Sol-Gel Proseslərinə Sonokimyəvi Təsirlər
Ultra incə nanoölçülü hissəciklər və sferik formalı hissəciklər, nazik film örtükləri, liflər, məsaməli və sıx materiallar, həmçinin son dərəcə məsaməli aerojellər və kserogellər yüksək performanslı materialların inkişafı və istehsalı üçün yüksək potensiallı əlavələrdir. Qabaqcıl materiallar, o cümlədən keramika, yüksək məsaməli, ultra yüngül aeroqellər və üzvi-qeyri-üzvi hibridlər sol-gel üsulu ilə mayedə koloidal süspansiyonlardan və ya polimerlərdən sintez edilə bilər. Yaranan sol hissəcikləri nanometr ölçüsündə olduğu üçün material unikal xüsusiyyətlərə malikdir. Beləliklə, sol-gel prosesi nanokimyanın bir hissəsidir.
Aşağıda ultrasəs köməyi ilə sol-gel marşrutları vasitəsilə nano ölçülü materialın sintezi nəzərdən keçirilir.
Sol-Gel Prosesi
Sol-gel və əlaqəli emal aşağıdakı addımları əhatə edir:
- solun və ya çökdürən tozun hazırlanması, solun qəlibdə və ya substratda (plyonkalar olduqda) jelləşdirilməsi və ya çökdürülmüş tozdan və onun gelləşməsindən ikinci solun hazırlanması və ya tozun gel olmayan yollarla gövdəyə formalaşdırılması;
- qurutma;
- yandırma və sinterləmə. [Rabinoviç 1994]
Cədvəl 1: Sol-Gel sintezinin mərhələləri və aşağı axın prosesləri
Sol-gel reaksiyaları üçün ultrasəs reaktoru
Sol-gel prosesləri metal oksidləri və ya hibrid polimerlərin inteqrasiya olunmuş şəbəkəsinin (sözdə gel) istehsalı üçün nəm-kimyəvi sintez üsuludur. Prekursorlar olaraq, adətən metal xloridlər kimi qeyri-üzvi metal duzları və metal alkoksidlər kimi üzvi metal birləşmələri istifadə olunur. Sol – prekursorların dayandırılmasından ibarətdir – həm maye, həm də bərk fazadan ibarət geləbənzər difaz sistemə çevrilir. Sol-gel prosesi zamanı baş verən kimyəvi reaksiyalar hidroliz, polikondensasiya və gelləşmədir.
Hidroliz və polikondensasiya zamanı həlledicidə səpələnmiş nanohissəciklərdən ibarət kolloid (sol) əmələ gəlir. Mövcud sol fazası gelə çevrilir.
Nəticədə yaranan gel-faza ölçüsü və formalaşması diskret kolloid hissəciklərdən davamlı zəncirvari polimerlərə qədər çox dəyişə bilən hissəciklər tərəfindən əmələ gəlir. Forma və ölçü kimyəvi şəraitdən asılıdır. SiO2 alkogelləri üzərində aparılan müşahidələrdən ümumiyyətlə belə nəticəyə gəlmək olar ki, baza katalizli sol daha yığcam və yüksək şaxələnmiş monomer-klasterlərin aqreqasiyası nəticəsində əmələ gələn diskret növlə nəticələnir. Onlara çöküntü və cazibə qüvvəsi təsir edir.
Turşu-katalizli sollar çox incə mikrostruktur və material boyu kifayət qədər vahid görünən çox kiçik məsamələri göstərən çox dolaşıq polimer zəncirlərindən əmələ gəlir. Aşağı sıxlıqlı polimerlərin daha açıq davamlı şəbəkəsinin formalaşması 2 və 3 ölçülü yüksək performanslı şüşə və şüşə/keramika komponentlərinin formalaşmasında fiziki xassələrə görə müəyyən üstünlüklər nümayiş etdirir. [Sakka et al. 1982]
Sonrakı emal mərhələlərində, spin-örtmə və ya dip-örtmə yolu ilə substratları nazik təbəqələrlə örtmək və ya solunu qəlibə tökmək, sözdə yaş gel yaratmaq mümkün olur. Əlavə qurutma və qızdırmadan sonra sıx bir material əldə ediləcəkdir.
Aşağı axın prosesinin sonrakı mərhələlərində əldə edilən gel daha da emal edilə bilər. Yağış, sprey piroliz və ya emulsiya üsulları ilə ultra incə və vahid tozlar əmələ gələ bilər. Yaxud yüksək gözeneklilik və son dərəcə aşağı sıxlıq ilə xarakterizə olunan sözdə aeroqellər yaş gelin maye fazasının çıxarılması ilə yaradıla bilər. Buna görə də, adətən superkritik şərtlər tələb olunur.
