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Sonochimie pour les Procédés Sol-Gel

introduction

des particules ultrafines de taille nanométrique et de particules de forme sphérique, de revêtements en couches minces, des fibres, des matières poreuses et denses, ainsi aérogels et xérogels extrêmement poreuses sont des additifs très potentiels pour le développement et la production de matériaux à hautes performances. matériaux avancés, y compris par exemple des céramiques, des aérogels hautement poreuses, ultra-léger et hybrides organiques-inorganiques peuvent être synthétisés à partir de suspensions ou de polymères colloïdales dans un liquide par le procédé sol-gel. Le matériau présente des caractéristiques uniques, étant donné que les particules de sol générés varient de la taille du nanomètre. De ce fait, le procédé sol-gel, fait partie de la nanochimie.
Dans ce qui suit, la synthèse de matériaux de taille nanométrique par des voies sol-gel est assistée par ultrasons en revue.

Procédé Sol-Gel

Sol-gel et traitement lié comprend les étapes suivantes:

  1. faire précipiter une poudre ou sol, gélifier le sol dans un moule ou sur un substrat (dans le cas de films), ou en faisant un second sol à partir de la poudre précipitée et de sa gélification, ou mise en forme de la poudre en un corps par des voies non-gel;
  2. séchage;
  3. la cuisson et le frittage. [Rabinovich 1994]
procédés sol-gel sont des voies chimiques humides pour la fabrication de gel d'oxydes métalliques ou de polymères hybrides

Tableau 1: Les étapes de la synthèse Sol-Gel et les processus en aval

ultrasons de puissance favorise les réactions sonochimiques (Cliquez pour agrandir!)

réacteur en verre à ultrasons pour sonochimie

Demande d'information





procédés sol-gel sont une technique chimique par voie humide de synthèse pour la fabrication d'un réseau intégré (gel soi-disant) d'oxydes métalliques ou de polymères hybrides. Comme précurseurs, les sels métalliques couramment inorganiques tels que les chlorures de métaux et des composés métalliques organiques tels que les alcoolates métalliques sont utilisés. le sol – consistant en une suspension de précurseurs – se transforme en un système diphasique analogue à un gel, qui consiste à la fois un liquide et une phase solide. Les réactions chimiques qui se produisent au cours d'un processus sol-gel sont hydrolyse, le poly-condensation, et la gélification.
Au cours de l'hydrolyse et de polycondensation, un colloïde (sol), qui consiste à nanoparticules dispersées dans un solvant, est formé. La phase sol existante se transforme en gel.
Le gel résultant de phase est formée par des particules dont la taille et la formation peut varier considérablement d'particules colloïdales discrètes à des polymères de chaîne de type continu. La forme et la taille dépend des conditions chimiques. D'après les observations sur SiO2 alcogels peuvent généralement être conclu qu'il en résulte un sol catalysées par une base dans une espèce discrètes formées par agrégation de monomères-groupes, qui sont plus compacts et hautement ramifié. Ils sont affectés par la sédimentation et les forces de gravité.
acide catalysée sols dérivent des chaînes de polymère très enchevêtrées montrant une microstructure très fine et très petits pores qui apparaissent tout à fait uniforme dans tout le matériau. La formation d'un réseau continu plus ouvert de polymères de faible densité présente certains avantages en ce qui concerne les propriétés physiques de la formation de verre de haute performance et verre / composants céramiques à 2 et 3 dimensions. [Sakka et al. 1982]
Dans d'autres étapes de traitement, par revêtement par centrifugation ou le revêtement par immersion, il devient possible de revêtir des substrats avec des couches minces par coulée ou le sol dans un moule, pour former un gel humide que l'on appelle. Après séchage supplémentaire et le chauffage, un matériau dense sera obtenu.
Dans d'autres étapes du procédé en aval, peut être en outre traité le gel obtenu. Par précipitation, pyrolyse par pulvérisation, ou par des techniques d'émulsion, et des poudres ultrafines uniformes peuvent être formés. Ou soi-disant aérogels, qui sont caractérisés par une porosité élevée et une densité extrêmement faible, peuvent être créés par l'extraction de la phase liquide du gel humide. Par conséquent, les conditions normalement supercritiques sont nécessaires.
Ultrasons est une technique éprouvée pour améliorer la synthèse sol-gel de nano-matériaux. (Cliquez pour agrandir!)

