TIỂU LUẬN CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ ĂN MÒN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU AEROGELS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

TIỂU LUẬN
CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ ĂN MỊN
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU AEROGELS
GVHD: TS. Nguyễn Văn Dũng
Lớp: A01
Nhóm: 01
Họ tên sinh viên:
Trần Minh Thư
Lưu Anh Khoa
Phan Anh Huy
Lê Bảo Đăng
Ngô Thị Kim Yến
Nguyễn Trọng Hùng
Chương Minh Hồng
Vũ Trung Hiếu
Nguyễn Minh Thu

TP. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018

1

MSSV:
1613479
1611610
1611314
1610689

1614239
1611412
1611140
1611066
1613411


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1
PHẦN NỘI DUNG ..................................................................................................................... 2
I.

TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH .................................................................. 2

I.

ĐẶC ĐIỂM – PHÂN LOẠI: ............................................................................................. 3
II.1. Đặc điểm: ....................................................................................................................... 3
II.2. Phân loại: ........................................................................................................................ 4
ĐIỀU CHẾ: ....................................................................................................................... 7

II.

III.1. Tổng hợp Aerogel bằng quá trình Sol-Gel ................................................................... 8
III.1.1. Quá trình Sol-Gel ................................................................................................. 8
III.1.2. Mặt hóa học của q trình Sol-Gel...................................................................... 10
III.1.3. Tiền chất cho chế biến Sol-Gel ........................................................................... 10
III.1.4. Cơ chế phản ứng.................................................................................................. 11
III.1.5. Bề mặt Ưa nước (Hydrophilic) và Kỵ nước (Hydrophobic): .............................. 13
III.2. Sấy Alcogel ................................................................................................................. 14

III.2.1. Sấy khô siêu tới hạn Aerogel. ............................................................................. 15
III.2.2. Sấy khô ở áp suất môi trường và sự thay đổi bề mặt hóa học ............................. 17
III.2.3. Sấy lạnh ............................................................................................................... 18
III.

ỨNG DỤNG: ................................................................................................................. 19

IV.1. Aerogel như một Composite ....................................................................................... 21
IV.2. Aerogel như một cảm biến ......................................................................................... 22
IV.3. Aerogel là chất xúc tác ............................................................................................... 23
IV.4. Được sử dụng như vật liệu có hằng số điện mơi thấp: ............................................... 24
IV.5. Aerogel như một chất hấp phụ.................................................................................... 24
IV.6. Vật liệu cách nhiệt: ..................................................................................................... 25
IV.7. Vật liệu cơ khí: ........................................................................................................... 26
IV.8. Vật liệu chống thấm ướt: ............................................................................................ 26

2


IV.9. Siêu tụ điện: ................................................................................................................ 26
IV.10. Ứng dụng trong ngành không gian vũ trụ:................................................................ 27
IV.11. Ứng dụng khác của Aerogel ..................................................................................... 28
IV.

TIỀM NĂNG CHẾ TẠO AEROGEL Ở VIỆT NAM TRONG TƯƠNG LAI ............. 28

V.

NHÀ CUNG CẤP: .......................................................................................................... 29

TỔNG KẾT .............................................................................................................................. 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 32

3


LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những cuộc cách mạng làm thay đổi căn bản cuộc sống con người chúng ta là
cuộc cách mạng về vật liệu mới. Chúng ta, luôn không ngừng tìm kiếm ra những vật liệu mới,
tối ưu hơn, rẻ hơn, bền hơn…và cả nhẹ hơn nữa. Một trong những thành tựu đáng chú ý nhất
trong cuộc cách mạng ấy là việc tìm ra vật liệu rắn nhẹ nhất từ trước tới nay: Aerogel.

1


PHẦN NỘI DUNG
I.

TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH

Vật liệu Aerogel là thuật ngữ sử dụng chỉ các vật liệu siêu nhẹ và xốp được tổng hợp bằng
cách thay thế thành phần chất lỏng của gel bằng chất khí. Kết quả làm cho gel có tỉ trọng thấp
và cách nhiệt. Nó cịn có các tên gọi sau: khói đóng băng, khơng khí rắn…
Vào những năm 1930, Samuel Stephens Kistler – giáo sư hoá học người Mỹ, lần đầu tiên
điều chế ra silica aerogel bằng cách hình thành ý tưởng thay thế pha lỏng bằng một loại khí
trong điều kiện gel co ngót khơng đáng kể. Ơng đã điều chế aerogel từ nhiều vật liệu khác nhau,
bao gồm nhôm, oxit vonfram, oxit sắt, oxit thiếc, tartarate niken, cellulose, cellulose nitrat,
gelatin, agar, albumen trong trứng và cao su,... Tuy nhiên phương pháp của Kistler rất nguy
hiểm và cần tiêu tốn lượng lớn tiền bạc lẫn thời gian nên ơng khơng có sự đột phá trong lĩnh
vực aerogel. Mãi đến năm 1968, khi một nhóm các nhà nghiên cứu đứng đầu bởi Giáo sư SJ

Teichner tại Đại học Claude, Bernard, Lyon, Pháp tái phát hiện ra aerogel. Họ đã đơn giản hóa
đáng kể quy trình bằng cách thực hiện quá trình chuyển đổi sol-gel trong dung mơi, sau đó được
loại bỏ ở điều kiện siêu tới hạn.

Hình 1. Silica Aerogel

Hình 2. Cấu trúc nano của một loại aerogel

Vật liệu xốp nói chung có tầm quan trọng to lớn trong các ứng dụng khác nhau như hấp
phụ, cảm ứng và xúc tác, do diện tích bề mặt cao, độ xốp, khả năng điều chỉnh của khung mạng
và tính chất bề mặt của chúng. Trong số tất cả các vật liệu xốp đã biết, aerogel đặc biệt được
quan tâm bởi kích thước mao quản nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng truyền quang
tốt nhất. Hơn nữa, trong số tất cả các loại aerogel, silica aerogel đã trở nên khá phổ biến vì

2


chúng có nhiều tính chất đặc biệt như độ dẫn nhiệt thấp (~ 0,01 W/mK), độ xốp cao (~ 99%),
độ truyền quang cao (99%) trong vùng khả kiến, diện tích bề mặt đặc biệt cao (1000 m 2 /g),
hằng số điện môi thấp (~ 1.0–2.0), chỉ số khúc xạ thấp (~ 1.05) và vận tốc âm thanh truyền qua
thấp (100 m /s) [1-4].
Đầu dò bức xạ Cerenkov đầu tiên chế tạo bởi silica aerogel được phát minh vào năm 1974
bởi Cantin và các cộng sự. Kể từ đó, aerogel đã được sử dụng hoặc xem xét để sử dụng trong
các thí nghiệm laser, cảm biến, cách nhiệt, quản lý chất thải, quang học và dẫn hướng ánh sáng,
thiết bị điện tử, tụ điện, thiết bị hình ảnh, chất xúc tác, thuốc trừ sâu.
Gần đây, một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đã bắt đầu làm việc trong lĩnh vực silica
aerogel phục vụ cho các ứng dụng khác nhau. Silica aerogel đã thu hút rất nhiều sự quan tâm
cả về khoa học lẫn cơng nghệ vì mật độ khối lượng thấp của chúng (đến 95% thể tích của chúng
là khơng khí), tính kỵ nước, hệ số dẫn nhiệt thấp, diện tích bề mặt cao và có độ trong suốt quang
học. Aerogel được tổng hợp từ tiền chất phân tử bằng q trình sol-gel. Các kỹ thuật sấy đặc

biệt địi hỏi phải được áp dụng để thay thế chất lỏng trong mao quản bằng khơng khí trong khi
vẫn duy trì mạng tinh thể rắn. Trong đó, sấy trong điều kiện siêu tới hạn là phương pháp phổ
biến nhất; tuy nhiên có những hạn chế nhất định về hiệu quả chi phí, tính liên tục của quy trình
và độ an tồn vì nhiệt độ và áp suất cao là cần thiết để tiếp cận điểm tới hạn. Do đó, các phương
pháp mới được phát triển cho phép loại bỏ chất lỏng ở áp suất khí quyển sau khi tiến hành biến
đổi bề mặt hóa học bên trong của gel, chỉ để lại một mạng silica xốp chứa đầy khơng khí. Tóm
lại, bằng cách xem xét các tính chất đáng kinh ngạc của aerogel, bài tiểu luận đi vào xem xét
phương pháp tổng hợp silica aerogel bằng quá trình sol-gel, cũng như kỹ thuật sấy khô và ứng
dụng trong phát triển công nghiệp hiện tại và nghiên cứu khoa học.
I.

ĐẶC ĐIỂM – PHÂN LOẠI:

II.1. Đặc điểm:
Với cấu trúc “khí lẫn rắn” như vậy, Aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế giới mà con người
từng biết đến. Nó nhẹ đến mức, có thể đặt được trên một bơng hoa. Với thể tích 1 inch khối
(khoảng 16,3 ml) có thể dát mỏng và phủ lên tồn bộ một sân bóng đá. Cùng với đặc tính này,
có một số điều thú vị về Aerogel (loại silica):
- Diện tích riêng, bề mặt riêng lớn: 100 - 1000 m2/g.
- Khối lượng riêng thấp: 0,01 g/cm3 - 0,5 g/cm3.
- Hơn 90% thể tích là khơng khí.
- Có khả năng cho khơng khí đi xun qua, chống cháy và có thể thấm cả dầu lẫn nước.

3


- Độ dẫn nhiệt rất thấp.
- Độ bền chịu nén cao, có thể chịu tải trọng gấp 500 - 4000 lần khối lượng của nó.
- Độ bền chịu kéo và uốn rất thấp nên giòn và dễ gãy, vỡ.
- Aerogel vừa có thể làm dây dẫn điện vừa có thể trở thành một chất cách điện tốt nhất từ

trước tới nay khi được pha trộn với một số vật liệu khác.
- Những lỗ rỗng trong cấu trúc aerogel có đường kính dao động trong khoảng 1-100nm,
thường là nhỏ hơn 20nm.
Với những khả năng phi thường đó, Aerogel xứng đáng với cái tên “vật liệu tốt nhất hành
tinh”. Với ngần ấy tính năng ưu việt, Aerogel có thể được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực, cho
phép con người làm được những điều chưa từng làm được với các loại vật liệu trước đó.
II.2. Phân loại:
Tùy thuộc vào loại vật liệu gốc được sử dụng trong chế tạo, Aerogel có những tính chất ưu
việt khác nhau. Trong đó có 3 loại Aerogel phổ biến nhất hiện nay đó là: Aerogel silica, Aerogel
oxit, Aerogel carbon.
 Aerogel silica: siêu nhẹ, cách nhiệt tốt.

Hình 4: Cấu trúc nano của Silica Aerogel

Hình 3: Silica Aerogel

Aerogel silica là dạng được tìm thấy sớm nhất và phổ biến nhất, nó cịn được gọi là “khói
đóng băng” và có màu xanh trong mờ.
- Aerogel silica chứa đến hơn 90% khơng khí nên nó chỉ nặng hơn khơng khí 3 lần, nhẹ
hơn thủy tinh đến 1000 lần. Do được tạo thành từ Silica (SiO2) nên nó rất giịn và dễ vỡ
- Aerogel silica cách nhiệt rất tốt. Hệ số dẫn nhiệt của nó thuộc vào nhóm thấp nhất trong
các vật liệu đang được sử dụng trong xây dựng. Tính cách nhiệt của 1 inch Aerogel silica
tương đương với một chồng gồm 30 tấm kính cửa sổ được nén lại với nhau.

4


- Nó là chất rắn có mật độ thấp nhất, 1mg/cm3(trong khi mật độ của khơng khí là
1,2mg/cm3)
 Aerogel oxit kim loại: chịu va đập mạnh, nhiều màu sắc rực rỡ.

-

Aerogel oxit kim loại có nhiều màu sắc rực rỡ, tùy

thuộc vào oxit kim loại tạo ra nó.
VD: Aerogel oxit nhơm, titania, zirconia có màu xanh
hoặc trắng; aerogel oxit sắt có màu đỏ hoặc màu vàng
đục; aerogel oxit crom có màu xanh lá cây hoặc xanh
dương mờ. Ngồi ra cịn có các màu như màu tím oải
hương, màu vàng sáng và màu hồng phớt….
-

Aerogel oxit có khả năng chịu va đập mạnh.

Hình 5. Aerogel Vanadi oxit
 Aerogel carbon (Graphene aerogel) : diện tích bề mặt cực cao, dẫn điện tốt.

Hình 6: Carbon Aerogel

Hình 7: Cấu trúc nano của Carbon Aerogel

-

Aerogel carbon có màu đen và đục.

-

Aerogel carbon là loại gel aerogel khí có độ xốp và diện tích bề mặt rất lớn (400 – 1000
m2/g), chỉ vài cm3 có thể trải rộng trên mặt nước với diện tích gần bằng một sân bóng.

-

Graphene aerogel là loại vật liệu siêu nhẹ, nhẹ hơn gấp 7,5 lần so với khơng khí, 1m 3
graphene aerogel cũng chỉ nặng chưa đầy 160g.

-

Ngoài ra aerogel carbon có khả năng dẫn điện tốt, khả năng dẫn điện của nó rất đặc biệt:
thay đổi tùy theo mật độ. Khi giảm mật độ, cho khả năng dẫn điện kém và ngược lại.
Do đó các nhà sản xuất có thể tăng giảm mật độ để tối ưu hóa tính dẫn điện và diện tích
bề mặt theo yêu cần sử dụng.

5


-

Khả năng hấp phụ tốt, 1 gam aerogel có thể hấp phụ 68,8g dung môi hũu cơ trên một
giây. Phù hợp để thu gom dầu bị tràn.

-

Gần đây, các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm Công nghệ Nano của trường Đại học
Center Florida – Mỹ, đã chế tạo ra một loại aerogel carbon có độ cứng đáng ngạc nhiên
với một diện tích bề mặt lớn chưa từng có từ các ống nano carbon đa vách.

 Các dạng Aerogel khác:
-

Aerogel hữu cơ:

+ Phổ biến nhất là Resorcinol-Formaldehyde (RF) aerogels.
+ Bền hơn aerogel vô cơ (Silica aerogel)
+ Ở nhiệt độ cao, RF biến thành Graphene Aerogel.

Hình 8: RF – Aerogel

Hình 9: Ở nhiệt độ cao, RF biến thành
Graphene Aerogel

-

Cellulose Aerogels: mờ đục. Khối lượng riêng khoảng 5-60 kg/m3. Có cấu trúc sợi siêu
nhỏ

Hình 10: Cấu trúc nano của Cellulose Aerogel

6


-

Để đáp ứng yêu cầu ứng dụng ngày càng cao, công nghệ chế tạo aerogel được nghiên
cứu và phát triển mạnh mẽ trên thế giới, nhiều vật liệu được bổ sung trong quá trình chế
tạo để tạo ra những Aerogels cải tiến có nhiều tính năng mới ưu việt hơn:
+ Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo ra loại aerogel từ đất sét, có bổ sung thêm một số
loại polymer để tạo ra loại aerogel siêu nhẹ, vừa kỵ nước, vừa cực kỳ ưa dầu, có thể
thấm hút một lượng dầu lớn gấp 7 lần trọng lượng của nó, sau đó có thể tách dầu dễ
dàng để tái sử dụng mà dầu vẫn giữ nguyên tính chất ban đầu.
+ Một loại Aerogel khác được làm từ vỏ trấu gọi là Maerogel được các nhà khoa học
Malaysia nghiên cứu và chế tạo thành cơng. Chỉ một lượng nhỏ Maerogel có thể chịu

được sức ép gấp 2000 lần trọng lượng của nó, cách âm, cách nhiệt cực tốt. Một lớp
Maerogel dày 12,5mm có khả năng cách nhiệt tương đương 100mm lớp cách nhiệt cơng
nghiệp hiện nay, ngồi ra nó cịn có thể hút dầu và các chất ô nhiễm trong không khí.
+ Năm 2002, giáo sư Nicholas Leventis của đại học Khoa học và công nghệ Missouri
đã khiến cả thế giới ngạc nhiên khi công bố một phương pháp mới, làm cho Aerogel
khơng giịn như trước. Loại vật liệu này được biết đến như là X-aerogel, nó khơng chỉ
mạnh mẽ hơn mà cịn rất linh hoạt, khơng thấm nước và chịu được lực tác động rất lớn.
Nhược điểm của X-aerogel là quy trình sản xuất địi hỏi nhiều hóa chất nguy hiểm, mất
nhiều thời gian và các hóa chất này cũng làm giảm một phần khả năng cách nhiệt.

