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Efectos sonoquímicos en los procesos sol-gel

Introducción

Las partículas ultrafinas nano de tamaño y partículas de forma esférica, recubrimientos de película delgada, fibras, materiales porosos y densos, así aerogeles extremadamente porosos y xerogeles son aditivos altamente potenciales para el desarrollo y la producción de materiales de alto rendimiento. Materiales avanzados, incluyendo, por ejemplo, cerámica,, aerogeles ultraligeros altamente porosos e híbridos orgánicos-inorgánicos se pueden sintetizar a partir de suspensiones coloidales o polímeros en un líquido mediante el método sol-gel. El material muestra características únicas, ya que las partículas de sol generadas varían en el tamaño de nanómetros. De este modo, el proceso de sol-gel es parte de la nanoquímica.
En lo siguiente, la síntesis de material de tamaño nanométrico a través de rutas de sol-gel asistida por ultrasonidos se revisa.

Proceso sol-gel

Sol-gel y procesamiento relacionada incluye los siguientes pasos:

  1. hacer sol o precipitación de polvo, la gelificación del sol en un molde o sobre un sustrato (en el caso de las películas), o hacer un segundo sol desde el polvo precipitado y su gelificación, o dar forma el polvo en un cuerpo por vías no-gel;
  2. el secado;
  3. de cocción y sinterización. [Rabinovich 1994]
procesos de sol-gel son rutas de química húmeda para la fabricación de gel de óxidos metálicos o polímeros híbridos

Tabla 1: Pasos de la síntesis de Sol-Gel y los procesos posteriores

ultrasonidos de potencia promueve reacciones sonochemical (click para ampliar!)

reactor de vidrio de ultrasonidos durante Sonoquímica

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procesos de sol-gel son una técnica de química en húmedo de la síntesis para la fabricación de una red integrada (denominada gel) de óxidos metálicos o polímeros híbridos. Como precursores, se utilizan sales de metales comúnmente inorgánicas, tales como cloruros de metales y compuestos metálicos orgánicos, tales como alcóxidos de metales. el sol – que consiste en una suspensión de los precursores – se transforma en un sistema difásico similar a un gel, que consiste tanto en un líquido y una fase sólida. Las reacciones químicas que se producen durante un proceso de sol-gel son la hidrólisis, poli-condensación, y la gelificación.
Durante la hidrólisis y poli-condensación, un coloide (sol), que consiste en nanopartículas dispersas en un disolvente, se forma. La fase sol existente se transforma en el gel.
La fase de gel resultante está formado por partículas que el tamaño y la formación pueden variar mucho de partículas coloidales discretas a polímeros de cadena-como continuas. La forma y el tamaño depende de las condiciones químicas. A partir de observaciones sobre SiO2 alcogeles general se puede concluir que una base catalizada resultados sol en una especie discretas formadas por agregación de monómero-grupos, que son más compactos y altamente ramificado. Están afectados por la sedimentación y la fuerza de la gravedad.
soles catalizada por ácido se derivan de las cadenas de polímero altamente enredados que muestran una microestructura muy fina y muy pequeños poros que aparecen bastante uniforme en todo el material. La formación de una red continua más abierta de los polímeros de baja densidad exhibe ciertas ventajas con respecto a las propiedades físicas en la formación de vidrio de alta rendimiento y componentes de vidrio / cerámica en 2 y 3 dimensiones. [Sakka et al. mil novecientos ochenta y dos]
En etapas de procesamiento adicionales, por recubrimiento por rotación o recubrimiento por inmersión se hace posible revestir sustratos con películas delgadas o por colada el sol en un molde, para formar un denominado gel húmedo. Después del secado y de calentamiento adicional, se obtendrá un material denso.
En otros pasos del proceso aguas abajo, el gel obtenido se puede procesar adicionalmente. Via precipitación, pirólisis por pulverización, o técnicas de emulsión, ultrafino y polvos uniforme puede ser formada. O los llamados aerogeles, que se caracterizan por una alta porosidad y una densidad extremadamente baja, pueden ser creados por la extracción de la fase líquida del gel húmedo. Por lo tanto, se requieren condiciones normalmente supercríticas.
Ultrasonidos es una técnica probada para mejorar la síntesis sol-gel de nano-materiales. (¡Click para agrandar!)

