Ηχοχημικές επιδράσεις στις διεργασίες Sol-Gel

Υπερηχογράφημα υψηλής ισχύος

Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος, χαμηλής συχνότητας προσφέρει υψηλές δυνατότητες για χημικές διεργασίες. Όταν έντονα υπερηχητικά κύματα εισάγονται σε ένα υγρό μέσο, εμφανίζονται εναλλασσόμενοι κύκλοι υψηλής πίεσης και χαμηλής πίεσης με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Οι κύκλοι υψηλής πίεσης σημαίνουν συμπίεση, ενώ οι κύκλοι χαμηλής συχνότητας σημαίνουν αραίωση του μέσου. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης (αραίωση), ο υπέρηχος υψηλής ισχύος δημιουργεί μικρές φυσαλίδες κενού στο υγρό. Αυτές οι φυσαλίδες κενού αναπτύσσονται σε διάφορους κύκλους.
Ανάλογα με την ένταση του υπερήχου, το υγρό συμπιέζεται και τεντώνεται σε διάφορους βαθμούς. Αυτό σημαίνει ότι το σπηλαίωση Οι φυσαλίδες μπορούν να συμπεριφέρονται με δύο τρόπους. Σε χαμηλές υπερηχητικές εντάσεις ~1-3Wcm^-2, οι φυσαλίδες σπηλαίωσης ταλαντεύονται περίπου σε κάποιο μέγεθος ισορροπίας για πολλούς ακουστικούς κύκλους. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σταθερή σπηλαίωση. Σε υψηλές εντάσεις υπερήχων (≤10Wcm^-2) οι φυσαλίδες σπηλαίωσης σχηματίζονται μέσα σε λίγους ακουστικούς κύκλους σε ακτίνα τουλάχιστον διπλάσια του αρχικού τους μεγέθους και καταρρέουν σε ένα σημείο συμπίεσης όταν η φυσαλίδα δεν μπορεί να απορροφήσει περισσότερη ενέργεια. Αυτό ονομάζεται παροδική ή αδρανειακή σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης φυσαλίδων, εμφανίζονται τοπικά τα λεγόμενα θερμά σημεία, τα οποία χαρακτηρίζονται από ακραίες συνθήκες: Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης, επιτυγχάνονται τοπικά πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm). Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρούς πίδακες ταχύτητας έως 280m / s, οι οποίοι δρουν ως πολύ υψηλές δυνάμεις διάτμησης. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Μεσοπορώδες TiO₂ μέσω υπερήχων Sol-Gel Σύνθεση

Μεσοπορώδες TiO₂ Χρησιμοποιείται το Widley ως φωτοκαταλύτης καθώς και στην ηλεκτρονική, την τεχνολογία αισθητήρων και την περιβαλλοντική αποκατάσταση. Για βελτιστοποιημένες ιδιότητες υλικών, στοχεύει στην παραγωγή TiO₂ με υψηλή κρυσταλλικότητα και μεγάλη επιφάνεια. Η υπερηχητική υποβοηθούμενη οδός sol-gel έχει το πλεονέκτημα ότι οι εγγενείς και εξωγενείς ιδιότητες του TiO₂, όπως το μέγεθος των σωματιδίων, η επιφάνεια, ο όγκος των πόρων, η διάμετρος των πόρων, η κρυσταλλικότητα καθώς και οι αναλογίες φάσης ανατάσης, ρουτιλίου και μπρουκίτη μπορούν να επηρεαστούν από τον έλεγχο των παραμέτρων.
Οι Milani et al. (2011) έχουν αποδείξει τη σύνθεση του TiO₂ νανοσωματίδια ανατάσης. Ως εκ τούτου, η διαδικασία sol-gel εφαρμόστηκε στο TiCl₄ πρόδρομος και οι δύο τρόποι, με και χωρίς υπερήχους, έχουν συγκριθεί. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η υπερηχητική ακτινοβολία έχει μονότονη επίδραση σε όλα τα συστατικά του διαλύματος που παρασκευάζεται με τη μέθοδο sol-gel και προκαλεί τη θραύση χαλαρών συνδέσμων μεγάλων νανομετρικών κολλοειδών σε διάλυμα. Έτσι, δημιουργούνται μικρότερα νανοσωματίδια. Οι τοπικά απαντώμενες υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες σπάνε τους δεσμούς σε μακριές πολυμερείς αλυσίδες καθώς και τους αδύναμους κρίκους που δεσμεύουν μικρότερα σωματίδια, με τα οποία σχηματίζονται μεγαλύτερες κολλοειδείς μάζες. Η σύγκριση των δύο TiO₂ δείγματα, παρουσία και απουσία ακτινοβόλησης με υπερήχους, απεικονίζεται στις παρακάτω εικόνες SEM (βλ. εικόνα 2).

