تأثيرات سونوكيميائية على عمليات سول جل
الجسيمات متناهية الصغر بحجم النانو والجزيئات الكروية الشكل ، وطلاءات الأغشية الرقيقة ، والألياف ، والمواد المسامية والكثيفة ، وكذلك الهلاميات الهوائية المسامية للغاية و xerogels هي إضافات محتملة للغاية لتطوير وإنتاج مواد عالية الأداء. يمكن تصنيع المواد المتقدمة ، بما في ذلك على سبيل المثال السيراميك ، والهلام الهوائي المسامي للغاية ، والهلام الخفيف الوزن ، والهجينة العضوية غير العضوية من المعلقات الغروية أو البوليمرات في سائل عبر طريقة sol-gel. تظهر المادة خصائص فريدة ، حيث تتراوح جزيئات سول المتولدة في حجم النانومتر. وبالتالي ، فإن عملية sol-gel هي جزء من الكيمياء النانوية.
في ما يلي ، تتم مراجعة تخليق المواد ذات الحجم النانوي عبر طرق sol-gel بمساعدة الموجات فوق الصوتية.
عملية سول جل
يتضمن Sol-gel والمعالجة ذات الصلة الخطوات التالية:
- صنع سول أو مسحوق راسب ، أو تبلور سول في قالب أو على ركيزة (في حالة الأفلام) ، أو صنع سول ثان من المسحوق المترسب وهلامه ، أو تشكيل المسحوق في الجسم بطرق غير هلامية ؛
- تجفيف;
- إطلاق النار والتلبيد. [رابينوفيتش 1994]
الجدول 1: خطوات تخليق Sol-Gel وعمليات المصب
مفاعل بالموجات فوق الصوتية لتفاعلات سول جل
عمليات Sol-gel هي تقنية كيميائية رطبة للتوليف لتصنيع شبكة متكاملة (ما يسمى هلام) من أكاسيد المعادن أو البوليمرات الهجينة. كسلائف ، يتم استخدام أملاح المعادن غير العضوية الشائعة مثل كلوريد المعادن ومركبات المعادن العضوية مثل ألكوكسيدات المعادن. ذا سول – تتكون في تعليق السلائف – يتحول إلى نظام ثنائي الطور يشبه الهلام ، والذي يتكون من كل من المرحلة السائلة والصلبة. التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء عملية سول جل هي التحلل المائي والتكثيف المتعدد والهلام.
أثناء التحلل المائي والتكثيف المتعدد ، يتم تشكيل غرواني (سول) ، والذي يتكون من جسيمات نانوية مشتتة في مذيب. تتحول مرحلة سول الحالية إلى هلام.
يتكون الطور الهلامي الناتج من جزيئات يمكن أن يختلف حجمها وتكوينها اختلافا كبيرا من الجسيمات الغروية المنفصلة إلى البوليمرات الشبيهة بالسلسلة المستمرة. الشكل والحجم يعتمد على الظروف الكيميائية. من الملاحظات على SiO2 alcogels يمكن أن نستنتج عموما أن سول المحفز بالقاعدة ينتج عنه نوع منفصل يتكون من تجميع مجموعات مونومر ، والتي تكون أكثر إحكاما وتشعبا للغاية. تتأثر بالترسيب وقوى الجاذبية.
تستمد السولات المحفزة بالحمض من سلاسل البوليمر شديدة التشابك التي تظهر بنية مجهرية دقيقة جدا ومسام صغيرة جدا تبدو موحدة تماما في جميع أنحاء المادة. يظهر تكوين شبكة مستمرة أكثر انفتاحا من البوليمرات منخفضة الكثافة مزايا معينة فيما يتعلق بالخصائص الفيزيائية في تشكيل الزجاج عالي الأداء ومكونات الزجاج / السيراميك في أبعاد 2 و 3. [سقا وآخرون 1982]
في خطوات المعالجة الإضافية ، من خلال الطلاء المغزلي أو الطلاء بالغمس ، يصبح من الممكن طلاء الركائز بأغشية رقيقة أو عن طريق صب السول في قالب ، لتشكيل ما يسمى بالهلام الرطب. بعد التجفيف والتدفئة الإضافية ، سيتم الحصول على مادة كثيفة.
في خطوات أخرى من عملية المصب ، يمكن معالجة الجل الذي تم الحصول عليه. عن طريق الترسيب أو الانحلال الحراري بالرش أو تقنيات المستحلب ، يمكن تشكيل مساحيق متناهية الصغر وموحدة. أو ما يسمى الهلاميات الهوائية ، والتي تتميز بمسامية عالية وكثافة منخفضة للغاية ، يمكن إنشاؤها عن طريق استخراج المرحلة السائلة من الجل الرطب. لذلك ، عادة ما تكون الظروف فوق الحرجة مطلوبة.
الجدول 2: توليف سول جل بالموجات فوق الصوتية من TiO2 المسامية [يو وآخرون ، Chem. Commun. 2003 ، 2078]
الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة وآثارها Sonochemical
توفر الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة ومنخفضة التردد إمكانات عالية للعمليات الكيميائية. عندما يتم إدخال الموجات فوق الصوتية المكثفة في وسط سائل ، تحدث دورات الضغط العالي والضغط المنخفض بالتناوب مع معدلات تعتمد على التردد. دورات الضغط العالي تعني الضغط ، في حين أن دورات التردد المنخفض تعني ندرة الوسط. أثناء دورة الضغط المنخفض (التخلخل) ، تخلق الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة فقاعات فراغ صغيرة في السائل. تنمو فقاعات الفراغ هذه على مدى عدة دورات.
وفقا لشدة الموجات فوق الصوتية ، يضغط السائل ويمتد بدرجات متفاوتة. هذا يعني أن فقاعات التجويف يمكن أن تتصرف بطريقتين. عند شدة الموجات فوق الصوتية المنخفضة التي تبلغ حوالي 1-3 واط / سم² ، تتأرجح فقاعات التجويف حول حجم التوازن للعديد من الدورات الصوتية. وتسمى هذه الظاهرة التجويف المستقر. عند شدة أعلى للموجات فوق الصوتية (تصل إلى 10 واط / سم²) ، تتشكل فقاعات التجويف في غضون بضع دورات صوتية ، وتصل إلى دائرة نصف قطرها ضعف حجمها الأولي على الأقل قبل أن تنهار عند نقطة ضغط عندما لم تعد الفقاعة قادرة على امتصاص الطاقة. وهذا ما يسمى التجويف العابر أو القصور الذاتي. أثناء انفجار الفقاعة ، تحدث النقاط الساخنة التي يطلق عليها محليا ، وتتميز بظروف قاسية: يتم الوصول إلى درجات حرارة عالية جدا (حوالي 5000 كلفن) وضغوط (حوالي 2000 ضغط جوي). ينتج عن انفجار فقاعة التجويف أيضا نفاثات سائلة بسرعات تصل إلى 280 م / ث ، مما يخلق قوى قص عالية جدا. [سوسليك 1998 / سانتوس وآخرون 2009]
الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة UIP1500hdT للتكثيف الكيميائي المستمر لتفاعلات سول جل
سونو أورموسيل
Sonication هو أداة فعالة لتوليف البوليمرات. أثناء التشتت بالموجات فوق الصوتية وإزالة التكتل ، تؤدي قوى القص التكافؤية ، التي تمتد وتكسر السلاسل الجزيئية في عملية غير عشوائية ، إلى خفض الوزن الجزيئي والتشتت المتعدد. علاوة على ذلك ، فإن الأنظمة متعددة المراحل مشتتة ومستحلبة فعالة للغاية ، بحيث يتم توفير مخاليط دقيقة جدا. هذا يعني أن الموجات فوق الصوتية تزيد من معدل البلمرة على التحريك التقليدي وتؤدي إلى أوزان جزيئية أعلى مع تشتت أقل للتشتت.
يتم الحصول على Ormosils (سيليكات معدلة عضويا) عند إضافة silane إلى السيليكا المشتقة من الهلام أثناء عملية sol-gel. المنتج عبارة عن مركب جزيئي مع خصائص ميكانيكية محسنة. تتميز Sono-Ormosils بكثافة أعلى من المواد الهلامية الكلاسيكية بالإضافة إلى استقرار حراري محسن. لذلك قد يكون التفسير هو زيادة درجة البلمرة. [روزا فوكس وآخرون 2002]
TiO2 المسامي عبر توليف سول جل بالموجات فوق الصوتية
يستخدم TiO2 المسامي كمحفز ضوئي وكذلك في الإلكترونيات وتكنولوجيا الاستشعار والمعالجة البيئية. للحصول على خصائص المواد المحسنة ، يهدف إلى إنتاج TiO2 مع تبلور عالي ومساحة سطح كبيرة. يتميز مسار sol-gel بمساعدة الموجات فوق الصوتية بميزة أن الخصائص الجوهرية والخارجية ل TiO2 ، مثل حجم الجسيمات ، ومساحة السطح ، وحجم المسام ، وقطر المسام ، والتبلور ، وكذلك نسب طور الأناتاز والروتيل والبروكيت يمكن أن تتأثر بالتحكم في المعلمات.
أظهر Milani et al. (2011) تخليق الجسيمات النانوية TiO2 anatase. لذلك ، تم تطبيق عملية sol-gel على سلائف TiCl4 وتمت مقارنة كلا الاتجاهين ، مع وبدون الموجات فوق الصوتية. أظهرت النتائج أن التشعيع بالموجات فوق الصوتية له تأثير رتيب على جميع مكونات المحلول المصنوع بطريقة sol-gel ويسبب كسر الروابط السائبة للغرويات النانومترية الكبيرة في المحلول. وبالتالي ، يتم إنشاء جسيمات نانوية أصغر. تعمل الضغوط ودرجات الحرارة العالية التي تحدث محليا على كسر الروابط في سلاسل البوليمر الطويلة وكذلك الروابط الضعيفة التي تربط الجسيمات الأصغر ، والتي تتشكل من خلالها كتل غروية أكبر. تظهر المقارنة بين عينتي TiO2 ، في وجود وغياب التشعيع بالموجات فوق الصوتية ، في صور SEM أدناه (انظر الصورة 2).
صورة. 2: صور SEM ل TiO2 pwder ، المكلس عند 400 درجة مئوية لمدة 1 ساعة ووقت الجلتنة 24 ساعة: (أ) في وجود و (ب) في حالة عدم وجود الموجات فوق الصوتية. [ميلاني وآخرون 2011]
علاوة على ذلك ، يمكن أن تستفيد التفاعلات الكيميائية من التأثيرات الكيميائية الصوتية ، والتي تشمل على سبيل المثال كسر الروابط الكيميائية ، أو التعزيز الكبير للتفاعل الكيميائي أو التدهور الجزيئي.
سونو المواد الهلامية – تفاعلات سول جل المحسنة بالموجات فوق الصوتية
في تفاعلات سول جل بمساعدة سونو ، يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية على السلائف. تعرف المواد الناتجة ذات الخصائص الجديدة باسم sonogels. نظرا لعدم وجود مذيب إضافي مع التجويف الصوتي ، يتم إنشاء بيئة فريدة لتفاعلات sol-gel ، والتي تسمح بتكوين ميزات معينة في المواد الهلامية الناتجة: الكثافة العالية ، والملمس الناعم ، والبنية المتجانسة ، إلخ. تحدد هذه الخصائص تطور sonogels على مزيد من المعالجة وهيكل المواد النهائي. [بلانكو وآخرون 1999]
يظهر Suslick and Price (1999) أن التشعيع بالموجات فوق الصوتية ل Si (OC2H5)4 في الماء مع محفز حمض ينتج السيليكا "Sonogel". في التحضير التقليدي للمواد الهلامية السيليكا من Si (OC2H5)4، الإيثانول هو مذيب مشترك شائع الاستخدام بسبب عدم قابلية ذوبان Si (OC2H5)4 في الماء. غالبا ما يكون استخدام هذه المذيبات مشكلة لأنها يمكن أن تسبب التشقق أثناء خطوة التجفيف. يوفر Ultrasonication خلط عالي الكفاءة بحيث يمكن تجنب المذيبات المشتركة المتطايرة مثل الإيثانول. ينتج عن هذا هلام سونو سيليكا يتميز بكثافة أعلى من المواد الهلامية المنتجة تقليديا. [سوسليك وآخرون 1999 ، 319 و.]
