ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP VẬT LIỆU SILICA AEROGEL
TỪ TRO TRẤU

CBHD

: PGS. TS. LÊ THỊ KIM PHỤNG
TS. TRẦN TẤN VIỆT

BỘ MÔN

: QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

TP. HỒ CHÍ MINH - 2016

1


Đại Học Quốc Gia Tp.HCM.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM.

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA.
--------------Số:
/ BKĐT

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc.
-------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC.
BỘ MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ.
NGÀNH:
QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ
LỚP: HC12MB

1. Đầu đề luậnvăn: TỔNG HỢP VẬT LIỆU SILICA AEROGEL TỪ TRO TRẤU
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica aerogel từ tro trấu
3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 15/08/2016.
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/12/2016.
5. Họ tên người hướng dẫn:
Phần hướng dẫn
PGS.TS. LÊ THỊ KIM PHỤNG
TS. TRẦN TẤN VIỆT
Nội dung và yêu cầu luận văn tốt nghiệp đã được thông qua Bộ môn.
Ngày … tháng … năm 2016
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH.

PGS.TS. TRỊNH VĂN DŨNG
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ): ------------------------------Đơn vị:------------------------------------------------------Ngày bảo vệ: ----------------------------------------------Nơi lưu trữ luận văn:---------------------------------------


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2


------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Tp. HCM, ngày… tháng… năm 2016

3


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Tp. HCM, ngày… tháng… năm 2016

4


LỜI CÁM ƠN
Qua 4 năm học tập và rèn luyện tại trường Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM, được
sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô, đặc biệt là quý thầy cô khoa Kĩ thuật
Hóa Học đã truyền đạt cho em những kiến thức về lý thuyết và thực hành trong suốt thời
gian học ở trường. Và trong thời gian thực tập tại các nhà máy em đã có cơ hội áp dụng
những kiến thức học ở trường vào thực tế ở nhà máy, đồng thời học hỏi được nhiều kinh
nghiệm. Với những kiến thức đã được học, thực tế tại các nhà máy và sự hướng dẫn của
quý thầy cô, anh chị cùng sự nổ lực của bản thân em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp
của mình.
Để có được kết quả này em xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến Cô PGS.TS
Lê Thị Kim Phụng đã tận tình hướng dẫn em từ những ngày sơ khai định hướng, cô đã
dìu dắt, luôn chia sẻ mọi kiến thức và kinh nghiệm để giúp em có thêm nhiều kiến thức
nhất có thể. Cô luôn tạo mọi điều kiện để em được đi thực tế song song với việc nghiên
cứu ở phòng thí nghiệm.
Em xin gửi lời cám ơn đến thầy TS. Trần Tấn Việt đã hướng dẫn và giúp đỡ em

trong quá trình làm luận văn từ những kiến thức thầy giảng dạy và các công việc kĩ thuật
để thực hiện thí nghiệm.
Em xin cám ơn anh Lê Khắc Duyên luôn bên cạnh dìu dắt, động viên và giúp đỡ em
trong công việc nghiên cứu. Cám ơn anh với những chia sẻ thực tế về kiến thức, kĩ năng
và đồng cảm trong quá trình thực hiện nghiên cứu.
Xin cảm ơn gia đình, quý thầy, cô, anh, chị và bạn bè làm việc tại Viện Kĩ Thuật
Nhiệt Đới và Môi Trường đặc biệt thầy TS. Lê Anh Kiên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất để em chuyên tâm và hoàn thành bài báo cáo luận văn.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn cô PGS.TS Lê Thị Kim Phụng đã tài trợ cho
em thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
1


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nước ta là một trong những nước có sản lượng gạo đứng đầu, đi kèm theo đó là một
lượng phế phẩm rất lớn. Với lượng tro trấu hàng năm thải ra, việc nghiên cứu và tái tạo
tro trấu thành những thành phẩm có giá trị kinh tế và thân thiện với môi trường là điều
cấp thiết. Trong tro trấu hàm lượng silica chiếm khoảng 80% nên việc tổng hợp silica từ
tro trấu không những có hiệu quả kinh tế bên cạnh đó là giải quyết về vấn đề môi trường.
Silica aerogel là một trong những vật liệu có gía trị với nhiều ứng dụng khác nhau.
Việc khảo sát, thực nghiệm với các phương pháp đo diện tích bề mặt riêng bằng phương
pháp Braunauner- Emmett- Teller (BET), phân tích cấu trúc vật liệu bằng phương pháp
nhiễu xạ tia X (XRD - X-ray Diffraction), xác định hàm lượng nguyên tố tương ứng trong
vật liệu bằng phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF - X-ray Fluorescence), xác
định độ sụt giảm khối lượng của vật liệu qua các giai đoạn thông qua khối lượng nhằm
tổng hợp vật liệu silica có thể đáp ứng với yêu cầu về diện tích bề mặt, độ tinh khiết và
cấu trúc cũng như kích thước của vật liệu tổng hợp.

MỤC LỤC


2


LỜI CÁM ƠN.............................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN............................................................................................ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...............................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...........................................................................ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO TRẤU VÀ SILICA AEROGEL....................1
1.1

Sơ lược về tro trấu.......................................................................................1

1.2

Sơ lược về silica..........................................................................................2

1.2.1 Định nghĩa...............................................................................................2
1.2.2 Phân loại.................................................................................................3
1.3

Sơ lược về silica aerogel..............................................................................6

1.3.1 Lịch sử hình thành aerogel......................................................................6
1.3.2 Tính chất của silica aerogel.....................................................................7
1.3.3 Ứng dụng của silica aerogel....................................................................9
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP AEROGEL........................................11
2.1 phương pháp sol-gel.......................................................................................12
2.2 Ưu-nhược điểm của phương pháp sol-gel......................................................14
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hóa học sol-gel...................................................15

2.4 Quy trình tổng hợp vật liệu Silica aerogel......................................................16
2.4.1 Nguyên liệu và dung dịch ban đầu...........................................................17
2.4.2 Gel hóa và già hóa...................................................................................17
2.4.3 Trao đổi dung môi, phủ bề mặt................................................................17
3


2.4.4 Giai đoạn sấy...........................................................................................18
2.5 Cơ chế phản ứng tổng hợp silica aerogel.......................................................25
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM...................................................26
3.1 Mục đích thí nghiệm.......................................................................................26
3.2 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm.....................................................................26
3.3 Quy trình tổng hợp vật liệu Silica aerogel......................................................27
3.4 Các phương pháp phân tích............................................................................33
3.4.1 Xác định độ sụt giảm khối lượng.............................................................33
3.4.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt BET....................................................33
3.4.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).........................................................36
1.3.4 Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF)................................................37
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..............................................................38
4.1 Khảo sát quá trình gel hóa..............................................................................38
4.1.1 Khảo sát khả năng tạo gel silica từ nguồn nguyên liệu:...........................38
4.1.2 Khảo sát môi trường ảnh hưởng lên quá trình tạo gel silica....................39
4.1.3 Khảo sát nồng độ HCl ảnh hưởng lên quá trình tạo gel...........................41
4.2 Khảo sát độ sụt giảm khối lượng qua các giai đoạn........................................43
4.3 So sánh độ sụt giảm khối lượng sấy ở điều kiện thường và sấy CO2 siêu tới
hạn................................................................................................................................ 45
4.4 Khối lượng riêng............................................................................................46
4.5 Phân tích độ tinh khiết vật liệu.......................................................................47
4.6 Diện tích bề mặt, kích thước lỗ của silica aerogel..........................................47


4


4.7 So sánh diện tích, kích thước lỗ của vật liệu tổng hợp sấy ở điều kiện thường
có sửa đổi bề mặt và không sửa đổi bề mặt (phủ MTMS).............................................48
4.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ của carbon aerogel...............49
4.9 Phân tích XRD...............................................................................................51
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................52
5.1 Kết luận..........................................................................................................52
5.2 Kiến nghị........................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................53

