RU2445260C1 - Method of producing highly porous xerogel - Google Patents
Method of producing highly porous xerogel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2445260C1 RU2445260C1 RU2010135215/05A RU2010135215A RU2445260C1 RU 2445260 C1 RU2445260 C1 RU 2445260C1 RU 2010135215/05 A RU2010135215/05 A RU 2010135215/05A RU 2010135215 A RU2010135215 A RU 2010135215A RU 2445260 C1 RU2445260 C1 RU 2445260C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sol
- organic solvent
- solvent
- highly porous
- xerogel
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к способу получения высокопористого ксерогеля регулируемой плотности и пористости.The present invention relates to a method for producing a highly porous xerogel of adjustable density and porosity.
Ксерогели с пористостью более 60% и плотностью менее 0,6 г/см3, как и аэрогели сверхкритической сушки, характеризуются низкой теплопроводностью, что обусловлено высокой пористостью, а также тем, что наноструктурированные стенки ксерогелей (с размером первичных глобул до 8 нм) проводят тепло гораздо хуже, чем обычные материалы.Xerogels with a porosity of more than 60% and a density of less than 0.6 g / cm 3 , like aerogels of supercritical drying, are characterized by low thermal conductivity due to high porosity and the fact that nanostructured walls of xerogels (with primary globules up to 8 nm in size) are carried out heat is much worse than ordinary materials.
Во время сушки традиционных гелей под действием капиллярных сил возникают очень большие напряжения, которые в сочетании с низкой стабильностью высокопористой структуры приводят при сушке к сжатию материала, что изменяет его первоначальную структуру и повышает его теплопроводность.During drying of traditional gels under the action of capillary forces, very high stresses arise, which, combined with the low stability of the highly porous structure, lead to compression of the material during drying, which changes its initial structure and increases its thermal conductivity.
Сжатия и изменения структуры можно избежать, если гель подвергнуть сверхкритической сушке, как это описано, например, в патентах [1-3]. При этом для сушки геля из спирта, например метанола, требуется обеспечить температуру от 250 до 260°С и давление от 9,7 до 15,9 МПа, что связано со значительными энергозатратами и сложностью аппаратурного оформления процесса. Кроме того, полученные таким способом аэрогели механически весьма неустойчивы.Compression and structural changes can be avoided if the gel is subjected to supercritical drying, as described, for example, in patents [1-3]. Moreover, for drying a gel from alcohol, for example methanol, it is required to provide a temperature of 250 to 260 ° C and a pressure of 9.7 to 15.9 MPa, which is associated with significant energy consumption and the complexity of the apparatus design process. In addition, the aerogels obtained in this way are mechanically very unstable.
Известны способы получения ксерогелей с плотностью менее 0,3 г/см3 и пористостью свыше 60%, при которых становится излишней сверхкритическая сушка гелей. При этом гели модифицируют обработкой внутренней поверхности, например, силицилированием в случае SiO2-ксерогеля, настолько, что возможна их сушка на воздухе, которая не сопровождается коллапсом [4-5]. К недостаткам этих способов относятся многостадийность процесса, необходимость замещения растворителя и/или осуществления процесса промывания геля растворителем (от одного до четырех раз за цикл наработки образца). Кроме того, способы характеризуются высокой энергоемкостью процесса получения материала.Known methods for producing xerogels with a density of less than 0.3 g / cm 3 and porosity of over 60%, in which supercritical drying of the gels becomes unnecessary. In this case, the gels are modified by treating the inner surface, for example, by silicification in the case of SiO 2 xerogel, so that they can be dried in air, which is not accompanied by collapse [4-5]. The disadvantages of these methods include the multi-stage process, the need to replace the solvent and / or the process of washing the gel with a solvent (from one to four times per cycle of production of the sample). In addition, the methods are characterized by high energy intensity of the process of obtaining the material.
Наиболее близким аналогом заявленному изобретению является способ, заключающийся в пропитке пористого каркаса (пенополиуретан) раствором вещества - прекурсора для будущего ксерогеля с последующим выжиганием пористой основы [6-7]. Метод характеризуется образованием ксерогелей с узким распределением размером пор (0,5-53 мкм), при этом удается избежать возможных деструкций ксерогелей, как, например, по золь-гель технологии.The closest analogue to the claimed invention is a method, which consists in impregnating a porous skeleton (polyurethane foam) with a solution of a precursor substance for a future xerogel, followed by burning out the porous base [6-7]. The method is characterized by the formation of xerogels with a narrow pore size distribution (0.5-53 microns), while possible destruction of xerogels, such as, for example, by sol-gel technology, is avoided.
Серьезным недостатком приведенного метода является то, что размер пор получаемых ксерогелей определяется пористостью используемого пенополиуретана и регулирование размера пор в ходе процесса получения ксерогеля невозможно, кроме того, затруднена возможность получения частиц ксерогелей в виде гранул требуемой фракции. К недостаткам способа относится также необходимость применения высоких температур (порядка 300°С), что связано с повышенными энергозатратами и сложностью технологического оформления процесса, кроме того, процесс деструкции пенополиуретана сопровождается образованием токсичных соединений (монооксид углерода, оксиды азота, синильная кислота).A serious drawback of this method is that the pore size of the resulting xerogels is determined by the porosity of the polyurethane foam used and it is impossible to control the pore size during the process of producing xerogel, in addition, it is difficult to obtain xerogel particles in the form of granules of the desired fraction. The disadvantages of the method also include the need to use high temperatures (about 300 ° C), which is associated with increased energy consumption and the complexity of the technological design of the process, in addition, the process of destruction of polyurethane foam is accompanied by the formation of toxic compounds (carbon monoxide, nitrogen oxides, hydrocyanic acid).
Техническим результатом заявленного изобретения является получение высокопористых ксерогелей регулируемой плотности. Технический результат достигается за счет того, что синтез исходного геля осуществляется при воздействии ультразвука в жидкой смеси, представляющей собой две взаимонерастворимые жидкие фазы, одна из которых - сплошная является водным золем кремниевой кислоты или оксида алюминия, а другая - дисперсная - органическим растворителем, подобранным таким образом, чтобы он не был растворим в указанных золях. При этом размер частиц фазы органического растворителя регулируется с помощью интенсивности ультразвуковой обработки.The technical result of the claimed invention is to obtain highly porous xerogels of adjustable density. The technical result is achieved due to the fact that the synthesis of the initial gel is carried out under the influence of ultrasound in a liquid mixture, which consists of two mutually insoluble liquid phases, one of which is continuous, an aqueous sol of silicic acid or alumina, and the other is dispersed, an organic solvent selected with such an organic solvent so that it is not soluble in these sols. In this case, the particle size of the organic solvent phase is controlled by the intensity of the ultrasonic treatment.
Преимуществом изобретения является то, что заявленный способ позволяет получать высокопористые ксерогели с регулируемым размером пор, обеспечивает возможность получения гранул требуемых фракций при несложном технологическом оформлении процесса.An advantage of the invention is that the claimed method allows to obtain highly porous xerogels with an adjustable pore size, provides the ability to obtain granules of the desired fractions with a simple technological design of the process.
На фигуре 1 приведена схема получения высокопористого ксерогеля по заявленному способу.The figure 1 shows the scheme for producing highly porous xerogel according to the claimed method.
Сущность изобретения заключается в том, что за счет получения геля используются две взаимонерастворимые фазы, обеспечивающие создание дополнительной искусственной пористости. После процесса смешения двух взаимонерастворимых фаз (водные золи кремниевой кислоты или оксида алюминия 1 и несмешивающегося с ними органического растворителя 2) и непрерывного воздействия ультразвука 3, обеспечивающего максимальное диспергирование органического растворителя в золе, происходит гелирование золя и образование геля 5, содержащего в своей структуре капли органического растворителя 4. При высыхании геля и испарении растворителя образуется ксерогель 6 с повышенной искусственной пористостью 7. Размер пор регулируется интенсивностью ультразвуковой обработки, а количество пор - соотношением золя и органического растворителя. Для достижения большей дисперсности органического растворителя в золе (с целью уменьшения диаметра искусственных пор) возможно введение в смесь двух фаз поверхностно-активных веществ. Химическая природа органического растворителя при условии, что выполняется требование несмешиваемости его с водными золями кремниевой кислоты и оксида алюминия, не влияет на конечную пористость получаемого ксерогеля.The essence of the invention lies in the fact that due to the gel two mutually insoluble phases are used, which provide the creation of additional artificial porosity. After the process of mixing two mutually insoluble phases (aqueous sols of silicic acid or alumina 1 and an immiscible organic solvent 2) and continuous exposure to
Для подтверждения заявленного технического результата согласно ниже приведенной методике были изготовлены образцы ксерогелей согласно предлагаемому способу.To confirm the claimed technical result according to the methodology below, xerogel samples were made according to the proposed method.