II.

ĐIỀU CHẾ:
Quy trình điều chế Silica Aerogel:

Hình 11. Quy trình điều chế Silica Aerogel.

7


III.1. Tổng hợp Aerogel bằng quá trình Sol-Gel

Hình 12. Quá trình Sol-Gel
Xử lý 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 có kích thước hạt nhỏ, đồng đều và hình thái đa dạng [5-10]. Nó liên
quan đến sự chuyển đổi của một hệ từ pha lỏng "sol" thành pha "gel" rắn. Q trình sol-gel
thơng thường có thể được chia thành các bước sau: tạo thành dung dịch, gel hóa, lão hóa, sấy
khơ và độ đậm đặc. Một vài ưu điểm quan trọng của quá trình sol-gel là sự đơn giản của nó, và
thực tế là nó là một phương tiện kinh tế và hiệu quả để sản xuất vật liệu chất lượng cao. Xử lý
Sol-gel có ứng dụng trong sản xuất kính chất lượng cao cho thành phần sợi quang học, lớp phủ

màng mỏng và bột oxit mịn [11-15].
III.1.1. Quá trình Sol-Gel
Xử lý Sol-gel thực chất là sự tổng hợp của một mạng vô cơ bằng phản ứng hóa học trong
dung dịch ở nhiệt độ thấp hoặc sự hình thành của một mạng vơ định hình đối lập với sự kết tinh
từ dung dịch. Đặc điểm rõ ràng nhất của phản ứng này là sự chuyển đổi từ dung dịch keo (chất
lỏng) thành hai hoặc đa pha gel (rắn) dẫn đến cách hiểu “quá trình sol-gel”.
Sự hình thành thể huyền phù phân tán đồng đều của các hạt keo có thể được hiểu thơng qua
biểu thức tính tốn tốc độ lắng, giả định rằng các hạt có hình cầu sao cho có thể áp dụng luật
của Stokes. Tốc độ lắng là:

8


dx 4 r 3 (  '  ) g 2r 2 (  '  ) g


dt
3
6 r
9
Với

(1)

 : độ nhớt của mơi trường xung quanh
r: bán kính hạt keo

 ' : khối lượng riêng của hạt keo

 : khối lượng riêng của môi trường xung quanh

Một cách rõ ràng hơn, sol là một huyền phù của các hạt rắn phân tán trong chất lỏng trong
đó đường kính pha phân tán (hạt rắn) nhỏ (1–1000 nm). Do đó, lực hấp dẫn là lực khơng đáng
kể và chỉ có tác dụng trong phạm vi ngắn, chẳng hạn như lực hút Van der Waals và điện tích
bề mặt, chi phối tương tác. Quán tính của pha phân tán là đủ nhỏ sao cho nó thể hiện chuyển
động Brown, một chuyển động ngẫu nhiên được thúc đẩy bởi động lượng truyền qua va chạm
với các phân tử của môi trường huyền phù. Sol có thể được chuẩn bị bằng hai kỹ thuật, ngưng
tụ và phân tán các hạt [16]. Sự ngưng tụ thu được bằng sự tăng trưởng tạo mầm của các hạt với
kích thước thích hợp, trong khi sự phân tán liên quan đến việc giảm các hạt lớn xuống đến kích
thước keo. Kích thước và tính chất của các hạt thu được phụ thuộc vào tỷ lệ tương đối của hai
quy trình này. Sự hình thành Sol được ưu tiên khi tỷ lệ tạo mầm cao và tốc độ tăng trưởng tinh
thể thấp. Tùy thuộc vào mức độ liên kết chéo và quá trình tăng trưởng mà chúng được hình
thành, các cụm vơ cơ có thể là keo hoặc polyme trong tự nhiên và có thể có đường kính từ 10
đến 200. Việc tạo ra các sols vô cơ cũng địi hỏi các điều kiện được kiểm sốt, sao cho kết quả
sol ổn định đối với sự kết tụ và kết tủa. Một số yếu tố, chẳng hạn như độ phân cực của dung
môi, lực ion của môi trường phản ứng và nhiệt độ, có thể được sử dụng để điều khiển sự hình
thành của sol.
Quá trình tạo gel là q trình trong đó sol lưu chuyển tự do được chuyển đổi thành một
mạng lưới 3D rắn bao quanh môi trường dung môi. Gel là một loại bán-rắn giàu chất lỏng. Thật
thú vị khi để ý rằng chất lỏng không cho phép mạng rắn bị phá hủy, và mạng lưới rắn khơng
cho phép chất lỏng chảy ra [17]. Điểm hóa gel thường được xác định bởi sự gia tăng đột ngột
về độ nhớt và phản ứng đàn hồi với ứng suất. Để điều chế aerogel, hóa gel thuận tiện nhất nhờ
sự thay đổi độ pH của dung dịch phản ứng. Trạng thái cơ học của gel phụ thuộc rất nhiều vào
số lượng liên kết chéo (cross-links) trong mạng. Rõ ràng là mức độ liên kết chéo càng lớn thì
cấu trúc càng cứng nhắc hơn.