5


DANH MỤC CÁC HÌNH Ả
Hình 1. 1 Cấu trúc silica: a) tinh thể; b) vô định hình...............................................3
Hình 1. 2 a) thạch anh; b) tridymit; c) cristobalit.......................................................4
Hình 1. 3 Phương thức tập hợp các hạt SiO2 trong silica vô định hình [6].................4
Hình 1. 4 Vật liệu silica aerogel.................................................................................7
Hình 1. 5 Phân bố kích thước lỗ xốp..........................................................................8
Hình 1. 6 Ứng dụng silica aerogel trong dệt may và cách nhiệt..............................10
Hình 1. 7 Ứng dụng aerogel trong kính xây dựng....................................................10
Hình 1. 8 Ứng dụng trong thể thao...........................................................................11
Y
Hình 2. 1 Các nhóm sản phẩm của phương pháp sol-gel [12]..................................13
Hình 2. 2 Sản phẩm của các phương pháp sấy khác nhau [16].................................19
Hình 2. 3 Trạng thái siêu tới hạn của CO2................................................................20
Hình 2. 5 Hiện tượng mao dẫn.................................................................................24


Hình 3. 1 phản ứng giữa NaOH và tro trấu..............................................................28
Hình 3. 2 Gai đoạn gel hóa.......................................................................................29
Hình 3. 3 giai đoạn trao đổi dung môi......................................................................29
Hình 3. 4 Sơ đồ của các phản ứng xảy ra trong quá trình sửa dổi [19].....................30
Hình 3. 5 quá trình sửa đổi bề mặt [19]....................................................................31
Hình 3. 6 a) gel trước sửa dổi bề mặt; b) gel sau sửa đổi bề mặt (phủ MTMS)........31
6


Hình 3. 7 a)Tủ sấy ở điều kiện thường; b) silica aerogel..........................................32
Hình 3. 8 Thiết bị sấy siêu tới hạn............................................................................33
Hình 3. 9 Thiết bị đo diện tích bề mặt BET..............................................................34
Hình 3. 10 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể.................................................36
Hình 3. 11 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF)..................................37

Hình 4. 1 Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến độ sụt giảm khối lượng........................44
4. 2 Đồ thị so sánh độ sụt giảm khối lượng trên hai phương pháp sấy.....................46
Hình 4. 3 phân bố kích thước lỗ xốp........................................................................48
Hình 4. 4 đường hấp phụ - giải hấp nitơ...................................................................50
Hình 4. 5 Phổ XRD của silica aerogel......................................................................51

7


DANH MỤC BẢNG BI
Bảng 1. 1 Thành phần các hợp chất oxide trong tro trấu.[3].......................................2
Y
Bảng 2. 1 Ưu – nhược điểm của phương pháp sol-gel [11]......................................15
Bảng 2. 2 Điều kiện tới hạn của một số dung môi [17]............................................21
Bảng 2. 3 Sự khác nhau về mật độ, độ khuếch tán, độ nhớt của chất lỏng, khí, chất

lỏng siêu tới hạn điển hình................................................................................................22

Bảng 3. 1: Các hóa chất cần thiết.............................................................................26

Bảng 4. 1 khả năng gel hóa của silica gel được tổng hợp với 2 loại tro....................38
Bảng 4. 2 Khảo sát độ pH ảnh hưởng lên quá trình gel............................................40
Bảng 4. 3 Ảnh hưởng của nồng độ HCl lên quá trình tạo gel...................................41
Bảng 4. 4 độ sụt giảm khối lượng của vật liệu phụ thuộc nồng độ HCl...................43
Bảng 4. 5 Độ sụt giảm khối lượng trên hai phương pháp sấy...................................45
Bảng 4. 6 Ảnh hưởng phương pháp sấy đến diện tích bề mặt và kích thước lỗ của vật
liệu.................................................................................................................................... 47
Bảng 4. 7 ảnh hưởng sự biến đổi bề mặt gel lên diện tích bề mặt và đường kính lỗ
xốp.................................................................................................................................... 48

