تأثيرات سونوكيميائية على عمليات سول جل

مقدمة

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:

  1. 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 ؛
  2. تجفيف;
  3. إطلاق النار والتلبيد. [رابينوفيتش 1994]
عمليات Sol-gel هي طرق كيميائية رطبة لتصنيع هلام أكاسيد المعادن أو البوليمرات الهجينة

الجدول 1: خطوات تخليق Sol-Gel وعمليات المصب

تعزز الموجات فوق الصوتية الطاقة التفاعلات الكيميائية الصوتية (انقر للتكبير!)

مفاعل الزجاج بالموجات فوق الصوتية ل sonochemistry

طلب معلومات




لاحظ لدينا سياسة الخصوصية.


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 يمكن استنتاج Alcogels بشكل عام أن SOL المحفز بالقاعدة ينتج عنه نوع منفصل يتكون من تجميع مجموعات المونومر ، 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.
Ultrasonication هي تقنية مجربة لتحسين توليف سول جل للمواد النانوية. (اضغط للتكبير!)

الجدول 2: توليف سول جل بالموجات فوق الصوتية من TiO2 المسامية [يو وآخرون ، Chem. Commun. 2003 ، 2078]

الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة

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 التجويف يمكن أن تتصرف الفقاعات بطريقتين. بكثافة منخفضة بالموجات فوق الصوتية ~ 1-3Wcm-2، تتأرجح فقاعات التجويف حول بعض حجم التوازن للعديد من الدورات الصوتية. وتسمى هذه الظاهرة التجويف المستقر. بكثافة عالية فوق صوتية (≤10Wcm-2) تتشكل فقاعات التجويف في غضون بضع دورات صوتية إلى دائرة نصف قطرها ضعف حجمها الأولي على الأقل وتنهار عند نقطة ضغط عندما لا تستطيع الفقاعة امتصاص المزيد من الطاقة. وهذا ما يسمى التجويف العابر أو القصور الذاتي. أثناء انفجار الفقاعة ، تحدث ما يسمى محليا بالنقاط الساخنة ، والتي تتميز بظروف قاسية: أثناء الانفجار الداخلي ، يتم الوصول إلى درجات حرارة عالية جدا محليا (حوالي 5000 كلفن) وضغوط (حوالي 2000 ضغط جوي). ينتج عن انفجار فقاعة التجويف أيضا نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280 م / ث ، والتي تعمل كقوى قص عالية جدا. [سوسليك 1998 / سانتوس وآخرون 2009]

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 فعالة للغاية متفرق و مستحلب، 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]

قوى الموجات فوق الصوتية القوية هي تقنية معروفة وموثوقة للاستخراج (انقر للتكبير!)

Ultrasonic التجويف في السائل

تيو مسامية2 عبر توليف سول جل بالموجات فوق الصوتية

تيو مسامية2 يستخدم Widley كمحفز ضوئي وكذلك في الإلكترونيات وتكنولوجيا الاستشعار والمعالجة البيئية. للحصول على خصائص المواد المحسنة ، فإنه يهدف إلى إنتاج TiO2 مع تبلور عالية 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 من خلال التحكم في المعلمات.
أظهر Milani et al. (2011) توليف TiO2 الجسيمات النانوية أناتاز. لذلك ، تم تطبيق عملية sol-gel على TiCl4 السلائف وكلا الاتجاهين ، مع وبدون الموجات فوق الصوتية ، تمت مقارنتها. 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. مقارنة كل من TiO2 تظهر العينات ، في وجود وغياب التشعيع بالموجات فوق الصوتية ، في صور SEM أدناه (انظر الصورة 2).

تساعد الموجات فوق الصوتية في عملية الجلتنة أثناء تخليق سول جل. (اضغط للتكبير!)

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

في سونو التحفيزي ردود الفعل سول هلام بمساعدة ، يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية على السلائف. تعرف المواد الناتجة ذات الخصائص الجديدة باسم sonogels. بسبب عدم وجود مذيب إضافي في تركيبة مع الموجات فوق الصوتية التجويف، يتم إنشاء بيئة فريدة لتفاعلات سول-هلام، مما يسمح بتكوين ميزات معينة في المواد الهلامية الناتجة: الكثافة العالية، والملمس الناعم، والبنية المتجانسة، وما إلى ذلك. 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 ITO 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]

Conclusion

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.

اتصل بنا / اطلب المزيد من المعلومات

تحدث إلينا حول متطلبات المعالجة الخاصة بك. سوف نوصي بأنسب معلمات الإعداد والمعالجة لمشروعك.





