Surface modification of silica aerogels by hexamethyldisilazane-carbon dioxide mixtures and their phase equilibria

Abstract

Metal oksit yüzeylerinin kimyasal modifikasyonunda süper kritik karbondioksitin (sk CO2) çözücü olarak kullanılmasının pek çok avantajı bulunmaktadır. Özellikle, süper kritik akışkanların düşük viskozitesi ve düşük yüzey gerilimi geleneksel çözelti metotlarına göre depozisyon kinetiklerinin gelişmesini sağlar. Uygulanım alanları polimer modifikasyonu, düşük-enerjili hidrofobik yüzeylerin oluşturulması, reversed-faz kromatografilerde kullanılmak üzere sabit fazların hazırlanışı, biyo-uyumlu yüzeylerin yapımı ve litografi, mikropatterning, sensörlerde mono-tabakaların oluşrurulması gibi alkil-silanların modifikasyon ajanı olarak kullanıldığı alanlardır.Bu çalışmada, monolitik silika aerojellerin yüzeylerini hexametildisilazan (HMDS)-karbon dioksit karışımları kullanarak hidrofobik olarak değiştirdik. Silika aerojeller iki aşamalı (asit-baz) sol-jel metodu kullanılarak, % 50 ağırlıklı tetraetilortosilikat ve çözücü etanolle hazırlanmıştır. Akişkan fazdaki HMDS yoğunluğunun etkileri ve reaksiyon süresi, 60 °C sabit sıcaklık ve 20.68 MPa sabit basıçta incelenmiştir. Uygulama sonucunda oluşan hidrofobik silika aerojeller, uygulamaya tabi tutulmamış aerojellerle aynı saydamlıktadır. Hidrofobiklik derecesi temas açısı testiyle belirlenmiş olup bu açı farklı şartlarda 130 ° olarak bulunmuştur. FTIR spektra hidrofilik yüzey silanol gruplarının azaldığını ve hidrofobik metil gruplarının oluştuğunu belirterek hidrofobikliği teyit etmiştir.Bu tezin ikinci bölümü HMDS-CO2'nin ikili karışımının buhar-sıvı denkliğiyle ilgilidir. HMDS-CO2 sisteminin bubble point basınç değerleri 298,15 K, 313,15 K, 327,65 K ve 341,95 K'de ve çeşitli yoğunluklarda elde edilmiştir. Sabit sıcaklıkta, bubble point basınçları HMDS yoğunluğu arttıkça azalmıştır. Sabit yoğunlukta, bubble point basınçları sıcaklık arttıkça artmıştır. Bubble point basıçları Peng-Robinson Stryjek-Vera durum denklemi kullanılarak modellenmiş olup deneysel sonuçlarla uyum göstermiştir.

There are several advantages to using supercritical CO2 (scCO2) as solvent in chemical modification of the metal oxide surfaces. In particular, the low viscosity and low surface tension of the super critical fluids leads to enhanced deposition kinetics over conventional solution methods. The application areas include polymer modification, construction of low-energy hydrophobic surfaces, preparation of stationary phases for reversed-phase chromatography, making biocompatible surfaces, and forming monolayers for lithography, micropatterning, and sensors where alkylsilanes are generally used as the modifying agent.In this study, we rendered the surface of monolithic silica aerogels hydrophobic by hexamethyldisilazane (HMDS)-carbon dioxide mixtures. The silica aerogels were prepared by two step (acid-base) sol-gel method using 50 wt. % tetraethylorthosilicate (TEOS) and ethanol as solvent. The effects of HMDS concentration in the fluid phase and the reaction time were investigated at a fixed temperature of 333.15 K and a fixed pressure of 20.68 MPa. The treatment led to hydrophobic silica aerogels which are as transparent as untreated aerogels. The extent of hydrophobicity was determined by contact angle test and contact angle was found to be 130° at different conditions. FTIR spectra confirmed the hydrophobicity by indicating a reduction in hydrophilic surface silanol groups and the emergence of hydrophobic methyl groups.The second part of the work deals with the vapor-liquid equilibria study of the binary mixture of HMDS-CO2. The bubble point pressures of the HMDS-CO2 system were obtained at temperatures 298.15 K, 313.15 K, 327.65 K and 341.95 K and at various concentrations. At a fixed temperature, the bubble point pressure decreased as the concentration of HMDS increased. At a fixed composition, bubble point pressure increased as the temperature increased. The bubble point pressures were modeled using the Peng-Robinson Stryjek-Vera equation of state (PRSVEOS) and compared well with the experimental data.