אפקטים Sonochemical על תהליכים סול-ג'ל
מבוא
Ultrafine חלקיקים בגודל ננו חלקיקים בצורה כדורי, ציפויי סרט דקים, סיבים, חומרים נקבוביים צפופים, כמו גם aerogels הנקבובי מאוד xerogels הם תוספים פוטנציאל מאוד לפיתוח והייצור של חומרי ביצועים גבוהים. חומרים מתקדמים, כולל למשל: קרמיקה, aerogels נקבובי, האולטרה מאוד כלאיים אורגני-אורגניים ניתן מסונתז מ השעיות קולואידים או פולימרים בנוזל באמצעות שיטת סול-ג'ל. החומר מציג מאפיינים ייחודיים, שכן חלקיקי הסול שנוצרו נעים בגודל ננומטרי. ובכך, תהליך סול-ג'ל הוא חלק nanochemistry.
בחלק הבא, הסינתזה של החומר בגודל ננו דרך נתיבי סול-ג'ל סייעה באולטרסאונד נבחנת.
תהליך סול-ג'ל
סול-ג'ל ועיבוד נלווה כוללים את השלבים הבאים:
- ביצוע סול או מזרז אבקה, gelling סול בתוך תבנית או על מצע (במקרה של סרטים), או ביצוע סול שני מן האבקה זרזה ו gelation שלה, או בעיצוב האבקה לתוך גוף על ידי נתיבים הלא-ג'ל;
- יִבּוּשׁ;
- ירי ו sintering. [רבינוביץ 1994]
טבלה 1: צעדים של סינתזה סול-ג'ל ואת תהליכי במורד הזרם
כור זכוכית אולטרסאונד סונוכימיה
במהלך הידרוליזה פולי-התעבות, קולואיד (סול), אשר מורכב חלקיקים מפוזרים בתוך ממס, נוצר. שלב הסול הקיים הופך את הג'ל.
הג'ל פאזי וכתוצאה נוצר על ידי חלקיקים אשר גודל היווצרות יכולים להשתנות במידה רבה מן החלקיקים קולואידים דיסקרטיים כדי פולימרי שרשרת דמוית רציפים. הצורה והגודל תלוי בתנאים הכימיים. מתצפיות על SiO2 alcogels ניתן להסיק כלל כי תוצאות סול-מזורז בסיס זן נבדל נוצר על ידי צבירה של אשכולות מונומר, שהן יותר קומפקטיים מסועפות מאוד. הם מושפעים שקיעה וכוחות הכבידה.
sols חומצה-מזורזת נובעות שרשראות הפולימר הסתבכו מאוד מראה מיקרו קנס מאוד נקבוביות קטנות מאוד המופיעים אחיד למדי לאורך כל החומר. ההיווצרות של רשת רציפה פתוחה יותר של פולימרים בצפיפות נמוכים מציגה יתרונות מסוימים לגבי נכסים פיסיים במבנה זכוכית ביצועים גבוה וזכוכית / רכיבי קרמיקה ב 2 ו 3 ממדים. [אל Sakka et. 1982]
בשנת צעדים עיבוד נוסף, על ידי הספין-ציפוי או מטבל-ציפוי ניתן יהיה מצעים מעיל עם שכבות דקות או על ידי הטלת סול לתוך תבנית, כדי ליצור ג'ל שנקרא רטוב. לאחר ייבוש וחימום נוספים, חומר צפוף יושג.
בשנת צעדים נוספים של תהליך במורד הזרם, הג'ל המתקבל יכול להיות מעובד יותר. ויה ממטרים, פירוליזה ספריי, או טכניקות אמולסיה, ultrafine ואבקות אחידות יכול להיוצר. או aerogels שנקרא, אשר מאופיינים נקבוביות גבוהה בצפיפות נמוכה מאוד, יכול להיווצר על ידי מיצוי של נוזל שלב של ג'ל רטוב. לכן, בתנאי סופר קריטיים בדרך כלל נדרשים.
טבלה 2: Ultrasonic סול-ג'ל סינתזה של TiO2 mesoporous [יו ואח ', Chem.. Commun. 2003, 2078]
אולטראסאונד עוצמה גבוהה
הספק גבוה, אולטרסאונד בתדר נמוך מציע פוטנציאל גבוה עבור תהליכים כימיים. כאשר גלי קולי אינטנסיבי מוכנסים מדיום נוזלי, לסירוגין בלחץ-גבוה מחזורי בלחץ נמוך עם שיעורי תלוי בתדירות להתרחש. מחזורי בלחץ גבוה פירושו דחיסה, תוך מחזורי בתדר נמוך מתכוון דִבלוּל של המדיום. במהלך בלחץ נמוך (דִבלוּל) המחזור, אולטרסאונד הספק הגבוה יוצר בועות ואקום קטנות בנוזל. בועות ואקום אלה לצמוח לאורך כמה מחזורים.
לפיכך לעוצמת אולטרסאונד, נוזל דוחס ומותח בדרגות שונות. משמעות הדבר היא cavitation בועות יכולות להתנהג בשתי דרכים. בעוצמות נמוכות קוליות של ~ 1-3Wcm? כמה אתה מבין, בועות cavitation לנוע על גודל שיווי משקל עבור מחזורים אקוסטיים רבים. תופעה זו נקראת cavitation יציבה. בעוצמות קוליות גבוהות (≤ 10Wcm? כמה אתה מבין) נוצרות בועות cavitational בתוך מחזורים אקוסטית כמה לרדיוס של הגודל והקריסה הראשוני שלהם פעמים לפחות בנקודה של דחיסה כאשר אנרגית הבועה לא יכולה לספוג יותר. זה נקרא cavitation חולף או אינרציה. במהלך קריסת בועה, מקומי שנקראות נקודות חמות להתרחש, אשר כוללים תנאים קיצוניים: במהלך הקריסה, מקומי מאוד בטמפרטורות גבוהות (. כ 5,000K) ולחצים (. כ 2,000atm) הם הגיעו. ההתפוצצות של בועת cavitation גם תוצאות מטוסי נוזל של עד 280 / s מהירה, אשר יפעלו מאוד כוחות גזירה גבוהים. [Suslick 1998 / סנטוס ואח '. 2009]
סונו-ormosil
Sonication הוא כלי יעיל לסינתזה של פולימרים. במהלך פיזור קולי ו deagglomeration, כוחות גזירת caviational, אשר להשתרע לשבור את השרשרות המולקולריות בתהליך הלא-אקראי, לגרום להורדת המשקל המולקולרי פולי-dispersity. יתר על כן, מערכות מולטי-שלב מאוד יעילות מְפוּזָר ו לתחליב, כך תערובות אשר סופקו יפות מאוד. משמעות הדבר היא כי אולטרסאונד מגביר את קצב פולימריזציה מעל בחישה קונבנציונאלי וכתוצאה מכך משקל מולקולרי גבוה עם polydispersities התחתון.
Ormosils (סיליקט שונה אורגני) מתקבלים כאשר silane מתווסף סיליקה ג'ל הנגזרות במהלך תהליך סול-ג'ל. המוצר הינו מורכב בקנה מידה מולקולרי עם תכונות מכאניות משופרות. סונו-Ormosils מתאפיינים בצפיפות גבוהה יותר מאשר ג'ל קלאסי וכן יציבות תרמית משופרת. סבר ולכן עלול להיות מידת הגדילה של פילמור. [ואח 'רוזה-פוקס. 2002]
קולי cavitation ב נוזלי
mesoporous TIO2 באמצעות אולטרה סאונד סול-ג'ל סינתזה
mesoporous TIO2 widley משמש photocatalyst כמו גם בתחום אלקטרוניקה, טכנולוגית חיישן תיקון הסביבה. עבור תכונות חומרים אופטימיזציה, היא מכוונת לייצר TIO2 עם crystallinity גבוהה שטח פנים גדול. מסלול הסול-ג'ל סייע הקולי יש היתרון כי המאפיינים הפנימיים וחיצוניים של טיו2, כגון גודל החלקיקים, שטח פנים, נפח נקבובי, נקבובי בקוטר, crystallinity כמו גם anatase, רוטיל ויחסי שלב brookite יכול להיות מושפע על ידי שליטה על הפרמטרים.