يرجى ملاحظة سياسة الخصوصية.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

يسمح إعداد إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية 1kW مع المضخة وخزان التثبيت بمعالجة متطورة

Literature/References

  • بلانكو ، إي ؛ إسكيفياس ، ل. ليتران ، ر. بينيرو ، م. ؛ راميريز ديل سولار ، م. Rosa_Fox ، N. de la (1999): Sonogels والمواد المشتقة. Appl. العضوية المعدنية. كيمياء 13 ، 1999. ص 399-418.
  • تشين ، كيو ؛ بوثرويد ، سي ؛ ماكنتوش سوتار ، أ. Zeng، X. T. (2010): طلاء نانوي Sol-gel على مسحوق TiO2 النانوي التجاري باستخدام الموجات فوق الصوتية. J. سول جيل العلوم تكنول. 53 ، 2010. ص 115-120.
  • Chen، Q. (2009): طلاء السيليكا للجسيمات النانوية بواسطة عملية sonogel. SIMTech 10/4 ، 2009. ص 216-220.
  • إسكيفياس ، ل. روزا فوكس ، ن. دي لا ؛ بيخارانو ، م. ؛ موسكيرا ، إم جي (2004): هيكل الهجين الغرواني البوليمر Xerogels. لانغموير 20/2004. ص 3416-3423.
  • كرامي ، أ. (2010): تخليق مسحوق النانو TiO2 بطريقة Sol-gel واستخدامه كمحفز ضوئي. ج. إيران. كيمياء شركة 7 ، 2010. ص 154-160.
  • لي ، إكس ؛ تشين ، ل. لي ، ب. ؛ Li. L. (2005): تحضير مساحيق زركونيا النانوية في مجال الموجات فوق الصوتية بطريقة Sol-Gel. حانة ترانس تك 2005.
  • نيبوليان ، ب. ؛ وانغ ، كيو ؛ جونغ ، ه. Choi، H. (2008): طريقة سول جل بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإعداد جزيئات النانو TiO2: التوصيف والخصائص وتطبيق إزالة 4-كلوروفينول. الموجات فوق الصوتية. سونوكيم. 15, 2008. ص 649-658.
  • بيير ، أ. س. ؛ ريجاتشي ، أ. (2011): سيو2 الهلاميات الهوائية. في: M.A. Aegerter et al. (محرران): دليل Aerogels ، التقدم في المواد والتقنيات المشتقة من Sol-Gel. سبرينغر للعلوم + الأعمال: نيويورك ، 2011. ص 21-45.
  • رابينوفيتش ، إي إم (1994): معالجة Sol-Gel - مبادئ عامة. في: L. C. Klein (محرر) بصريات Sol-Gel: المعالجة والتطبيقات. كلوير للنشر الأكاديمي: بوسطن ، 1994. ص 1-37.
  • روزا فوكس ، ن. دي لا ؛ بينيرو ، م. ؛ Esquivias، L. (2002): المواد الهجينة العضوية غير العضوية من Sonogels. 2002.
  • روزا فوكس ، ن. دي لا ؛ Esquivias، L. (1990): الدراسات الهيكلية لسونوغل السيليكا. J. غير كريست. المواد الصلبة 121 ، 1990. ص 211-215.
  • السقا ، س. ؛ كاميا ، ك. (1982): انتقال سول جيل: تكوين الألياف الزجاجية & الأغشية الرقيقة. J. المواد الصلبة غير البلورية 38 ، 1982. ص. 31.
  • سانتوس ، إتش إم ؛ لوديرو ، سي ؛ مارتينيز، ج. (2009): قوة الموجات فوق الصوتية. في: ج.-ل. مارتينيز (محرر): الموجات فوق الصوتية في الكيمياء: التطبيقات التحليلية. وايلي VCH: وينهايم ، 2009. ص 1-16.
  • شهروز ، ن. حسين ، م. م. (2011): توليف والتحكم في حجم تحضير الجسيمات النانوية للمحفز الضوئي TiO2 باستخدام طريقة Sol-Gel. تطبيق العالم. Sci. J. 12 ، 2011. ص 1981-1986.
  • سوسليك ، ك. س. ؛ برايس ، جي جي (1999): تطبيقات الموجات فوق الصوتية على كيمياء المواد. أنو. القس ماتر. العلوم 29 ، 1999. ص 295-326.
  • سوسليك ، ك. س. (1998): سونوكيمياء. في: موسوعة كيرك أوثمر للتكنولوجيا الكيميائية ، المجلد 26 ، 4ال. إد ، جيه وايلي & الأبناء: نيويورك ، 1998. ص 517-541.
  • فيرما ، إل واي ؛ سينغ ، م. ب. ؛ سينغ ، ر. ك. (2012): تأثير التشعيع بالموجات فوق الصوتية على إعداد وخصائص الأيونوجيل. ج. نانومات. 2012.
  • تشانغ ، L.-Z. ؛ يو ، ج. ؛ Yu، JC (2002): التحضير المباشر للسونوكيميائي لثاني أكسيد التيتانيوم المسامي عالي النشاط الضوئي مع إطار ثنائي البلورية. ملخصات الاجتماع 201 للجمعية الكهروكيميائية ، 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem

سنكون سعداء لمناقشة العملية الخاصة بك.

Let's get in contact.