सोनोकेमिकल प्रभाव सोल-जेल प्रक्रियाओं पर
अल्ट्राफाइन नैनो आकार के कण और गोलाकार आकार के कण, पतली फिल्म कोटिंग्स, फाइबर, झरझरा और घने सामग्री, साथ ही बेहद झरझरा एयरगेल और ज़ेरोगेल उच्च प्रदर्शन सामग्री के विकास और उत्पादन के लिए अत्यधिक संभावित योजक हैं। जैसे सिरेमिक, अत्यधिक झरझरा, अल्ट्रालाइट एयरगेल और कार्बनिक-अकार्बनिक संकर सहित उन्नत सामग्री को सोल-जेल विधि के माध्यम से तरल में कोलाइडल निलंबन या पॉलिमर से संश्लेषित किया जा सकता है। सामग्री अद्वितीय विशेषताओं को दिखाती है, क्योंकि उत्पन्न सोल कण नैनोमीटर आकार में होते हैं। इस प्रकार, सोल-जेल प्रक्रिया नैनोकेमिस्ट्री का हिस्सा है।
निम्नलिखित में, अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त सोल-जेल मार्गों के माध्यम से नैनो आकार की सामग्री के संश्लेषण की समीक्षा की जाती है।
सोल-जेल प्रक्रिया
सोल-जेल और संबंधित प्रसंस्करण में निम्नलिखित चरण शामिल हैं:
- एसओएल या अवक्षेप पाउडर बनाना, सॉल को एक मोल्ड में या सब्सट्रेट (फिल्मों के मामले में) पर गेलिंग करना, या अवक्षेपित पाउडर और उसके जेलेशन से दूसरा सोल बनाना, या गैर-जेल मार्गों द्वारा पाउडर को शरीर में आकार देना;
- सुखाने;
- फायरिंग और सिंटरिंग। [रैबिनोविच 1994]
तालिका 1: सोल-जेल संश्लेषण और बहाव प्रक्रियाओं के चरण
सोल-जेल प्रतिक्रियाओं के लिए अल्ट्रासोनिक रिएक्टर
सोल-जेल प्रक्रियाएं धातु ऑक्साइड या हाइब्रिड पॉलिमर के एक एकीकृत नेटवर्क (तथाकथित जेल) के निर्माण के लिए संश्लेषण की एक गीली-रासायनिक तकनीक है। अग्रदूत के रूप में, आमतौर पर अकार्बनिक धातु लवण जैसे धातु क्लोराइड और कार्बनिक धातु यौगिक जैसे धातु एल्कॉक्साइड का उपयोग किया जाता है। सोल – अग्रदूतों के निलंबन में शामिल है – एक जेल जैसी द्विध्रुवीय प्रणाली में बदल जाती है, जिसमें तरल और ठोस चरण दोनों होते हैं। सोल-जेल प्रक्रिया के दौरान होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं हाइड्रोलिसिस, पॉली-कंडेनसेशन और जेलेशन हैं।
हाइड्रोलिसिस और पॉली-संघनन के दौरान, एक कोलाइड (सोल), जिसमें एक विलायक में बिखरे हुए नैनोकणों का निर्माण होता है। मौजूदा सोल चरण जेल में बदल जाता है।
परिणामी जेल-चरण कणों द्वारा बनता है जो आकार और गठन असतत कोलाइडल कणों से निरंतर श्रृंखला जैसे पॉलिमर तक बहुत भिन्न हो सकते हैं। रूप और आकार रासायनिक स्थितियों पर निर्भर करता है। SiO2 एल्कोगेल पर टिप्पणियों से आम तौर पर निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि एक आधार-उत्प्रेरित सोल के परिणामस्वरूप मोनोमर-समूहों के एकत्रीकरण द्वारा गठित एक असतत प्रजाति होती है, जो अधिक कॉम्पैक्ट और अत्यधिक शाखित होती है। वे अवसादन और गुरुत्वाकर्षण बलों से प्रभावित होते हैं।
अम्ल-उत्प्रेरित सोल अत्यधिक उलझी हुई बहुलक श्रृंखलाओं से प्राप्त होते हैं जो एक बहुत ही महीन सूक्ष्म संरचना और बहुत छोटे छिद्र दिखाते हैं जो पूरी सामग्री में काफी समान दिखाई देते हैं। कम घनत्व वाले पॉलिमर के अधिक खुले निरंतर नेटवर्क का गठन 2 और 3 आयामों में उच्च प्रदर्शन ग्लास और ग्लास / सिरेमिक घटकों के निर्माण में भौतिक गुणों के संबंध में कुछ फायदे प्रदर्शित करता है। [सक्का एट अल. 1982]
आगे के प्रसंस्करण चरणों में, स्पिन-कोटिंग या डुबकी-कोटिंग द्वारा सब्सट्रेट को पतली फिल्मों के साथ कोट करना या तथाकथित गीला जेल बनाने के लिए सोल को मोल्ड में डालना संभव हो जाता है। अतिरिक्त सुखाने और हीटिंग के बाद, एक घने सामग्री प्राप्त की जाएगी।
डाउनस्ट्रीम प्रक्रिया के आगे के चरणों में, प्राप्त जेल को आगे संसाधित किया जा सकता है। वर्षा, स्प्रे पायरोलिसिस, या पायस तकनीक के माध्यम से, अल्ट्राफाइन और वर्दी पाउडर बनाए जा सकते हैं। या तथाकथित एयरगेल, जो उच्च छिद्र और बेहद कम घनत्व की विशेषता है, गीले जेल के तरल चरण के निष्कर्षण द्वारा बनाया जा सकता है। इसलिए, सामान्य रूप से सुपरक्रिटिकल स्थितियों की आवश्यकता होती है।
तालिका 2: मेसोपोरस TiO2 का अल्ट्रासोनिक सोल-जेल संश्लेषण [यू एट अल।
हाई पावर अल्ट्रासाउंड और इसके सोनोकेमिकल प्रभाव
उच्च शक्ति, कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए उच्च क्षमता प्रदान करता है। जब तीव्र अल्ट्रासोनिक तरंगों को एक तरल माध्यम में पेश किया जाता है, तो आवृत्ति के आधार पर दरों के साथ उच्च दबाव और कम दबाव चक्र बारी-बारी से होते हैं। उच्च दबाव चक्र का अर्थ है संपीड़न, जबकि कम आवृत्ति चक्र का अर्थ है माध्यम का दुर्लभता। कम दबाव (दुर्लभता) चक्र के दौरान, उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड तरल में छोटे वैक्यूम बुलबुले बनाता है। ये वैक्यूम बुलबुले कई चक्रों में बढ़ते हैं।
अल्ट्रासाउंड तीव्रता के अनुसार, तरल संपीड़ित होता है और अलग-अलग डिग्री तक फैलता है। इसका मतलब है कि गुहिकायन बुलबुले दो तरह से व्यवहार कर सकते हैं। लगभग 1-3 W/cm² की कम अल्ट्रासोनिक तीव्रता पर, गुहिकायन बुलबुले कई ध्वनिक चक्रों के लिए एक संतुलन आकार के आसपास दोलन करते हैं। इस घटना को स्थिर गुहिकायन कहा जाता है। उच्च अल्ट्रासोनिक तीव्रता (10 W/cm² तक) पर, गुहिकायन बुलबुले कुछ ध्वनिक चक्रों के भीतर बनते हैं, संपीड़न के एक बिंदु पर ढहने से पहले कम से कम अपने प्रारंभिक आकार से कम से कम दोगुना त्रिज्या तक पहुंचते हैं जब बुलबुला अब ऊर्जा को अवशोषित नहीं कर सकता है। इसे क्षणिक या जड़त्वीय गुहिकायन कहा जाता है। बुलबुला प्रत्यारोपण के दौरान, स्थानीय रूप से कहे जाने वाले हॉट स्पॉट होते हैं, जिसमें चरम स्थितियां होती हैं: बहुत उच्च तापमान (लगभग 5,000 K) और दबाव (लगभग 2,000 एटीएम) तक पहुंच जाते हैं। गुहिकायन बुलबुले की विविधता के परिणामस्वरूप 280 m/s तक के वेग वाले तरल जेट भी होते हैं, जो बहुत अधिक कतरनी बल बनाते हैं। [Suslick 1998/Santos et al. 2009]
हाई-पावर अल्ट्रासोनिकेटर UIP1500hdT सोल-जेल प्रतिक्रियाओं के निरंतर सोनोकेमिकल गहनता के लिए
सोनो-ऑर्मोसिल