Tabla 2: síntesis sol-gel ultrasónico de mesoporoso TiO2 [Yu et al, Chem.. Commun. 2003, 2078]

El ultrasonido de alta potencia

De alta potencia, el ultrasonido de baja frecuencia ofrece un alto potencial para procesos químicos. Cuando las ondas ultrasónicas intensas se introducen en un medio líquido, alternando los ciclos de alta presión y de baja presión con tasas en función de la frecuencia se producen. ciclos de alta presión media de compresión, mientras que los ciclos de baja frecuencia significan rarefacción del medio. Durante el ciclo de baja presión (rarefacción), el ultrasonido de alta potencia crea pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Estas burbujas de vacío crecen durante varios ciclos.
De acuerdo con ello a la intensidad de ultrasonido, el líquido se comprime y se extiende en diversos grados. Esto significa que el cavitación burbujas pueden comportarse de dos maneras. A intensidades de ultrasonidos de baja de ~ 1-3Wcm-2, las burbujas de cavitación oscilan alrededor de un tamaño de equilibrio para muchos ciclos acústicos. Este fenómeno se denomina cavitación estable. A altas intensidades ultrasónicas (≤10Wcm-2) Las burbujas de cavitación se forman dentro de unos pocos ciclos acústicos para un radio de al menos dos veces su tamaño inicial y el colapso en un punto de compresión cuando la burbuja no puede absorber más energía. Esto se denomina cavitación transitoria o inercial. Durante implosión de burbujas, localmente llamados puntos calientes se producen, que cuentan con condiciones extremas: Durante la implosión, localmente muy altas temperaturas (aprox. 5,000K) y presiones (aprox. 2,000atm) se alcanzan. La implosión de la burbuja de cavitación también resulta en chorros de líquido de hasta 280m / s de velocidad, que actúan como fuerzas muy alto cizallamiento. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Sono-ormosil

La sonicación es una herramienta eficaz para la síntesis de polímeros. Durante dispersante ultrasónico y desaglomeración, las fuerzas de cizallamiento caviational, que se extienden hacia fuera y romper las cadenas moleculares en un proceso no aleatorio, resultan en una disminución del peso molecular y poli-dispersidad. Además, los sistemas de fases múltiples son muy eficientes dispersado y emulsionado, De manera que se proporcionen muy finas mezclas. Esto significa que el ultrasonido aumenta la velocidad de polimerización durante la agitación convencional y resulta en mayores pesos moleculares con polidispersidades inferiores.
Ormosils (silicato modificada orgánicamente) se obtienen cuando se añade silano a sílice derivado de gel durante el proceso de sol-gel. El producto es un compuesto escala molecular con propiedades mecánicas mejoradas. Sono-Ormosils se caracterizan por una mayor densidad que los geles clásicos, así como una estabilidad térmica mejorada. Por tanto, una explicación podría ser el aumento del grado de polimerización. [Rosa-Fox et al. 2002]

Las potentes fuerzas ultrasónicas son una técnica bien conocida y confiable para la extracción (¡Haz clic para ampliar!)

A los cavitación en liquido

mesoporosa TiO2 a través de ultrasonidos Sol-Gel Síntesis

mesoporosa TiO2 se utiliza widley como fotocatalizador, así como en la electrónica, tecnología de sensores y remediación ambiental. Para propiedades de los materiales optimizados, que está dirigido a producir TiO2 con alta cristalinidad y el área superficial grande. La ruta sol-gel asistida ultrasónico tiene la ventaja de que las propiedades intrínsecas y extrínsecas de TiO2, Tales como el tamaño de partícula, área superficial, de poros de volumen, los poros de diámetro, la cristalinidad, así como anatasa, rutilo y relaciones de fases brookita puede ser influenciada mediante el control de los parámetros.
Milani et al. (2011) han demostrado la síntesis de TiO2 nanopartículas anatasa. Por lo tanto, el proceso de sol-gel se aplicó a la TiCl4 precursora y en ambos sentidos, con y sin aplicación de ultrasonidos, se han comparado. Los resultados muestran que la irradiación de ultrasonidos tienen un efecto monótona en todos los componentes de la solución preparada por el método sol-gel y causar la rotura de enlaces sueltos de grandes coloides nanométricos en solución. De este modo, se crean las nanopartículas más pequeñas. Las altas presiones y temperaturas que se producen localmente rompen las uniones en las cadenas largas de polímeros, así como los eslabones débiles partículas más pequeñas, por las que se forman masas coloidales más grandes de unión. La comparación de ambos TiO2 muestras, en presencia y en ausencia de irradiación ultrasónica, se muestra en las imágenes SEM a continuación (ver. Pic 2).

Ultrasonido ayuda en el proceso de gelatinización durante la síntesis sol-gel. (¡Click para agrandar!)

Foto. 2: imágenes de SEM de TiO2 pwder, calcinado a 400 degC durante 1 h y gelatinización tiempo de 24h: (a) en presencia de y (b) en ausencia de ultrasonidos. [Milani et al. 2011]

Además, las reacciones químicas pueden beneficiarse de los efectos sonoquímicos, que incluyen, por ejemplo, la rotura de enlaces químicos, la mejora significativa de la reactividad química o degradación molecular.

