CC BY
150
УДК 66.0
А. В. Голованов*, А. Е. Лебедев, Н. В. Меньшутина
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 ,корп. 1 * e-mail: [email protected]
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ АЭРОГЕЛЕЙ СВЕРХНИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
Разработана методика получения аэрогелей сверхнизкой плотности на основе диоксида кремния, исследованы их физико-химические свойства. Аэрогели, плотность которых меньше чем 0,05 г/см3можно отнести к аэрогелям сверхнизкой плотности. Это нанопористый материал представляющий интерес для проведения реакций термоядерного синтеза, его можно использовать как мишень для рентгеновских лазерови как радиатор в Черенковских детекторах. В ходе данной работы были получены аэрогели на основе диоксида кремния плотностью 0,004 г/см3.
Ключевые слова: аэрогель, сверхнизкая плотность, золь-гель процесс.
В настоящее время аэрогели находят все большее применение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам, таким как: низкая плотность, большая площадь внутренней поверхности, низкая теплопроводность, скорость звука [1, 2]. Свойства данного материала можно задавать заранее путем изменения условий его получения [3].
Аэрогели, плотность которых меньше чем 0,05 г/см3, относятся к аэрогелям сверхнизкой плотности. Это нанопористый материал, представляющий интерес для проведения реакций термоядерного синтеза, как мишень для рентгеновских лазеров и как радиатор в Черенковских детекторах [4]. Термоядерная реакция - разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии их теплового движения. Для того чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» - силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Топливом для реакции термоядерного
синтеза является смесь изотопов водорода: дейтерия и трития. Схематически реакция синтеза изображена на рисунке 2. Сферическую капсулу с термоядерным топливом подвергают лазерному облучению [5]. Интенсивность излучения на поверхности прямой мишени неравномерна. Сглаживание интенсивности лазерного излучения на мишени происходит в результате применения низкоплотных
высокопористых веществ. Слой низкоплотного вещества выступает в роли конвертора лазерного излучения в более мягкое рентгеновское [6]. В основе работы Черенковских детекторов лежит явление, открытое в 1934 г. П.А. Черенковым. Суть этого явления заключается в том, что любая заряженная частица, проходящая через прозрачную среду (радиатор) с показателем преломления n, со скоростью в, превышающей фазовою скорость света в данной среде c/n, испускает фотоны под углом 9, косинус которого равен:
cos 9 = —. (1)
Pn
Рис. 2. Реакция термоядерного синтеза
Аэрогели на основе диоксида кремния получают с применением двухстадийного «золь-гель» процесса [7]. На первой стадии, в кислой среде, когда преимущественно идет гидролиз прекурсора, образуется золь. На второй стадии, в основной среде, когда преимущественно идет конденсация золя, происходит гелеобразование. Обычно, чтобы уменьшить конечную плотность, полученный золь дополнительно разбавляют используемым растворителем. Для получения аэрогелей сверхнизкой плотности золь разбавляют приблизительно в 100 раз, из-за чего возникают некоторые проблемы:
• гелеобразование занимает значительное количество времени, либо не происходит;
• полученные аэрогели, если удается осуществить гелеобразование, обладают недостаточной прозрачностью.
При разработке собственной методики получения аэрогелей сверхнизкой плотности за основу взята методика по Тиллотсону T.M. и Хрубесу Л.В [8]. Для достижения заданной плотности конечного продукта проведен ряд экспериментальных исследований с целью выявления оптимальных соотношений и концентраций компонентов, участвующих в процессе получения. Варьировались концентрация кислотного катализатора (соляной кислоты), добавляемого на стадии приготовления золя, концентрация и количество основного катализатора (гидроксида аммония) добавляемого на стадии гелеобразования.
Процесс получения аэрогелей сверхнизкой плотности состоит из нескольких стадий:
• получение сконденсированного диоксида кремния (СДК) (стадия гидролиза прекурсора);
• гелеобразование (стадия конденсации золя);
• старение алкогеля;
• сверхкритическая сушка.