9


III.1.2. Mặt hóa học của q trình Sol-Gel
Có một số thông số ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân và ngưng tụ (q trình sol-gel), bao

gồm hoạt tính của alkoxit kim loại, tỷ lệ nước / alkoxit, pH dung dịch, nhiệt độ, tính chất của
dung mơi và phụ gia được sử dụng. Một sự cân nhắc khác là chất xúc tác thường được thêm
vào để kiểm soát tốc độ và mức độ phản ứng thủy phân và ngưng tụ. Bằng cách thay đổi các
thơng số q trình này, có thể thu được các vật liệu có cấu trúc vi mơ và bề mặt hóa học khác
nhau. Tiếp tục xử lý "sol" cho phép chế tạo vật liệu gốm ở các dạng khác nhau. Các màng mỏng
có thể được tạo ra trên một mảnh nền bằng lớp phủ spin hoặc lớp phủ nhúng. Khi "sol" được
đúc thành một khuôn, "gel" ướt sẽ hình thành. Sau đó với việc sấy khơ và xử lý nhiệt, "gel"
được chuyển đổi thành các phần tử thủy tinh hoặc gốm đặc. Nếu chất lỏng trong “gel” ướt được
loại bỏ trong điều kiện siêu tới hạn, người ta thu được một vật liệu có mật độ rất xốp và cực kỳ
thấp được gọi là “aerogel”. Bằng chứng về phản ứng thủy phân silicat và ngưng tụ tạo thành
gel polysilicate và các hạt được thấy trong nhiều hệ thống tự nhiên như opals và agate [18].

Hình 13. Opals

Hình 14. Agate

Alkoxide kim loại đầu tiên được điều chế từ SiCl4 và rượu bởi Ebelmen, và Si-(OC2H5)4
có thể được coi là “tiền thân” đầu tiên cho vật liệu thủy tinh [19].
III.1.3. Tiền chất cho chế biến Sol-Gel
Tiền chất không là gì ngồi các vật liệu khởi đầu cho q trình sol-gel.
(1) Các tiền chất nên hịa tan trong mơi trường phản ứng.
(2) Chúng nên đủ phản ứng để tham gia vào quá trình tạo gel [20].
Một số muối, oxit, hydroxit, phức chất, alkoxides, acylates và amines được sử dụng như
tiền chất nếu hịa tan trong dung mơi thích hợp [21,22]. Alkoxides là tiền chất phổ biến nhất
cho quá trình sol-gel, vì chúng thường có sẵn. Bradley và các cộng sự đã giải thích rất cụ thể
về phương diện hóa học cơ bản của tiền chất [23]. Rất khó dự đốn loại tiền thân được sử dụng
cho một mục đích cụ thể. Phản ứng của tiền chất không chỉ phụ thuộc vào tính chất hóa học của

10

nó mà cịn phụ thuộc vào điều kiện phản ứng xảy ra [24]. So với các tiền chất của nguyên tố
khác, năng lượng mạng lưới của Si là lớn hơn nên dễ kết cấu nên gel [18]. Đó là lý do tại sao
các tiền chất alkoxit đắt tiền khác có thể được thay thế bằng những chất có giá rẻ hơn như
silicon alkoxide như TEOS, TMOS, và tiền chất hòa tan trong nước như Na2SiO3 để xử lý solgel.
Các aerogel kỵ nước thu được từ tiền chất mà khơng có sự 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 1.
Bảng 1: Tiền chất cho tổng hợp Silica Aerogel

Tiền chất ưa nước

Tiền chất kỵ nước

Tetramethoxysilane (TMOS)

Methyltrimethoxysilane

Tetraethoxysilane (TEOS)
Methyltriethoxysilane (MTES)
Sodium Silicate (Na2SiO3)
(i) Aerogels(i) Aerogels-đục
truyền dẫn quang học cao (>90 %).
(ii) Khối lượng riêng <0.1 g/cm3.

(ii) Khối lượng riêng >0.1 g/cm3.

(iii) Cứng và giòn.

(iii) Mềm và linh hoạt.

III.1.4. Cơ chế phản ứng
 Đối với Silicon Alkoxide
Gel silicat được tổng hợp bằng cách thủy phân monomer tetrafunctional và trifunctional của
tiền chất silicon alkoxide có sử dụng acid (ví dụ, HCl, C2O4H4) hoặc base (ví dụ, NH3, NH4OH)
như là một chất xúc tác. Các phản ứng sol-gel sau xảy ra trong quá trình hình thành mạng silica
[25,26].

11


Thủy phân

Si (OR) 4  4 H 2O

Si (OH ) 4  4 ROH

Hydrolysis
Esterification

(2)

Phản ứng thuận (Hydrolysis): Thủy phân
Phản ứng nghịch (Esterfication): Ester hóa
Với R = Nhóm chức Vinyl, Alkyl, or Aryl.
Ngưng tụ:
Ngưng tụ nước:

 Si(OH )  (OH )Si 

Hydrolysis

 Si  O  Si   H 2O

(3)

Alcoholysis

 Si  O  Si  CH 3OH

(4)

Ngưng tụ alcohol:

 Si(OH )  (OCH 3 )Si 

 Đối với nước hịa tan Silicates và Khống vật
Silicat natri (Na2SiO3) – đã và sẽ luôn là nguồn cung cấp axit silicic (tương đối tinh khiết)
rẻ nhất để tạo thành silica gel. Natri silicate phản ứng với nước để tạo ra axit silicic và sau đó
axit silicic polyme hóa và tạo thành gel silica như trong các phản ứng sau:

Na2 SiO3  H 2O  2 HCl 
 Si(OH )4  2 NaCl

(5)

Axit silicic ngưng tụ để hình thành các hạt silica nhỏ, liên kết và kết quả tạo thành một mạng
dẫn đến tạo ra silica gel như hình dưới đây.