Sono-Geles

En sono-catalíticamente reacciones sol-gel asistida, el ultrasonido se aplica a los precursores. Los materiales resultantes con nuevas características se conocen como sonogels. Debido a la ausencia de disolvente adicional en combinación con el ultrasónica cavitación, Se crea un ambiente único para reacciones sol-gel, que permite la formación de características particulares en los geles resultantes: de alta densidad, de buena textura, estructura homogénea etc. Estas propiedades determinan la evolución de sonogels en un procesamiento adicional y la estructura de material final . [Blanco et al. 1999]
Suslick y Price (1999) muestran que la irradiación ultrasónica de Si (OC2H5)4 en agua con un catalizador ácido produce una sílice “sonogel”. En la preparación convencional de los geles de sílice a partir de Si (OC2H5)4, El etanol es un comúnmente utilizado co-disolvente debido a la no solubilidad de Si (OC2H5)4 en agua. El uso de tales disolventes es a menudo problemático ya que pueden causar el agrietamiento durante la etapa de secado. Ultrasonidos proporciona un mezclado altamente eficiente de manera que volátiles co-disolventes tales como etanol pueden ser evitados. Esto resulta en una sílice sono-gel que se caracteriza por una densidad mayor que los geles producidos convencionalmente. [Suslick et al. 1999, 319F.]
aerogeles convencionales consisten en una matriz de baja densidad con poros grandes vacíos. Los sonogels, en contraste, tienen porosidad más fina y los poros son bastante en forma de esfera, con una superficie lisa. Pendientes mayores de 4 en la región de alto ángulo revelan importantes fluctuaciones de la densidad electrónica en los límites de poros de la matriz [Rosa-Fox et al. 1990].
Las imágenes de la superficie de las muestras de polvo muestran claramente que el uso de ondas ultrasónicas resultaron en una mayor homogeneidad en el tamaño medio de las partículas y resultaron en partículas más pequeñas. Debido a sonicación, el tamaño medio de partícula se reduce en aprox. 3 nm. [Milani et al. 2011]
Los efectos positivos de la ecografía se ha comprobado en varios estudios de investigación. Por ejemplo, reportar Neppolian et al. en su trabajo la importancia y las ventajas de ultrasonidos en la modificación y mejora de las propiedades fotocatalíticas de partículas de TiO2 nano de tamaño mesoporosos. [Neppolian et al. 2008]

Nanocobertura través de la reacción sol-gel ultrasónico

Nanorecubrimiento significa cubrir el material con una capa nanoescalada o la cobertura de una entidad de tamaño nanométrico. De este modo, se obtienen estructuras encapsuladas o núcleo-carcasa. Dichos compuestos nano presentan propiedades físicas y químicas de alto rendimiento debido a las características específicas combinadas y / o efectos estructurantes de los componentes.
De forma ejemplar, se demostrará el procedimiento de recubrimiento de partículas de óxido de indio y estaño (ITO). Las partículas de ITO están recubiertas con sílice en un proceso de dos pasos, como se muestra en un estudio de Chen (2009). En el primer paso químico, el polvo de óxido de indio y estaño se somete a un tratamiento de superficie de aminosilano. El segundo paso es el recubrimiento de sílice bajo ultrasonidos. Para dar un ejemplo específico de sonicación y sus efectos, el paso del proceso presentado en el estudio de Chen se resume a continuación:
Un proceso típico para este paso es el siguiente: 10 g de GPTS se mezclaron lentamente con 20 g de agua acidificada con ácido clorhídrico (HCl) (pH = 1,5). A continuación, se añadieron 4 g del polvo tratado con aminosilano anteriormente mencionado a la mezcla, contenida en una botella de vidrio de 100 ml. La botella se colocó debajo de la sonda del sonicador para una irradiación ultrasónica continua con una potencia de salida de 60 W o superior.
reacción sol-gel se inició después de la irradiación de ultrasonido aproximadamente 2-3 minutos, en el que se generó espuma blanca, debido a la liberación de alcohol en la amplia hidrólisis de GLYMO (3- (2,3-epoxipropoxi) propiltrimetoxisilano). La sonicación se aplicó durante 20 minutos, después de lo cual la solución se agitó durante varias horas más. Una vez que el proceso fue terminado, las partículas se recogieron por centrifugación y se lavaron varias veces con agua y después se secó ya sea para la caracterización o se mantiene dispersado en agua o en disolventes orgánicos. [Chen 2009, p.217]

Conclusión

La aplicación de ultrasonidos a los procesos de sol-gel permite una mejor mezcla y la desaglomeración de las partículas. Esto da como resultado un tamaño de partícula más pequeño, una forma de partícula esférica, de baja dimensión y una morfología mejorada. Los llamados sono-geles se caracterizan por su densidad y estructura fina y homogénea. Estas características se crean debido a que se evita el uso de solvente durante la formación del sol, pero también, y principalmente, debido al estado inicial de reticulación reticulada inducida por el ultrasonido. Después del proceso de secado, las sonogeles resultantes presentan una estructura particulada, a diferencia de sus contrapartes obtenidas sin aplicar ultrasonidos, que son filamentosos. [Esquivias et al. 2004]
Se ha demostrado que el uso de intensa ultrasonido permite la adaptación de los materiales únicos de los procesos sol-gel. Esto hace que el ultrasonido de alta potencia una poderosa herramienta para la química y materiales investigación y desarrollo.

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