Εικ. 2: Εικόνες SEM του TiO2 pwder, φρυγμένο στους 400 βαθμούς C για 1 ώρα και χρόνο ζελατινοποίησης 24 ώρες: (α) παρουσία και (β) απουσία υπερήχων. [Milani et al. 2011]

Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να επωφεληθούν από τις sonochemical επιδράσεις, οι οποίες περιλαμβάνουν π.χ. τη θραύση των χημικών δεσμών, τη σημαντική ενίσχυση της χημικής αντιδραστικότητας ή τη μοριακή αποικοδόμηση.

Sono-τζελ

Μέσα sono-καταλυτικά Υποβοηθούμενες αντιδράσεις sol-gel, υπερηχογράφημα εφαρμόζεται στις πρόδρομες ουσίες. Τα προκύπτοντα υλικά με νέα χαρακτηριστικά είναι γνωστά ως sonogels. Λόγω της απουσίας πρόσθετου διαλύτη σε συνδυασμό με το υπερήχων σπηλαίωση, δημιουργείται ένα μοναδικό περιβάλλον για αντιδράσεις sol-gel, το οποίο επιτρέπει το σχηματισμό ιδιαίτερων χαρακτηριστικών στα προκύπτοντα πηκτώματα: υψηλή πυκνότητα, λεπτή υφή, ομοιογενής δομή κ.λπ. Αυτές οι ιδιότητες καθορίζουν την εξέλιξη των sonogels στην περαιτέρω επεξεργασία και την τελική δομή του υλικού. [Blanco κ.ά. 1999]
Suslick και Price (1999) δείχνουν ότι η υπερηχητική ακτινοβολία του Si(OC₂H₅)₄ Σε νερό με όξινο καταλύτη παράγει ένα διοξείδιο του πυριτίου "Sonogel". Στη συμβατική παρασκευή πυριτικών πηκτωμάτων από Si(OC₂H₅)₄, η αιθανόλη είναι ένας συνήθως χρησιμοποιούμενος συν-διαλύτης λόγω της μη διαλυτότητας του Si(OC₂H₅)₄ στο νερό. Η χρήση τέτοιων διαλυτών είναι συχνά προβληματική, καθώς μπορεί να προκαλέσει ρωγμές κατά τη διάρκεια του σταδίου ξήρανσης. Υπερήχους παρέχει μια εξαιρετικά αποτελεσματική ανάμειξη έτσι ώστε πτητικοί συν-διαλύτες όπως η αιθανόλη μπορεί να αποφευχθεί. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα sono-gel πυριτίου που χαρακτηρίζεται από υψηλότερη πυκνότητα από τα συμβατικά παραγόμενα πηκτώματα. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Οι συμβατικές αερογέλες αποτελούνται από μια μήτρα χαμηλής πυκνότητας με μεγάλους κενούς πόρους. Τα sonogels, αντίθετα, έχουν λεπτότερο πορώδες και οι πόροι είναι αρκετά σφαιρικοί, με λεία επιφάνεια. Κλίσεις μεγαλύτερες από 4 στην περιοχή υψηλής γωνίας αποκαλύπτουν σημαντικές διακυμάνσεις ηλεκτρονικής πυκνότητας στα όρια πόρων-μήτρας [Rosa-Fox et al. 1990].
Οι εικόνες της επιφάνειας των δειγμάτων σκόνης δείχνουν σαφώς ότι η χρήση υπερηχητικών κυμάτων είχε ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη ομοιογένεια στο μέσο μέγεθος των σωματιδίων και είχε ως αποτέλεσμα μικρότερα σωματίδια. Λόγω υπερήχων, το μέσο μέγεθος σωματιδίων μειώνεται κατά περίπου 3 nm. [Milani et al. 2011]
Τα θετικά αποτελέσματα του υπερήχου αποδεικνύονται σε διάφορες ερευνητικές μελέτες. Π.χ., έκθεση Neppolian et al. στο έργο τους τη σημασία και τα πλεονεκτήματα της υπερήχων στην τροποποίηση και βελτίωση των φωτοκαταλυτικών ιδιοτήτων των μεσοπορωδών νανο-μεγέθους σωματιδίων TiO2. [Neppolian et al. 2008]