Для приготовления ксерогеля вначале берут требуемое количество водного золя кремниевой кислоты или оксида алюминия и смешивают с необходимым количеством (в зависимости от требуемой пористости получаемого ксерогеля) органического растворителя, не смешивающегося с указанными водными золями. Далее смесь подвергают озвучиванию (использовался ультразвуковой диспергатор УЗГ 15-0,1/22) до гелеобразования. Полученный гель сушат (возможна сушка как при нормальных условиях, так и для ускорения процесса при повышенной температуре). Если необходимо получить гранулы требуемой фракции, возможно использование распылительной сушилки. Ниже приведены примеры получения ксерогелей согласно приведенной методике и их характеристики (пористость и размер создаваемых пор).To prepare a xerogel, first take the required amount of an aqueous sol of silicic acid or alumina and mix with the required amount (depending on the required porosity of the obtained xerogel) of an organic solvent that is not miscible with the indicated aqueous sols. Next, the mixture is subjected to scoring (ultrasonic disperser UZG 15-0.1 / 22 was used) until gelation. The resulting gel is dried (drying is possible both under normal conditions and to speed up the process at elevated temperatures). If it is necessary to obtain granules of the desired fraction, it is possible to use a spray dryer. Below are examples of the production of xerogels according to the above methodology and their characteristics (porosity and size of created pores).
Пример 1Example 1
В качестве золя был использован водный золь кремниевой кислоты с концентрацией в пересчете на оксид кремния 2%, а в качестве растворителя - бензин-растворитель. Объемное соотношение золя и растворителя 1:1 соответственно. Интенсивность озвучивания 60 Вт/л. Пористость полученного ксерогеля 0.80, средний размер создаваемых пор 0.5 мкм.As a sol, an aqueous sol of silicic acid with a concentration in terms of silica of 2% was used, and a gasoline-solvent as a solvent. The volume ratio of sol and solvent is 1: 1, respectively. Sound intensity 60 W / l. The porosity of the resulting xerogel is 0.80, and the average pore size is 0.5 μm.
Пример 2Example 2
В качестве золя был использован водный золь кремниевой кислоты с концентрацией в пересчете на оксид кремния 3%, а в качестве растворителя - бензин-растворитель. Объемное соотношение золя и растворителя 2:1 соответственно. Интенсивность озвучивания 100 Вт/л. Пористость полученного ксерогеля 0.62, средний размер создаваемых пор 0.4 мкм.As a sol, an aqueous sol of silicic acid with a concentration in terms of silica of 3% was used, and a gasoline-solvent as a solvent. The volume ratio of sol and solvent is 2: 1, respectively. Sound intensity 100 W / l. The porosity of the resulting xerogel is 0.62, and the average size of the created pores is 0.4 μm.
Пример 3Example 3
В качестве золя был использован водный золь кремниевой кислоты с концентрацией в пересчете на оксид кремния 2%, а в качестве растворителя - толуол. Объемное соотношение золя и растворителя 1:1 соответственно. Интенсивность озвучивания 120 Вт/л. Пористость полученного ксерогеля 0.82, средний размер создаваемых пор 0.34 мкм.As a sol, an aqueous sol of silicic acid with a concentration in terms of silicon oxide of 2% was used, and toluene was used as a solvent. The volume ratio of sol and solvent is 1: 1, respectively. Sound intensity 120 W / l. The porosity of the resulting xerogel is 0.82, and the average pore size is 0.34 μm.
Пример 4Example 4
В качестве золя был использован водный золь кремниевой кислоты с концентрацией в пересчете на оксид кремния 2%, а в качестве растворителя - ксилол. Объемное соотношение золя и растворителя 1:1 соответственно. Интенсивность озвучивания 150 Вт/л. Пористость полученного ксерогеля 0.83, средний размер создаваемых пор 0.31 мкм.As a sol, an aqueous sol of silicic acid with a concentration in terms of silica of 2% was used, and xylene was used as a solvent. The volume ratio of sol and solvent is 1: 1, respectively. Sound intensity 150 W / l. The porosity of the resulting xerogel is 0.83, and the average pore size is 0.31 μm.
Пример 5Example 5
В качестве золя был использован водный золь кремниевой кислоты с концентрацией в пересчете на оксид кремния 2%, а в качестве растворителя - бензин-растворитель. Объемное соотношение золя и растворителя 1:1 соответственно. Интенсивность озвучивания 60 Вт/л. Пористость полученного ксерогеля 0.81, размер создаваемых пор 0.49 мкм.As a sol, an aqueous sol of silicic acid with a concentration in terms of silica of 2% was used, and a gasoline-solvent as a solvent. The volume ratio of sol and solvent is 1: 1, respectively. Sound intensity 60 W / l. The porosity of the resulting xerogel is 0.81, the size of the created pores is 0.49 μm.