सोनिकेशन पॉलिमर के संश्लेषण के लिए एक कुशल उपकरण है। अल्ट्रासोनिक फैलाव और deagglomeration के दौरान, caviational कतरनी बलों, जो बाहर खिंचाव और एक गैर यादृच्छिक प्रक्रिया में आणविक श्रृंखला को तोड़ने, आणविक भार और पाली फैलाव के एक कम में परिणाम. इसके अलावा, बहु-चरण प्रणाली बहुत कुशल छितरी हुई और पायसीकृत होती है, ताकि बहुत अच्छा मिश्रण प्रदान किया जा सके। इसका मतलब यह है कि अल्ट्रासाउंड पारंपरिक सरगर्मी पर पोलीमराइजेशन की दर को बढ़ाता है और इसके परिणामस्वरूप कम पॉलीडिस्पर्सिटी के साथ उच्च आणविक भार होता है।
ऑर्मोसिल (कार्बनिक रूप से संशोधित सिलिकेट) तब प्राप्त होते हैं जब सोल-जेल प्रक्रिया के दौरान जेल-व्युत्पन्न सिलिका में सिलेन जोड़ा जाता है। उत्पाद बेहतर यांत्रिक गुणों के साथ एक आणविक-पैमाने पर समग्र है। सोनो-ऑर्मोसिल को क्लासिक जैल की तुलना में उच्च घनत्व के साथ-साथ एक बेहतर थर्मल स्थिरता की विशेषता है। इसलिए एक स्पष्टीकरण पोलीमराइजेशन की बढ़ी हुई डिग्री हो सकती है। [रोजा-फॉक्स एट अल।
अल्ट्रासोनिक सोल-जेल संश्लेषण के माध्यम से मेसोपोरस TiO2
मेसोपोरस TiO2 का उपयोग फोटोकैटलिस्ट के साथ-साथ इलेक्ट्रॉनिक्स, सेंसर प्रौद्योगिकी और पर्यावरण उपचार में भी किया जाता है। अनुकूलित सामग्री गुणों के लिए, इसका उद्देश्य उच्च क्रिस्टलीयता और बड़े सतह क्षेत्र के साथ TiO2 का उत्पादन करना है। अल्ट्रासोनिक असिस्टेड सोल-जेल मार्ग का लाभ यह है कि टीओओ 2 के आंतरिक और बाह्य गुण, जैसे कण आकार, सतह क्षेत्र, छिद्र-मात्रा, छिद्र-व्यास, क्रिस्टलीयता के साथ-साथ एनाटेज, रूटाइल और ब्रुकाइट चरण अनुपात मापदंडों को नियंत्रित करके प्रभावित किया जा सकता है।
मिलानी एट अल (2011) ने टीओओ 2 एनाटेज नैनोकणों के संश्लेषण का प्रदर्शन किया है। इसलिए, सोल-जेल प्रक्रिया को TiCl4 अग्रदूत पर लागू किया गया था और दोनों तरीकों से, अल्ट्रासोनिकेशन के साथ और बिना, तुलना की गई है। परिणाम बताते हैं कि अल्ट्रासोनिक विकिरण का सोल-जेल विधि द्वारा बनाए गए समाधान के सभी घटकों पर एक नीरस प्रभाव पड़ता है और समाधान में बड़े नैनोमेट्रिक कोलाइड के ढीले लिंक को तोड़ने का कारण बनता है। इस प्रकार, छोटे नैनोकणों का निर्माण होता है। स्थानीय रूप से होने वाले उच्च दबाव और तापमान लंबी बहुलक श्रृंखलाओं में बंधन को तोड़ते हैं और साथ ही छोटे कणों को बांधने वाली कमजोर कड़ियाँ भी होती हैं, जिसके द्वारा बड़े कोलाइडल द्रव्यमान बनते हैं। अल्ट्रासोनिक विकिरण की उपस्थिति और अनुपस्थिति में दोनों TiO2 नमूनों की तुलना, नीचे SEM छवियों में दिखाई गई है (चित्र 2 देखें)।
तस्वीर। 2: TiO2 pwder की SEM छवियां, 1h के लिए 400 डिग्री सेल्सियस पर calcinated और 24h के जिलेटिनाइजेशन समय: (ए) अल्ट्रासाउंड की अनुपस्थिति में और (बी) की उपस्थिति में। [मिलानी एट अल. 2011]
इसके अलावा, रासायनिक प्रतिक्रियाएं सोनोकेमिकल प्रभावों से लाभ उठा सकती हैं, जिसमें रासायनिक बंधों का टूटना, रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता या आणविक गिरावट में महत्वपूर्ण वृद्धि शामिल है।