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BET

Brannau – Emmett - Teller

MTMS

Methyltrimethoxysilane

IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry


SA

Silica aerogel

VLMQ

Vật liệu mao quản

XRF

X-ray Fluorescence

XRD

X-ray Diffraction

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO TRẤU VÀ SILICA AEROGEL
1.1 Sơ lược về tro trấu
Kinh tế nông nghiệp luôn tồn tại và phát triển. Nước ta là một trong những nước có
sản lượng gạo đứng đầu, đi kèm theo đó là một lượng phế phẩm rất lớn. Việc xử lí và tận
dụng phế phẩm một cách kinh tế và thân thiện với môi trường là điều cấp thiết, cụ thể hơn
là việc xử lí lượng vỏ trấu thải bỏ ra.
Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu về vỏ trấu để tận dụng như làm chất đốt, phân
bón, củi trấu, trấu viên, gỗ, thiết bị lọc nước…. Rất nhiều ứng dụng đưa vào thực tế và
một trong những ứng dụng được quan tâm hiện nay là silica trong tro trấu có thể dùng để
trộn vào làm bê tông, gạch bê tông siêu nhẹ không nung để sử dụng trong xây dựng với
những tính năng như nhẹ, cách nhiệt, cách âm, chịu nhiệt…[1] ứng dụng vào dược phẩm,

dụng cụ y khoa, chất phủ hóa học…. Để ứng dụng được vào những lĩnh vực trên chúng ta
cần chế tạo ra silica với kích thước micro và nano tức tạo và thu hồi silica vô định hình
cần đưa ra quy trình và công nghệ thu hồi áp dụng vào thực tế với quy mô lớn nhằm đem
lại mọi lợi ích cho con người.
Vỏ trấu sau khi cháy các thành phần hữu cơ và vô cơ sẽ chuyển hóa thành tro. SiO 2
là chất có tỷ lệ phần trăm về khối lượng cao nhất trong tro, chiếm khoảng 80%-90% [2].
Thành phần hóa học trong tro trấu tùy thuộc vào điều kiện khí hậu, vị trí địa lý, thành
phần hóa học của đất… Thành phần điển hình các oxide có trong tro trấu được thể hiện
Bảng 1.1

1


Bảng 1. 1 Thành phần các hợp chất oxide trong tro trấu.[3]
Hợp chất

Phần trăm khối lượng

Silic dioxide (SiO2)

80

Alumina (Al2O3)

3,93

Canxi oxit (CaO)

3,84


Kali oxit (K2O)

1,45

Sunfu trioxit (SO3)

0,78

Natri oxit (Na2O)

0,67

Sắt (III) oxit (Fe2O3)

0,41

Magie oxit (MgO)

0,25

Khối lượng bị mất tại 850 oC

5,56

1.2 Sơ lược về silica
1.2.1 Định nghĩa
Silica ( từ tiếng anh silex) là một oxit của silic có công thức hóa học là SiO 2 và nó có
độ cứng cao được biết đến từ thời cổ đại. Phân tử SiO2 không tồn tại dưới dạng đơn lẻ mà
liên kết lại với nhau thành phân tử rất lớn. Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và
vô định hình.[4]


2


a)

b)

Hình 1. 1 Cấu trúc silica: a) tinh thể; b) vô định hình
1.2.2 Phân loại
1.2.2.1 Silica tự nhiên
Silica trong tự nhiên chủ yếu tồn tại dưới dạng tinh thể. Ở điều kiện thường, silica
tồn tại chủ yếu ở các dạng đa hình là thạch anh, triđimit và cristtobalit. Mỗi dạng đa hình
có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ thấp, dạng β bền ở nhiệt độ cao. Các dạng đa hình bao
gồm các tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử oxi chung.[5]
Trong tứ diện SiO4, nguyên tử silic nằm ở trung tâm của tứ diện liên kết cộng hóa
trị với bốn nguyên tử oxi nằm ở các đỉnh của tứ diện. Trong cấu trúc của thạch anh góc
liên kết Si-O-Si bằng 150o, tridimit và cristobalit thì góc liên kết Si-O-Si bằng 180 o. Đối
với thạch anh, những nhóm tứ diện SiO4 được sắp xếp sao cho các nguyên tử Si nằm trên
một đường xoắn ốc quay phải (dạng α) hoặc quay trái (dạng β) Ngoài ra, trong tự nhiên
còn có một số dạng khác của silic đioxit như mã não và opan. [5]

3


a)

b)

c)


Hình 1. 2 a) thạch anh; b) tridymit; c) cristobalit
1.2.2.2 Silica tổng hợp
Phân loại theo phương pháp tổng hợp: phương pháp khô (silica hun khói), phương
pháp ướt (silica sol, silica gel, silica kết tủa). Tùy vào phương pháp tổng hợp mà ta có
những loại silica khác nhau. Tuy có tên gọi, cách điều chế khác nhau nhưng chúng có đặc
điểm chung là cấu trúc vô định hình, thành phần chính là SiO2.

Hình 1. 3 Phương thức tập hợp các hạt SiO2 trong silica vô định hình [6]
Silica sol
Là những hạt keo SiO phân tán trong dung dịch thường được điều chế bằng cách
2

cho silicat kim loại kiềm tác dụng với axit ở pH > 8 . Các hạt silica sol có dạng hình cầu,
rời rạc, có đường kính khoảng 4 - 60 nm. Diện tích bề mặt riêng thường nằm trong
khoảng 50 - 70 m2.g-1. Màu sắc của silica sol phụ thuộc vào kích thước hạt và nồng độ của
SiO : nếu kích thước hạt lớn, nồng độ cao thì có màu đục như sữa, kích thước hạt trung
2

bình thì có màu trắng đục và gần như trong suốt nếu có kích thức hạt nhỏ. [7]
Silica gel
4


Những hạt keo sol kết hợp với nhau thành mạng lưới 3 chiều như hình 1.3. Thường
được điều chế bằng cách cho silicat kiềm tác dụng với axit ở pH ~ 4.
Quá trình ban đầu được phát triển bởi Patrick năm 1918, được xem là cơ sở của tất
cả các quá trình tổng hợp silica gel hiện đại. Tùy thuộc vào sức căng bề mặt, bản chất của
chất lỏng, áp lực mao quản và tốc độ thoát ẩm sẽ ảnh hưởng đến mức độ co rút của gel
khi làm khô. Nếu dùng cách làm khô thích hợp, ví dụ như siêu tới hạn, thì sự co rút sẽ

không đáng kể, thu được một dạng gel khí có tên là aerogel. [7]
Khi sol được gel hóa thì dung dịch trở nên sệt lại, độ nhớt tăng lên, cứng dần chiếm
hoàn toàn thể tích của sol ban đầu. Các hạt sol liên kết với nhau thành mạng lưới không
gian 3 chiều, giữ lại chất lỏng trong các mao quản. Gel được rửa sạch để loại bỏ các chất
bẩn, sau đó sấy và nung ta sẽ thu được SiO2.
Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3
H2SiO3 sẽ tự trùng hợp theo phản ứng:
n.H2SiO3 →

(SiO2)n + nH2O

Silica kết tủa
Những hạt sol kết hợp với nhau thành những nhóm như hình 1.3. Silica kết tủa được
sản xuất từ những năm 1940. Sản lượng silica kết tủa ở châu Âu năm 2000 là 285,5 nghìn
tấn. [7]
Các hạt sol kết hợp với nhau, kết tủa và tách ra khỏi dung dịch. Silica kết tủa có lỗ
xốp lớn, thường được điều chế bằng cách cho silicat kiềm tác dụng với axit ở pH trung
tính. Phương trình hóa học tương tự như điều chế silica gel.
Silica hun khói
Có cấu trúc hình nhánh, không có mao quản được điều chế bằng cách đốt SiCl 4 với
ngọn lửa được tạo ra bằng cách cho H2 phản ứng với O2 trong không khí. [6]
SiCl4 + 2H2 + O2

—— SiO2 + 4HCl
5


HCl tạo ra được sử dụng để tạo ra SiCl4 theo phản ứng:
Si + 4HCl → SiCl4 + 2H2
Và một phương pháp khác là oxi hóa silic, thường được sử dụng để phủ một lớp

silic đioxit bên ngoài silic:
Si + O2 →

SiO2

1.3 Sơ lược về silica aerogel
1.3.1 Lịch sử hình thành aerogel
Năm 1931, nhà khoa học Samuel Stephens Kistler (Mỹ) đã dùng kỹ thuật sấy siêu
tới hạn để tạo ra aerogel đầu tiên (thực ra là alcogel do được tạo thành từ gel silica và
dung môi là alcohol). Bằng việc tăng áp suất và nhiệt độ để cho dung môi trong gel trở
thành chất lỏng siêu tới hạn. [8].
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 xốp của
nó. Về cơ bản, chỉ cần cho rượu bay hơi khỏi silica là chúng ta sẽ tạo ra cấu trúc này.
Thay vì chỉ dựa trên sự bốc hơi, gel khô siêu tới hạn (Supercritically) được chế tạo qua
các công đoạn như sau: Điểm siêu tới hạn sẽ làm khô các chất lỏng “alco” khiến một phần
của alcogel biến thành khí, trong khi cấu trúc lỗ xốp của silica vẫn không bị sụp đổ.
Acogel rượu đã bị thay thế bằng khí gọi là Aerogel. Aerogel là loại vật liệu nhẹ, linh hoạt
và rất hữu dụng.

6


Hình 1. 4 Vật liệu silica aerogel
Kỹ thuật tổng hợp của aerogel của Kistler mặc dù hiệu quả nhưng lại khá nguy hiểm
do phải thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao, bên cạnh đó rất tốn kém về thời gian cũng
như chi phí. Sau 30 năm được đưa vào sản xuất bởi công ty Monsanto, đến cuối thập niên
70, quá trình sản xuất đã phải dừng lại do thiếu nhà đầu tư [8].
Mặc dù vậy, không lâu sau đó, các nhà khoa học đã tìm ra được một phương pháp
sản xuất ít độc hại hơn bằng cách sử dụng hợp chất alkoxide (bazo liên hợp của rượu)

thay cho gel silica, ancol được thay thế bằng CO 2. Khi quá trình sản xuất trở nên thân
thiện với môi trường và không còn nguy hiểm hay độc hại nữa thì aerogel ngày càng trở
nên phổ biến hơn trong các ngành công nghiệp [8].
1.3.2 Tính chất của silica aerogel
Aerogel là vật liệu trong suốt, có độ xốp cao, lỗ mở, dạng bọt có tỷ trọng thấp. Cấu
trúc gồm các lỗ có kích thước nano và các hạt liên kết với nhau, cũng như mạng cấu trúc
có thể điều chỉnh thông qua một quá trình gọi là sol-gel. [9].
Tính chất xốp,rắn của silica aerogel
Silica aerogel bao gồm các chuỗi liên kết ngang dây chuyền với số lượng lớn các lỗ
chứa đầy không khí. Những lỗ xốp này của aerogel thì rất nhỏ: aerogel tinh khiết có bán
kính lỗ xốp trung bình khoảng 10-100nm, nhưng silica aerogel nói chung có kích thước lỗ
7


5-70nm, phụ thuộc vào độ tinh khiết và các phương pháp chế tạo(H.1) chiếm 85-99.8%
tổng thể tích aerogel [10].Vì kích thước lỗ xốp nhỏ bất thường và tính xốp cao, aerogel
đạt những tính chất lý, nhiệt,quang và âm thanh đáng chú ý, trong khi điều này dẫn đến
sức cơ học rất thấp. Tính xốp cao khiến aerogel là vật liệu nhẹ nhất được biết đến hiện
nay. Nhờ tính xốp cao dẫn đếnkhối lượng riêng chỉ khoảng 3kg/m 3 có thể so sánh với
không khí 1,2kg/m3.

Hình 1. 5 Phân bố kích thước lỗ xốp
Silica aerogel cũng chịu được áp suất nén cao đến 3bar, nhưng sức bền rất thấp
khiến vật liệu này rất mong manh [10]. Nếu không được giải nước tốt, nước có thể phá
hủy cấu trúc của aerogel bởi sức căng bề mặt trong các lỗ. Trong trường hợp này, aerogel
thường được sử dụng kết hợp với bình chân không, ở đó màng bọc ngăn cản nước và chân
không làm giảm khả năng dẫn nhiệt. Tuy nhiên tính chất bền kém đã được khắc phục đối
với aerogel thương mại bằng cách gắn nó lên một màng sợi.Aerogel có diện tích bề mặt
riêng lớn khoảng 200-1000 m2/g [10].
Tính cách nhiệt

Aerogel có độ dẫn nhiệt rất thấp là do độ đan sườn rắn thấp, độ dẫn khí thấp, sự
truyền bức xạ hồng ngoại thấp. Aerogel cách nhiệt rất tốt, gấp 37 lần so với sợi thủy tinh.
Tính chất quang học

8


Ánh sáng bị phản xạ bởi silica aerogel xuất hiện màu xanh và ánh sáng được truyền
xuất hiện hơi đỏ. Sự tán sắc ánh sáng này có thể được giải thích bởi số lượng rất lớn hoặc
sự tán xạ Rayleigh và bởi sự tán xạ bên ngoài. Tán xạ Rayleigh là do tương tác với các
thành phần không đồng nhất trong chất rắn, lỏng hoặc các khí ví dụ như các hạt bụi trong
khí quyển,và có ảnh hưởng hơn khi khi kích thước hạt tương đương với độ dài bước sóng
ánh sáng tới.Sự có mặt của một số lượng lỗ xốp xác định bên trong aerogel có thể hoạt
động như cái gọi là “ các tâm tán xạ” . Hệ số tán xạ sẽ phụ thuộc vào kích thước của các
tâm tán xạ, trong khi các bước sóng khác nhau sẽ tán xạ với cường độ khác nhau. Silica
aerogel có độ truyền cao trong phổ hồng ngoại. Độ truyền này làm tăng độ dẫn nhiệt tổng
thể của silics aerogel, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Nếu khả năng dẫn truyền không được mong
muốn. Sự truyền trực tiếp nửa vùng nhìn thấy có thể bị giảm mạnh đến 50% bằng cách
thêm chỉ vài % isopropanol hoăc các chất cản quang khác vào aerogel [10].
Khả năng truyền âm kém
Khối vật liệu silica aerogel có vận tốc truyền âm thanh thấp hơn cả không khí. Vận
tốc âm thanh xuống đến 40m/s, các sản phẩm thương mại yêu cầu có vận tốc âm khoảng
100m/s. Aerogel dạng hạt thì phản xạ khác thường với âm thanh, tạo thành vật liệu hàng
rào cản âm thanh. Bằng cách kết hợp nhiều lớp với các kích thước hạt khác nhau, làm
giảm mạnh đến 60dB đối với chiều dày khoảng chỉ 7cm [10].
1.3.3 Ứng dụng của silica aerogel
Ngành môi trường: khả năng hấp thu dự trữ và tái sử dụng dầu của aerogel được sử
dụng trong việc xử lí dầu tràn trên biển . Aerogel có thể được dùng làm chất xúc tác hiệu
quả để giảm lượng khí thải nitơ oxit từ khí thải ô tô, hoặc như một chất thân thiện với môi
trường .

Ngành dệt may - sản phẩm giữ ấm cực tốt: tận dụng đặc tính cách nhiệt nên ngành
may mặc đã khai thác những đặc tính vật lý nổi bật của aerogel trong các sản phẩm quần
áo và giày dép để giữ ấm.