Пример 6Example 6
В качестве золя был использован водный золь оксида алюминия с концентрацией в пересчете на оксид алюминия 2,1%, а в качестве растворителя - бензин-растворитель. Объемное соотношение золя и растворителя 1:1 соответственно. Интенсивность озвучивания 60 Вт/л. Пористость полученного ксерогеля 0.82, средний размер создаваемых пор 0.5 мкм.As a sol, an aqueous alumina sol with a concentration in terms of alumina of 2.1% was used, and a gasoline-solvent as a solvent. The volume ratio of sol and solvent is 1: 1, respectively. Sound intensity 60 W / l. The porosity of the obtained xerogel is 0.82, and the average size of the created pores is 0.5 μm.
Пример 7Example 7
В качестве золя был использован водный золь оксида алюминия с концентрацией в пересчете на оксид алюминия 2,1%, а в качестве растворителя - бензин-растворитель. Объемное соотношение золя и растворителя 2:1 соответственно. Интенсивность озвучивания 60 Вт/л. Пористость полученного ксерогеля 0.64, средний размер создаваемых пор 0.5 мкм.As a sol, an aqueous alumina sol with a concentration in terms of alumina of 2.1% was used, and a gasoline-solvent as a solvent. The volume ratio of sol and solvent is 2: 1, respectively. Sound intensity 60 W / l. The porosity of the obtained xerogel is 0.64, the average size of the created pores is 0.5 μm.
Приведенные примеры подтверждают заявленный технический результат, при этом заявленный способ изобретения может быть реализован с использованием любого органического растворителя или их смеси, отвечающей условию несмешиваемости с водными золями кремниевой кислоты и оксида алюминия, а соотношение золя и растворителя определяется желаемой пористостью получаемого ксерогеля. Также для реализации способа может быть выбрана любая интенсивность озвучивания, определяемая желаемым размером пор.The above examples confirm the claimed technical result, while the claimed method of the invention can be implemented using any organic solvent or a mixture thereof that meets the condition of immiscibility with aqueous sols of silicic acid and alumina, and the ratio of sol and solvent is determined by the desired porosity of the resulting xerogel. Also, for the implementation of the method, any scoring intensity determined by the desired pore size can be selected.
Источники информацииInformation sources
1. Патент ЕР 0382310 от 10.02.1989, МПК С01В 13/32, С01В 33/158, B01J 13/00, опубл. 16.08.1990.1. Patent EP 0382310 dated 02/10/1989, IPC С01В 13/32, СВВ 33/158, B01J 13/00, publ. 08/16/1990.
2. Патент ЕР 0018955 от 30.04.1979, МПК С01В 33/00, С01В 33/158, B01J 13/00, опубл. 12.11.1980.2. Patent EP 0018955 from 04/30/1979, IPC С01В 33/00, СВВ 33/158, B01J 13/00, publ. 11/12/1980.
3. Патент US 2007/0154379 A1 от 14.11.2006, МПК С01В 33/12, опубл 05.07.2007.3. Patent US 2007/0154379 A1 dated 11/14/2006, IPC С01В 33/12, published on 07/05/2007.
4. Патент DE 4342548 от 14.12.1993, МПК С01В 33/157, F16L 59/00 опубл. 22.06.1995.4. Patent DE 4342548 dated 12/14/1993, IPC СВВ 33/157, F16L 59/00 publ. 06/22/1995.
5. Патент US 5795556 от 14.12.1993, МПК С01В 33/158, С01В 33/16 опубл. 18.08.1998.5. Patent US 5795556 dated 12/14/1993, IPC С01В 33/158, СВВ 33/16 publ. 08/18/1998.
6. L.Montanaro, Y.Jorand, G.Fantozzi, J.A.Negro. Ceramic foams by powder processing. European Ceram. Soc., 1998, 18, pp.1339-1350.6. L. Montanaro, Y. Jorand, G. Fantozzi, J. A. Negro. Ceramic foams by powder processing. European Ceram. Soc., 1998, 18, pp. 1339-1350.