Nanocoating μέσω υπερήχων sol-gel αντίδραση

Ως νανοεπίστρωση νοείται η κάλυψη υλικού με στρώμα νανοκλίμακας ή η κάλυψη οντότητας νανομεγέθους. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται ενθυλακωμένες δομές ή δομές πυρήνα-κελύφους. Αυτά τα νανοσύνθετα υλικά διαθέτουν φυσικές και χημικές ιδιότητες υψηλής απόδοσης λόγω συνδυασμένων ειδικών χαρακτηριστικών και/ή δομικών επιδράσεων των συστατικών.
Ενδεικτικά, θα αποδειχθεί η διαδικασία επικάλυψης σωματιδίων οξειδίου ινδίου κασσιτέρου (ITO). Τα σωματίδια ITO επικαλύπτονται με διοξείδιο του πυριτίου σε μια διαδικασία δύο σταδίων, όπως φαίνεται σε μια μελέτη του Chen (2009). Στο πρώτο χημικό στάδιο, η σκόνη οξειδίου ινδίου κασσιτέρου υφίσταται επεξεργασία προσώπου αμινοσιλανίου. Το δεύτερο βήμα είναι η επίστρωση πυριτίου υπό υπερήχους. Για να δώσουμε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα υπερήχων και των επιπτώσεών της, το βήμα της διαδικασίας που παρουσιάζεται στη μελέτη του Chen, συνοψίζεται παρακάτω:
Μια τυπική διαδικασία για αυτό το βήμα είναι η εξής: 10g GPTS αναμίχθηκαν αργά με 20g νερού οξινισμένο με υδροχλωρικό οξύ (HCl) (pH = 1,5). 4g της προαναφερθείσας σκόνης επεξεργασμένης με αμινοσιλάνιο προστέθηκαν στη συνέχεια στο μείγμα, που περιέχεται σε γυάλινη φιάλη των 100ml. Η φιάλη στη συνέχεια τοποθετήθηκε κάτω από τον καθετήρα του υπερήχων για συνεχή ακτινοβολία υπερήχων με ισχύ εξόδου 60W ή μεγαλύτερη.
Η αντίδραση Sol-gel ξεκίνησε μετά από περίπου 2-3 λεπτά ακτινοβόλησης υπερήχων, πάνω στην οποία δημιουργήθηκε λευκός αφρός, λόγω της απελευθέρωσης αλκοόλης μετά από εκτεταμένη υδρόλυση του GLYMO (3-(2,3-Epoxypropoxy)propyltrimethoxysilane). Κατεργασία με υπερήχους εφαρμόστηκε για 20 λεπτά, μετά την οποία το διάλυμα αναδεύτηκε για αρκετές ακόμη ώρες. Μόλις τελείωνε η διαδικασία, τα σωματίδια συγκεντρώνονταν με φυγοκέντρηση και πλένονταν επανειλημμένα με νερό και στη συνέχεια είτε ξηραίνονται για χαρακτηρισμό είτε διατηρούνται διασκορπισμένα σε νερό ή οργανικούς διαλύτες. [Chen 2009, σελ.217]