Sonokemialliset vaikutukset sol-geeli prosesseihin

esittely

Erittäin hienot nanokokoiset hiukkaset ja pallomaiset hiukkaset, ohutkalvopäällysteet, kuidut, huokoiset ja tiheät materiaalit sekä erittäin huokoiset aerogelit ja kserogeelit ovat erittäin potentiaalisia lisäaineita korkean suorituskyvyn omaavien materiaalien kehittämiseen ja tuotantoon. Kehittyneitä materiaaleja, kuten esimerkiksi keramiikkaa, erittäin huokoisia, ultrakevyitä aerogeelejä ja orgaanisia ja epäorgaanisia hybridejä, voidaan syntetisoida kolloidisista suspensioista tai polymeereistä nesteessä sol-geelimenetelmän kautta. Materiaalissa on ainutlaatuisia ominaisuuksia, koska syntyneet hiukkaset ovat nanometrin koossa. Näin sol-gel-prosessi on osa nanokemiaa.
Seuraavassa tarkastellaan nanokokoisen materiaalin synteesiä ultrasonisesti avustettujen sol-geeli reittien avulla.

Sol-Gel-prosessi

Sol-geeli ja siihen liittyvä käsittely käsittävät seuraavat vaiheet:

  1. jolloin muodostuu sooli tai saostusjauhe, geeliyttää sooli muotissa tai substraatissa (kalvojen tapauksessa) tai toisen soolin valmistamiseksi saostetusta jauheesta ja sen geeliyttämisestä tai jauheen muodostaminen kehoon ei-geeli reitillä;
  2. kuivaus;
  3. polttaminen ja sintraus. [Rabinovich 1994]
Sol-geeliprosessit ovat märkä-kemiallisia reittejä metallioksidien tai hybridipolymeerien geelin valmistamiseksi

Taulukko 1: Sol-Gel-synteesin vaiheet ja loppupään prosesseja

Teho ultraääni edistää sonokemiallisia reaktioita (Klikkaa suuremmaksi!)

Ultrasonic lasi reaktori sonokemian

Informaatio pyyntö




Huomaa, että Tietosuojakäytäntö.


Sol-geeliprosessit ovat märkemekaaninen synteesimenetelmä metalli- oksidien tai hybridipolymeerien integroidun verkon (niin sanotun geelin) valmistukseen. Esiasteina käytetään yleisesti epäorgaanisia metallisuoloja, kuten metalli- klorideja ja orgaanisia metalliyhdisteitä, kuten metallialkoksideja. Sol – joka koostuu esiasteiden suspensiosta – transformoidaan geelimäiseen difaasijärjestelmään, joka koostuu sekä nestemäisestä että kiinteästä faasista. Sol-gel-prosessin aikana esiintyvät kemialliset reaktiot ovat hydrolyysi, poly-kondensaatio ja geeliytyminen.
Hydrolyysin ja polykondensaation aikana muodostuu kolloidi (sooli), joka koostuu liuottimessa dispergoituneista nanopartikkeleista. Nykyinen sol-faasi muuttuu geeliksi.
Tuloksena oleva geelifaasi muodostuu hiukkasista, joiden koko ja muodostuminen voivat vaihdella suuresti erillisistä kolloidisista hiukkasista jatkuviin ketjun kaltaisiin polymeereihin. Muoto ja koko riippuvat kemiallisista olosuhteista. SiO: n havainnoista2 alkogeeleja voidaan yleisesti päätellä, että emäskatalysoitu sooli johtaa erillisiin lajeihin, jotka muodostuvat monomeeriklustereiden, jotka ovat pienempiä ja erittäin haaroittuneita, aggregoimalla. Niihin vaikuttavat sedimentaatio ja painovoimat.
Happokatalysoidut soolit ovat peräisin erittäin sekavista polymeeriketjuista, jotka näyttävät erittäin hienolta mikrorakenteelta ja hyvin pieniltä huokosilta, jotka näyttävät täysin yhtenäiseltä koko materiaalilta. Pienemmän tiheyden omaavien polymeerien avoimemman jatkuvan verkon muodostamisella on tiettyjä etuja fysikaalisten ominaisuuksien suhteen korkean suorituskyvyn omaavien lasien ja lasin / keraamisten komponenttien muodostamisessa 2 ja 3 dimensiossa. [Sakka et ai. 1982]
Lisäkäsittelyvaiheissa spin-pinnoittamalla tai dip-pinnoitteella on mahdollista pinnoittaa substraatteja ohuilla kalvoilla tai valamalla sooli muottiin niin, että muodostuu ns. Märkä geeli. Kuivauksen ja kuumennuksen jälkeen saadaan tiheä materiaali.
Tulevan prosessin myöhemmissä vaiheissa saatua geeliä voidaan edelleen käsitellä. Sakkaamalla, suihkutuspyrolyysillä tai emulsiotekniikoilla voidaan muodostaa ultrafine- ja yhtenäisiä jauheita. Niin kutsuttuja aerogelsejä, joille on ominaista suuri huokoisuus ja erittäin pieni tiheys, voidaan luoda märkägeenin nestefaasin poimimisella. Tästä syystä tarvitaan tavallisesti ylikriittisiä olosuhteita.
Ultrasonication on osoittautunut tekniikka parantaa sol-geeli synteesi nano-materiaaleja. (Klikkaa suurentaaksesi!)

