научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА НА СВОЙСТВА АЭРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТИЛТРИМЕТОКСИСИЛАНА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА НА СВОЙСТВА АЭРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТИЛТРИМЕТОКСИСИЛАНА»

ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2014, том 59, № 12, с. 1641-1644

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ^^^^^^^^

НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

УДК 544.774.2

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА НА СВОЙСТВА АЭРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТИЛТРИМЕТОКСИСИЛАНА

© 2014 г. С. А. Лермонтов*, Н. А. Сипягина*, А. Н. Малкова*, А. Е. Баранчиков**, В. К. Иванов**, ***

*Институт физиологически активных веществ РАН, Черноголовка **Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва ***Национальный исследовательский Томский государственный университет E-mail: lermontov52@yandex.ru Поступила в редакцию 22.07.2014 г.

Изучено влияние условий синтеза на свойства аэрогелей на основе метилтриметоксисилана. Показано, что все образцы аэрогелей обладают гидрофобностью и способностью эффективно адсорбировать органические соединения.

DOI: 10.7868/S0044457X14120137

Аэрогели представляют собой особый класс твердых мезопористых материалов с типичным размером частиц в диапазоне 2—5 нм, обладающих очень низкой плотностью, высокими пористостью и удельной площадью поверхности [1]. Аэрогели характеризуются рядом уникальных свойств: крайне низкой теплопроводностью, высокой звукопоглощающей способностью, нередко — прозрачностью (показатель преломления до 1.03, окраска изменяется от голубой до темно-красной в зависимости от химического состава и микроструктуры). Аэрогели и материалы на их основе находят или могут найти применение в качестве сверхлегких конструкционных материалов или добавок для модификации существующих конструкционных материалов, эффективных осушителей и сорбентов, гетерогенных катализаторов и носителей катализаторов [2—4].

Аэрогели получают золь-гель методом с последующей сверхкритической сушкой, т.е. удалением растворителя из пор геля при температуре, превышающей критическую температуру.

К числу основных недостатков аэрогелей следует отнести неустойчивость к воздействию влаги и невысокую механическую прочность. Существует несколько подходов к повышению гидро-фобности аэрогелей. Первый заключается в три-метилсилилировании поверхностных гидроксиль-ных групп 8Ю2 и А1203 аэрогелей [5, 6], второй — во фторировании поверхности с использованием по-лифторалкилсиланов в качестве сопрекурсоров совместно с тетраалкоксисиланами [7, 8]. Высокая стоимость исходных реагентов ограничивает

практическое использование полученных таким образом аэрогелей.

Для получения гидрофобных аэрогелей в ряде работ в качестве исходного соединения предложено использовать метилтриметоксисилан СИ381(0СИ3)3 (МТМС), содержащий связь Б1-С [9-11]. Интересно отметить, что аэрогели, полученные из МТМС, обладают гидрофобностью и эластичностью при сохранении высокой удельной площади поверхности и низкой плотности. Кроме того, эти аэрогели оказались прекрасными сорбентами для неполярных органических соединений [2], что может быть использовано, например, при ликвидации разливов нефти.

Необходимо отметить, что влияние растворителя, применяемого при синтезе аэрогелей (гели-рование, сверхкритическая сушка), на их свойства на данный момент мало изучено. Полученные нами ранее данные свидетельствуют о том, что характеристики растворителя имеют первостепенное значение при сушке аэрогелей. Так, удельная площадь поверхности аэрогелей на основе оксидов кремния, алюминия и циркония, полученных сверхкритической сушкой в простых эфирах (диэтиловом и метил-трет-бутиловом), примерно в два раза больше площади поверхности аэрогелей, полученных сушкой в этаноле, их пористость также выше. Более того, фазовый состав аэрогелей, полученных в разных растворителях, также может различаться. Так, аэрогель Zr02, полученный сушкой в этаноле, - кристаллический, состоящий из смеси тетрагональной и моноклинной фаз, тогда как при сушке в простых эфирах формируется аморфный аэрогель [12].

3

1641

1642 ЛЕРМОНТОВ и др.

Условия получения и основные характеристики аэрогелей на основе МТМС

№ опыта Соотношение, моль Sуд, м2/г Плотность, г/см3

МТМС ИПС H2O HF (NH4hCO3

1 1 3 10.4 0.071 0.094 500 + 40 0.155

2 1 6 10.4 0.071 0.094 560 ± 40 0.105

3 1 12 10.4 0.071 0.094 550 ± 50 0.066

4 1 3 8.8 0.071 0.094 600 ± 50 -

5 1 3 3 0.071 0.94 650 ± 50 0.2

6 1 3* 10.4 0.071 0.094 130 ± 15 0.169

7 1 3 10.4 0.043 0.094 310 ± 20 -

*Метиловый спирт; сверхкритическая сушка проводилась в изопропаноле.

Следует отметить, что при использовании ряда сверхкритических растворителей (например, спиртов) для получения оксидных аэрогелей может происходить химическая модификация поверхности оксидов. В частности, нами также показано, что при сверхкритической сушке в гексафтор-изопропаноле (ГФИП) поверхность аэрогелей модифицируется гексафторизопропоксигруппами [13]. Кроме того, удельная площадь поверхности аэрогелей на основе оксидов кремния, алюминия и циркония, высушенных в ГФИП, возрастает примерно в два раза относительно площади поверхности аэрогелей, высушенных в этаноле.

Настоящая работа направлена на изучение влияния условий синтеза на свойства аэрогелей на основе МТМС, в том числе влияния соотношения реагентов (МТМС, вода, спирт), а также растворителя, применяемого для гелирования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Метилтриметоксисилан (Acros, 97%), изопро-панол (Acros, 99.5+%), метанол (Acros, 99.9%), HF (Acros, 40%-ный раствор), карбонат аммония (х. ч., Лабтех) применяли без дополнительной очистки.

Рентгенофазовый анализ (РФА) твердофазных образцов проводили на дифрактометре Rigaku D/MAX 2500 (Си^а-излучение) при скорости вращения гониометра 2°29/мин.

Величины удельной площади поверхности аэрогелей определяли методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе АТХ-06 (КАТАКОН, Россия) с использованием модели Брюнауэра-Эммета—Теллера (БЭТ) по шести точкам. Перед измерениями проводили дегазацию образцов в токе сухого гелия при 200°С в течение 30 мин.

Типовая методика получения аэрогелей

1. Получение гелей. 1 мл (0.007 моль) МТМС растворяли в 1.6 мл (0.021 моль) изопропилового спирта (ИПС), затем приливали раствор 0.025 мл (0.0005 моль) ОТ (40%) в 0.5 мл (0.028 моль) воды и перемешивали в течение 1 ч. После этого к смеси добавляли карбонат аммония (0.064 г), растворенный в 0.8 мл (0.045 моль) воды, и перемешивали в течение 1 мин. Полученные золи (3—5 мл) переносили в цилиндрические полипропиленовые контейнеры. Гелирование происходило в течение 30—40 мин. Далее гели выдерживали при комнатной температуре в течение 24 ч, после чего промывали изопропиловым спиртом один раз в сутки в течение 5 сут.

2. Сверхкритическая сушка. В автоклав (V= 38 мл)

помещали стеклянную пробирку с гелем под слоем ИПС (14—16 мл). Автоклав устанавливали в печь и нагревали со скоростью ~ 100 град/ч до 250—260°С при давлении до 6.0—7.0 МПа (критическая точка ИПС 235°С, 4.73 МПа). Затем постепенно снижали давление в нагретом автоклаве до атмосферного, вакуумировали автоклав в течение 30 мин, охлаждали и вскрывали.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Основные характеристики аэрогелей приведены в таблице.

Согласно данным РФА, все полученные образцы аэрогелей являются аморфными.

Влияние соотношения МТМС: ИПС

Установлено, что при увеличении количества растворителя (соотношение МТМС : ИПС изменяли от 1 : 3 до 1 : 12) плотность получаемых аэрогелей закономерно уменьшается, в то время как

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА НА СВОЙСТВА АЭРОГЕЛЕЙ

1643

удельная площадь поверхности существенно не меняется (опыты 1—3, таблица). Эластичность аэрогелей понижается с увеличением количества растворителя: при соотношении МТМС : ИПС = = 1 : 3 образец обладает высокой гибкостью (рисунок), в то время как образец, полученный при соотношении МТМС : ИПС = 1 : 12, достаточно хрупкий и рассыпается при деформации.

Влияние соотношения МТМС: Н20

При синтезе аэрогелей из алкоголятов вода является как растворителем, так и гидролизующим реагентом. Под действием кислотных катализаторов (в нашем случае HF) вода быстро гидролизует связи 81—0—СН3 с образованием гидроксопроизводных замещенной кремниевой кислоты, которые вступают в реакции поликонденсации (схема 1).

^1-ОСИ3 + И20 ^ ^ОН + СИ30И —781—ОН + ИО-81^ ^ 81-О-81^ + И20

^Si-OH + CH3O-Si^ ^ -рSi-O-Si^ + ROH Схема 1.

Минимальное количество воды, необходимое для полного гидролиза алкоксисвязей в МТМС, равно трем молям (схема 2), при этом 1.5 моля воды выделяется обратно после завершения реакции поликонденсации.

CH3-Si(OCH3)3 + 3H2O ^ CH3Si(OH)3 + 3CH3OH Схема 2.

Мы исследовали влияние концентрации воды на характеристики получаемых аэрогелей. Установлено, что при уменьшении мольного соотношения МТМС : H2O от 10.4 : 1 до 3 : 1 (опыты 1, 4, 5, таблица) удельная площадь поверхности аэрогелей изменяется незначительно; при этом аэрогели теряют эластичность и становятся хрупкими.

Влияние типа растворителя

Растворитель, применяемый для получения геля, должен растворять избыток воды и остаточные моно- и олигомеры в порах геля.

Установлено, что при замене изопропанола на метанол удельная площадь поверхности уменьшается примерно в 4 раза, а сам образец становится хрупким (опыт 6, таблица). Наблюдаемое явление, вероятно, может быть объяснено лучшей растворимостью геля в метаноле, что приводит к ускорению процессов оствальдова созревания каркаса геля и к утолщению стенок капилляров.

Гибкий аэрогель на основе МТМС.

Влияние количества катализатора

Было установлено, что при уменьшении количества катализатора (HF) удельная площадь поверхности существенно уменьшается (опыты 1 и 7, таблица). Концентрация катализатора влияет на скорость гидролиза и, следовательно, на скорость реакции поликонденсации и роста частиц геля. Вероятно, уменьшение количества кислоты приводит к уменьшению концентрации реакционно-способных 8ЮН-групп, что замедляет рост цепи и позволяет сформироваться частицам большего размера, что, в свою очередь, приводит к уменьшению площади поверхности.

Следует отметить, что все синтезированные нами образцы аэрогелей обладали высокой гид-рофобностью — плавали в воде, не разрушаясь, в течение нескольких месяцев, тонули в гексане и адсорбировали значительные количества гексана с поверхности воды.

Таким образом, аэрогели на основе МТМС являются клас

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком