CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3.7. Phương pháp tổng hợp
Vật liệu aerogel được tổng hợp theo phương pháp sol-gel gồm các bước sau: ● Khuấy trộn tạo sol
● Gel hóa
● Trao đổi dung mơi ● Sấy
❖ Khuấy trộn
Ban đầu, các tiền chất được xác định theo các tỉ lệ nhất định, thực hiện khuấy trộn trong một thời gian để đảm bảo độ đồng nhất của dung dịch.
❖ Gel hóa
Q trình này chính là sự tổng hợp một mạng lưới vơ cơ của một phản ứng hóa học trong dung dịch ở nhiệt độ thấp. Đặc điểm rõ ràng nhất của phản ứng này là sự chuyển đổi từ dung dịch lỏng sang gel rắn sẽ làm tăng số liên kết tạo thành một mạng lưới tron khắp dung dịch. Các hạt sol được liên kết và sắp xếp theo trật tự tạo thành một gel ướt với cấu trúc mạng chặt chẽ.
Trong giai đoạn gel hóa, yếu tố chính ảnh hưởng đến việc hình thành cấu trúc polymer là tỉ lệ các chất, thời gian gel hóa và nhiệt độ tạo gel.
❖ Trao đổi dung môi
Gel ướt được hình thành chứa đầy nước ở phần rỗng, để tạo aerogel cần loại bỏ lượng nước này. Thông thường, dung môi nước được thay thế bởi một dung mơi hữu cơ có sức căng bề mặt thấp, hóa tan được nước như: methanol, ethanol, acetone,… thơng qua việc ngâm gel với dung môi hữu cơ.
Trong cấu trúc gel, các lỗ xốp có cấu trúc rất nhỏ, để giảm áp suất mao quản (tránh hiện tượng sụp đổ cấu trúc) thì chất lỏng trong cấu trúc đó phải có sức căng bề mặt nhỏ. Nước là dung mơi có nhiệt độ sơi cao (100 ˚C), sức căng bề mặt lớn do đó khi loại bỏ chúng ra khỏi cấu trúc gel rất dễ gây ra hiện tượng sụp đổ cấu trúc.
21
Vì vậy, để giảm thiểu sự sụp đổ của cấu trúc gel ướt, cần phải lựa chọn dung mơi thích hợp (có sức căng bề mặt và nhiệt độ sơi thấp) thay thế nước trong cấu trúc xốp gọi là trao đổi dung môi.
❖ Sấy
Sấy là một trong những bước quan trọng nhất trong việc tạo ra một aerogel. Ngay cả khi đã hình thành một khối hồn hảo, nhưng sai lầm trong bước sấy có thể phá hủy gel. Để tránh mắc những sai lầm đó và tạo ra gel chất lượng cao cần hiểu rõ về các phương pháp sấy: phương pháp sấy siêu tới hạn, sấy ở điều kiện thường và sấy đông khô.
❖ Phương pháp sấy siêu tới hạn
Đây là phương pháp đầu tiên được Kistler sử dụng để tạo aerogel. Phương pháp này sử dụng trong những năm 1940 – 1980.
Aerogel được tạo ra bằng cách loại bỏ hết dung môi ra khỏi gel. Kỹ thuật này loại bỏ chất lỏng trong aerogel theo một quy trình được kiểm sốt chặt chẽ về nhiệt độ, áp suất. Các dung môi trong gel ướt được thay thế bằng một chất lỏng siêu tới hạn, khi giảm áp suất sẽ thu được gel khô.
Sức căng bề mặt của chất lỏng siêu tới hạn gần bằng khơng, cũng như khơng có mặt phân cách lỏng – khí, làm tăng đặc tính linh động của dung mơi siêu tới hạn nên nó có thể xâm nhập vào trong chất rắn có lỗ xốp nhỏ hiệu quả cao hơn chất lỏng, dẫn đến sự chuyển khối và chiết xuất sẽ nhanh hơn. Khi thay chất lỏng siêu tới hạn bằng khơng khí (sức căng bề mặt bằng 0) thì khơng xảy ra hiện tượng mao dẫn, cấu trúc rắn trong gel sẽ được giữ nguyên. Tuy nhiên, do sử dụng áp suất, nhiệt độ cao gây nguy hiểm cũng như chi phí sản xuất khá cao nên aerogel bị lãng quên một thời gian.
❖ Phương pháp sấy ở điều kiện thường
Sấy khô siêu tới hạn cần thiết bị phức tạp, do đó, chi phí sản phẩm cao, làm tăng ơ nhiễm mơi trường do khí thải trong q trình sấy. Áp suất cao (lên đến 1000 psi) bất lợi về mặt chi phí và an tồn. Để khắc phục nhược điểm, thay thế q trình sấy khơ điều kiện siêu tới hạn bằng sấy ở điều kiện thường. Tuy nhiên, nếu để nước và các chất lỏng phân cực khác trong cấu trúc gel bay hơi một cách tự nhiên thì sẽ khơng bao giờ được cấu trúc aerogel. Do khi các chất phân cực này bay hơi, sức căng bề mặt của các chất lỏng trong
22
những lỗ xốp sẽ đến mức đủ để làm sụp đổ cấu trúc không gian 3 chiều, vì vậy khơng cịn cấu trúc xốp nữa.
Acetone được biết đến là rất hiệu quả để giảm thể tích hao hụt của gel ướt trong q trình sấy ở mơi trường xung quanh. Sấy khô trong điều kiện tự nhiên, không cần thiết bị phức tạp, an tồn, dễ vận hành, chi phí thấp.
❖ Sấy thăng hoa (sấy đông khô)
Trong sấy thăng hoa, mẫu gel sau khi được làm lạnh đột ngột được đặt trong môi trường chân không. Trong môi trường chân không, nước ở trạng thái rắn sẽ được thăng hoa thành thể khí tách ra hỏi gel.
● Ưu điểm
- Sản phẩm có chất lượng cao (giữ ngun hình dạng, màu sắc, cấu trúc). - Làm giảm hoạt độ của nước mà không chịu tác động nhiệt lên sản phẩm. ● Nhược điểm
- Chi phí cho hệ thống tạo áp suất chân không và làm lạnh lớn - Vận hành cần trình độ kỹ thuật cao
- Tiêu thụ điện năng lớn.
- Phương pháp này có chi phí cao. Nếu chất rắn trong các lỗ xốp không được thăng hoa đúng cách thì có thể bị chuyển sang trạng thái lỏng, gây áp lực mao dẫn, gây sụp đổ cấu trúc xốp.
23