Taulukko 2: Mesohuokoisen TiO2: n ultraääni-sol-geeli-synteesi [Yu et ai., Chem. Commun. 2003, 2078]

Tehokas ultraääni

Suuritehoinen, pienitaajuinen ultraääni tarjoaa suuria mahdollisuuksia kemiallisiin prosesseihin. Kun voimakkaat ultraääni-aallot syötetään nestemäiseen väliaineeseen, vuorottelevat korkeapaine- ja matalapainejaksot, joiden taajuusaste riippuu. Korkea painejaksot tarkoittavat puristusta, kun taas matalataajuiset syklit tarkoittavat väliaineen harmaita. Pienipaineisen (harvinainen) syklin aikana suuritehoinen ultraääni luo nesteen pieniä tyhjökuplia. Nämä tyhjiökuplat kasvavat useiden syklien aikana.
Ultraääniintensiteetin mukaisesti neste puristuu ja ulottuu vaihtelevasti. Tämä tarkoittaa kavitaatio kuplat voivat toimia kahdella tavalla. Alhainen ultraääni-intensiteetit ~ 1-3Wcm-2, kavitaatiokuplat oskilloivat joidenkin tasapainokokoiden kohdalla monille akustisille sykleille. Tätä ilmiötä kutsutaan stabiiliseksi kavitaatioksi. Korkeilla ultraäänitehoilla (≤ 10Wcm-2) kavitaatiokuplat muodostetaan muutaman akustisen syklin sisällä säteeseen, joka on vähintään kaksinkertainen alkukokoaan ja romahdetaan puristuspaikassa, kun kupla ei pysty absorboimaan enemmän energiaa. Tätä kutsutaan väliaikaiseksi tai inertiksi kavitaatioksi. Kuplien implosion aikana esiintyy paikallisesti ns. Kuumipisteitä, joilla on äärimmäisiä olosuhteita: implosion aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeat lämpötilat (n. 5000 K) ja paineet (n. 2 000 m). Kavitaatiokuplan implosio johtaa myös nestemäisiin suihkukoneisiin, joiden nopeus on jopa 280 m / s, jotka toimivat erittäin suurina leikkausvoimina. [Suslick 1998 / Santos et ai. 2009]

Sono-ORMOSIL

Sonikaatio on tehokas työkalu polymeerien synteesiin. Ultraäänisen dispergoitumisen ja deagglomeraation aikana kavionaaliset leikkausvoimat, jotka puristavat ja katkaisevat molekyyliketjut ei-satunnaisessa prosessissa, johtavat molekyylimassan ja poly-dispergoitumisen alentamiseen. Lisäksi monivaihejärjestelmät ovat erittäin tehokkaita dispergoituneena ja emulgoidut, niin että saadaan aikaan erittäin hienoja seoksia. Tämä tarkoittaa sitä, että ultraääni lisää polymerointimäärää tavanomaiseen sekoittamiseen verrattuna ja johtaa suurempaan molekyylipainoon pienemmillä polydispersiteillä.
Ormosilejä (orgaanisesti modifioitu silikaatti) saadaan silaanin lisäämiseksi geeliytyneeseen piidioksidiin sol-geeliprosessin aikana. Tuote on molekyylimaalauskomposiitti, jolla on paremmat mekaaniset ominaisuudet. Sono-Ormosileille on ominaista suurempi tiheys kuin klassisilla geeleillä ja parannettu lämpöstabiilius. Selitys voi siis olla polymeroinnin lisääntynyt aste. [Rosa-Fox et ai. 2002]

Tehokas ultraäänivoimat ovat tunnettu ja luotettava tekniikka uuttamiseen (Klikkaa suuremmaksi!)

