aerogel silica va ung dung

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
TIỂU LUẬN
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG
GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HẠNH
HV: ĐÀO CÔNG THANH
NGUYỄN THỊ KIM LIÊN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2013
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
MỤC LỤC


 !"#$%
 Giới thiệu aegogel
1.1. Định nghĩa:
Là vật liệu tổng hợp có nguồn gốc từ một loại gel trong đó thành phần chất
lỏng của gel được thay thế bằng một loại khí. Kết quả làm cho gel có tỉ trọng thấp và
cách nhiệt. Nó còn có các tên gọi sau: khói đóng băng, không khí rắn, khối rắn. Do
tính chất mờ và phân tán ánh sáng trong vật liệu nên trong giống như polyetilen bị ép
lại thành một khối.
1.2. Lịch sử:
Cũng giống như các loại truyền thuyết mà bạn từng đọc khác, truyền thuyết về
Aerogel khá bí ẩn và thú vị. Tất cả những gì mà chúng ta biết đó là vào cuối những
 
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
năm 1920, giáo sư hóa học người Mỹ có tên Samuel Kistler (1900 - 1975) đã có một
cuộc cá độ với đồng nghiệp của mình là Charles Learned. Kistler tin rằng sẽ tồn tại
một loại gel không lỏng (một đặc tính cố hữu của gel) với một cấu trúc vô cùng đặc
biệt, đó là mạng lưới các lỗ rỗng vô cùng nhỏ được gọi là nanopore.
Sau khi thử nghiệm và gặp nhiều thất bại, cuối cùng thì Kistler đã trở thành

người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí để tạo ra một
loại gel mới không tồn tại ở trạng thái lỏng. Vào năm, 1931, ông đã công bố phát hiện
của mình trong bài viết "Coherent Expanded Aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí
khoa học Nature.
1.3. Phân loại Aerogel:
Có ba loại Aerogel phổ biến nhất hiện nay đó là silica, carbon và oxit kim
loại, tuy nhiên trong thử nghiệm lẫn thực tế thì silica vẫn thường được sử dụng hơn
cả. Khi nhắc đến Aerogel, rất có thể người ta đang ám chỉ đến loại silica. Các bạn
cũng không nên nhầm lẫn giữa silica và silicon, silica (silic điôxít) là loại vật liệu chủ
yếu để sản xuất ra thủy tinh cách nhiệt còn silicon là một chất bán dẫn dùng trong các
vi mạch.
Không giống như silica aerogel với biệt danh là khói xanh hay khói lạnh,
khói rắn (do hình thù mờ ảo của nó), carbon aerogel có màu đen và khi sờ lên có cảm
giác giống như đang sờ lên những hòn than. Chúng có diện tích bề mặt lớn, độ xốp
cao và khả năng dẫn điện tốt. Các tính chất này làm cho aerogels carbon rất hữu ích
đối với tụ điện, pin và hệ thống khử muối.
Aerogle ô xít kim loại làm từ ô xít kim loại và sử dụng như là chất xúc tác
trong các phản ứng hóa học. Chúng cũng được ứng dụng trong ngành công nghiệp
thuốc nổ, sợi nano carbon và thậm chí là để tạo ra từ tính. Aerogel oxit kim loại như
sắt hay crom ngoài các tính chất tương tự người anh em silica phổ biến thì chúng còn
có một điểm khác, đó là màu sắc rất đẹp. Aerogel crom có màu xanh lá cây hoặc xanh
dương rất đậm; Aerogel oxit nhôm, titania, zirconia có màu xanh hoặc trắng; Aerogel
oxit sắt có màu đỏ hoặc vàng đục; ngoài ra còn có màu tím hoa oải hương, màu vàng
sáng, màu hồng phớt Mỗi loại oxit kim loại sẽ tạo ra một loại màu khác nhau.
Aerogel silica có màu xanh da trời, màu này được tạo ra khi các ánh sáng trắng
gặp các phân tử silica của aerogel và xảy ra hiện tượng tán xạ (Rayleigh). Các phân tử
sẽ tán xạ ánh sáng, những tia sáng có bước sóng ngắn thì bị tán xạ dễ dàng hơn so với
sóng dài. Bởi vì màu xanh và màu tím có bước sóng ngắn nhất nên chúng dễ bị tán xạ
hơn các ánh sáng có thể nhìn thấy khác. Mặt khác, do mắt người nhạy cảm với các
bước sóng màu xanh lam hơn nên chúng ta sẽ không thể nhìn thấy được màu tím.