מילאני ואח. (2011) הדגימו את הסינתזה של טיו2 חלקיקי anatase. לכן, תהליך סול-ג'ל, שהושם על TiCl4 מבשר בשני הכיוונים, עם ובלי ultrasonication, כבר בהשוואה. התוצאות מראות כי קרינת אולטרא השפעה מונוטונית על כל רכיבי פתרון התאמות בשיטת סול-ג'ל ולגרום שבירת קישורים הרופפים של קולואידים ננומטריים הגדולים בתמיסה. לפיכך, חלקיקים קטנים נוצרים. באופן מקומי המתרחשים בלחצים ובטמפרטורות גבוהים לשבור את bondings בשרשרות פולימר ארוכות, כמו גם את החוליות החלשות מחייבות חלקיקים קטנים, שבאמצעותו המונים קולואידים גדולים נוצרים. ההשוואה של שני TIO2 דגימות, בנוכחות ובהעדר ההקרנה קולית, מוצגות תמונות SEM מתחת (ראה תמונה. 2).
Pic. 2: תמונות SEM של pwder TiO2, calcinated ב 400 degC זמן 1H ו gelatinization של 24 שעות: (א) בנוכחות ו- (ב) בהעדר אולטרסאונד. [ואח מילאני. 2011]
יתר על כן, תגובות כימיות יכולות להרוויח תופעות sonochemical, הכוללות למשל: השבירה של קשרים כימיים, שיפור משמעותי של תגובה כימית או השפלה מולקולרית.
סונו-ג'ל
בשנת סונו-קטליטית תגובות סול-ג'ל סייעו, מוחל אולטרסאונד כדי המבשר. החומרים וכתוצאה עם מאפיינים חדשים ידועים כמו sonogels. בשל היעדר ממס נוסף בשילוב עם הקולים cavitation, סביבה ייחודית לתגובות סול-ג'ל נוצרה, אשר מאפשרת ההיווצרות של תכונות מסוימות בג'לים וכתוצאה: צפיפות גבוהה, מרקם עדין, מבנה הומוגני וכו 'מאפיינים אלה לקבוע את האבולוציה של sonogels על עיבוד נוסף במבנה החומר הסופי . [ואח 'בלאנקו. 1999]
Suslick ואת מחיר (1999) מראים כי קרינה אולטרא של Si (OC2חמיכל 5)4 במים עם זרז חומצה מייצרת סיליקה "sonogel". כהכנה קונבנציונלית של ג'ל סיליקה מ סי (OC2חמיכל 5)4אתנול, הוא ממס שיתוף נפוץ בשל-המסיס אי סי (OC2חמיכל 5)4 במים. השימוש בממסים כזה הוא לעתים קרובות בעייתי מכיוון שהם עלולים לגרום פיצוח במהלך שלב הייבוש. Ultrasonication מספק ערבוב יעיל ביותר כך-ממסים נדיפים שיתוף כגון אתנול ניתן להימנע. התוצאה היא ג'ל סונו-סיליקה מאופיין בצפיפות גבוהה יותר מאשר ג'ל המיוצר כמקובל. [Suslick ואח. 1999, 319f.]
aerogels הקונבנציונלי מורכב מטריקס בצפיפות נמוכה עם נקבוביות ריקות גדולות. Sonogels, לעומת זאת, יש נקבוביות עדינות ואת הנקבוביות הן די כדור בצורת, עם משטח חלק. בשיפועים העולים 4 באזור הזווית הגבוה לחשוף תנודות בצפיפות אלקטרונית חשובות על הגבולות-מטריקס נקבובית [רוזה-פוקס ואח '. 1990].
התמונות של פני השטח של דגימות האבקה להראות בבירור כי גלים קוליים באמצעות הביא הומוגניות יותר בגודל הממוצע של החלקיקים הביאו חלקיקים קטנים. בשל sonication, גודל החלקיקים הממוצע יורד בכ. 3 ננומטר. [ואח מילאני. 2011]
ההשפעות החיוביות של אולטרסאונד מוכחות במחקרים שונים. למשל, ספר לנו לדווח Neppolian ואח. בעבודתם את החשיבות והיתרונות של ultrasonication של שינוי ושיפור הנכסים הפוטו של חלקיקים TiO2 ננו-גודל mesoporous. [Et al Neppolian. 2008]
Nanocoating באמצעות תגובת סול-ג'ל קולי
Nanocoating פירושו כיסוי החומר עם שכבת nano scaled או את הכיסוי של ישות בגודל ננו. בכך מתקבלים מבנים מקופצים או פגזי ליבה. כאלה מרוכבים ננו תכונה תכונות פיסיקליות וכימיות ביצועים גבוהים בשל תכונות ספציפיות בשילוב ו / או מבנה ההשפעות של הרכיבים.
לדוגמה, הליך ציפוי של אינדיום פח תחמוצת (ITO) חלקיקים יהיה הפגינו. חלקיקי ה- ITO מצופים בסיליקה בתהליך דו-שלבי, כפי שמוצג במחקר של צ'ן (2009). בשלב הכימי הראשון, אינדיום פח אבקת אבקת עובר טיפול suface aminosilane. השלב השני הוא ציפוי סיליקה תחת ultrasonication. כדי לתת דוגמה ספציפית של sonication ואת ההשפעות שלה, את שלב התהליך המוצג במחקר של חן, הוא סיכם להלן:
תהליך טיפוסי בשלב זה הוא כדלקמן: 10 G GPTS היה מעורב באיטיות עם 20g של מים acidified ידי חומצה הידרוכלורית (HCL) (pH = 1.5). 4 גרם של אבקת Aminosilane כאמור לעיל נוספה לתערובת, הכלול בקבוק זכוכית 100 מ"ל. הבקבוק הונח אז תחת בדיקה של sonicator עבור הקרנה אולטרסאונד מתמשך עם כוח המוצא של 60W ומעלה.
תגובת הסול-ג'ל נפתחה בעקבות הקרנת אולטרסאונד 2-3min כ, שעליו קצף לבן נוצר, עקב השחרור של אלכוהול על הידרוליזה נרחבת של GLYMO (3- (2,3-Epoxypropoxy) propyltrimethoxysilane). Sonication יושמה עבור 20min, שלאחריו הפתרון היה נרגש במשך כמה שעות נוספות. לאחר סיום התהליך נגמר, חלקיקים שנאספו על ידי צנטריפוגה נשטפו שוב ושוב עם מים ואז מיובשים או לאפיון או שמר מפוזר במים או בממסים אורגניים. [חן 2009, p.217]
סיכום
היישום של אולטרה-סאונד לתהליכי ג'ל-סול מוביל לערבוב טוב יותר ולדיאגלומציה של חלקיקים. התוצאה היא גודל חלקיקים קטנים יותר, כדורית, צורת חלקיקים נמוכה ומורפולוגיה משופרת. סונו-ג'ל כביכול מאופיינים בצפיפותם ובבניה ההומוגנית. תכונות אלה נוצרות עקב הימנעות משימוש של הממס במהלך היווצרות סול, אבל גם, ובעיקר, בשל מצב הצלב הראשון המקושרים של reticulation המושרה על ידי אולטרסאונד. לאחר תהליך הייבוש, סונוגלים וכתוצאה מכך להציג מבנה חלקיקים, בניגוד עמיתיהם שהושגו ללא החלת אולטראסאונד, אשר נימית. [Esquivias et al. 2004.
הוכח כי השימוש אולטרסאונד אינטנסיבי מאפשר התאמת חומרים ייחודיים מתהליכי סול-ג'ל. זה עושה אולטרסאונד הספק גבוה כלי רב עוצמה עבור מחקר כימיה וחומרים ופיתוח.
התקנת 1kW סחרור קולית עם משאבת טנק מחזיק מאפשרת עיבוד מתוחכם
ספרות / הפניות
- לבן, E.; אסקוויבס, L.; Litrán, R.; פינרו, M.; רמירז-דל-שמש, M.; Rosa_Fox, נ'(1999): Sonogels וחומרים נגזרים. Appl. אורגנומתכתית. Chem. 13, עמ '1999. 399-418.
- חן, ש .; בותרויד, C .; מקינטוש Soutar, A .; זנג, X. ט (2010): nanocoating-ג'ל סול על nanopowder TiO2 המסחרי באמצעות אולטרסאונד. ג'יי-סול ג'ל Sci. Technol. 53, 2010 עמ. 115-120.
- חן, ש (2009): ציפוי סיליקה של חלקיקים על ידי תהליך sonogel. 10/4 SIMTech, 2009. עמ. 216-220.
- אסקוויבס, L .; רוזה-פוקס, נ דה לה; בז'רנו, M .; מוסקרה, M. J. (2004): מבנה של Xerogels פולימר-קולואיד היברידי. לנגמיואיר 20/2004. עמ. 3416-3423.
- כראמים, א (2010): סינתזה של TiO2 ננו אבקה ידי שיטת הסול-ג'ל והשימוש בו בתור Photocatalyst. ג'יי איראן. Chem. Soc. 7, 2010. עמ. 154-160.
- Li, X .; חן, L .; Li, B .; Li. L. (2005): הכנת זירקוניה ננו אבקות ב שדה אולטרסאונד על ידי שיטת סול-ג'ל. פאב Trans טק. 2005.
- Neppolian, B .; וואנג, ש .; יונג, H .; צ'וי, H. (2008): אולטרסאונד בסיוע שיטת סול ג 'של הכנת ננו-חלקיקים TiO2: אפיון, תכונות ויישומים להסרת 4-chlorophenol. Ultrason. Sonochem. 15, 2008 עמ. 649-658.
- פייר, א ג .; Rigacci, א (2011): SiO2 Aerogels. ב: מ.א. Aegerter ואח. (עורכים.): Aerogels Handbook, התקדמות חומרים סול-ג'ל נגזרו וטכנולוגיות. שפרינגר מדע + עסקים: ניו יורק, 2011. עמ '21-45..
- רבינוביץ, E. M. (1994): עיבוד סול-ג'ל - עקרונות כלליים. בתוך: ל 'ק' קליין (אד.) סול-ג'ל אופטיקה: עיבוד יישומים. המו"לים האקדמי Kluwer: בוסטון, 1994. עמ '1-37..
- רוזה-פוקס, נ דה לה; פינרו, M .; אסקוויבס, L. (2002): חומרים היברידיים אורגניים-אורגניים מן Sonogels. 2002.
- רוזה-פוקס, נ דה לה; אסקוויבס, L. (1990): מחקרים מבניים של sonogels סיליקה. ג'יי ללא cryst. מוצקים 121, 1990. עמ. 211-215.
- Sakka, S .; Kamya, ק '(1982): מעבר הסול-ג'ל: גיבוש של סיבי זכוכית & שכבות דקות. ג'יי Non-גבישי מוצקים 38, 1982. p. 31.
- סנטוס, H. M .; לודיירו, C .; מרטינז, J.-L. (2009): The Power of אולטראסאונד. ב: J.-L. מרטינז (ed.): אולטראסאונד בכימיה: אנליטי יישומים. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. עמ '1-16..
- Shahruz, N .; חוסיין, M. M. (2011): בקרת סינתזה גודל של הכנת ננו-חלקיקי TiO2 Photocatalyst בשיטה סול-ג'ל. העולם Appl. Sci. 12 ג ', 2011. עמ'. 1981-1986.
- Suslick, ק S .; מחיר, ג 'ג' (1999): יישומים של אולטראסאונד כדי חומרי כימיה. Annu. הכומר מאטר. Sci. 29, 1999 עמ. 295-326.
- Suslick, ק ס (1998): sonochemistry. ב: קירק-Othmer האנציקלופדיה של כימיה וטכנולוגיה, Vol. 26, 4ה. ed., ג'יי ויילי & בנים: ניו יורק, 1998. עמ '517-541..
- ורמא, L. Y .; סינג, M. P .; סינג, ר ק (2012): השפעת קרינת אולטרה סאונד על הכנת מאפיינים של Ionogels. ג'יי Nanomat. 2012.
- ג'אנג, L.-Z .; יו, J .; יו, ג'יי סי (2002): הכנת Sonochemical הישיר של תחמוצת טיטניום mesoporous photoactive מאוד עם מסגרת bicrystalline. תקצירים של האסיפה 201 של האגודה אלקטרוכימי, 2002.
- https://www.hielscher.com/sonochem