Ultraääni kavitaatio nesteessä

mesohuokoisella TiO2 kautta Ultrasonic Sol-Gel Synthesis

mesohuokoisella TiO2 on widley, jota käytetään valokatalyyttinä sekä elektroniikassa, anturiteknologiassa ja ympäristön kunnostamisessa. Optimoiduille materiaalien ominaisuuksille on tarkoitus tuottaa TiO2 korkea kiteisyys ja suuri pinta-ala. Ultronaalisella avustavalla sol-geeli-reitillä on se etu, että TiO: n sisäiset ja ulkoiset ominaisuudet2, kuten hiukkaskoko, pinta-ala, huokostilavuus, huokosen halkaisija, kiteisyys sekä anataasi-, rutiili- ja brookyytefaasisuhteet voidaan vaikuttaa säätelemällä parametreja.
Milani et ai. (2011) ovat osoittaneet TiO: n synteesin2 anatase-nanopartikkelit. Siksi sol-geeliprosessi tehtiin TiCl: lle4 edeltäjällä ja molemmilla tavoilla, sekä ultraäänitutkimuksella että ilman sitä, on verrattu. Tulokset osoittavat, että ultraääni- säteilyllä on monotoninen vaikutus sol-geelimenetelmällä valmistetun liuoksen kaikkiin komponentteihin ja aiheuttavat suurien nanometristen kolloidien löysäliitosten rikkoutumisen liuoksessa. Siten syntyy pienempiä nanopartikkeleita. Paikallisesti esiintyvät korkeat paineet ja lämpötilat rikkoavat sidoksia pitkässä polymeeriketjussa samoin kuin heikot linkit sitovat pienempiä partikkeleita, joilla muodostuu suurempia kolloidisia massoja. Sekä TiO: n vertailu2 näytteitä, ultraääni- säteilytyksen ollessa läsnä ja ilman sitä, esitetään alla olevissa SEM-kuvissa (katso kuva 2).

Ultrasound auttaa gelatiinoitumisprosessia sol-geeli-synteesin aikana. (Klikkaa suurentaaksesi!)

Kuva. 2: SEM-kuvia TiO2-punnasta, kalsinoitu 400 ° C: ssa 1 tunnin ajan ja gelatinisaatioaika 24 h: (a) läsnäollessa ja (b) ultraäänen puuttuessa. [Milani et ai. 2011]

Lisäksi kemialliset reaktiot voivat hyötyä sonokemiallisista vaikutuksista, joihin kuuluvat mm. Kemiallisten sidosten rikkoutuminen, kemiallisen reaktiivisuuden huomattava tehostaminen tai molekyylien hajoaminen.

Sono-geelit

Sisään sono-katalyyttisesti avustetut sol-geeli -reaktiot, ultraääntä levitetään esiasteisiin. Saadut materiaalit, joilla on uusia ominaisuuksia, tunnetaan nimellä sonogels. Koska lisäliuotin puuttuu yhdessä ultraäänen kanssa kavitaatio, luodaan ainutlaatuinen sol-gel-reaktioympäristö, joka mahdollistaa tuloksena saatujen geelien erityisominaisuuksien muodostumisen: korkean tiheyden, hienokarkeuden, homogeenisen rakenteen jne. Nämä ominaisuudet määrittävät sonogelien kehityksen jatkokäsittelyyn ja lopulliseen materiaalirakenteeseen . [Blanco et ai. 1999]
Suslick ja Price (1999) osoittavat, että ultraviolettisäteilyn Si (OC2H5)4 vedessä happokatalysaattorilla tuottaa piidioksidin "sonogel". Tavanomaisessa silikageelien valmistamisessa Si (OC2H5)4, etanoli on yleisesti käytetty liuotin, koska Si (OC2H5)4 vedessä. Tällaisten liuottimien käyttö on usein ongelmallista, koska ne voivat aiheuttaa halkeilua kuivausvaiheen aikana. Ultrasonication tarjoaa erittäin tehokkaan sekoittumisen, jotta vältettäisiin haihtuvia rinnakkaisliuottimia, kuten etanolia. Tästä seuraa silika sono-geeli, jolle on ominaista suurempi tiheys kuin tavanomaisesti tuotetuilla geeleillä. [Suslick et ai. 1999, 319 f.]
Tavanomaiset aerogelit koostuvat pienitiheyksisestä matriisista, jossa on suuret tyhjät huokoset. Sitä vastoin sonogelit ovat hienommalla huokoisuudella ja huokoset ovat melko pallomainen, sileä pinta. Suurten kulma-alueiden yli 4: n kaltevuudet paljastavat tärkeitä elektronisten tiheysvaihteluita huokosmatriisirajoilla [Rosa-Fox et al. 1990].
Jauheenäytteiden pinnan kuvat osoittavat selvästi, että ultraääni-aaltojen käyttäminen johti suurempaan homogeenisuuteen hiukkasten keskikokoon ja johti pienempiin partikkeleihin. Sonication vuoksi keskimääräinen hiukkaskoko vähenee n. 3 nm. [Milani et ai. 2011]
Ultraäänitutkimuksen positiiviset vaikutukset ovat osoittautuneet monissa tutkimustutkimuksissa. Esim. Raportti Neppolian et ai. niiden työssä ultrasonication merkitys ja edut mezoporous nano-kokoisten TiO2-hiukkasten fotokatalyyttisten ominaisuuksien muuttamisessa ja parantamisessa. [Neppolian et ai. 2008]