Cədvəl 2: Mesoporous TiO2-nin ultrasəs sol-gel sintezi [Yu et al., Chem. Kommun. 2003, 2078]
Yüksək Güclü Ultrasəs və Onun Sonokimyəvi Təsirləri
Yüksək güclü, aşağı tezlikli ultrasəs kimyəvi proseslər üçün yüksək potensial təklif edir. Güclü ultrasəs dalğaları maye mühitə daxil edildikdə, tezlikdən asılı olaraq yüksək təzyiq və aşağı təzyiq dövrləri baş verir. Yüksək təzyiq dövrləri sıxılma deməkdir, aşağı tezlikli dövrlər isə mühitin seyrəkləşməsi deməkdir. Aşağı təzyiq (nadir) dövrü zamanı yüksək güclü ultrasəs mayedə kiçik vakuum qabarcıqları yaradır. Bu vakuum qabarcıqları bir neçə dövr ərzində böyüyür.
Ultrasəsin intensivliyinə uyğun olaraq, maye müxtəlif dərəcələrdə sıxılır və uzanır. Bu o deməkdir ki, kavitasiya baloncukları iki şəkildə davrana bilər. Təxminən 1-3 Vt/sm² aşağı ultrasəs intensivliyində kavitasiya qabarcıqları bir çox akustik dövrlər üçün tarazlıq ölçüsü ətrafında salınır. Bu fenomen sabit kavitasiya adlanır. Daha yüksək ultrasəs intensivliklərində (10 Vt/sm²-ə qədər) kavitasiya qabarcıqları bir neçə akustik dövr ərzində əmələ gəlir və qabarcıq enerjini udmaq mümkün olmadıqda sıxılma nöqtəsində çökməzdən əvvəl ilkin ölçüsündən ən azı iki dəfə böyük radiusa çatır. Buna keçici və ya inertial kavitasiya deyilir. Baloncuk partlaması zamanı ekstremal şəraiti özündə əks etdirən yerli olaraq adlandırılan qaynar nöqtələr meydana gəlir: çox yüksək temperatur (təxminən 5000 K) və təzyiqlərə (təxminən 2000 atm) çatılır. Kavitasiya qabarcığının partlaması həmçinin 280 m/s-ə qədər sürətə malik maye reaktivləri ilə nəticələnir ki, bu da çox yüksək kəsmə qüvvələri yaradır. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]
Yüksək Güclü Ultrasonikator UIP1500hdT sol-gel reaksiyalarının davamlı sonokimyəvi intensivləşdirilməsi üçün
Sono-Ormosil
Sonikasiya polimerlərin sintezi üçün effektiv vasitədir. Ultrasəs dispersiyası və deaqlomerasiya zamanı molekulyar zəncirləri qeyri-təsadüfi prosesdə uzanan və qıran kaviasiya kəsmə qüvvələri molekulyar çəkinin və polidispersliyin azalması ilə nəticələnir. Bundan əlavə, çoxfazalı sistemlər çox səmərəli səpələnmiş və emulsiyalaşdırılmışdır, beləliklə çox incə qarışıqlar təmin edilir. Bu o deməkdir ki, ultrasəs adi qarışdırma ilə müqayisədə polimerləşmə sürətini artırır və daha aşağı polidispersiya ilə daha yüksək molekulyar çəkilərlə nəticələnir.
Ormosillər (üzvi modifikasiya edilmiş silikat) sol-gel prosesi zamanı geldən əldə edilən silisiumun tərkibinə silan əlavə edildikdə əldə edilir. Məhsul təkmilləşdirilmiş mexaniki xassələrə malik molekulyar miqyaslı kompozitdir. Sono-Ormosils klassik gellərə nisbətən daha yüksək sıxlıq və yaxşılaşdırılmış istilik sabitliyi ilə xarakterizə olunur. Buna görə bir izahat artan polimerləşmə dərəcəsi ola bilər. [Rosa-Fox et al. 2002]
Ultrasonik Sol-Gel Sintezi vasitəsilə Mesoporous TiO2
Mesoporous TiO2 fotokatalizator kimi, eləcə də elektronika, sensor texnologiyası və ətraf mühitin bərpasında istifadə olunur. Optimallaşdırılmış material xassələri üçün yüksək kristallıq və geniş səth sahəsi ilə TiO2 istehsal etmək məqsədi daşıyır. Ultrasəs köməyi ilə sol-gel marşrutunun üstünlüyü var ki, TiO2-nin hissəcik ölçüsü, səth sahəsi, məsamə həcmi, məsamə diametri, kristallıq, eləcə də anataza, rutil və brookit faza nisbətləri kimi daxili və xarici xüsusiyyətlərinə təsir göstərə bilər. parametrlərinə nəzarət etməklə.