7. S.N.Jayasinghe, M.J.Edirisinghe. A novel method of forming open cell ceramic foam. J.Porous Mater., 2002, 9, pp.1380-2224 (прототип).7. S.N. Jayasinghe, M.J. Edirisinghe. A novel method of forming open cell ceramic foam. J. Porous Mater., 2002, 9, pp. 1380-2224 (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135215/05A RU2445260C1 (en) | 2010-08-25 | 2010-08-25 | Method of producing highly porous xerogel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135215/05A RU2445260C1 (en) | 2010-08-25 | 2010-08-25 | Method of producing highly porous xerogel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2445260C1 true RU2445260C1 (en) | 2012-03-20 |
Family
ID=46030079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010135215/05A RU2445260C1 (en) | 2010-08-25 | 2010-08-25 | Method of producing highly porous xerogel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2445260C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2614146C1 (en) * | 2015-12-10 | 2017-03-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of producing nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and nanoporous material obtained using said method |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU998339A1 (en) * | 1982-01-08 | 1983-02-23 | Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физической Химии Им.Л.В.Писаржевского | Process for producing aerosilica gel |
| SU1239094A1 (en) * | 1984-03-05 | 1986-06-23 | Калушское Опытное Производство Специального Конструкторско-Технологического Бюро Отделения Химии Поверхности Института Физической Химии Им.Л.В.Писаржевского | Method of producing aerosilogel |
| CN1772607A (en) * | 2004-11-11 | 2006-05-17 | 安泰科技股份有限公司 | Ultrasonic treating process of preparing spherical nanometer silica particle |
-
2010
- 2010-08-25 RU RU2010135215/05A patent/RU2445260C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU998339A1 (en) * | 1982-01-08 | 1983-02-23 | Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физической Химии Им.Л.В.Писаржевского | Process for producing aerosilica gel |
| SU1239094A1 (en) * | 1984-03-05 | 1986-06-23 | Калушское Опытное Производство Специального Конструкторско-Технологического Бюро Отделения Химии Поверхности Института Физической Химии Им.Л.В.Писаржевского | Method of producing aerosilogel |
| CN1772607A (en) * | 2004-11-11 | 2006-05-17 | 安泰科技股份有限公司 | Ultrasonic treating process of preparing spherical nanometer silica particle |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2614146C1 (en) * | 2015-12-10 | 2017-03-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of producing nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and nanoporous material obtained using said method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Błaszczyński et al. | Synthesis of silica aerogel by supercritical drying method | |
| Guo et al. | Synthesis and surface functional group modifications of ordered mesoporous carbons for resorcinol removal | |
| Lin et al. | Sol–gel preparation of polymethylsilsesquioxane aerogel membranes for CO2 absorption fluxes in membrane contactors | |
| Sarawade et al. | Synthesis and characterization of micrometer-sized silica aerogel nanoporous beads | |
| Waldron et al. | Formation of uniform large SBA-15 microspheres via spray drying | |
| Hong et al. | Fabrication of spherical silica aerogel granules from water glass by ambient pressure drying | |
| Arumugam et al. | Synthesis of SBA-15 from low cost silica precursor obtained from sugarcane leaf ash and its application as a support matrix for lipase in biodiesel production | |
| Morales-Torres et al. | Structural characterization of carbon xerogels: From film to monolith | |
| Misran et al. | Nonsurfactant route of fatty alcohols decomposition for templating of mesoporous silica | |
| Seraji et al. | Investigation of microstructure and mechanical properties of novolac/silica and C/SiO2/SiC aerogels using mercury porosimetry method | |
| Karaman et al. | One-pot synthesis of pore-expanded hollow mesoporous silica particles | |
| Ren et al. | One-step fabrication of transparent hydrophobic silica aerogels via in situ surface modification in drying process | |
| Han et al. | Preparation of sizable and uniform‐sized spherical ceramic foams: drop‐in‐oil and agar gelation | |
| Gong et al. | A novel silica aerogel microspheres loaded with ammonium persulfate gel breaker for mid-deep reservoirs | |
| García-Torres et al. | Synthesis of silica aerogels microspheres prepared by ink jet printing and dried at ambient pressure without surface hydrophobization | |
| Vale et al. | Silica-based microspheres with interconnected macroporosity by phase separation | |
| Chen et al. | Efficient synthesis of hollow silica microspheres useful for porous silica ceramics | |
| Ma et al. | A novel way for preparing high surface area silica monolith with bimodal pore structure | |
| RU2445260C1 (en) | Method of producing highly porous xerogel | |
| US3960772A (en) | Agglomerated alumina-based spherical grains | |
| JP2006213558A (en) | Binary porous silica and method for manufacturing the same | |
| Ju et al. | Preparation of size-controllable monodispersed carbon@ silica core-shell microspheres and hollow silica microspheres | |
| CN106167265A (en) | A kind of preparation method of honeycomb silicon dioxide microsphere | |
| Berdys et al. | Fabrication and performance of monolithic continuous-flow silica microreactors | |
| CN104445224B (en) | A kind of preparation method of fine silicon dioxide aerogel powder |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140826 |