 
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
1.4. Sản xuất:
Aerogel được sản xuất bằng cách lấy thành phần lỏng ra khỏi gel bằng kỹ thuật
khô siêu tới hạn. Điều này cho phép chất lỏng được làm khô từ từ mà không gây ra
hiện tượng sụp đổ vật liệu. Aerogel đầu tiên được sản xuất từ silicagel
Aerogel bắt đầu xuất hiện như một loại gel và được gọi là Alcogel - cái tên này ám chỉ
gel silica (Silic điôxít) và các phân tửi rượu (Alcohol) nằm bên trong các lỗ rỗng của
nó. Về cơ bản, chỉ cần cho rượu bay hơi khỏi silica là chúng ta sẽ tạo ra cấu trúc này,
giống như chúng ta thổi không khí qua một miếng bọt biển thấm nước vậy, nó sẽ bị
khô đi. Thay vì chỉ dựa trên sự bốc hơi, gel khô siêu tới hạn (Supercritically) được chế
tạo qua các công đoạn như sau:
Nhiệt độ và áp suất phải đạt đến điểm siêu tới hạn - ở mức mà không có sự
khác biệt giữa chất lỏng và chất khí.
Giảm áp suất trong khi nhiệt độ vẫn ở trên điểm tới hạn. Khi áp suất giảm, các
phân tử được giải phóng dưới dạng khí và lỏng với mật độ không dày đặc
Khử gel bằng nguồn nhiệt. Trước khi làm lạnh, sẽ có một lượng rượu nhỏ được
ngưng tụ lại thành chất lỏng, sau đó sẽ được chuyển thành dạng hơi như ban đầu.
Kiểm tra thành phẩm cuối cùng. Những gì còn lại sẽ là một chất rắn bằng
silica, nhưng thay vì ở dạng lỏng thì nó lại chứa đầy không khí.
Điểm siêu tới hạn sẽ làm khô các chất lỏng “alco” khiến một phần của alcogel biến
thành khí, trong khi cấu trúc lỗ rỗng của silica vẫn không bị sụp đổ. Acogel sau khi bị
khử rượu sẽ được gọi là Aerogel (rượu đã bị thay thế bằng khí). Giảm 50 đến 99%
khối lượng ban đầu, Aerogel là loại vật liệu nhẹ, linh hoạt và rất hữu dụng.
 3
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
2. Tổng hợp Aerogel bằng phương pháp sol-gel
Quá trình sol-gel là một phương pháp rất phổ biến và đáng tin cậy để tổng hợp vật

liệu, đặc biệt là các oxit kim loại với sự đồng nhất kích thước hạt nhỏ, và hình thái đa
dạng [5-10]. Nó liên quan đến quá trình chuyển đổi của một hệ từ pha lỏng "sol" thành
pha rắn "gel".Quá trình sol-gel thông thường có thể được chia thành các bước sau:
hình thành dung dịch, đặc lại, già gel, khô, và cô đặc. Một vài những ưu điểm quan
trọng của quá trình sol-gel là sự đơn giản của nó, và thực tế là nó là một biện pháp
kinh tế và hiệu quả của sản xuất vật liệu chất lượng cao. quá trình sol-gel đã được ứng
dụng trong sản xuất kính chất lượng cao cho các thành phần quang học và sợi, lớp phủ
màng mỏng, và bột oxit tốt [11-15]
2.1. Quá trình sol – gel:
quá trình Sol-gel có nghĩa là sự tổng hợp một mạng lưới vô cơ của một phản ứng hóa
học trong dung dịch ở nhiệt độ thấp hoặc sự hình thành của một mạng lưới vô định
hình đối nghịch với kết tinh từ dung dịch. Đặc điểm rõ ràng nhất của phản ứng này là
sự chuyển đổi từ một dung dịch keo (chất lỏng) sang một hai -hoặc đa pha gel (rắn)
dẫn đến khái niệm "quá trình sol-gel".
Sự hình thành huyền phù đồng nhất của các hạt keo thể được hiểu theo tính toán tốc
độ lắng giả định rằng các hạt có hình cầu để áp dụng định luật Stokes . Tốc độ lắng là
η= độ nhớt của môi trường xung quanh, r = bán kính của hạt keo,ρ’ = mật độ vật liệu
hạt keo, và ρ = mật độ vật chất bao quanh.
Rõ ràng hơn, một sol là huyền phù dạng keo của các hạt rắn trong một chất lỏng trong
pha phân tán nhỏ (1-1000 nm). Vì vậy, lực hấp dẫn là lực không đáng kể và khoảng
cách ngắn, chẳng hạn như lực hút van der Waals và điện tích bề mặt, chi phối các
tương tác. quán tính pha phân tán là nhỏ đủ để nó thể hiện chuyển động brown, một
bước di chuyển ngẫu nhiên được truyền bởi va chạm với các phân tử của môi trường
huyền phù. Sol có thể được tổng hợp bởi 2 kỹ thuật, phân tán và ngưng tụ của các hạt
Gel hóa là quá trình mà một sol chảy tự do được chuyển đổi thành một mạng lưới rắn
3D mà môi trường dung môi bao quanh. Một loại gel là một giàu nửa rắn trong chất
lỏng. Thật thú vị khi chất lỏng mà không cho phép các mạng lưới rắn sụp đổ, và các
mạng lưới rắn không cho phép chất lỏng chảy ra ngoài [17] Điểm bắt đầu của gel hóa
 