Milani və başqaları. (2011) TiO2 anataza nanohissəciklərinin sintezini nümayiş etdirmişlər. Buna görə də, sol-gel prosesi TiCl4 prekursoruna tətbiq edildi və ultrasəslə və ultrasəssiz hər iki yol müqayisə edildi. Nəticələr göstərir ki, ultrasəs şüalanması sol-gel üsulu ilə hazırlanmış məhlulun bütün komponentlərinə monoton təsir göstərir və məhlulda iri nanometrik kolloidlərin boş bağlarının qırılmasına səbəb olur. Beləliklə, daha kiçik nanohissəciklər yaranır. Yerli olaraq meydana gələn yüksək təzyiqlər və temperaturlar uzun polimer zəncirlərindəki bağları, eləcə də daha kiçik hissəcikləri birləşdirən zəif halqaları qırır, onların vasitəsilə daha böyük kolloid kütlələr əmələ gəlir. Hər iki TiO2 nümunəsinin ultrasəs şüalanmasının mövcudluğu və olmaması ilə müqayisəsi aşağıdakı SEM şəkillərində göstərilir (Şəkil 2-yə baxın).
Şəkil. 2: TiO2 pwderinin SEM şəkilləri, 1 saat ərzində 400 deqC-də kalsinasiya edilmiş və 24 saat jelatinləşmə vaxtı: (a) ultrasəs olduqda və (b) olmadıqda. [Milani və başqaları. 2011]
Bundan əlavə, kimyəvi reaksiyalar, məsələn, kimyəvi bağların qırılması, kimyəvi reaktivliyin əhəmiyyətli dərəcədə artması və ya molekulyar deqradasiya daxil olmaqla, sonokimyəvi təsirlərdən faydalana bilər.
sono-gellər – Sonokimyəvi cəhətdən gücləndirilmiş Sol-Gel reaksiyaları
Sono-katalitik yardımlı sol-gel reaksiyalarında, prekursorlara ultrasəs tətbiq olunur. Yeni xüsusiyyətlərə malik olan materiallar sonogels kimi tanınır. Akustik kavitasiya ilə birlikdə əlavə həlledicinin olmaması səbəbindən sol-gel reaksiyaları üçün unikal mühit yaradılır ki, bu da yaranan gellərdə xüsusi xüsusiyyətlərin formalaşmasına imkan verir: yüksək sıxlıq, incə tekstura, homojen struktur və s. Bu xüsusiyyətlər müəyyən edir. sonrakı emal və son material strukturu haqqında sonogels təkamül. [Blanco et al. 1999]
Suslick və Price (1999) göstərir ki, Si(OC) ultrasəs şüalanması2H5)4 turşu katalizatoru olan suda silisium "sonogel" əmələ gətirir. Silikagellərin ənənəvi hazırlanmasında Si(OC2H5)4, etanol, Si(OC2H5)4 suda. Belə həlledicilərin istifadəsi çox vaxt problemlidir, çünki onlar qurutma mərhələsində çatlamağa səbəb ola bilər. Ultrasonication yüksək səmərəli qarışdırma təmin edir, belə ki, etanol kimi uçucu birgə həlledicilərdən qaçınmaq olar. Bu, şərti olaraq istehsal olunan gellərdən daha yüksək sıxlıqla xarakterizə edilən silisium sono-gel ilə nəticələnir. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Adi aerojellər böyük boş məsamələri olan aşağı sıxlıqlı matrisdən ibarətdir. Sonogellər, əksinə, daha incə məsamələrə malikdir və məsamələr hamar bir səthə malik olduqca kürə şəklindədir. Yüksək bucaq bölgəsində 4-dən çox olan yamaclar məsamə-matris sərhədlərində mühüm elektron sıxlıq dalğalanmalarını aşkar edir [Rosa-Fox et al. 1990].