В данной методике в роли прекурсора использовался тетраэтоксисилан (ТЭОС). Получение СДК
Золь получают путем смешения ТЭОС и метанола в молярном соотношении: 1 ТЭОС : 2,4 МеОН. В полученный раствор по каплям при перемешивании добавляют водный раствор соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/л. Затем в ходе перегонки в течение нескольких часов весь спирт, полученный в ходе реакции и добавленный в изначальную смесь, отбирается в виде дистиллята, а СДК отбирается в виде концентрата. СДК разбавляют растворителем, не содержащим спирта (в нашем случае ацетоном), после чего он может быть сохранен для дальнейшего использования. Добавляемый растворитель предотвращает гелеобразование. Гелеобразование
Полученный СДК разбавляют ацетоном его количество должно быть достаточным для достижения требуемой конечной плотности,
определяемой соотношением (2):
пТЭ0Схм5Ю2
Раэр ' „ -
"геля
где птэос - это количество моль ТЭОС,
(2)
- это объем геля.
Для осуществления гелеобразования, вместе с ацетоном вносится необходимое количество водного раствора гидроксида аммония концентрацией 10 моль/л. Количество добавляемого №Н4ОН зависит от количества ацетона.
Старение
Полученный раствор заливается в специальные формы, где при комнатной температуре происходят процессы гелеобразования и старения.
Сверхкритическая сушка
Полученный гель высушивается в реакторе высокого давления в среде сверхкритического СО2. Параметры процесса: температура 40°С, давление 140 атм, расход 60 - 70 н.л/ч, время ведения процесса 10 - 12 часов.
Для достижения заданной плотности, СДК дополнительно разбавлялся ацетоном. При двух разных разбавлениях были получены аэрогели плотностью 0,0086 г/см3 и 0,004 г/см3. На рисунке 1 представлена фотография сканирующей
электронной микроскопии полученного образца плотностью 0,004 г/см3.
Голованов Алексей Валерьевич, студент 5 курса факультета информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Лебедев Артем Евгеньевич, аспирант кафедры КХТП РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Меньшутина Наталья Васильевна, д.т.н., руководитель Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий, РХТУ им. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Смирнов Б. М. Аэрогели // Успехи физических наук. - 1987. - T. 152. - C. 133 - 157.
2. Pierre A. C., Pajonk G. M. Chemistry of aerogels and their applications // Chemical Reviews. - 2002. - T. 102, № 11. - P. 4243-4265.
3. Hajar Maleki, Luisa Durres, Amynio Portugal. An overview on silica aerogels synthesis and different mechanical reinforcing strategies // Journal of Non-Crystalline Solids.-2014.- № 385.- P.55-74.
4. Kocon L., Despetis F., Phalippou J. Ultralow density silica aerogels by alcohol supercritical drying// Journal of Non-Crystalline Solids.-1998.-№ 225.-P.96-100.
5. Gryzinski M. Fusion Chain Reaction - Chain Reaction with Charged Particles // Physical Review.-1958.- Vol. 111, No 3.- P. 900-905.
6. Borisenko N.G., Akunets A.A., Artyukov I.A. X-ray tomography of the growing silicagel with density gradient // Fusion Science and Technologies.- 2009.- Vol. 55, No4.- P. 480483.
7. Smirnova I. Synthesis of silica aerogels and their application as a drug delivery system // PhD Thesis, Technical University of Berlin.-2002.-P.5-8.
8. Tillotson T.M., Hrubesh L.W. Transparent ultralow-density silica aerogels prepared by a two-step sol-gel process // Journal of Non-Crystalline Solids.-1992.-№ 145.-P.44-50.
Golovanov Alexey Valer'evich*, Lebedev Artem Evgen'evich, MenshutinaNatalia Vasilievna D.I. Mendeleev University of Chemical Technology ofRussia, Moscow, Russia. *e-mail: [email protected]
DEVELOPMENT OF METHOD FOR ULTRALOW DENSITY AEROGELS OBTAIMENT
Abstract
Due to its unique properties, aerogels have been widely used in various fields of human activity. Aerogels with a density less than 0.05 g/cm3, can be attributed to the ultra-low density aerogels.That nano-porous materialis of interest for thermonuclear fusion reactions, it can be used as a target for X-ray lasers and as a radiator in Cherenkov's detectors.In the course of this work it were obtained silica aerogelswith density of 0,004g/cm3.
Key words: aerogel; ultralow density; sol-gel process.