&'()* +, /012

AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
thường được xác định bởi một sự gia tăng đột ngột về độ nhớt và đáp ứng đàn hồi đến
sức căng. (The point of gelation is typically identified by an abrupt rise in viscosity
and an elastic response to stress.). Tổng hợp aerogel, sự gel hóa thuận tiện nhất gây ra
thông qua một sự thay đổi trong độ pH của dung dịch phản ứng. Trạng thái cơ học của
gel phụ thuộc rất nhiều vào số lượng các liên kết trong mạng. Rõ ràng là lớn hơn các
mức độ liên kết ngang, cứng hơn cấu trúc được hình thành.
2.2. Hóa học của quá trình Sol-Gel
Có một số thông số ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân và ngưng tụ (quá trình
Sol-Gel), bao gồm hoạt hóa của alkoxide kim loại, tỉ lệ nước/alkoxide, pH dung dịch,
nhiệt độ, bản chất của chất tan, và chất thêm vào. Một quan tâm khác nữa là chất xúc
tác thường được thêm vào để kiểm soát thành phần và mức độ của thủy phân và
ngưng tụ . Bằng cách thay đổi những thông số quá trình này, vật liệu với những vi cấu
trúc khác nhau và bề mặt hóa học có thể thu được. Việc xử lý tiếp nữa là sol, có thể
tổng hợp được những vật liệu ceramic ở những dạng khác nhau. Những tấm phim
mỏng có thể được sản xuất trên chất nền bằng phương pháp spin coating và dip-
coating. Khi mà sol được cast vào khuôn, gel ướt sẽ hình thành. Với việc làm khô và
gia nhiệt tiếp theo đó, gel sẽ được chuyển hóa thành ceramic đặc hoặc là các hạt thủy
tinh. Nếu chất lỏng trong gel ướt được loại bỏ dưới điều kiện siêu tới hạn, một vật liệu
cực kỳ xốp và mật độ cực kỳ thấp gọi là aerogel thu được. Bằng chứng của thủy phân
silicate và ngưng tụ để hình thành polysilicate gel và phân tử được thấy trong nhiều hệ
thiên nhiên như opals và agates. Alkoxide kim loại đầu tiên được tổng hợp từ SiCl
4
và
alcohol bởi Ebelman, người đã tìm ra hợp chất gel lại dưới áp suất khí quyển và Si-
(OC
2
H
5
)

4
có thể được xem như là tổ tiên cho vật liệu thủy tinh.
2.3. Tiền chất của quá trình Sol-Gel.
Tiền chất là những vật liệu đầu tiên cho quá trình sol-gel.
1/. Các tiền chất có thể hòa tan được trong môi trường phản ứng.
2/. Chúng phải đủ năng động để tham gia vào quá trình hình thành gel.
Một số muối, oxide, hydroxides, complexes, alkoxides, acylates, và amines
được sử dụng như tiền chất nếu hòa tan được trong dung môi thích hợp. Alkoxide là
những tiền chất sol-gel thông dụng nhất , bởi vì chúng lúc nào cũng có sẵn. Bradley
và những cộng sự đã giải thích hóa tính cơ bản của tiền chất. Nhất là để dự đoán loại
tiền chất để sử dụng cho mục đích cụ thể. Độ phản ứng của tiền chất không chỉ phụ
thuộc vào cấu trúc hóa học mà còn phụ thuộc vào điều kiện phản ứng. So sánh với
tiền chất của những chất khác, năng lượng tạo thành mạng của Si thì cao để tạo thành
một dạng gel. Đó là tại sao những tiền chất alkoxide đắt tiền khác có thể được thay thế
 %
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
bởi những tiền chất khác rẻ hơn như là silicon alkoxide (TEOS, TMOS) và những tiền
chất có thể tan trong nước như Na
2
SiO
3
cho quá trình sol-gel.
Aerogels kỵ nước được thu từ tiền chất mà không có sự điều chỉnh về phương
diện hóa học được gọi là tiền chất hydrophobic (kỵ nước), và đối với hydrophilic (ưa
nước) thì gọi là tiền chất hydrophilic như bảng 1.
2.4. Cơ chế phản ứng:
2.4.1. Đối với Silicon Alkoxide.
silica gel được tổng hợp bằng cách thủy phân tiền chất monomer tetra hoặc tri silicon
alkoxide bằng axit vô cơ ( HCl, C

2
O
4
H
4
) hoặc bazo ( NH
3
, NH
4
OH) như là một chất
xúc tác. Các phản ứng sol – gel xảy ra trong sự hình thành mạng lưới silica [25,26]
Sự thủy phân:
Sự ngưng tụ:
 4
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
2.4.2. Nước hòa tan silica và khoáng sản: (Water Soluble Silicates and
Minerals).
Natri silicat (Na
2
SiO
3
) đã, đang và có thể sẽ luôn luôn thể là nguồn vật liệu với giá rẻ
nhất của axit silixic tương đối tinh khiết mà từ đó silica gel có thể được tổng hợp.
Silicat natri phản ứng với nước để cung cấp axit silixic và sau đó là axit silixic
polymerizes và tạo silica gel như trong các phản ứng sau đây:
Các axit silixic ngưng tụ để tạo thành các hạt silica nhỏ, các chuỗi và do đó tạo thành
một mạng lưới dẫn đến lượng silic đioxit gel như hình dưới đây.
 5
&'()* +, /012

AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Hơn nữa, có một số báo cáo có sẵn về tổng hợp silica gel sử dụng nhôm, canxi silicat,
wollestonite, và vv [27-29].
Nó là điều hiển nhiên từ các phản ứng (2) - (5) rằng cấu trúc của sol-gel thủy tinh phát
triển liên tục là sản phẩm của kế tiếp phản ứng thủy phân và ngưng tụ (và ngược lại
phản ứng, tức là, este hóa và cồn hoặc thủy phân -khử trùng hợp) [15]. Vì vậy, kiến
thức về cơ chế và động học của các phản ứng này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về gel
và gel có nguồn gốc từ thủy tinh.
Phản ứng thủy phân được xúc tác bởi việc bổ sung một axit hoặc một bazo [29].
Trong thực tế dạng cuối cùng của thủy phân silica phụ thuộc vào pH của dung dịch. Ở
mức độ pH thấp (có tính axit cao), các hạt silica có xu hướng tạo thành một chuỗi
thẳng với mật độ liên kết ngang thấp. Điều này dẫn đến một gel mềm, đó là đảo ngược
và có thể được phân tán lại trong dung dịch. Như giá trị pH tăng lên, số lượng qua các
liên kết giữa các polymer các chuỗi cũng tăng. Ở pH cao (rất bazo), các polymer trở
nên phân nhánh nhiều và số lượng liên kết ngang tăng lên. Ở độ pH thấp, thủy phân
xảy ra bởi sự tấn công lực điện tử vào các nguyên tử oxy của nhóm alkoxit, trong khi
đó ở pH cao , thủy phân và trùng hợp xảy ra bởi ái nhân tấn công vào ion Si (Si4 +).
Nguyên tử, ion, hoặc nhóm mà có ái lực mạnh mẽ đối với các điện tử được gọi là các
ion, trong khi các ion dương được gọi là nucleophiles. Nói chung, tất cả các ion là các
tác nhân oxy hóa và tất cả nucleophiles là chất khử.
Quá trình gel hóa với các nhóm nhỏ hơn hòa tan và tái kết tủa vào các chuỗi lớn hơn
để các phân tử nhỏ hơn giảm trong số đó nhưng sự hỗ trợ của các phân tử lớn hơn để
phát triển cho tới khi chúng tập hợp thành dạng fractan. Quá trình này được gọi là sự
chín muồi (nhũ tương) Ostwald [30].
2.4.3. Bề mặt ưa nước và kỵ nước (Hydrophilic and Hydrophobic
Surfaces):
Tên kỵ nước “Hydrophobic” và ưa nước “Hydrophilic” phát sinh từ sự kết hợp của
"thủy - hydro", có nghĩa là nước trong tiếng Hy Lạp, "phobos" có nghĩa là "ghét"
trong tiếng Hy Lạp, và "philic" có nghĩa là "yêu thương" trong tiếng Hy Lạp. Những
thuật ngữ mô tả lực đẩy rõ rệt và lực hút giữa nước và bề mặt. Như thể hiện trong

Hình 1, ưa nước hay kỵ nước được phân biệt với các giá trị của góc tiếp xúc: nhỏ hơn
hoặc lớn hơn 90 ◦.
Bảng 1: Các tiền chất để tổng hợp silica aerogel
 6
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Khi năng lượng bề mặt của rắn là thấp, nó không thấm nước từ bề mặt của nó và
ngược lại, cho thấy sự kỵ nước hoặc ưa nước. Hiện nay, các bề mặt kỵ nước được sử
dụng trong ngành công nghiệp cho một loạt các ứng dụng bao gồm chất phủ kỵ nước
cho chống rỉ sét, loại bỏ dầu ra khỏi nước, quản lý sự cố tràn dầu, và các quá trình
tách hóa học để tách riêng các hợp chất không phân cực và có cực. Để tổng hợp của
aerogel kỵ nước và ưa nước, hai bước chính là liên quan đến: (a) tổng hợp alcogel
bằng quá trình sol-gel và (b) làm khô của alcogel bằng các kỹ thuật khác nhau.
2.4.4. Làm khô aerogel (Drying of Alcogel):
Sau khi hình thành gel bằng cách thủy phân và phản ứng ngưng tụ, một mạng lưới Si-
O-Si được hình thành. Sự lão hóa là thuật ngữ chỉ để tăng cường mạng lưới gel, nó có
thể liên quan đến ngưng tụ thêm, hòa tan, tái kết tủa của hạt sol, chuyển pha trong chất
rắn hoặc pha lỏng. Điều này dẫn đến một chất rắn xốp trong đó dung môi bị mắc kẹt.
Quá trình loại bỏ phần lớn dung môi từ gel (mà trong trường hợp của một alkoxit có
nguồn gốc từ gel chủ yếu là cồn và nước) được gọi là sấy khô. Trong quá trình sấy
khô, nứt mạng gel xảy ra do lực mao dẫn được hình thành trong các lỗ rỗng tốt bởi
mặt phân cách của hơi nước. Phương trình Laplace được áp dụng trong trường hợp
này, khi bán kính mao quản càng nhỏ, chất lỏng sẽ dâng lên cao hơn , hoặc áp suất
 
7
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
thủy tĩnh sẽ cao hơn. vì vậy năng lượng bề mặt chịu trách nhiệm cho sự gia tăng của
cột chất lỏng trong một mao quản, độ lớn của áp suất mặt phân cách trong một mao
mạch có thể được tính bằng cách cân bằng các lực tĩnh là,

Đường kính của các lỗ rỗng trong gel là nm, để mà các chất lỏng gel phải tác dụng áp
lực thủy tĩnh cao. Các mặt khum trong các lỗ rỗng và các sức căng bề mặt cố gắng để
kéo các hạt với nhau khi chất lỏng trong các lỗ rỗng bốc hơi. Các lực lượng này có thể
hoạt động trong một cách mà chúng cố gắng để đóng tập hợp lỗ rỗng, sau đó là cấu
trúc. Như vậy, gel với các lỗ rất tốt có xu hướng nứt gãy và thu nhỏ trong quá trình
sấy. Để tránh ứng suất sấy khô này Kistler mô tả quá trình tổng hợp đầu tiên của một
aerogel bởi sấy khô siêu tới hạn trong đầu những năm 1930 [31], và các quá trình tổng
hợp aerogel khác nhau đã được báo cáo từ đó.
Trong những năm 1970, silica aerogel được tổng hợp bằng cac1ch sấy khô siêu tới
hạn ở nhiệt độ cao của một loại gel ướt được tổng hợp từ quá trình thủy phân TMOS
trong methanol [32]. trong những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã đạt được một hiểu
biết mới về tiềm năng của aerogel, và silica dựa trên Teos, tổng hợp ít tốn kém và ít
độc hại hơn so với TMOS. Quá trình sấy siêu tới hạn nhiệt độ thấp, sử dụng CO
2
lỏng
đã được áp dụng.[33]
2.4.5. Sấy khô siêu tới hạn của aerogel:
Trong phương pháp sấy khô siêu tới hạn, gel được sấy khô ở một điểm tới hạn để loại
bỏ các lực mao dẫn, như mô tả dưới đây. Ngay sau khi chất lỏng bắt đầu bốc hơi khỏi
gel, sức căng bề mặt tạo ra mặt khum lõm trong các lỗ rỗng của gel. Khi sự bay hơi
của chất lỏng tiếp tục, lực nén hình thành xung quanh chu vi của lỗ rỗng và nó co rút
lại Cuối cùng, sức căng bề mặt gây ra sự sụp đổ của thân gel [34]. Để ngăn chặn sức
căng bề mặt hình thành, gel được sấy khô siêu tới hạn trong một nồi hấp, như thể hiện
trong hình 2.
Khi nhiệt độ và áp suất trong nồi hấp đang tăng trên một điểm tới hạn (cho nhiệt độ
tới hạn methanol và các giá trị áp suất tới hạn 243 ◦ C và 7.9MPa, resp.), Chất lỏng
được chuyển hóa thành một chất lỏng "siêu tới hạn", trong đó mỗi phân tử có thể di
chuyển tự do và sức căng bề mặt chấm dứt. Nếu không có sức căng bề mặt, mặt khum
không hình thành. Các hơi được sau đó từ từ thoát ra khỏi nồi hấp, cho đến khi áp suất
trong nồi hấp đạt đến áp suất khí quyển. Cuối cùng, nồi hấp được rửa bằng nitơ khô (~

 

&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
3bar) để loại bỏ các phân tử dung môi bị mắc kẹt từ gel khô. Phương pháp sấy khô của
alcogels được gọi là "sấy khô siêu tới hạn". Hình 3 cho thấy chu kỳ nhiệt độ áp suất
sau khi sấy siêu tới hạn của alcogels.
2.4.6. Môi trường áp suất Sấy khô và Thay đổi bề mặt hóa học.
Theo truyền thống, silica aerogel đã được tổng hợp bằng cách sử dụng phương pháp
sấy siêu tới hạn, nhưng điều này có một số hạn chế về hiệu quả chi phí của nó, quá
trình liên tục, và an toàn bởi vì nhiệt độ cao và áp suất cần thiết để tiếp cận các điểm
quan trọng. Nếu carbon dioxide lỏng được sử dụng như một dung môi ở nhiệt độ thấp
của quá trình sấy siêu tới hạn, độ bền hóa học của aerogel trong bầu khí quyển sẽ bị
giảm dần, vì các hạt aerogel là ưa nước. Để khắc phục những vấn đề này, Brinker giới
thiệu một phương pháp sấy áp suất thường hấp dẫn về mặt thương mại để sản xuất
silica aerogel [35]. Trong quá trình này, bề mặt của gel ướt được biến đổi hóa học
bằng cách thay thế các nhóm chức kỵ nước bằng cách thay thế của H từ nhóm
hydroxyl bằng cách làm khô áp suất bình thường. Nhóm silanol bề mặt (Si-OH) trên
các cụm silica lân cận trải qua các phản ứng ngưng tụ dẫn đến co rút không thể phục
hồi của mạng gel trong quá trình sấy, như thể hiện trong hình 4. Quá trình này có thể
tạo ra các bề mặt với năng lượng cực thấp, làm giảm đáng kể sức căng bề mặt. Vì vậy,
nó là cần thiết để thay đổi bề mặt alcogel với các đại lý sửa đổi thích hợp, do đó bề
mặt của aerogel được trả lại kỵ nước.
Có một số chất có khả năng làm thay đổi các tính chất làm ẩm của bề mặt, có nghĩa là,
thuốc thử kỵ nước. Chúng bao gồm methyltrimethoxysilane (MTMS), hexamethyl
disilazane (HMDZ), dimethylchlorosilane (DMCs), dimethyldichlorosilane (DMDC),
trimethylchlorosilane (TMCS), trimethylethoxysilane (tmes), và
hexadecyltrimethoxysilane (HDTMS). Sửa đổi bề mặt của gel qua sự thay thế của H
từ Si-OH bởi nhóm không phân cực oraryl alkyl là một bước quan trọng trong
phương pháp sấy áp suất thường. Ngăn chặn các phản ứng ngưng tụ của cụm silica, và

nói rộng ra, ngăn ngừa co rút của gel trong quá trình sấy. Từ sấy khô áp suất bình
thường có thể làm giảm chi phí sản xuất của các aerogel, tầm quan trọng của nó có
thay đổi từ một khu vực quan tâm khoa học thuần túy trong một trong sử dụng thực tế.
2.4.7. Đóng băng khô:
Một khả năng khác để tránh ranh giới pha giữa chất lỏng và pha khí trong quá trình
sấy sấy khô là đóng băng khô. Chất lỏng trong lỗ rỗng bị đóng băng và sau đó thăng
hoa trong chân không. Đã có một số nỗ lực để sử dụng phương pháp này để sản xuất
aerogel [36-38]. Tuy nhiên, giai đoạn già hóa phải được mở rộng để ổn định mạng
lưới gel, dung môi được thay thế bởi một dung môi khác với một hệ số giãn nở thấp
và áp suất cao thăng hoa, và nhiệt độ đóng băng thấp là đạt được bằng cách thêm
 

&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
muối. Một nhược điểm nữa là mạng có thể bị phá hủy bởi sự kết tinh của dung môi
trong các lỗ rỗng. Cryogels do đó chỉ thu được như bột.
 