Toz nümunələrinin səthinin təsvirləri aydın şəkildə göstərir ki, ultrasəs dalğalarından istifadə hissəciklərin orta ölçüsündə daha çox homojenliyə və daha kiçik hissəciklərə səbəb olmuşdur. Sonikasiya səbəbiylə orta hissəcik ölçüsü təqribən azalır. 3 nm. [Milani və başqaları. 2011]
Ultrasəsin müsbət təsiri müxtəlif tədqiqat işlərində sübut edilmişdir. Məsələn, Neppolian et al. öz işlərində mezoporoz nanoölçülü TiO2 hissəciklərinin fotokatalitik xüsusiyyətlərinin modifikasiyası və təkmilləşdirilməsində ultrasəsləşdirmənin əhəmiyyəti və üstünlükləri. [Neppolian et al. 2008]
Ultrasonik sol-gel reaksiyası ilə nano örtük
Nano örtük materialın nanoölçülü təbəqə ilə örtülməsi və ya nanoölçülü obyektin örtülməsi deməkdir. Beləliklə, kapsullaşdırılmış və ya nüvə qabığı strukturları əldə edilir. Belə nanokompozitlər komponentlərin birləşmiş spesifik xüsusiyyətləri və/yaxud struktur təsirləri səbəbindən fiziki və kimyəvi yüksək performans xüsusiyyətlərinə malikdir.
Nümunə olaraq indium qalay oksidi (İTO) hissəciklərinin örtülməsi proseduru nümayiş etdiriləcək. İndium qalay oksidi hissəcikləri, Chen (2009) tədqiqatında göstərildiyi kimi, iki addımlı bir prosesdə silisium ilə örtülmüşdür. İlk kimyəvi mərhələdə indium qalay oksidi tozu aminosilan səthi müalicəsindən keçir. İkinci addım ultrasəs altında silisium örtüyüdür. Sonikasiya və onun təsirlərinə xüsusi bir nümunə vermək üçün Çenin araşdırmasında təqdim olunan proses addımı aşağıda ümumiləşdirilmişdir:
Bu addım üçün tipik bir proses aşağıdakı kimidir: 10 q GPTS xlorid turşusu (HCl) (pH = 1,5) ilə turşulaşdırılmış 20 q su ilə yavaş-yavaş qarışdırılır. Daha sonra 100 ml şüşə qabda olan qarışığa 4 q yuxarıda göstərilən aminosilanla işlənmiş toz əlavə edildi. Şüşə daha sonra 60 Vt və ya daha çox çıxış gücü ilə davamlı ultrasəs şüalanması üçün sonikatorun zondunun altına yerləşdirildi.
Sol-gel reaksiyası təxminən 2-3 dəqiqəlik ultrasəs şüalanmasından sonra başladıldı, bunun nəticəsində GLYMO-nun (3-(2,3-Epoksipropoksi)propiltrimetoksisilan) geniş hidrolizindən sonra spirtin ayrılması səbəbindən ağ köpük əmələ gəldi. Sonication 20 dəqiqə tətbiq olundu, bundan sonra məhlul bir neçə saat daha qarışdırıldı. Proses başa çatdıqdan sonra hissəciklər sentrifuqa üsulu ilə toplandı və dəfələrlə su ilə yuyuldu, sonra ya xarakteristika üçün qurudulmuş, ya da suda və ya üzvi həlledicilərdə səpələnmiş halda saxlanılmışdır. [Çen 2009, s.217]
Nəticə
Sol-gel proseslərinə ultrasəsin tətbiqi daha yaxşı qarışmağa və hissəciklərin deaglomerasiyasına gətirib çıxarır. Bu, kiçik hissəciklərin ölçüsü, sferik, aşağı ölçülü hissəcik forması və inkişaf etmiş morfologiya ilə nəticələnir. Sözdə sono-gellər onların sıxlığı və incə, homojen quruluşu ilə xarakterizə olunur. Bu xüsusiyyətlər solventin formalaşması zamanı həlledicinin istifadəsindən qaçınmaqla yanaşı, həm də və əsasən, ultrasəs tərəfindən induksiya olunan retikulyasiyanın ilkin çarpaz bağlı vəziyyəti səbəbindən yaradılır. Qurutma prosesindən sonra yaranan sonogels, ultrasəs tətbiq etmədən əldə edilən həmkarlarından fərqli olaraq, filamentli olan hissəcikli bir quruluş təqdim edir. [Esquivias et al. 2004]
Göstərilmişdir ki, intensiv ultrasəsdən istifadə sol-gel proseslərindən unikal materialların hazırlanmasına imkan verir. Bu, yüksək güclü ultrasəsi kimya və materialların tədqiqatı və inkişafı üçün güclü bir vasitə halına gətirir.
UIP1000hdT, 1000 vatt güclü ultrasəs homojenizatoru sonokimyəvi cəhətdən təkmilləşdirilmiş sol-gel sintezi üçün
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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