Nanokooaminen ultraäänisolu- gelireaktion avulla

Nanokeloimalla tarkoitetaan pinnoitemateriaalia, jossa on nano-skaalautunut kerros tai nanokokoisen kokonaisuuden peitto. Näin saadaan kapseloidut tai ydin-kuorirakenteet. Tällaisilla nano-komposiiteilla on fysikaalisia ja kemiallisia suorituskykyisiä ominaisuuksia, koska komponenttien yhdistetyt ominaispiirteet ja / tai rakenteellinen vaikutus johtuvat.
Esimerkkinä mainittakoon indiumtinaoksidin (ITO) hiukkasten päällystämismenetelmä. ITO-hiukkaset päällystetään piidioksidilla kaksivaiheisessa prosessissa, kuten on esitetty Chenin (2009) tutkimuksessa. Ensimmäisessä kemiallisessa vaiheessa indiumtinaoksidijauhe läpikäy aminosilaani-pintakäsittelyä. Toinen vaihe on silikapäällystys ultraäänikäsittelyssä. Jotta voitaisiin antaa erityinen esimerkki sonikoinnista ja sen vaikutuksista, Chenin tutkimuksessa esitetty prosessivaihe esitetään seuraavassa:
Tyypillinen prosessi tässä vaiheessa on seuraava: 10 g GPTS sekoitettiin hitaasti 20 g: lla vettä, joka oli hapotettu suolahapolla (HCl) (pH = 1,5). 4 g edellä mainittua aminosilaanilla käsiteltyä jauhetta lisättiin sitten seokseen, joka sisälsi 100 ml: n lasipulloon. Pullo asetettiin sitten sonicator-anturin alle jatkuvaan ultraäänitutkimukseen, jonka lähtöteho oli 60 W tai enemmän.
Sol-geeli -reaktio aloitettiin noin 2-3 minuutin ultraääniresäteilyn jälkeen, jolloin syntyi valkoista vaahtoa alkoholin vapautumisen vuoksi GLYMO: n (3- (2,3-epoksipropoksi) propyylitrimetoksisilaanin laajamittaisen hydrolyysin vuoksi). Sonikaatiota käytettiin 20 minuuttia, minkä jälkeen liuosta sekoitettiin useita tunteja. Kun prosessi oli valmis, hiukkaset kerättiin sentrifugoimalla ja pestiin toistuvasti vedellä, sitten joko kuivattiin karakterisoimiseksi tai pidettiin dispergoituna veteen tai orgaanisiin liuottimiin. [Chen 2009, s.217]

johtopäätös

Ultraääni-sol-geeliprosessien soveltaminen johtaa parempaan sekoittumiseen ja hiukkasten deagglomeroitumiseen. Tämä johtaa pienempiin partikkeleihin, pallomaisiin, pienimuotoisiin hiukkasten muotoihin ja parempaan morfologiaan. Niin sanottuja jane-geelejä on ominaista niiden tiheys ja hieno, homogeeninen rakenne. Nämä ominaisuudet syntyvät liuottimen käytön välttämiseksi solunmuodostuksen aikana, mutta myös ja pääasiassa siksi, että ultraäänellä indusoitunut verkkokalvotuksen alustava ristisidottu tila. Kuivumisprosessin jälkeen tuloksena olevilla sonogelillä on hiukkasrakenne, toisin kuin niiden vastakappaleet, jotka on saatu ilman ultraääntä, jotka ovat rihmamaisia. [Esquivias et ai. 2004]
On osoitettu, että voimakkaan ultraäänen käyttö mahdollistaa ainutlaatuisten materiaalien räätälöinnin sol-geeliprosesseista. Tämä tekee suuritehoisesta ultraäänestä voimakas keino kemian ja materiaalien tutkimukseen ja kehitykseen.

