Hielscher Ultralydsteknologi

Sonochemical Virkninger på Sol-Gel Processer

Introduktion

Ultrafine nanostørrelsespartikler og sfæriske formede partikler, tynde filmbelægninger, fibre, porøse og tætte materialer samt yderst porøse aerogeler og xerogeler er yderst potentielle additiver til udvikling og produktion af højtydende materialer. Avancerede materialer, herunder f.eks. Keramik, højt porøse, ultralette aerogeler og organiske uorganiske hybrider kan syntetiseres fra kolloide suspensioner eller polymerer i en væske via sol-gel-metoden. Materialet viser unikke egenskaber, da de dannede solpartikler spænder i nanometerstørrelsen. Dermed er sol-gel-processen en del af nanokemien.
I det følgende gennemgås syntese af nanostørret materiale via ultralydassisterede sol-gel-ruter.

Sol-Gel-proces

Sol-gel og relateret behandling omfatter følgende trin:

  1. fremstilling af sol eller præcipiterende pulver, gelering af solen i en form eller på et substrat (i tilfælde af film) eller fremstilling af en anden sol fra det udfældede pulver og dets gelering eller formning af pulveret i en krop ved ikke-gel-ruter;
  2. tørring;
  3. fyring og sintring. [Rabinovich 1994]
Sol-gel-processer er våd-kemiske veje til fremstilling af gel af metaloxider eller hybridpolymerer

Tabel 1: Trin af Sol-Gel syntese og nedstrøms processer

Effekt ultralyd fremmer sonokemiske reaktioner (Klik for større billede!)

Ultralydglasreaktor til sonochemistry

Anmodning om oplysninger




Bemærk vores Fortrolighedspolitik.


Sol-gel-processer er en våd-kemisk syntetisk teknik til fremstilling af et integreret netværk (såkaldt gel) af metaloxider eller hybridpolymerer. Som forstadier anvendes almindeligvis uorganiske metalsalte, såsom metalchlorider og organiske metalforbindelser, såsom metalalkoxider. Solen – bestående af en suspension af prækursorerne – transformeres til et gelignende diphasisk system, som består i både en væske og en fast fase. De kemiske reaktioner, der opstår under en sol-gel-proces, er hydrolyse, polykondensation og gelering.
Under hydrolyse og polykondensation dannes et kolloid (sol), der består i nanopartikler dispergeret i et opløsningsmiddel. Den eksisterende solfase transformerer til gelen.
Den resulterende gelfase dannes af partikler, hvilken størrelse og dannelse kan variere meget fra adskilte kolloide partikler til kontinuerlige kædelignende polymerer. Formen og størrelsen afhænger af de kemiske forhold. Fra observationer på SiO2 Alkogler kan generelt konkluderes, at en basekatalyseret sol resulterer i en diskret art dannet ved aggregering af monomerklynger, der er mere kompakte og højt forgrenede. De er ramt af sedimentering og tyngdekrafter.
Syrekatalyserede soler stammer fra de stærkt indviklede polymerkæder, der viser en meget fin mikrostruktur og meget små porer, som synes ret ensartede i hele materialet. Dannelsen af ​​et mere åbent kontinuerligt netværk af lavdensitetspolymerer udviser visse fordele med hensyn til fysiske egenskaber ved dannelsen af ​​højtydende glas og glas / keramiske komponenter i 2 og 3 dimensioner. [Sakka et al. 1982]
Ved yderligere bearbejdningstrin bliver det ved spinbelægning eller dyppebelægning muligt at belægge substrater med tynde film eller ved at støbe solen i en form for at danne en såkaldt våd gel. Efter yderligere tørring og opvarmning opnås et tæt materiale.
I yderligere trin i nedstrøms proces kan den opnåede gel behandles yderligere. Via udfældning, spray pyrolyse eller emulsionsteknikker kan ultrafine og ensartede pulvere dannes. Eller såkaldte aerogeler, der er kendetegnet ved høj porøsitet og ekstremt lav densitet, kan skabes ved ekstraktion af væskelagens flydende fase. Derfor kræves der normalt superkritiske forhold.
Ultralydbehandling er en gennemprøvet teknik til forbedring af sol-gel-syntese af nanomaterialer. (Klik for større billede!)

Tabel 2: Ultrasonisk sol-gel-syntese af mesoporøs TiO2 [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

ultralyd med høj effekt

Høj effekt, lavfrekvente ultralyd giver stort potentiale for kemiske processer. Når intense ultralydbølger indføres i et flydende medium, skifter vekslende højtryks- og lavtrykscykler med hastigheder afhængigt af frekvensen. Højtrykscykler betyder kompression, mens lavfrekvenscykluser betyder nedsættelse af mediet. Under lavtrykscyklussen (high-pressure) skaber ultralyd med høj effekt små vakuumbobler i væsken. Disse vakuumbobler vokser over flere cyklusser.
I overensstemmelse hermed er ultralydintensiteten komprimeret og strækker væsken i varierende grad. Det betyder det kavitation bobler kan opføre sig på to måder. Ved lave ultralydsintensiteter på ~ 1-3Wcm-2, cavitation bobler oscillere om nogle ligevægt størrelse for mange akustiske cyklusser. Dette fænomen betegnes som stabil kavitation. Ved høje ultralydintensiteter (≤10Wcm-2) kavitationsboblerne dannes inden for nogle få akustiske cyklusser til en radius på mindst to gange deres indledende størrelse og sammenbrud ved et kompressionspunkt, når boblen ikke kan absorbere mere energi. Dette betegnes transient eller inertial kavitation. Under boble implosion opstår der lokalt såkaldte hot spots, som har ekstreme forhold: Under implosionen nås lokalt meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm). Implanteringen af ​​kavitationsboblen resulterer også i flydende stråler med en hastighed på op til 280m / s, som virker som meget høje forskydningskræfter. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Sono-ormosil

Sonikering er et effektivt værktøj til syntese af polymerer. Under ultralyddispergering og deagglomerering resulterer de kaviationske forskydningskræfter, som strækker ud og bryder molekylærkæderne i en ikke-tilfældig proces, en nedsættelse af molekylvægten og polydispersiteten. Desuden er flerfasesystemer meget effektive spredte og emulgeret, således at der ydes meget fine blandinger. Dette betyder, at ultralyd øger polymeriseringshastigheden over konventionel omrøring og resulterer i højere molekylvægte med lavere polydispersiteter.
Ormosiler (organisk modificeret silicat) opnås, når silan tilsættes til gelafledt silica under sol-gel-processen. Produktet er en molekylskala komposit med forbedrede mekaniske egenskaber. Sono-Ormosils karakteriseres af en højere densitet end klassiske geler samt en forbedret termisk stabilitet. En forklaring kan derfor være den forøgede grad af polymerisering. [Rosa-Fox et al. 2002]

Kraftige ultralydskræfter er en velkendt og pålidelig teknik til udvinding (Klik for større billede!)

ultralyd kavitation i væske

Mesoporøs TiO2 via ultrasonisk sol-gel-syntese

Mesoporøs TiO2 Widley bruges som fotokatalysator såvel som i elektronik, sensorteknologi og miljøreparation. Til optimerede materialer egenskaber, er det rettet mod at producere TiO2 med høj krystallinitet og stort overfladeareal. Den ultralydassisterede sol-gel-rute har den fordel, at de indre og ekstrinsiske egenskaber af TiO2, såsom partikelstørrelsen, overfladeareal, porevolumen, porediameter, krystallinitet såvel som anatase, rutil og brookitfaseforhold kan påvirkes ved at styre parametrene.
Milani et al. (2011) har vist syntesen af ​​TiO2 anatase nanopartikler. Derfor blev sol-gel-processen påført på TiCl4 forløber og begge veje, med og uden ultralyd, er blevet sammenlignet. Resultaterne viser, at ultralydbestråling har en monotont virkning på alle bestanddele af opløsningen fremstillet ved sol-gel-metoden og forårsager brydning af løse forbindelser af store nanometriske kolloider i opløsning. Således er der skabt mindre nanopartikler. De lokalt forekommende høje tryk og temperaturer bryder sammenbindingerne i lange polymerkæder såvel som de svage led, der binder mindre partikler, hvormed større kolloide masser dannes. Sammenligningen af ​​begge TiO2 Prøver i nærvær og i fravær af ultralydbestråling er vist i SEM-billederne nedenfor (se billede 2).

Ultralyd hjælper gelatiniseringsprocessen under sol-gel-syntese. (Klik for større billede!)

Bil. 2: SEM-billeder af TiO2-pwder, calcineret ved 400 ° C i 1 time og gelatineringstid på 24 timer: (a) i nærvær af og (b) i fravær af ultralyd. [Milani et al. 2011]

Endvidere kan kemiske reaktioner udnytte sonokemiske virkninger, som f.eks. Brud på kemiske bindinger, signifikant forbedring af kemisk reaktivitet eller molekylær nedbrydning.