सोनो-जैल – सोनोकेमिकल रूप से बढ़ी हुई सोल-जेल प्रतिक्रियाएं
सोनो-उत्प्रेरक रूप से सहायता प्राप्त सोल-जेल प्रतिक्रियाओं में, अल्ट्रासाउंड अग्रदूतों पर लागू होता है। नई विशेषताओं के साथ परिणामी सामग्री को सोनोगल्स के रूप में जाना जाता है। ध्वनिक गुहिकायन के साथ संयोजन में अतिरिक्त विलायक की अनुपस्थिति के कारण, सोल-जेल प्रतिक्रियाओं के लिए एक अनूठा वातावरण बनाया जाता है, जो परिणामी जैल में विशेष विशेषताओं के गठन की अनुमति देता है: उच्च घनत्व, ठीक बनावट, सजातीय संरचना आदि। ये गुण आगे की प्रक्रिया और अंतिम सामग्री संरचना पर सोनोगेल के विकास को निर्धारित करते हैं। [ब्लैंको एट अल. 1999]
Suslick और मूल्य (1999) से पता चलता है कि Si (OC) का अल्ट्रासोनिक विकिरण2H5)4 एक एसिड उत्प्रेरक के साथ पानी में एक सिलिका "सोनोगेल" पैदा करता है। Si (OC) से सिलिका जैल की पारंपरिक तैयारी में2H5)4, इथेनॉल Si (OC) की गैर-घुलनशीलता के कारण आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला सह-विलायक है2H5)4 पानी में। ऐसे सॉल्वैंट्स का उपयोग अक्सर समस्याग्रस्त होता है क्योंकि वे सुखाने के चरण के दौरान क्रैकिंग का कारण बन सकते हैं। अल्ट्रासोनिकेशन एक अत्यधिक कुशल मिश्रण प्रदान करता है ताकि इथेनॉल जैसे अस्थिर सह-सॉल्वैंट्स से बचा जा सके। इसके परिणामस्वरूप सिलिका सोनो-जेल होता है जो पारंपरिक रूप से उत्पादित जैल की तुलना में उच्च घनत्व की विशेषता है। [Suslick एट अल. 1999, 319f.]
पारंपरिक एयरगेल में बड़े खाली छिद्रों के साथ कम घनत्व वाला मैट्रिक्स होता है। इसके विपरीत, सोनोगल्स में महीन छिद्र होता है और छिद्र एक चिकनी सतह के साथ काफी गोलाकार होते हैं। उच्च कोण क्षेत्र में 4 से अधिक ढलान छिद्र-मैट्रिक्स सीमाओं पर महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक घनत्व में उतार-चढ़ाव को प्रकट करते हैं [रोजा-फॉक्स एट अल।
पाउडर के नमूनों की सतह की छवियां स्पष्ट रूप से दिखाती हैं कि अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करने से कणों के औसत आकार में अधिक समरूपता हुई और इसके परिणामस्वरूप छोटे कण हुए। सोनिकेशन के कारण, औसत कण आकार लगभग 3 एनएम कम हो जाता है। [मिलानी एट अल. 2011]
अल्ट्रासाउंड के सकारात्मक प्रभाव विभिन्न शोध अध्ययनों में सिद्ध होते हैं। उदाहरण के लिए, नेपोलियन एट अल को उनके काम में मेसोपोरस नैनो-आकार TiO2 कणों के फोटोकैटलिटिक गुणों के संशोधन और सुधार में अल्ट्रासोनिकेशन के महत्व और लाभों की रिपोर्ट करें। [नेपोलियन एट अल. 2008]
अल्ट्रासोनिक सोल-जेल प्रतिक्रिया के माध्यम से नैनोकोटिंग
नैनोकोटिंग का अर्थ है नैनो-स्केल की गई परत या नैनो-आकार की इकाई के कवरेज के साथ सामग्री को कवर करना। जिससे इनकैप्सुलेटेड या कोर-शेल संरचनाएं प्राप्त होती हैं। इस तरह के नैनो कंपोजिट में घटकों की संयुक्त विशिष्ट विशेषताओं और / या संरचना प्रभावों के कारण भौतिक और रासायनिक उच्च प्रदर्शन गुण होते हैं।
उदाहरण के लिए, इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) कणों की कोटिंग प्रक्रिया का प्रदर्शन किया जाएगा। इंडियम टिन ऑक्साइड कणों को दो-चरणीय प्रक्रिया में सिलिका के साथ लेपित किया जाता है, जैसा कि चेन (2009) के एक अध्ययन में दिखाया गया है। पहले रासायनिक चरण में, इंडियम टिन ऑक्साइड पाउडर एक एमिनोसिलेन सफेस उपचार से गुजरता है। दूसरा चरण अल्ट्रासोनिकेशन के तहत सिलिका कोटिंग है। सोनिकेशन और इसके प्रभावों का एक विशिष्ट उदाहरण देने के लिए, चेन के अध्ययन में प्रस्तुत प्रक्रिया चरण, नीचे संक्षेप में दिया गया है:
इस चरण के लिए एक विशिष्ट प्रक्रिया इस प्रकार है: 10g GPTS को हाइड्रोक्लोरिक एसिड (HCl) (pH = 1.5) द्वारा अम्लीकृत 20g पानी के साथ धीरे-धीरे मिलाया गया था। उपरोक्त एमिनोसिलेन उपचारित पाउडर के 4g को तब मिश्रण में जोड़ा गया था, जो 100 मिलीलीटर कांच की बोतल में निहित था। बोतल को तब 60W या उससे अधिक की आउटपुट पावर के साथ निरंतर अल्ट्रासाउंड विकिरण के लिए सोनिकेटर की जांच के तहत रखा गया था।
सोल-जेल प्रतिक्रिया लगभग 2-3min अल्ट्रासाउंड विकिरण के बाद शुरू की गई थी, जिस पर सफेद फोम उत्पन्न हुआ था, ग्लाइमो (3- (2,3-एपॉक्सीप्रोपॉक्सी) प्रोपाइलट्रिमेथोक्सिसिलेन) के व्यापक हाइड्रोलिसिस पर शराब की रिहाई के कारण। सोनिकेशन 20min के लिए लागू किया गया था, जिसके बाद समाधान कई और घंटों के लिए उभारा गया था। एक बार प्रक्रिया समाप्त हो जाने के बाद, कणों को अपकेंद्रित्र द्वारा इकट्ठा किया गया था और बार-बार पानी से धोया गया था, फिर या तो लक्षण वर्णन के लिए सूख गया या पानी या कार्बनिक सॉल्वैंट्स में फैलाया गया। [चेन 2009, पृष्ठ 217]
समाप्ति
सोल-जेल प्रक्रियाओं के लिए अल्ट्रासाउंड के आवेदन से बेहतर मिश्रण और कणों का विघटन होता है। इसके परिणामस्वरूप छोटे कणों का आकार, गोलाकार, कम आयामी कण आकार और उन्नत आकृति विज्ञान होता है। तथाकथित सोनो-जैल को उनके घनत्व और ठीक, सजातीय संरचना की विशेषता है। ये विशेषताएं सोल गठन के दौरान विलायक के उपयोग से बचने के कारण बनाई गई हैं, लेकिन यह भी, और मुख्य रूप से, अल्ट्रासाउंड द्वारा प्रेरित रेटिक्यूलेशन की प्रारंभिक क्रॉस-लिंक्ड स्थिति के कारण। सुखाने की प्रक्रिया के बाद, परिणामस्वरूप सोनोगेल एक कण संरचना पेश करते हैं, अल्ट्रासाउंड को लागू किए बिना प्राप्त उनके समकक्षों के विपरीत, जो फिलामेंटस होते हैं। [Esquivias एट अल. 2004]
यह दिखाया गया है कि तीव्र अल्ट्रासाउंड का उपयोग सोल-जेल प्रक्रियाओं से अद्वितीय सामग्री की सिलाई के लिए अनुमति देता है। यह उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड रसायन विज्ञान और सामग्री के अनुसंधान और विकास के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बनाता है।
UIP1000hdT, एक 1000 वाट शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक homogenizer सोनोकेमिकल रूप से बेहतर सोल-जेल संश्लेषण के लिए
साहित्य/संदर्भ
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