تتكون الهلاميات الهوائية التقليدية من مصفوفة منخفضة الكثافة ذات مسام فارغة كبيرة. على النقيض من ذلك ، تتمتع السونوجل بمسامية أدق والمسام على شكل كرة تماما ، مع سطح أملس. تكشف المنحدرات الأكبر من 4 في منطقة الزاوية العالية عن تقلبات كثافة إلكترونية مهمة على حدود مصفوفة المسام [Rosa-Fox et al. 1990].
تظهر صور سطح عينات المسحوق بوضوح أن استخدام الموجات فوق الصوتية أدى إلى تجانس أكبر في متوسط حجم الجسيمات وأدى إلى جزيئات أصغر. بسبب الصوتنة ، ينخفض متوسط حجم الجسيمات بحوالي 3 نانومتر. [ميلاني وآخرون 2011]
أثبتت الآثار الإيجابية للموجات فوق الصوتية في مختلف الدراسات البحثية. على سبيل المثال ، تقرير Neppolian et al. في عملهم أهمية ومزايا الموجات فوق الصوتية في تعديل وتحسين خصائص التحفيز الضوئي لجزيئات TiO2 ذات الحجم النانوي المسامي. [نيبوليان وآخرون 2008]
طلاء نانوي عن طريق تفاعل سول جل بالموجات فوق الصوتية
الطلاء النانوي يعني تغطية المواد بطبقة نانوية أو تغطية كيان بحجم النانو. وبالتالي يتم الحصول على هياكل مغلفة أو قذيفة الأساسية. تتميز هذه المركبات النانوية بخصائص فيزيائية وكيميائية عالية الأداء بسبب الخصائص المحددة المشتركة و / أو التأثيرات الهيكلية للمكونات.
على سبيل المثال ، سيتم عرض إجراء طلاء جزيئات أكسيد القصدير الإنديوم (ITO). يتم طلاء جزيئات أكسيد القصدير الإنديوم بالسيليكا في عملية من خطوتين ، كما هو موضح في دراسة Chen (2009). في الخطوة الكيميائية الأولى ، يخضع مسحوق أكسيد القصدير الإنديوم لعلاج aminosilane suface. والخطوة الثانية هي طلاء السيليكا تحت الموجات فوق الصوتية. لإعطاء مثال محدد على الصوتنة وآثاره ، يتم تلخيص خطوة العملية المقدمة في دراسة تشن أدناه:
العملية النموذجية لهذه الخطوة هي كما يلي: تم خلط 10 جرام GPTS ببطء مع 20 جم من الماء المحمض بواسطة حمض الهيدروكلوريك (HCl) (الرقم الهيدروجيني = 1.5). ثم تمت إضافة 4 جرام من مسحوق أمينوسيلان المعالج المذكور أعلاه إلى الخليط الموجود في زجاجة زجاجية سعة 100 مل. ثم تم وضع الزجاجة تحت مسبار الصوتي للإشعاع المستمر بالموجات فوق الصوتية بطاقة خرج تبلغ 60 واط أو أعلى.
بدأ تفاعل Sol-gel بعد حوالي 2-3 دقائق من التشعيع بالموجات فوق الصوتية ، حيث تم توليد رغوة بيضاء ، بسبب إطلاق الكحول عند التحلل المائي المكثف ل GLYMO (3- (2،3-Epoxypropoxy) propyltrimethoxysilane). تم تطبيق Sonication لمدة 20 دقيقة ، وبعد ذلك تم تقليب المحلول لعدة ساعات أخرى. بمجرد الانتهاء من العملية ، تم جمع الجسيمات عن طريق الطرد المركزي وتم غسلها مرارا وتكرارا بالماء ثم تجفيفها لتوصيف أو الاحتفاظ بها مشتتة في الماء أو المذيبات العضوية. [تشن 2009 ، ص 217]
استنتاج
يؤدي تطبيق الموجات فوق الصوتية على عمليات sol-gel إلى خلط أفضل وإزالة تكتل الجسيمات. ينتج عن هذا حجم جسيمات أصغر وشكل جسيم كروي منخفض الأبعاد ومورفولوجيا محسنة. تتميز ما يسمى بالمواد الهلامية سونو بكثافتها وبنيتها الدقيقة والمتجانسة. يتم إنشاء هذه الميزات بسبب تجنب استخدام المذيبات أثناء تكوين سول ، ولكن أيضا ، وبشكل رئيسي ، بسبب الحالة الأولية المتشابكة للشبكة التي تسببها الموجات فوق الصوتية. بعد عملية التجفيف ، تقدم sonogels الناتجة بنية جسيمات ، على عكس نظيراتها التي تم الحصول عليها دون تطبيق الموجات فوق الصوتية ، والتي هي خيطية. [إسكيفياس وآخرون 2004]
لقد ثبت أن استخدام الموجات فوق الصوتية المكثفة يسمح بخياطة مواد فريدة من عمليات sol-gel. وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة أداة قوية للبحث والتطوير في الكيمياء والمواد.
UIP1000hdT ، خالط بالموجات فوق الصوتية قوي 1000 واط لتخليق سول جل محسن بالموجات فوق الصوتية
الأدب / المراجع
- Hernández, R.; Hernández-Reséndiz, J.R.; Cruz-Ramírez, M.; Velázquez-Castillo, R.; Escobar-Alarcón, L.; Ortiz-Frade, L.; Esquivel, K. (2020): Au-TiO2 Synthesized by a Microwave- and Sonochemistry-Assisted Sol-Gel Method: Characterization and Application as Photocatalyst. Catalysts 2020, 10, 1052.
- Isabel Santacruz, M. Isabel Nieto, Jon Binner, Rodrigo Moreno (2009): Gel casting of aqueous suspensions of BaTiO3 nanopowders. Ceramics International, Volume 35, Issue 1, 2009. 321-326,
- Blanco, E.; Esquivias, L.; Litrán, R.; Pinero, M.; Ramírez-del-Solar, M.; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels and Derived Materials. Appl. Organometal. Chem. 13, 1999. pp. 399-418.
- Chen, Q. (2009): Silica coating of nanoparticles by sonogel process. SIMTech 10/4, 2009. pp. 216-220.
- Esquivias, L.; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M.; Mosquera, M. J. (2004): Structure of Hybrid Colloid-Polymer Xerogels. Langmuir 20/2004. pp. 3416-3423.
- Li, X.; Chen, L.; Li, B.; Li. L. (2005): Preparation of Zirconia Nanopowders in Ultrasonic Field by the Sol-Gel Method. Trans Tech Pub. 2005.
- Rabinovich, E. M. (1994): Sol-Gel Processing – General Principles. In: L. C. Klein (Ed.) Sol-Gel Optics: Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994. pp. 1-37.
- Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M.; Esquivias, L. (2002): Organic-Inorganic Hybrid Materials from Sonogels. 2002.
- Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Structural Studies of silica sonogels. J. Non-Cryst. Solids 121, 1990. pp. 211-215.
- Sakka, S.; Kamya, K. (1982): The Sol-Gel Transition: Formation of Glass Fibers & Thin Films. J. Non-Crystalline Solids 38, 1982. p. 31.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C.; Martínez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: J.-L. Martínez (ed.): Ultrasound in Chemistry: Analytical Applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. pp. 1-16.
- Agda Aline Rocha de Oliveira, Bruna Borba de Carvalho, Herman Sander Mansur, Marivalda de Magalhães Pereira (2014): Synthesis and characterization of bioactive glass particles using an ultrasound-assisted sol–gel process: Engineering the morphology and size of sonogels via a poly(ethylene glycol) dispersing agent.
Materials Letters, Volume 133, 2014. 44-48. - Suslick, K. S.; Price, G. J. (1999): Applications of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999. pp. 295-326.
- Suslick, K. S. (1998): Sonochemistry. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 26, 4th. ed., J. Wiley & Sons: New York, 1998. pp. 517-541.
- https://www.hielscher.com/sonochem