SONO-gels

I Sono-katalytisk assisterede sol-gel-reaktioner, anvendes ultralyd til forstadierne. De resulterende materialer med nye egenskaber er kendt som sonogeler. På grund af fraværet af yderligere opløsningsmiddel i kombination med ultralydet kavitation, skabes et unikt miljø for sol-gel-reaktioner, hvilket muliggør dannelsen af ​​særlige træk i de resulterende geler: høj densitet, fin tekstur, homogen struktur mv. Disse egenskaber bestemmer sonogels udvikling på yderligere behandling og den endelige materialestruktur . [Blanco et al. 1999]
Suslick og Price (1999) viser, at ultralydbestråling af Si (OC2H5)4 i vand med en syrekatalysator frembringer en silica "sonogel". Ved konventionel fremstilling af silica geler fra Si (OC2H5)4, ethanol er et almindeligt anvendt co-opløsningsmiddel på grund af ikke-opløseligheden af ​​Si (OC2H5)4 i vand. Anvendelsen af ​​sådanne opløsningsmidler er ofte problematisk, da de kan forårsage revnedannelse under tørretrinnet. Ultralydbehandling giver en meget effektiv blanding, således at flygtige co-opløsningsmidler som ethanol kan undgås. Dette resulterer i en silicagelgel, der er kendetegnet ved en højere densitet end konventionelt fremstillede geler. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konventionelle aerogeler består af en lavdensitetsmatrix med store tomme porer. Sonogelene har derimod en finere porøsitet, og porerne er ret kugleformede, med en glat overflade. Hældninger større end 4 i højvinkelregionen afslører vigtige elektroniske densitetsudsving på porematrix grænserne [Rosa-Fox et al. 1990].
Billederne af overfladen af ​​pulverprøverne viser tydeligt, at anvendelse af ultralydbølger resulterede i større homogenitet i partikelernes gennemsnitlige størrelse og resulterede i mindre partikler. På grund af lydbehandling reduceres den gennemsnitlige partikelstørrelse med ca. 3 nm. [Milani et al. 2011]
De positive virkninger af ultralyd er bevist i forskellige forskningsundersøgelser. F.eks. Rapporter Neppolian et al. i deres arbejde betydningen og fordelene ved ultralydning i modifikationen og forbedringen af ​​de fotokatalytiske egenskaber af mesoporøse nano-størrelse Ti02-partikler. [Neppolian et al. 2008]

Nanokoering via ultralyd sol-gel reaktion

Nanokoering betyder dækning af materiale med et nanoskalet lag eller dækningen af ​​en nanostørret enhed. Dermed opnås indkapslede eller kerne-skalstrukturer. Sådanne nano kompositter har fysiske og kemiske højtydende egenskaber på grund af kombinerede specifikke egenskaber og / eller strukturelle effekter af komponenterne.
Eksempelvis vil belægningsproceduren for indiumtinoxid (ITO) partikler påvises. ITO-partikler er overtrukket med silica i en to-trins proces, som vist i en undersøgelse af Chen (2009). I det første kemiske trin gennemgår indiumtinoxidpulveret en aminosilan-overfladebehandling. Det andet trin er silica-belægningen under ultralydbehandling. For at give et specifikt eksempel på sonikering og dens virkninger, er processteget, der præsenteres i Chens undersøgelse, opsummeret nedenfor:
En typisk fremgangsmåde til dette trin er som følger: 10g GPTS blandedes langsomt med 20 g vand forsuret med saltsyre (HCI) (pH = 1,5). 4 g førnævnte aminosilan behandlede pulver blev derefter tilsat til blandingen, anbragt i en 100 ml glasflaske. Flasken blev derefter placeret under proben af ​​sonikatoren til kontinuerlig ultralyd bestråling med en udgangseffekt på 60 W eller derover.
Sol-gel-reaktion blev initieret efter ca. 2-3 min ultralydbestråling, hvorpå hvidt skum blev dannet på grund af frigivelsen af ​​alkohol ved omfattende hydrolyse af GLYMO (3- (2,3-epoxypropoxy) propyltrimethoxysilan). Sonikation blev påført i 20 minutter, hvorefter opløsningen blev omrørt i adskillige flere timer. Når processen var færdig, blev partikler samlet ved centrifugering og blev vasket gentagne gange med vand og derefter enten tørret til karakterisering eller holdt dispergeret i vand eller organiske opløsningsmidler. [Chen 2009, s.217]

Konklusion

Anvendelsen af ​​ultralyd til sol-gel-processer fører til en bedre blanding og partiklernes deagglomerering. Dette resulterer i mindre partikelstørrelse, sfærisk, lavdimensionel partikelform og forbedret morfologi. Såkaldte sono-geler er karakteriseret ved deres tæthed og fine, homogene struktur. Disse egenskaber opstår på grund af undgås anvendelse af opløsningsmiddel under soldannelsen, men også og hovedsagelig på grund af den oprindelige tværbundne tilstand af retikulation induceret af ultralyd. Efter tørringsprocessen frembringer de resulterende sonogeler en partikelformet struktur, i modsætning til deres modparter opnået uden anvendelse af ultralyd, som er trådformede. [Esquivias et al. 2004]
Det har vist sig, at brugen af ​​intens ultralyd gør det muligt at skræddersy unikke materialer fra sol-gel-processer. Dette gør ultralyd med høj effekt et kraftfuldt værktøj til forskning og udvikling inden for kemi og materialer.