Ota yhteyttä / kysy lisätietoja

Kerro meille käsittelyn vaatimuksista. Suosittelemme projektin sopivia asennus- ja käsittelyparametreja.





Huomaathan, että Tietosuojakäytäntö.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

1kW ultraääni kierrätysasennus pumppuineen ja säiliön avulla tekee hienostuneesta käsittelystä

Kirjallisuus / Viitteet

  • Blanco, E .; Esquivias, L .; Litrán, R .; Pinero, M .; Ramírez-del-Solar, M .; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels ja johdetut materiaalit. Appi. Organometallisen. Chem. 13, 1999, s. 399-418.
  • Chen, Q .; Boothroyd, C .; Mcintosh Soutar, A .; Zeng, XT (2010): Sol-geeli nanocoating kaupallisessa TiO2-nanohiukassa ultraäänellä. J. Sol-Gel Sci. Tekn. 53, 2010, s. 115-120.
  • Chen, Q. (2009): Nanohiukkasten piidioksidipäällystys sonogeliprosessilla. SIMTech 10/4, 2009, s. 216-220.
  • Esquivias, L .; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M .; Mosquera, MJ (2004): Hybridikolloidipolymeeri-Xerogelsin rakenne. Langmuir 20/2004. s. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): TiO2-Nano-jauheen synteesi Sol-Gel-menetelmällä ja sen käyttö fotokatalyyttinä. J. Iran. Chem. Soc. 7, 2010, s. 154-160.
  • Li, X .; Chen, L .; Li, B .; Li. L. (2005): Zirkonia Nanopowdersin valmistaminen ultraäänikentässä Sol-Gel -menetelmällä. Trans Tech Pub. 2005.
  • Neppolian, B .; Wang, Q .; Jung, H .; Choi, H. (2008): TiO2-nanopartikkelien valmistuksen ultraäänitutkimus sol-gel -menetelmällä: Karakterisointi, ominaisuudet ja 4-kloorifenolien poisto. Ultrason. Sonochem. 15, 2008, s. 649-658.
  • Pierre, AC; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerogeelit. In: MA Aegerter et ai. (eds.): Aerogels-käsikirja, Advances in sol-geeliin johtavista materiaaleista ja teknologioista. Springer Science + Business: New York, 2011. s. 21-45.
  • Rabinovich, EM (1994): Sol-geeli prosessointi - yleiset periaatteet. In: LC Klein (toim.) Sol-Gel Optics: käsittely ja sovellukset. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994. s. 1-37.
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M .; Esquivias, L. (2002): Sonogelien orgaaniset epäorgaaniset hybridimateriaalit. 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Silika-sonogelien rakenteelliset tutkimukset. J. Ei-Cryst. Solids 121, 1990, s. 211-215.
  • Sakka, S .; Kamya, K. (1982): Sol-geeli-siirtymä: Lasikuitujen muodostuminen & Ohutkalvot. J. Ei-kiteiset kiinteät aineet 38, 1982. s. 31.
  • Santos, HM; Lodeiro, C .; Martínez, J.-L. (2009): Teho ultraäänen. Julkaisussa: J.-L. Martínez (toim.): Ultrasound in Chemistry: Analytical Applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. s. 1-16.
  • Shahruz, N .; Hossain, MM (2011): TiO2-fotokatalyytin nanopartikkeleiden valmistaminen ja koonvalvonta Sol-Gel-menetelmän avulla. World Appl. Sei. J. 12, 2011 s. 1981-1986.
  • Suslick, KS; Price, GJ (1999): Sovellukset Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sei. 29, 1999, s. 295 - 326.
  • Suslick, KS (1998): Sonokemistry. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Voi. 26, 4Th. toim., J. Wiley & Sons: New York, 1998. s. 517-541.
  • Verma, LY; Singh, MP; Singh, RK (2012): Ultraäänialtistuksen vaikutus Ionogelien valmistukseen ja ominaisuuksiin. J. Nanomat. 2012.
  • Zhang, L.-Z .; Yu, J .; Yu, JC (2002): Suoran Sonochemical -valmisteen valmistaminen erittäin valokemiallisesta mesohuokoisesta titaanidioksidista kaksikiteisen kehyksen kanssa. Abstracts of the 201st Meeting of the Electrochemical Society, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem

Aiheeseen liittyviä aiheita

Keskustelemme mielellämme prosessistanne.

Otetaan yhteyttä.


✕