9


Hình 1. 6 Ứng dụng silica aerogel trong dệt may và cách nhiệt
Ngành xây dựng: với khả năng cách âm, cách nhiệt, chịu va đập và siêu nhẹ khiến
“khói đóng băng” trở thành loại vật liệu xây dựng lý tưởng cho các công trình cao cấp.
Trong đó, aerogel được sử dụng như lớp cách nhiệt cho các mái nhà bán trong suốt.

Hình 1. 7 Ứng dụng aerogel trong kính xây dựng
Ngành công nghiệp lốp xe: aerogel cũng được áp dụng trong công nghệ làm lốp xe,
và được đề nghị dùng làm lốp cho tàu thám hiểm sao Hỏa. Theo các chuyên gia dự đoán,
lốp xe có bổ sung vật liệu aerogel sẽ dần thay thế cao su truyền thống và tạo nên cuộc
cách mạng lốp xe trong tương lai.

10


Ngành công nghiệp vũ trụ: NASA đã sử dụng aerogel làm kính cửa sổ,vỏ bọc cho
các tàu thám hiểm Mars Pathfinder, Mars Exploration Rover và Stardust; chế tạo quần áo
chống lạnh cho phi hành gia; làm vỏ bọc máy bay; sử dụng trong các lưới bẫy bụi vũ trụ.
Ngành dụng cụ thể thao: Ứng dụng trong sản xuất loại khung vợt siêu nhẹ, rất
dẻo.Ngoài ra còn ứng dụng trong giày cách nhiệt

Hình 1. 8 Ứng dụng trong thể thao

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP AEROGEL

Phương pháp sol-gel là phương pháp hiện đại nhất để tổng hợp nhiều loại vật liệu
kích thước nanomet dạng bột hoặc màng mỏng với cấu trúc thành phần mong muốn. Theo
phương pháp này, các dung dịch chứa các ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ
lệ thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, các vật liệu nano được kết tủa từ dung
dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa
chất ban đầu bị phân rã. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano.
Chúng ta có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu
nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa từ dung dịch, sol-gel,...) và từ pha khí (phương
pháp kết tủa từ khí hơi, nhiệt phân, nổ điện, đốt laser, …)[11].
Phương pháp sol-gel do R.Roy đề xuất năm 1956, cho phép trộn lẫn các chất ở quy
mô nguyên tử. Chế tạo được vật liệu có hình dạng khác nhau: màng, khối, sợi, bột…[11].

11


Quá trình sol-gel bao gồm phản ứng thủy phân và ngưng tụ của các precursor để tạo
thành sol. Gel được ủ, sấy, nhiệt phân để loại bỏ các gốc hữu cơ và hình thành nên sản
phẩm cuối cùng ở trạng thái rắn[11].
2.1 phương pháp sol-gel
Quá trình hình thành sol – gel là quá trình hình thành dung dịch huyền phù của chất
keo (sol) rồi biến hoá để đông keo lại (gel). Quá trình này được dùng để làm bột mịn có
dạng hình cầu, làm màng mỏng để phủ lên bề mặt, làm gốm sứ thủy tinh, làm các màng
xốp (màng có nhiều lỗ nhỏ). Khi đổ sol vào khuôn, do chuyển hóa từ sol ta có gel ướt, gel
ướt có hình dạng của khuôn. Nếu tiếp tục làm bay hơi hết nước trong gel ta thu được gel
khô. Từ gel khô tiếp tục nhiệt phân, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ các hạt liên kết chặt chẽ
với nhau tạo thành gốm đặc. Nếu ở trạng thái gel ướt, ta loại bỏ nước trong điều kiện siêu
tới hạn thì vật liệu chứa rất nhiều lỗ xốp nên khối lượng riêng của vật liệu rất thấp và
được gọi là vật liệu gel khí (aerogel). Điều chỉnh độ nhớt của sol thích hợp, từ sol có thể
kéo ra sợi, sau đó nhiệt phân ta thu được sợi gốm (cấu tạo của sợi là gồm nhiều hạt nhỏ
liên kết lại)[11].

Các nhóm sản phẩm chính từ phương pháp sol-gel gồm :

12