(6)

Hơn nữa, có một số báo cáo có sẵn về việc điều chế các gel silica bằng cách sử dụng
aluminosilicates, silicat canxi, wollestonite,… [27-29]
Rõ ràng là từ phản ứng (2) - (5) rằng cấu trúc của kính sol-gel phát triển liên tục như một
sản phẩm của phản ứng thủy phân và ngưng tụ liên tiếp (và phản ứng ngược, tức là este hóa và
khử nước hoặc khử chất thủy phân) [15]. Vì vậy, kiến thức về cơ chế và động học của những
phản ứng này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về gel và kính có nguồn gốc từ gel.

12


Phản ứng thủy phân được xúc tác bằng cách thêm axit hoặc base [29]. Trên thực tế, dạng
silica thủy phân cuối cùng phụ thuộc vào pH của dung dịch. Ở mức pH thấp (có tính axit cao),
hạt silica có khuynh hướng tạo thành một chuỗi tuyến tính với mật độ đường chéo thấp (low
crosslink density). Điều này dẫn đến gel có tính chất mềm. Khi giá trị pH tăng lên, số lượng
liên kết chéo giữa các chuỗi polymer cũng tăng lên. Ở pH cao, các polyme trở nên phân nhánh
hơn và số lượng các liên kết chéo tăng lên. Ở pH thấp, thủy phân xảy ra do điện di tấn cơng vào
ngun tử oxy của nhóm alkoxide, trong khi ở pH cao hơn, thủy phân và trùng hợp xảy ra do
4
tác nhân ái nhân tấn công trên ion Si . Các nguyên tử, ion hoặc các nhóm có ái lực mạnh đối

với các electron được gọi là tác nhân ái điện tử (electrophiles), trong khi các ion dương được
gọi là tác nhân ái nhân (nucleophiles). Nói chung, tất cả các tác nhân ái điện tử là các tác nhân
oxy hóa và tất cả các tác nhân ái nhân là tác nhân bị oxy hóa.
III.1.5. Bề mặt Ưa nước (Hydrophilic) và Kỵ nước (Hydrophobic):
Cái tên kỵ nước và ưa nước xuất phát từ sự kết hợp của “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 này mô tả lực đẩy rõ ràng và sự hấp dẫn giữa
nước và bề mặt. Như thể hiện trong hình 15, tính thấm nước hoặc kỵ nước được phân biệt với
giá trị của góc tiếp xúc: nhỏ hơn hoặc lớn hơn 90o. Khi năng lượng bề mặt của chất rắn thấp,

nó đẩy nước ra khỏi bề mặt của nó và ngược lại, thể hiện tính kỵ nước hoặc tính thấm nước.
Hiện nay, bề mặt kỵ nước được sử dụng trong công nghiệp cho nhiều ứng dụng bao gồm lớp
phủ kỵ nước để phòng chống rỉ sét, loại bỏ dầu khỏi nước, quản lý sự cố tràn dầu và các q
trình tách hóa học để tách các hợp chất khơng phân cực và cực.

Hình 15. Bề mặt Ưa nước (Hydrophilic) và Kỵ nước (Hydrophobic)

13


Để tổng hợp aerogel kỵ nước và ưa nước, có hai bước chính: (a) tổng hợp alcogel bằng q
trình sol-gel và (b) sấy alcogel bằng nhiều kỹ thuật khác nhau.
III.2. Sấy Alcogel

Hình 16: Các phương pháp sấy
Sau khi hình thành gel bằng phản ứng thủy phân và ngưng tụ, một mạng Si- O – Si được
hình thành. Thuật ngữ lão hóa (aging) đề cập đến việc tăng cường mạng lưới gel; nó có thể liên
quan đến sự ngưng tụ, hịa tan và tái hấp thu của các hạt sol hoặc biến đổi pha trong các pha rắn
hoặc lỏng. Điều này dẫn đến một chất rắn xốp mà trong đó dung mơi bị mắc kẹt (trapped). Q
trình loại bỏ phần lớn dung môi khỏi gel (trong trường hợp của gel alkoxit có nguồn gốc chủ
yếu là rượu và nước) được gọi là sấy khơ. Trong q trình sấy khơ, mạng gel có thể xảy ra nứt
do lực mao dẫn xuất hiện. Phương trình Laplace áp dụng trong trường hợp này, vì bán kính mao
dẫn càng nhỏ thì chất lỏng càng dâng cao, hoặc áp suất thủy tĩnh càng cao. Vì năng lượng bề
mặt này chịu trách nhiệm cho sự gia tăng của một cột chất lỏng trong mao mạch, cường độ của
một áp lực giao thoa trong một mao mạch có thể được tính bằng cách cân bằng các lực tĩnh,

Đường kính của các lỗ mao quản trong cấu trúc gel cỡ nanomet, sao cho chất lỏng trong gel
phải tạo áp suất thủy tĩnh cao. Mặt khum của chất lỏng (meniscus) trong mao quản và lực căng
bề mặt cố gắng kéo các hạt lại với nhau khi chất lỏng trong các mao quản bốc hơi. Những lực
này có thể tác động theo cách mà chúng cố gắng thu gọn các lỗ mao quản, và do đó thay đổi

cấu trúc. Do đó, các gel có khuynh hướng nứt và co lại trong quá trình sấy. Để tránh ứng suất

14


sấy khô (drying stress) này, Kistler đã đề xuất quá trình tổng hợp aerogel bằng cách sấy khơ tới
hạn vào đầu những năm 1930 [31]. Trong những năm 1970, silica aerogel được tổng hợp bằng
cách sấy khô siêu tới hạn ở nhiệt độ cao gel ướt - được tạo ra bởi quá trình thủy phân TMOS
trong methanol [32]. Vào những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã có được một sự hiểu biết
mới về tiềm năng của aerogel và TEOS – nền tảng là silica aerogels, với các phương pháp tổng
hợp ít tốn kém hơn và sử dụng ít nguồn độc hơn so với các aerogel dựa trên TMOS. Kỹ thuật
sấy siêu tới hạn nhiệt độ thấp, sử dụng carbon dioxide lỏng, được giới thiệu cùng một lúc với
phương pháp trên [33].
III.2.1. Sấy khơ siêu tới hạn Aerogel.