Tableau 2: Ultrasonic synthèse sol-gel de TiO2 mésoporeux [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

Haute puissance par ultrasons

Haute puissance, ultrasons basse fréquence offre un potentiel élevé pour les procédés chimiques. Lorsque des ondes ultrasonores intenses sont introduits dans un milieu liquide, en alternance à haute pression et des cycles à basse pression avec des taux en fonction de la fréquence se produisent. cycles à haute pression moyenne compression, tandis que les cycles à faible fréquence moyenne raréfaction du milieu. Pendant le cycle à basse pression (raréfaction), haute ultrasons de puissance crée des petites bulles de vide dans le liquide. Ces bulles de vide se développent sur plusieurs cycles.
En conséquence de l'intensité des ultrasons, le liquide comprime et étire à des degrés divers. Cela signifie que le cavitation bulles peuvent se comporter de deux façons. A faible intensité ultrasoniques de ~ 1-3Wcm-2, les bulles de cavitation oscillent autour de la taille d'équilibre pour de nombreux cycles acoustiques. Ce phénomène est appelé cavitation stable. À des intensités ultrasoniques élevées (≤10Wcm-2) Les bulles de cavitation sont formées dans les quelques cycles acoustiques à un rayon d'au moins deux fois leur taille initiale et l'effondrement à un point de compression lorsque la bulle ne peut pas absorber plus d'énergie. Ceci est appelé cavitation transitoire ou d'inertie. Au cours de l'implosion de la bulle, localement ce qu'on appelle des points chauds se produisent, qui présentent des conditions extrêmes: Au cours de l'implosion, localement des températures très élevées (.) Et environ 5.000 K pressions (. Environ 2,000atm) sont atteintes. L'implosion de la bulle de cavitation se traduit également par des jets de liquide allant jusqu'à 280 m / s la vitesse, qui agissent comme de très hautes forces de cisaillement. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Sono-ORMOSIL

Sonication est un outil efficace pour la synthèse de polymères. Au cours de la dispersion à ultrasons et la désagglomération, les forces de cisaillement caviational qui étirent et de briser les chaînes moléculaires dans un procédé non aléatoire, conduisent à un abaissement du poids moléculaire et de poly-dispersité. En outre, les systèmes à plusieurs phases sont très efficaces Dispersé et émulsionnée, De sorte que des mélanges très fines sont fournies. Cela signifie que les ultrasons augmente la vitesse de polymérisation au cours de l'agitation classique et aboutit à des poids moléculaires supérieurs avec polydispersité inférieur.
Ormosils (silicate organiquement modifié) sont obtenus lorsque le silane est ajouté à la silice dérivé d'un gel au cours du processus sol-gel. Le produit est un composite à l'échelle moléculaire avec des propriétés mécaniques améliorées. Sono-Ormosils sont caractérisés par une densité plus élevée que les gels classiques, ainsi qu'une stabilité thermique améliorée. Une explication pourrait donc être le plus grand degré de polymérisation. [Rosa-Fox et al. 2002]

forces puissantes sont à ultrasons technique bien connue et fiable pour l'extraction (Cliquez pour agrandir!)

Ultrasonique cavitation dans un liquide

mésoporeux TiO2 par l'intermédiaire d'ultrasons Sol-Gel Synthèse

mésoporeux TiO2 est Widley utilisé comme photocatalyseur, ainsi que dans l'électronique, la technologie des capteurs et assainissement de l'environnement. Pour les propriétés des matériaux optimisés, il est destiné à produire TiO2 avec une cristallinité élevée et de grande surface. La voie sol-gel assisté par ultrasons présente l'avantage que les propriétés intrinsèques et extrinsèques de TiO2, Tels que la taille des particules, la surface spécifique, volume de pores, des pores de diamètre, la cristallinité ainsi que anatase, rutile et brookite rapports de phase peut être influencé par le contrôle des paramètres.
Milani et al. (2011) ont démontré la synthèse de TiO2 nanoparticules anatase. Par conséquent, le processus sol-gel a été appliqué au TiCl4 précurseur et dans les deux sens, avec et sans traitement aux ultrasons, ont été comparés. Les résultats montrent que l'irradiation par ultrasons ont un effet monotone sur tous les composants de la solution obtenue par le procédé sol-gel et provoquer la rupture des liens lâches de grands colloïdes nanométriques en solution. Ainsi, les petites nanoparticules sont créées. Les produisant localement pressions et températures élevées cassent les liaisons à longues chaînes de polymères, ainsi que les liaisons faibles de liaison de particules plus petites, par lequel des masses colloïdales plus grandes sont formées. La comparaison des deux TiO2 échantillons, en présence et en l'absence d'irradiation par ultrasons, est représenté sur les images SEM (voir ci-dessous Pic. 2).

Ultrasound assiste le processus de gélatinisation pendant la synthèse sol-gel. (Cliquez pour agrandir!)

Pic. 2: les images SEM de TiO2 pwder, calciné à 400 degrés C pour un temps de 1 h et 24 h gélatinisation de: (a) en présence de (b) en l'absence d'ultrasons. [Milani et al. 2011]

En outre, des réactions chimiques peuvent bénéficier des effets sonochimiques, qui comprennent par exemple la rupture des liaisons chimiques, une amélioration significative de la réactivité chimique ou une dégradation moléculaire.

Sono-Gels

Dans catalytiquement sono assistées réactions sol-gel, les ultrasons sont appliqués aux précurseurs. Les matériaux obtenus avec de nouvelles caractéristiques sont connues sous le nom sonogels. En raison de l'absence de solvant supplémentaire en combinaison avec le ultrasonique cavitation, Un environnement unique pour les réactions sol-gel est créé, ce qui permet la formation de fonctions particulières dans les gels obtenus: haute densité, texture fine, la structure homogène etc. Ces propriétés déterminent l'évolution des sonogels sur le traitement ultérieur et la structure de matériau final . [Blanco et al. 1999]
Suslick et prix (1999) montrent que l'irradiation ultrasonique de Si (OC2H5)4 dans de l'eau avec un catalyseur acide produit une silice « sonogel ». Dans la préparation classique de gels de silice de Si (OC2H5)4, L'éthanol est couramment utilisé co-solvant en raison de la non-solubilité du Si (OC2H5)4 dans l'eau. L'utilisation de tels solvants est souvent problématique, car ils peuvent provoquer des fissures lors de l'étape de séchage. Ultrasonication fournit un mélange très efficace de sorte que les co-solvants volatils tels que l'éthanol peuvent être évités. Il en résulte une silice sono-gel, caractérisé par une densité plus élevée que les gels produits de manière conventionnelle. [Suslick et al. 1999, 319F.]
aérogels classiques sont constitués d'une matrice de faible densité avec de grands pores vides. Les sonogels, en revanche, ont une porosité plus fine et les pores sont en forme de sphère tout à fait, avec une surface lisse. Pentes supérieures à 4 dans la région de l'angle élevé révèlent des fluctuations importantes de la densité électronique sur les limites de matrice de pores [Rosa-Fox et al. 1990].
Les images de la surface des échantillons de poudre montrent clairement que l'utilisation des ondes ultrasonores ont donné lieu à une plus grande homogénéité de la taille moyenne des particules et conduit à des particules plus petites. En raison de la sonication, la taille moyenne des particules diminue d'env. 3 nm. [Milani et al. 2011]
Les effets positifs de l'échographie ont fait leurs preuves dans diverses études de recherche. Par exemple, un rapport Neppolian et al. dans leur travail l'importance et les avantages de ultrasonication dans la modification et l'amélioration des propriétés photocatalytiques des particules de TiO2 nanométriques mésoporeux. [Neppolian et al. 2008]

Nanorevêtement par réaction sol-gel à ultrasons

Nanocoating signifie matériau de couverture avec une couche nanométrique ou la couverture d'une entité de taille nanométrique. Ainsi, des structures encapsulées ou core-shell sont obtenues. Ces nanocomposites présentent des propriétés physiques et chimiques de haute performance en raison de caractéristiques spécifiques combinées et / ou d'effets structurants des composants.
À titre d'exemple, la procédure de revêtement des particules d'oxyde d'indium-étain (ITO) sera démontrée. Les particules d'ITO sont recouvertes de silice dans un processus en deux étapes, comme indiqué dans une étude de Chen (2009). Dans la première étape chimique, la poudre d'oxyde d'indium et d'étain subit un traitement par aminosilane. La deuxième étape est le revêtement de silice sous ultrasonication. Pour donner un exemple spécifique de sonication et de ses effets, l'étape du processus présentée dans l'étude de Chen est résumée ci-dessous:
Un procédé typique pour cette étape est le suivant: on mélange lentement 10 g de GPTS avec 20 g d'eau acidifiée par de l'acide chlorhydrique (HCl) (pH = 1,5). On a ensuite ajouté au mélange 4 g de ladite poudre traitée à l'aminosilane, contenue dans une bouteille en verre de 100 ml. La bouteille a ensuite été placée sous la sonde du sonicateur pour une irradiation ultrasonore continue avec une puissance de sortie de 60 W ou plus.
réaction sol-gel a été initiée après irradiation par ultrasons environ 2-3min, sur laquelle a été générée une mousse blanche, en raison de la libération de l'alcool lors de l'hydrolyse complète de GLYMO (3- (2,3-époxypropoxy) propyltriméthoxysilane). Sonication a été appliquée pendant 20 minutes, après quoi on a agité la solution pendant plusieurs heures. Une fois que le processus a été terminé, les particules ont été recueillies par centrifugation et ont été lavées à plusieurs reprises avec de l'eau puis séché soit maintenu pour la caractérisation ou dispersé dans l'eau ou des solvants organiques. [Chen 2009, p.217]

Conclusion

L'application des ultrasons aux processus sol-gel conduit à un meilleur mélange et à la désagglomération des particules. Ceci résulte en une taille de particules plus petite, une forme de particule sphérique, de faible dimension et une morphologie améliorée. Les soi-disant sono-gels sont caractérisés par leur densité et leur structure fine et homogène. Ces caractéristiques sont créées en raison de l'évitement de l'utilisation de solvant pendant la formation du sol, mais aussi, et principalement, en raison de l'état réticulé initial de réticulation induit par les ultrasons. Après le processus de séchage, les sonogels résultants présentent une structure particulaire, contrairement à leurs homologues obtenus sans application d'ultrasons, qui sont filamenteux. [Esquivias et al. 2004]
Il a été démontré que l'utilisation d'ultrasons intense permet l'adaptation des matériaux uniques de procédés sol-gel. Cela rend les ultrasons à haute puissance un outil puissant pour la chimie et de la recherche et le développement matériaux.

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Littérature / Références

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