đầu bayhơi khỏi gel, sức căng bề mặt tạo ra các khum lõm trong lỗ xốp của gel Khi sự bay hơi của chất lỏngtiếp tục, lực nén tích tụ xung quanh chu vi của lỗ rỗng và nó co lại Cuối cùng, sức căng bề mặt gây ra

sự sụp đổ của thân gel Để ngăn không cho sức căng bề mặt hinh thành, gel được làm khô cực kỳnghiêm ngặt trong nồi hấp, như thể hiện trong Hinh 2.5 Phương pháp này tác động đến tác động đáng

kể đến động học phản ứng, dẫn đến sự hinh thành các hạt silica lớn hơn, cổ lớn hơn nên có diện tích bềmặt riêng thấp [33]

Hinh 2.5 Sơ đồ đài diện cho nồi sấy siêu tới hạn

So với các phương pháp làm khô khác, sấy siêu tới hạn là một phương pháp hiệu quả hơn đểngăn ngừa sự co lại hoặc sụp đổ của các trung bi Tuy nhiên, một nhược điểm chính đối với quátrinh làm khô CO2siêu tới hạn là quy trinh này tốn nhiều thời gian Do đó, một phương pháp làmkhô tốn ít thời gian hơn mà không cần trao đổi dung môi, tức là làm khô axeton siêu tới hạn, đãđược báo cáo về khả năng hòa tan tốt của axeton trong CO2siêu tới hạn

2.3.3.2 Sấy với áp suất môi trường (APD- Ambient pressure drying )

Sự bay hơi đơn giản ở áp suất môi trường xung quanh dường như là phương pháp rõ ràng nhất

để loại bỏ dung môi khỏi vật liệu xốp, bằng cách tăng nhiệt độ trên điểm sôi của dung môi và biến nóthành khí - đây là nguyên tắc cơ bản của sấy thông thường [34].

Dung môi trong hệ thống tồn tại ở ba trạng thái: chất lỏng lấp đầy các lỗ, pha chuyển tiếp khí và pha khí Các menisci rút đi trong lỗ chân lông tạo ra áp suất mao mạch cao, đạt tới hàng trămbar trong lỗ nano và gây ra các vết nứt trong cấu trúc [34] thường bị mất hinh dạng nguyên khối, khi

lỏng-áp suất mao quản trong quá trinh sấy vượt qua giới hạn đàn hồi của cấu trúc rắn, tạo ra aerogel dạnghạt Điều này đặc biệt có ý nghĩa với kích thước lỗ nhỏ hơn 80 nm Thuật ngữ “xerogel” định nghĩamột loại gel bị co lại Thật vậy, APD thường tạo ra xerogel, ở dạng hạt hoặc ở dạng vật liệu tổng hợpđược ngâm tẩm (chẳng hạn như thảm hoặc chăn) Thể tích của xerogel giảm 5–10 so với kích thướccủa gel Đây cũng là nhược điểm của phương pháp này [35]

2.3.3.3 Sấy thăng hoa

Dưới áp suất và nhiệt độ giảm, dung môi có thể được hút chân không bằng cách làm đông khô,tránh ứng suất mặt khum pha lỏng Bằng cách làm đông nhanh dung môi, sử dụng nitơ lỏng, tiếp đến

là sự thăng hoa của nó trong chân không, có thể tránh được sự co rút của bộ xương và thu được cácaerogel xốp cao [23,34] Quy trinh này thường được áp dụng để làm khô hydrogel [36], vi sự đông đặccủa nước dễ tiếp cận hơn so với dung môi hữu cơ thông thường

Các bước của quá trinh sấy thăng hoa:

- Hạ nhiệt độ của dung môi (bên trong lỗ xốp) xuống dưới điểm eutectic

- Đưa hệ thống xuống áp suất chân không

- Tiến hành thăng hoa ở điều kiện đẳng áp

Kết cấu lỗ rỗng được tăng cường so với sấy siêu tới hạn, độ xốp tối đa là 80% và chỉ bằng mộtnửa bề mặt bên trong của một loại khí nén tương đương

2.3.4 Thành phẩm

Sản phẩm thu được silica gel dạng rắn xốp

Hinh 2.6 Sản phẩm silica aerogel từ thủy tinh lỏng

Hinh 2.7 Sản phẩm silica aerogels tổng hợp từ tiền chất TEOS

a) Hinh ảnh SEM

b) Sản phẩm tổng hợp từ TEOS từ silicon tetrachloride

Silica aerogel đặc biệt dễ hoạt động - nghĩa là gắn các chất hóa học vào bề mặt bộ xương củachúng - vi tất cả các nhóm silanol (Si-OH) trên bề mặt của chúng Hãy coi những nhóm silanol này lànhững ổ cắm điện phân tử mà chúng ta có thể cắm các thiết bị phân tử hữu ích vào đó! Trong các bướchinh thành hoặc tinh chế của quá trinh sản xuất silica gel (và ngay cả trong quá trinh làm khô siêu tớihạn), các hóa chất có thể được đưa vào các lỗ xốp của gel, chúng sẽ phản ứng với các nhóm silanolcủa gel, dẫn đến việc gắn các nhóm hóa học khác vào bề mặt của gel Khi gel được làm khô để tạothành aerogel, các nhóm này bám xung quanh và phủ lên bề mặt khung xương của aerogel

Vi vậy có thể thay thế các nhóm silanol bằng một nhóm không phân cực, chẳng hạn nhưtrimethylsilyl -Si(CH3)3, điều này sẽ làm cho silica aerogel không thấm nước Hoặc có thể thêm