Hình 17. Sơ đồ các thiết bị sấy siêu tới hạn của aerogel.

15


Hình 18. Quy trình Sol-Gel và sấy khơ siêu tới hạn
Trong phương pháp sấy siêu tới hạn, gel được sấy khô tại điểm tới hạn để loại bỏ lực mao
dẫn, như được mô tả dưới đây.
Ngay sau khi chất lỏng bắt đầu bốc hơi từ gel, sức căng bề mặt tạo ra mặt khum lõm trong
lỗ mao quản của gel. Khi sự bay hơi của chất lỏng tiếp tục, lực nén tích tụ xung quanh chu vi
lỗ rỗng và nó co lại. Cuối cùng, sức căng bề mặt gây ra sự phá hủy kết cấu của gel [34]. Để
tránh sức căng bề mặt từ lực nén tích tụ, gel được sấy khơ siêu trong một nồi hấp, như trong
Hình 19. Khi nhiệt độ và áp suất trong nồi hấp được tăng lên trên điểm tới hạn (đối với methanol
nhiệt độ tới hạn và giá trị áp suất có giá trị 243oCvà 7,9 MPa), chất lỏng được chuyển thành
chất lỏng “siêu tới hạn”, trong đó mọi phân tử có thể di chuyển tự do và sức căng bề mặt chấm

dứt. Nếu khơng có sức căng bề mặt, mặt khum khơng hình thành. Hơi sau đó được từ từ giải
phóng khỏi nồi hấp, cho đến khi áp suất trong nồi hấp đạt đến áp suất khí quyển. Cuối cùng,
nồi hấp được xả bằng nitơ khô (~ 3 bar) để loại bỏ các phân tử dung môi bị mắc kẹt khỏi gel
khô. Phương pháp sấy khô alcogel này được gọi là “sấy siêu tới hạn”. Hình 3 cho thấy các chu
kỳ nhiệt độ áp suất được tuân theo trong quá trình sấy siêu tới hạn của alcogel.

16


Hình 19: Sơ đồ biểu diễn

Hình 20: Tương quan nhiệt độ áp suất

của nồi hấp khô siêu tới hạn.

cho biểu đồ pha cân bằng pha rắn-lỏng-hơi.

III.2.2. Sấy khô ở áp suất mơi trường và sự thay đổi bề mặt hóa học
Thực tế rằng, silica aerogel đã được tổng hợp bằng phương pháp sấy siêu tới hạn, nhưng
điều này có những hạn chế nhất định về hiệu quả chi phí, tính liên tục của quy trình và độ an
tồn vì nhiệt độ và áp suất cao là cần thiết để tiếp cận điểm tới hạn. Nếu carbon dioxide lỏng
được sử dụng như một dung mơi trong q trình sấy siêu tới hạn nhiệt độ thấp, độ bền hóa học
của các aerogel trong khí quyển sẽ giảm dần, vì các hạt aerogel là một tác nhân ưa nước. Để
khắc phục những vấn đề này, Brinker đã giới thiệu phương pháp sấy ở áp suất mơi trường có
hiệu quả kinh tế cao để sản xuất silica aerogel [35]. Trong quá trình này, bề mặt của gel ướt
được thay đổi về mặt hóa học bằng cách thay thế các nhóm chức năng kỵ nước bằng cách thay
thế H từ các nhóm hydroxyl theo sau là sấy ở áp suất môi trường xung quanh. Các nhóm silanol
bề mặt (Si-OH) trên cụm silica liền kề trải qua phản ứng ngưng tụ dẫn đến sự co rút khơng thể
đảo ngược của mạng gel trong q trình sấy, như trong Hình 21. Q trình này có thể tạo ra các
bề mặt với năng lượng cực thấp, làm giảm đáng kể sức căng bề mặt. Vì vậy, thật sự cần thiết

để sửa đổi bề mặt alcogel với các tác nhânđiều chỉnh thích hợp, do đó bề mặt của aerogel được
kết xuất kỵ nước.

17


Hình 21: Sự biến đổi hóa học bề mặt của gel.
Có một số chất có khả năng làm thay đổi tính chất ướt của bề mặt, đó là các thuốc thử kỵ
nước. Chúng bao gồm methyltrimethoxysilane (MTMS), hexamethyldisilazane (HMDZ),
dimetylchlorosilan (DMCS), dimethyldichlorosilane (DMDC), trimethylchlorosilan (TMCS),
trimethylethoxysilane (TMES) và hexadecyltrimethoxysilane (HDTMS). Sự thay đổi bề mặt
của gel thông qua việc thay thế H từ Si-OH bằng các nhóm alkyl hoặc aryl khơng phân cực là
một bước quan trọng trong phương pháp sấy áp suất mơi trường xung quanh. Điều đó ngăn cản
phản ứng ngưng tụ của các cụm silica, và, bằng cách kéo dài, ngăn ngừa sự co rút của gel trong
quá trình sấy khơ. Vì áp suất mơi trường xung quanh làm khơ có thể làm giảm chi phí sản xuất
của các aerogel, tầm quan trọng của chúng đã thay đổi từ một lĩnh vực khoa học thuần túy đến
phương diện ứng dụng thực tế.
III.2.3. Sấy lạnh
Một khả năng khác để tránh ranh giới pha giữa chất lỏng và pha khí trong q trình sấy khơ
là đóng băng khơ. Chất lỏng trong mao quản được đơng lạnh và sau đó thăng hoa trong chân
khơng. Có một số nỗ lực để sử dụng phương pháp này để sản xuất aerogel [36-38]. Tuy nhiên,
thời gian lão hóa phải được kéo dài để ổn định mạng gel, dung môi phải được thay thế bằng
dung môi có hệ số giãn nở thấp và áp suất thăng hoa cao, và nhiệt độ đóng băng thấp đạt được
bằng cách thêm muối. Một bất lợi khác là mạng có thể bị phá hủy bằng cách kết tinh dung môi
trong các mao quản. Do đó, các hợp chất Cryogel chỉ thu được dưới dạng bột.