&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
3. Ứng dụng:
Aerogel có tính chất độc đáo mà chúng hấp dẫn giới khoa học và công nghệ
Table : -8 889:  
 
Tỉ trọng 0.03–0.35 g/cm
3
Diện tích bề mặt 600–1000 m
2
/g
% solids 0.13–15%

Đường kính lỗ xốp ~20 nm
Đường kính hạt 2–5 nm
Chiết suất 1.0–1.08
Hệ số giản nỡ nhiệt 2 . 0 - 4 . 0 × 1 0− 6
Hằng số điện môi ~1.1
Vận tốc âm thanh truyền qua 100 m/s
 
3
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Do các tính chất độc đáo, được sử dụng cho những ứng dụng khác nhau được trình
bày trong bảng sau:
Applications of the aerogel perspective to properties.
  
Độ dẫn nhiệt (i) Cách điện tốt
(i) Làm chất cách nhiệt trong xây dựng và thiết
bị
(ii) Trong suốt (ii) Lưu trữ công nghệ phim ảnh
(iii) Chịu được nhiệt độ
cao
(iii) Xe ô tô, thiết bị không gian
(iv) Trọng lượng nhẹ (iv) Dùng làm thiết bị trong pin mặt trời
Mật độ/ Độ
xốp
(i) Rắn tổng hợp nhẹ
nhất
(i) Xúc tác
(ii) Diện tích bề mặt lớn
(ii)
(iii) Multiple

compositions
(iii) Lưu trữ nhiên liệu
(iv) Trao đổi ion
(v) Lọc chất khí ô nhiểm
(vi) Nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp
(vii) Chất mang trong tạo màu
(viii) Template
Optical (i) Transparent (i) Light weight optics
(ii) Low refractive index (ii) Cherenkov detectors
(iii) Multiple
composition
(iii) Light guides
Acoustic (i) Low speed of sound (i) Sound proof rooms
(ii) Acoustic impedance matching in ultrasonic
distance sensors
Mechanical (i) Elastic (i) Energy absorber
(ii) Light weight (ii) Hypervelocity particle trap
Electrical (i) Lowest dielectric (i) Dielectrics for Ics
 

&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
constant
(ii) High dielectric
strength
(ii) Spacers for vacuum electrodes
(iii) High surface area (iii) Capacitors
3.1. Aerogel trong tổng hợp:
Tác nhân aerogel được sử dụng là silicon alkoxide kết hợp với các oxit
kim loại. Một số nghiêm cứu mới tổng hợp ra các silica aerogel với nhiều ứng dụng

khác nhau. Cấu trúc và thuộc tính của silica-aerogel ion oxit được làm ở kích thước
nano được nghiên cứu bởi calas và cộng sự. Hình 5 cho thấy 1 silica-aerogel được
tổng hợp bằng cách làm khô bởi áp suất xung quanh. Những nghiên cứu như thế này
cho ra các vật liệu khác nhau như synthesis of silica-titania, silica-carbon, silica and
alumina microfibers, hay activated carbon powder composite aerogels.
3.2. Aerogel được sử dụng như chất thấm hút
Tổng hợp Gel kị nước để hấp thụ các dung môi hữu cơ và các loại dầu được nghiên
cứu bởi A. Venkateshwara Rao và các cộng sự. Họ nghiên cứu sự hấp thụ và giải hấp
của aerogel silica siêu kị nước để hấp thu 11 dung môi hữu cơ và 3 loại dầu. Hình
dưới này cho thấy sự hấp thụ và giải hấp chất hữu cơ khác nhau:
 
%
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trước hấp thụ Ngay lập tức khi
bắt đầu hấp thụ
t=0
T=20 phút T=40 phút T= sau
giải hấp
3.3. Aerogel as a Sensor
Aerogel có lỗ xốp lớn, khả năng tiếp xúc lớn, khả năng hoạt động bề mặt cao. Cho nên
được sử dụng làm cảm biến. Một nghiên cứu của wang và các cộng sự trên hạt silica
aerogel màng mỏng cho thấy điện trở chúng giảm khi độ ẩm tăng. Bề mặt aerogel
modified ít bị ảnh hưởng bởi độ ẩm hơn so với aerogel ưa nước và có thể được sử
dụng chống ăn mòn, tác nhân kỵ nước như hình vẻ:
3.4. Aerogel là vật liệu trong vi mạch điện trở do hằng số điện môi thấp.
 
4
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh

Silica aerogel màng mỏng được ứng dụng rộng rãi trong các vi mạch
điện tử do tính chất rất đặc biệt của chúng do hằng số điện môi cực thấp, độ xốp cao,
ổn định nhiệt cao.
3.5. Aerogel là chất xúc tác
Do diện tích bề mặt lớn dẫn đến nhiều ứng dụng như hấp thụ hóa chất
trong quá trình chảy tràn. Tính năng này nó có tiềm năng là chất xúc tác
hoặc nguyên liệu cho chất xúc tác. Aerogel hỗ trợ trong xúc tác hỗn tạp khi
các phản ứng là lỏng hay khí. Chúng được đặc trưng bởi diện tích bề mặt
thật cao trong một đơn vị khối lượng, độ xốp cao làm cho chúng rất có giá
trị trong xúc tác. Một số xúc tác Aerogel được liệt kê dưới đây:
- Tổng hợp nitril từ hidrocarbon sử dụng NO
- Isobuten có thể chuyển đổi thành methacrylonitrile
- Tổng hợp metanol từ CO
3.6. Aerogel trong việc lưu trữ media
Do diện tích bề mặt và độ xốp cao nên có thể làm bộ lọc khí, hút ẩm trong
các phim ảnh và lưu trử nhiên liệu hidro. Aerogel còn được biết đến là siêu
tụ điện có trở kháng rất thấp hơn so với các siêu tụ điện thông thường.
3.7. Aerogel được sử dụng là tế bào trong các tấm phim năng lượng mặt trời
3.8. Aerogel là vật liệu cách nhiệt
Do độ xốp cao, bên trong rỗng cho nên nhờ đặc tính này mà khả năng
cách nhiệt của Aerogel là cực tốt.
3.9. Trong nhà, tủ lạnh, cửa sổ và cửa sổ tầng nhà.
3.10. Quần áo trang phục và chăn
3.11. Trong không gian được Nasa dùng làm kính chống bụi và nhiệt
 
5
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
4. THAM KHẢO
  !"# $%& #  % !' 

%(% !)*!+)*,+)-! /$0
) 12%%034!"0%567
%  8%     9    6     5  5%7
    !'%    !  5  99!    !    ).,)9/!
.+-$0
9 :3;%<#!"# !! !
 !'0%2%#  !0 
%    6  071  1  !    9-,+-!  0#!  2!
1! )
* ==%%:1!"!% >
%  4  6  5  %%0?)# !'  # !  :
3;!<%!@+,-A!0#!2!1!.+@
A B  C!  1  #!  %  B  !  "07#  
62@D980+E)8+?A*$5  %
 !'  (!  5  9!    !    ),)A!
)//A$  ·$1#0 · $0
@ 0   %!    (!  %     !  "  %
46  7%>%
7#%!':6F7 0% !59A/!)-,
)-@!  )//*$      · $    1#  0 · $  
0
- G:!1!= #!%H05 !"3
%  4    6  7
0D82)E)8I9)?. %6 7#
%5%$% !'= 0%<##2!5)!
!A*,A+!)//*$  · $1#0 · $
0
+ H!:7!%!"3607%=7
%%  %      $%  %      7#
% !'=  %  !5+@!!+9,

+-!)//*$  · $1#0 · $0
. < !==!= 0JK! 71L4!
2  :K!  %  <  %!  "$7   
60)?*    %>%  7#    CGM  %  G
4!':60%0 !5-+!@!
   +,.+-!  )//A$      · $    1#
0 · $0
/ 0:#!% !G !1?5!%:0 !
"?  >    6  N    %  8#
 
6
&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
 #!'0  % 2!5/9!7)!)./,) !
)//*$  · $1#0 · $0
 = %!FH !H !H=4$!%=
H$!  "G7     6     
> #7 7#%!':6
F7 0% !5)-!!@),@@!)///$
  · $1#0 · $0
) M;!H04;!04!( 4;!:B#!H?!
%    =;$!  "   6  #7)I?)%
1I?)N76 % #  6 7# $%!':
6  F7   0% !  5   !    9)+,99*!   *$  
0
9 ;!"#6% (!':
6GF% 0!5AA!/A!.9@
* :  ;!  0  5!  %  0  5!  "1
%  !'M   6  3%0!  5A)!9),
9)9!   $      · $    1#  0 · $  

0
A 30!H00#!%:;!%;6
0% !59!7!!1!)//)
@ :3! 6  !  *!
O5  !(!FB!O0!.A9
- :2;!"%  %% 6  P
 !':6F7 0% !5//!,9!
9,A/!.++$0
+ <;!G F !: 0!0%!0HJ!
24J;!  %    (5;5! " 4  ;  6    6
#7   #  %%       %P  #
!':6F7 0% !5))9!7)!
A-,-)! +$0
. %1=J;!" 6# %
 !'G5$ ! 5/)!!*)*9,*)@@!
)//)$  · $1#0 · $0
)/ :5#!  28!  <!%  :    :5!06
 #!%MO!<% !!F$B;!
FB!O0!.+@
)  %0H!"07#  6> %
> 6 !'06 #!
5+!.7/!)+,9*!.+-
)) M2%!G=!%M1!=;8% !
% !F$B;!FB!O0! +
)9   0%!  "   6        7#
 !':  6  F7   0% !  5  //!    A,@*!
.++
 
7
&'()* +, /012

AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
)* 3M  ?5;!B (  5! !H%J  Q!
59*!*)! )
)A :2;%10!0710 
% 6 071  #!  %  !  0M#!
6!O0! /
)@ :    15!  M  B  F%#!  %      G!  "<P  6  8%
        <?07 %   # %%   
 !'%060!5)AA!A!9/.,9/)-!
)//+$  · $1#0 · $0
)- <=3#%G1 !0 % =
% 3#0!O09!*.*!+-*! /
)+ H: =%  1  0!  #>6
    #4#     !  O0  1#  05
2!5.A/!)A,99!9A,+)!.*@
). =1;5!= ;5!%BB45 ;!
082%! 2!F$B;!FB!O0! +
9/   Q ? $%!  "0%   6 %   6  6
% !'  !5))!)+.,99/!+ 
9 00H !"8%%# !':6 
 !59@!!A),@*!.9)$0
9) 1F%0:!"F$ 6
8# %# !%8 !'2
%0LLR%3!5A!.//,./@!.@+
99 $!:!%HMP !"7
%#6  # !'=  !
59!.7/!9@9,9@-!.+A$0
9* M=0!1 0!  % :=% !"0;#
%#  %#  6    #!':  6  F7   0% !  5
++!9!.,)/@! A$0