Kontakt os / bede om flere oplysninger

Tal med os om dine forarbejdning krav. Vi vil anbefale de bedst egnede setup og procesparametre til dit projekt.





Bemærk venligst, at vores Fortrolighedspolitik.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

1kW ultralyd recirkulationsopsætning med pumpe og holdtank giver mulighed for sofistikeret behandling

Litteratur / Referencer

  • Blanco, E .; Esquivias, L .; Litrán, R .; Pinero, M .; Ramírez-del-Solar, M .; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels og Derived Materials. Appl. Organometal. Chem. 13, 1999, s. 399-418.
  • Chen, Q .; Boothroyd, C .; Mcintosh Soutar, A .; Zeng, XT (2010): Sol-gel nanokoering på kommercielt TiO2 nanopowder ved hjælp af ultralyd. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, 2010. s. 115-120.
  • Chen, Q. (2009): Siliciumcoating af nanopartikler ved sonogel-proces. SIMTech 10/4, 2009. s. 216-220.
  • Esquivias, L .; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M .; Mosquera, MJ (2004): Structure of Hybrid Colloid-Polymer Xerogels. Langmuir 20/2004. s. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): Syntese af TiO2-nanopulver ved Sol-Gel-metoden og dens anvendelse som fotokatalysator. J. Iran. Chem. Soc. 7, 2010. s. 154-160.
  • Li, X .; Chen, L .; Li, B .; Li. L. (2005): Fremstilling af zirconia nanopoeder i ultralydfelt ved Sol-Gel-metoden. Trans Tech Pub. 2005.
  • Neppolian, B .; Wang, Q .; Jung, H .; Choi, H. (2008): Ultralydassisteret sol-gel metode til fremstilling af TiO2 nano-partikler: Karakterisering, egenskaber og anvendelse af 4-chlorphenol-fjernelse. Ultrason. Sonochem. 15, 2008. s. 649-658.
  • Pierre, AC; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerogeler. I: MA Aegerter et al. (eds.): Aerogels Handbook, fremskridt i Sol-Gel-afledte materialer og teknologier. Springer Science + Business: New York, 2011. s. 21-45.
  • Rabinovich, EM (1994): Sol-Gel Processing - Generelle Principer. I: LC Klein (Ed.) Sol-Gel Optik: Behandling og applikationer. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994, s. 1-37.
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M .; Esquivias, L. (2002): Organisk-uorganiske hybridmaterialer fra Sonogels. 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Strukturelle studier af silica-sonogeler. J. Non-Cryst. Faststoffer 121, 1990, s. 211-215.
  • Sakka, S .; Kamya, K. (1982): Sol-gel-overgangen: dannelse af glasfibre & Tynde film. J. Ikke-krystallinske faste stoffer 38, 1982. s. 31.
  • Santos, HM; Lodeiro, C .; Martínez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. I: J.-L. Martínez (red.): Ultralyd i kemi: Analytiske applikationer. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. s. 1-16.
  • Shahruz, N .; Hossain, MM (2011): Syntese og Størrelse Kontrol af TiO2 Fotokatalysator Nanopartikler Fremstilling Brug Sol-Gel Metode. Verdens Appl. Sci. J. 12, 2011. pp. 1981-1986.
  • Suslick, KS; Price, GJ (1999): Anvendelser af ultralyd til materialekemi. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999, s. 295-326.
  • Suslick, KS (1998): Sonochemistry. I: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 26, 4th. Ed., J. Wiley & Sønner: New York, 1998, s. 517-541.
  • Verma, LY; Singh, MP; Singh, RK (2012): Effekt af ultralydbestråling på fremstilling og egenskaber af ionogeler. J. Nanomat. 2012.
  • Zhang, L.-Z .; Yu, J .; Yu, JC (2002): Direkte Sonokemisk forberedelse af højfotoaktivt mesoporøst titandioxid med en bicrystallinsk ramme. Abstracts af det 201. møde i Det Elektrokemiske Samfund, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem