اثرات Sonochemical در فرآیندهای Sol-Gel
ذرات بسیار ریز با اندازه نانو و ذرات کروی شکل، پوشش های لایه نازک، الیاف، مواد متخلخل و متراکم، و همچنین آئروژل ها و زیروژل های بسیار متخلخل افزودنی های بسیار بالقوه ای برای توسعه و تولید مواد با کارایی بالا هستند. مواد پیشرفته، از جمله سرامیک ها، آئروژل های بسیار متخلخل، فوق سبک و هیبریدهای آلی-معدنی را می توان از سوسپانسیون های کلوئیدی یا پلیمرهای موجود در مایع از طریق روش سل-ژل سنتز کرد. این ماده ویژگی های منحصر به فردی را نشان می دهد، زیرا ذرات سل تولید شده در اندازه نانومتر هستند. بنابراین، فرآیند سل-ژل بخشی از نانوشیمی است.
در ادامه، سنتز مواد نانو از طریق مسیرهای سل ژل به کمک اولتراسونیک بررسی می شود.
فرآیند سل ژل
Sol-gel و پردازش های مرتبط شامل مراحل زیر است:
- درست کردن سل یا پودر رسوبی ، ژل کردن سل در قالب یا روی بستر (در مورد فیلم) ، یا ساخت یک سل دوم از پودر رسوب شده و ژل شدن آن ، یا شکل دادن پودر به بدن با مسیرهای غیر ژل.
- خشک;
- شلیک و پخت. [رابینوویچ 1994]
فرآیندهای سل-ژل یک روش سنتز شیمیایی مرطوب برای ساخت یک شبکه یکپارچه (به اصطلاح ژل) از اکسیدهای فلزی یا پلیمرهای هیبریدی است. به عنوان پیش ساز، معمولا از نمک های فلزی معدنی مانند کلریدهای فلزی و ترکیبات فلزات آلی مانند آلکوکسیدهای فلزی استفاده می شود. سل – متشکل از تعلیق پیش سازها – به یک سیستم دوفاز ژل مانند تبدیل می شود که هم از یک فاز مایع و هم از یک فاز جامد تشکیل شده است. واکنشهای شیمیایی که در طی فرآیند سل-ژل رخ می دهد عبارتند از: هیدرولیز، پلی تراکم و ژل شدن.
در طی هیدرولیز و پلی تراکم ، یک کلوئید (sol) که از نانوذرات پراکنده شده در یک حلال تشکیل شده است ، تشکیل می شود. فاز سل موجود به ژل تبدیل می شود.
فاز ژل حاصل توسط ذراتی تشکیل می شود که اندازه و تشکیل آنها می تواند از ذرات کلوئیدی گسسته تا پلیمرهای زنجیره مانند پیوسته متفاوت باشد. شکل و اندازه بستگی به شرایط شیمیایی دارد. از مشاهدات روی آلکوژل های SiO2 به طور کلی می توان نتیجه گرفت که یک سل کاتالیز شده با پایه منجر به یک گونه گسسته می شود که از تجمع خوشه های مونومر تشکیل شده است که فشرده تر و بسیار منشعب هستند. آنها تحت تأثیر رسوب گذاری و نیروهای گرانش قرار می گیرند.
سل های کاتالیز شده با اسید از زنجیره های پلیمری بسیار درهم تنیده ناشی می شوند که ریزساختار بسیار ظریف و منافذ بسیار کوچکی را نشان می دهند که در سراسر مواد کاملا یکنواخت به نظر می رسند. تشکیل یک شبکه پیوسته بازتر از پلیمرهای با چگالی کم، مزایای خاصی را با توجه به خواص فیزیکی در تشکیل اجزای شیشه ای و شیشه ای / سرامیکی با کارایی بالا در ابعاد 2 و 3 نشان می دهد. [ساکا و همکاران 1982]
در مراحل پردازش بعدی ، با پوشش چرخشی یا پوشش غوطه وری ، می توان بسترها را با لایه های نازک یا با ریختن سل در قالب پوشاند و به اصطلاح ژل مرطوب تشکیل داد. پس از خشک شدن و گرم شدن اضافی ، یک ماده متراکم بدست می آید.
در مراحل بعدی فرآیند پایین دست، ژل به دست آمده می تواند بیشتر پردازش شود. از طریق بارش، اسپری پیرولیز یا تکنیک های امولسیون، پودرهای بسیار ریز و یکنواخت را می توان تشکیل داد. یا به اصطلاح آئروژل ها ، که با تخلخل بالا و چگالی بسیار کم مشخص می شوند ، می توانند با استخراج فاز مایع ژل مرطوب ایجاد شوند. بنابراین، به طور معمول شرایط فوق بحرانی مورد نیاز است.
سونوگرافی با قدرت بالا و اثرات سونوشیمیایی آن
سونوگرافی با قدرت بالا و فرکانس پایین پتانسیل بالایی را برای فرآیندهای شیمیایی ارائه می دهد. هنگامی که امواج اولتراسونیک شدید به یک محیط مایع وارد می شوند، چرخه های متناوب فشار بالا و کم فشار با نرخ بسته به فرکانس رخ می دهد. چرخه های فشار بالا به معنای فشرده سازی هستند، در حالی که چرخه های فرکانس پایین به معنای کمیاب بودن محیط است. در طول چرخه کم فشار (نادر) ، سونوگرافی با قدرت بالا حباب های خلاء کوچکی را در مایع ایجاد می کند. این حباب های خلاء در طی چندین چرخه رشد می کنند.
با توجه به شدت سونوگرافی ، مایع فشرده می شود و به درجات مختلف کشیده می شود. این بدان معناست که حباب های کاویتاسیون می توانند به دو صورت رفتار کنند. در شدت های اولتراسونیک کم حدود 1-3 W / cm² ، حباب های کاویتاسیون در اطراف اندازه تعادل برای بسیاری از چرخه های صوتی نوسان می کنند. این پدیده را کاویتاسیون پایدار می نامند. در شدت های اولتراسونیک بالاتر (تا 10 W / cm²) ، حباب های کاویتاسیون در چند چرخه صوتی تشکیل می شوند و قبل از فروپاشی در یک نقطه فشرده سازی که حباب دیگر نمی تواند انرژی را جذب کند ، به شعاع حداقل دو برابر اندازه اولیه خود می رسند. این کاویتاسیون گذرا یا اینرسی نامیده می شود. در طول انفجار حباب، نقاط داغ محلی رخ می دهد که دارای شرایط شدید هستند: دمای بسیار بالا (تقریبا 5000 کلوین) و فشار (تقریبا 2000 اتمسفر) به دست می آید. انفجار حباب کاویتاسیون همچنین منجر به جت های مایع با سرعت 280 متر بر ثانیه می شود که نیروهای برشی بسیار بالایی ایجاد می کنند. [سوسلیک 1998 / سانتوس و همکاران 2009]

اولتراسونیک با قدرت بالا UIP1500hdT برای تشدید مداوم سونوشیمیایی واکنشهای سل-ژل
سونو اورموزیل
فراصوت ابزاری کارآمد برای سنتز پلیمرها است. در طول پراکندگی اولتراسونیک و deagglomeration، نیروهای برشی هوانوردی، که کشش و شکستن زنجیره های مولکولی در یک فرآیند غیر تصادفی، منجر به کاهش وزن مولکولی و پلی پراکندگی می شود. علاوه بر این، سیستم های چند فاز پراکنده و امولسیون بسیار کارآمد هستند، به طوری که مخلوط های بسیار ریز ارائه می شود. این بدان معنی است که اولتراسوند سرعت پلیمریزاسیون را نسبت به هم زدن معمولی افزایش می دهد و منجر به وزن مولکولی بالاتر با پلی پراکندگی کمتر می شود.
Ormosils (سیلیکات اصلاح شده آلی) زمانی به دست می آید که سیلان در طی فرآیند سل-ژل به سیلیس مشتق شده از ژل اضافه شود. این محصول یک کامپوزیت در مقیاس مولکولی با خواص مکانیکی بهبود یافته است. Sono-Ormosils با چگالی بالاتر از ژل های کلاسیک و همچنین پایداری حرارتی بهبود یافته مشخص می شود. بنابراین یک توضیح ممکن است افزایش درجه پلیمریزاسیون باشد. [رزا فاکس و همکاران 2002]
Mesoporous TiO2 از طریق سنتز مافوق صوت سل ژل
TiO2 مزومتخلخل به عنوان فوتوکاتالیست و همچنین در الکترونیک، فناوری حسگر و اصلاح محیط زیست استفاده می شود. برای خواص بهینه سازی مواد، هدف تولید TiO2 با تبلور بالا و سطح زیاد است. مسیر سل ژل به کمک اولتراسونیک این مزیت را دارد که خواص ذاتی و خارجی TiO2 مانند اندازه ذرات، سطح سطح، حجم منافذ، قطر منافذ، تبلور و همچنین نسبت فاز آناتاز، روتیل و بروکیت را می توان با کنترل پارامترها تحت تأثیر قرار داد.
میلانی و همکاران (2011) سنتز نانوذرات آناتاز TiO2 را نشان داده اند. بنابراین ، فرایند سل ژل به پیش ساز TiCl4 اعمال شد و هر دو روش ، با و بدون فراصوت ، مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که تابش فراصوت اثر یکنواختی بر روی تمام اجزای محلول ساخته شده به روش سل-ژل دارد و باعث شکستن پیوندهای شل کلوئیدهای نانومتری بزرگ در محلول می شود. بنابراین، نانوذرات کوچکتر ایجاد می شوند. فشارها و دماهای بالای محلی پیوندها را در زنجیره های پلیمری طولانی و همچنین پیوندهای ضعیف که ذرات کوچکتر را به هم متصل می کنند ، می شکند که توسط آنها توده های کلوئیدی بزرگتر تشکیل می شود. مقایسه هر دو نمونه TiO2 ، در حضور و در غیاب تابش اولتراسونیک ، در تصاویر SEM زیر نشان داده شده است (نگاه کنید به تصویر 2).

عکس. 2: تصاویر SEM از TiO2 pwder ، کلسینه شده در دمای 400 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت و زمان ژلاتینه شدن 24 ساعت: (الف) در حضور و (ب) در غیاب سونوگرافی. [میلانی و همکاران 2011]
علاوه بر این، واکنش های شیمیایی می توانند از اثرات سونوشیمیایی بهره مند شوند، که به عنوان مثال شکستن پیوندهای شیمیایی، افزایش قابل توجه واکنش شیمیایی یا تخریب مولکولی است.

کاویتاسیون التراسونیک در کاسکاترود پروب ultrasonicator UIP1000hdT (1000 وات، 20kHz) در یک راکتور شیشه ای.
سونو ژل – Sonochemical افزایش واکنش سل ژل
در واکنش های سل-ژل با کمک سونوکاتالیزوری، سونوگرافی بر روی پیش سازها اعمال می شود. مواد به دست آمده با ویژگی های جدید به عنوان سونوژل شناخته می شوند. به دلیل عدم وجود حلال اضافی در ترکیب با کاویتاسیون آکوستیک ، یک محیط منحصر به فرد برای واکنش های سل-ژل ایجاد می شود ، که امکان تشکیل ویژگی های خاص در ژل های حاصل را فراهم می کند: چگالی بالا ، بافت خوب ، ساختار همگن و غیره. این خواص تکامل سونوژل ها را در پردازش بیشتر و ساختار نهایی مواد تعیین می کند. [بلانکو و همکاران 1999]
Suslick و Price (1999) نشان می دهد که تابش اولتراسونیک Si(OCH2SH5)4 در آب با کاتالیزور اسیدی یک "سونوژل" سیلیس تولید می کند. در تهیه متداول ژل های سیلیکا از Si(OCH2SH5)4، اتانول به دلیل حلالیت نبودن Si (OC) یک حلال مشترک است که معمولا مورد استفاده قرار می گیردH2SH5)4 در آب. استفاده از چنین حلال هایی اغلب مشکل ساز است زیرا می توانند در مرحله خشک شدن باعث ترک خوردگی شوند. امواج فراصوت فراهم می کند مخلوط بسیار کارآمد به طوری که شرکت حلال فرار مانند اتانول می تواند اجتناب شود. این منجر به یک سونو ژل سیلیکا می شود که با چگالی بالاتر از ژل های تولید شده معمولی مشخص می شود. [Suslick و همکاران 1999، 319f.]
آئروژل های معمولی از یک ماتریس با چگالی کم با منافذ خالی بزرگ تشکیل شده اند. سونوژل ها ، در مقابل ، تخلخل ظریف تری دارند و منافذ کاملا کره ای شکل و دارای سطح صاف هستند. شیب های بیشتر از 4 در ناحیه زاویه بالا نوسانات چگالی الکترونیکی مهمی را در مرزهای ماتریس منافذ نشان می دهد [Rosa-Fox et al. 1990].
تصاویر سطح نمونه های پودری به وضوح نشان می دهد که استفاده از امواج فراصوت منجر به همگنی بیشتر در اندازه متوسط ذرات و منجر به کوچکتر شدن ذرات می شود. با توجه به فراصوت ، اندازه ذرات متوسط تقریبا کاهش می یابد 3 نانومتر. [میلانی و همکاران 2011]
اثرات مثبت سونوگرافی در مطالعات تحقیقاتی مختلف ثابت شده است. به عنوان مثال، گزارش Neppolian و همکاران در کار خود اهمیت و مزایای فراصوت در اصلاح و بهبود خواص فوتوکاتالیستی ذرات نانو اندازه TiO2 مزومتخلخل. [نپولیان و همکاران 2008]
پوشش نانو از طریق واکنش سل ژل اولتراسونیک
پوشش نانو به معنای پوشش مواد با یک لایه در مقیاس نانو یا پوشش یک موجود در اندازه نانو است. بدین ترتیب ساختارهای محصور شده یا هسته پوسته به دست می آیند. چنین نانوکامپوزیت هایی به دلیل ویژگی های خاص ترکیبی و/یا اثرات ساختاری اجزا، دارای خواص فیزیکی و شیمیایی با کارایی بالا هستند.
به عنوان مثال، روش پوشش دهی ذرات اکسید قلع ایندیوم (ITO) نشان داده خواهد شد. ذرات اکسید قلع ایندیم در یک فرآیند دو مرحله ای با سیلیس پوشانده می شوند ، همانطور که در مطالعه چن (2009) نشان داده شده است. در مرحله اول شیمیایی، پودر اکسید قلع ایندیوم تحت درمان آمینوسیلان سوفیس قرار می گیرد. مرحله دوم پوشش سیلیس تحت فراصوت است. برای ارائه یک مثال خاص از فراصوت و اثرات آن ، مرحله فرآیند ارائه شده در مطالعه چن ، در زیر خلاصه شده است:
یک فرآیند معمولی برای این مرحله به شرح زیر است: 10 گرم GPTS به آرامی با 20 گرم آب اسیدی شده توسط اسید کلریدریک (HCl) مخلوط شد (pH = 1.5). سپس 4 گرم پودر آمینوسیلان فوق الذکر به مخلوط موجود در یک بطری شیشه ای 100 میلی لیتری اضافه شد. سپس بطری در زیر پروب ماسونیک برای تابش اولتراسوند مداوم با توان خروجی 60 وات یا بالاتر قرار داده شد.
واکنش سل-ژل پس از تقریبا 2-3 دقیقه پرتودهی اولتراسوند آغاز شد که بر اساس آن کف سفید تولید شد، به دلیل آزاد شدن الکل پس از هیدرولیز گسترده GLYMO (3-(2،3-اپوکسی پروپوکسی)پروپیل تری متوکسی سیلان). فراصوت به مدت 20 دقیقه اعمال شد و پس از آن محلول برای چند ساعت دیگر هم زده شد. پس از اتمام فرآیند، ذرات با سانتریفیوژ جمع آوری می شدند و به طور مکرر با آب شسته می شدند و سپس برای توصیف خشک می شدند یا در آب یا حلال های آلی پراکنده می شدند. [چن 2009، ص 217]
نتیجه
استفاده از امواج فراصوت در فرآیندهای سل-ژل منجر به اختلاط بهتر و آگلومراسیون ذرات می شود. این منجر به اندازه ذرات کوچکتر، شکل ذرات کروی و کم ابعاد و افزایش مورفولوژی می شود. به اصطلاح سونو ژل ها با چگالی و ساختار ظریف و همگن مشخص می شوند. این ویژگی ها به دلیل اجتناب از استفاده از حلال در طول تشکیل سل ایجاد می شوند، اما همچنین، و عمدتا به دلیل حالت متقاطع اولیه شبکه ناشی از سونوگرافی ایجاد می شوند. پس از فرآیند خشک شدن، سونوژل های حاصل بر خلاف همتایان خود که بدون استفاده از سونوگرافی به دست می آیند، که رشته ای هستند، ساختار ذرات را ارائه می دهند. [Esquivias و همکاران 2004]
نشان داده شده است که استفاده از سونوگرافی شدید امکان خیاطی مواد منحصر به فرد از فرآیندهای سل-ژل را فراهم می کند. این باعث می شود سونوگرافی با قدرت بالا ابزاری قدرتمند برای تحقیق و توسعه شیمی و مواد باشد.

UIP1000hdT، یک هموژنایزر اولتراسونیک قدرتمند 1000 وات برای سنتز سل ژل بهبود یافته
ادبیات/منابع
- 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