9A   :  2;  %    0!  "07#   !'  
 #% 6071 #!% !
0M#!6!O0! /
9@ 2=!02!G%!:%!20!%3
2 !"347%% 76%%# !':6F7
   0% !  5  ))!    )79!    )A/,)@!   $  
0
9- MH5!:;!=G78!%1=J;!"
$%66#7;  #647
%# !':% RR !5A/!*!
*7).,*79)!.+.$  · $1#0
9+ 1  =  J;!  "M#  %   5#    8
 6# !':% RR !5A/!*!
*79,*7))!.+.
9.   !G#!<G%#4!<= !:J%!%:0!
"0#78%   %#
 

&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
 !':6F7 0% !5)+A!,9!
9-,*9!  )//$      · $    1#  0 · $  
0
*/   !G#!<= !:=1S!: J!%:
J%!"(8%  % # !'%
  !5-*!A!A.,A !)//)$  ·$
1#0 · $0
* 0J !00!G5%!%H1H!"<P
697#%88   6
  %% # !':60710

%  #!  5  A/!    9!    9A9,9A+!  )//.$  
  · $1#0 · $0
*) H<%3= !"= 6 
# !':6F7 0% !5))9!9! ,
+.! +$0
*9 ==71!<=4!:< 5!G#!G0 !%
<  = !  "=    6  7   #
  !'%     !  5  -*!    !    .,))!
)//)$  · $1#0 · $0
**   ; $  G!  F  M  #%!  %     !
"   %  %   6  #  R%     
%    # !':  6 %  % (6
0!59/A!!)*,9)!)//-$  · $
1#0 · $=% ·$0
*A ; $G!0M2#! !%1=
J;!  "0   6  N8    #   #
8   T==0U   !':  6  %  %
(6  0!  5  9//!    !    ) ,)+A!  )//@$  
  · $1#0 · $=% · $0
*@ 7  #! 7 ! (7 ! %  B7 #!"%
   % #> !'0  %
  2!  5  /-!    !    */),*/!  )//A$  
  · $1#0 · $0
*- :15!; $G!%MBF%#!"0%6
%5%P6%=MQ%>%<?0
 %#%% !':60710
%  #!  5  A/!    9!    )-A,)+/!  )//.$  
  · $1#0 · $0
*+ BH!M7HB#!B7!7:0!:7!%B7
B#!  "  5  7%   #    6  

#6%% !'2!5@!*!
*@),*-/!)//$  · $1#0 · $
=%
*. 1  0  H!  0    !  %      ;!  "0   6  $7
%    #  >      %#!':  6  
 

&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
0!5+*!)!*A9,*AA!)//$
0
A/ 072  :#!  07  ;!  :7H  B#!  7  ;!  %    H!
"  60?)#  >  6    %    1
$609F*!'0%3 !5**-7**+!A+/,A+A!
)//*$  · $1#0 · $0
A 07;!072:#!=71H#!7;!%7H!
"=%>  6  1  %    6      6
60?)#  >        %!'%  06
0!5)@!,*!.+,/A!)//9$  · $
1#0 · $0
A) 1  0  H!  0    !  %      ;!  "0   6  $7
%    #  >      %#!':  6  
0!5+*!)!*A9,*AA!)//$
0
A9 :    G !    2;!  2  #!  :  M !  <
M5!:3V !%:0#!"1 %6
% 6  # !': 6   % % =!
5  )!    *)!    +**A,+*AA!   /$      · $  
1#0 · $0
A* 1=J;%=4J!"0  66

  %    8%  8  ?)7Q?)#
  !'    !  5  )!    97*!    9@,9@.!
 9$  · $1#0 · $0
AA 0!1!1=J;!%0:!"H
6      6 6       
$F? %;8%#!'GH %
    !  5  A!    *!    *A.,*@A!  .+$  
  · $1#0 · $0
A@ M1 %1 $!"# %%
 !'  G5$ !  5  +.!    *!    -@A,-++!
.+.$0
A- (05!00#$#!%!"3  %
6  %  %  %    #    %#  %5
  !':  6  F7   0% !  5  9A/!    A*,@/!
)//*$  · $1#0 · $0
A+ (  05!  0  0#$#!  =  0!  %    !
"M % 6 %#
  %    # !'  M5  %
#!5.!*!**9,*A)!)//*$  · $
1#0 ·$0
A. =  :4;$!#    0   !  %7O!  %
=  $   !    <  # !
$0W% !M!6!O0!)//)
 

&'()* +, /012
AEROGEL-SILICA VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh
@/ !23= !:<!=:!%:
!"% 6?)# $
%  6  %7  4%     !':  6   

   !  5  )!    )-!    /9/9,/9/-!  )//+$  
  · $1#0 · $0
@ "5# # %"#'!'
F0
@) "M$77<  O   6  0  = !'     

@9 =    F; !  :    !  %  =  :  0$# 4!  "=%
<5  6         %    M5#  1
O #  R%  %  0   #  = !'    G
F<MO7/A7/)!O%0 F5<8M5#O!)//A
 
3
&'()* +, /012