18


Hình 22: So sánh cấu trúc khi sấy lạnh và sấy khơ siêu tới hạn

III.

ỨNG DỤNG:

Aerogel có một số đặc tính độc đáo khiến chúng trở nên hấp dẫn trong khoa học và công
nghệ, dẫn chứng được nêu trong Bảng 2. Do những đặc tính độc đáo này, aerogel được sử dụng
với các ứng dụng khác nhau như đã đề cập trong Bảng 3, dưới đây sẽ bàn luận ngắn gọn về một
số ứng dụng của Aerogel.
Bảng 2: Các tính chất tiêu biểu của silica aerogel.

Tính chất

Gía trị

Khối lượng riêng

0.03–0.35 g/cm3

Bề mặt riêng

600–1000 m2/g

% rắn

0.13–15%

Đường kính mao quản trung bình

~20 nm

Đường kính hạt

2–5 nm

Chỉ số khúc xạ

1.0–1.08

Hệ số giãn nở nhiệt

2 . 0 - 4 . 0 × 1 0− 6

Hằng số điện mơi

~1.1

19


Vận tốc âm thanh (Sound velocity)

100 m/s

Bảng 3: Các ứng dụng của Aerogel

Tính chất

Độ

dẫn

nhiệt

Mật

độ/độ

Đặc điểm

Ứng dụng

(i) Chất rắn cách nhiệt tốt nhất

(i) Xây dựng cơng trình và thiết bị
cách nhiệt

(ii) Trong suốt

(ii) Phương tiện lưu trữ

(iii) Chịu được nhiệt độ cao

(iii) Ô tô, Xe không gian

(iv) Nhẹ

(iv) Thiết bị năng lượng mặt trời

(i) Chất rắn tổng hợp nhẹ nhất

(i) Chất xúc tác

(ii) Diện tích bề mặt lớn

(ii) Cảm biến

(iii) Kết cấu đa dạng, nhiều thành phần

(iii) Chứa nhiên liệu

xốp

(iv) Trao đổi ion
(v) Lọc chất ơ nhiễm dạng khí
(vi) Chất mang sắc tố

20


Quang học

(i) Trong suốt

(i) Kính trọng lượng nhẹ

(ii) Chỉ số khúc xạ thấp

(ii) Máy dò Cherenkov

Âm thanh

(i) Tốc độ truyền âm nhỏ

(i) Phịng cách âm

Cơ khí

(i) Đàn hồi

(i) Thiết bị hấp thụ năng lượng

Điện

(i) Hằng số điện môi nhỏ

(i) Chất điện môi cho ICs

(ii) Cường độ điện môi cao (High

(ii) Miếng đệm cho điện cực chân

dielectric strength)

khơng

(iii) Diện tích bề mặt cao

(iii) Tụ điện

IV.1. Aerogel như một Composite

Do tiền chất silicon alkoxide phản ứng đủ để hình thành các mạng gel (gel networks) với
các oxit kim loại khác, một số nghiên cứu đã được thực hiện để tổng hợp vật liệu silica aerogel
composite. Cấu trúc và từ tính của nanocomposites silica aerogel-iron oxide được Casas và
cộng sự nghiên cứu [39,40]. Hình 23 cho thấy một hỗn hợp composite aerogel silica-titania
được tổng hợp thơng qua q trình sấy áp suất mơi trường xung quanh (ambient pressure
drying). Có một số báo cáo mô tả tổng hợp silica-titania [41], silica-carbon, hoặc bột than hoạt
tính composite aerogel [43].

21


Hình 23: Ảnh chụp silica–titania aerogels ( từ 5% khối lượng (bên trái) và 10% khối lượng (4
mẫu bên phải), 2% khối lượng (phía trước)).
IV.2. Aerogel như một cảm biến
Aerogel có độ xốp tổng thể cao, khả năng tiếp cận mao quản tốt (good pore accessibility)
và các vị trí hoạt động bề mặt cao. Do đó, chúng là những ứng cử viên tiềm năng để sử dụng
làm cảm biến. Một nghiên cứu của Wang và cộng sự [46] trên màng mỏng hạt nano silica cho
thấy điện trở của chúng giảm rõ rệt với sự tăng độ ẩm. Chúng rất nhạy cảm với 40% RH và lớn
hơn, hoạt động với độ trễ 3,3%, là do cấu trúc mao quản của chúng. Trái lại, Xerogels của cùng
một vật liệu cho thấy độ nhạy rất thấp. Các aerogel được thay đổi bề mặt (surface modified
aerogels) ít bị ảnh hưởng bởi độ ẩm so với aerogel ưa nước và có thể được sử dụng như chất
chống ăn mòn, tác nhân kỵ nước, như trong Hình 24 [47].

22