Hielscher ultrahang technológia

Sonokémiai hatások a Sol-Gel folyamatokra

Bevezetés

Az ultrafinom nano méretű részecskék és a gömb alakú részecskék, a vékony film bevonatok, a rostok, a porózus és a sűrű anyagok, valamint a rendkívül porózus aerogélek és xerogélek nagy potenciális adalékanyagok nagy teljesítményű anyagok kifejlesztéséhez és gyártásához. Speciális anyagok, például kerámiák, nagy porózus, ultrakönnyű aerogélek és szerves-szervetlen hibridek szintetizálhatók kolloid szuszpenziókból vagy polimerekből egy folyadékban a szol-gél módszerrel. Az anyag egyedülálló tulajdonságokat mutat, mivel a keletkező szol részecskék a nanometrikus méretben vannak. Ezáltal a szol-gél eljárás a nanokémia része.
A következőkben a nano méretű anyagok szintézisét ultrahanggal segített szol-gél útvonalakon végezzük.

Sol-Gel eljárás

A sol-gél és a kapcsolódó feldolgozás a következő lépéseket tartalmazza:

  1. szol vagy kicsapódó por előállítása, a szolga formában vagy szubsztrátumon való gélesedése (filmek esetében), vagy a kicsapódott porból és annak gélesedéséből származó második szolból vagy a por nem gél útjainak formájává alakításával;
  2. szárítás;
  3. tüzelés és szinterezés. [Rabinovich 1994]
A sol-gél eljárások nedves-kémiai úton vannak fémoxidok vagy hibrid polimerek génexpressziójára

1. táblázat: A Sol-Gel szintézis lépései és a downstream folyamatok

Power ultrahang elősegíti a sonokémiai reakciókat (Kattintson a nagyításhoz!)

Ultrahangos üvegreaktor a Sonochemistry

Információkérés




Jegyezzük fel Adatvédelmi irányelvek.


A sol-gél eljárások egy nedves-kémiai szintézis technika a fémoxidok vagy hibrid polimerek integrált hálózatának (úgynevezett gél) előállításához. Prekurzorokként általánosan szervetlen fémsókat, például fém-kloridokat és szerves fémvegyületeket, például fém-alkoxidokat használnak. A sol – amely a prekurzorok szuszpenziójából áll – gélszerű diaszkuláris rendszerré alakul, amely folyékony és szilárd fázisból áll. A szol-gél eljárás során bekövetkező kémiai reakciók a hidrolízis, a poli-kondenzáció és a gélesedés.
A hidrolízis és a poli-kondenzáció során kolloid (szol) képződik, amely oldószerben diszpergált nanorészecskékből áll. A meglévő szol fázis átalakul a gélbe.
A kapott gélfázist részecskék alkotják, amelyek mérete és kialakulása nagymértékben eltérhet a diszkrét kolloid részecskéktől a folyamatos lánchosszú polimerekig. A forma és a méret a kémiai körülmények függvénye. A SiO megfigyeléseiről2 Az alcogéleket általában arra a következtetésre lehet következtetni, hogy egy bázissal katalizált szol egy diszkrét fajhoz vezet, amely a monomer-klaszterek aggregációjával jön létre, amelyek tömören és nagymértékben elágazóak. Az üledékképződést és a gravitációs erő hatással van rájuk.
A savkatalizált szolák a nagyon összefonódott polimerláncokból származnak, amelyek igen finom mikroszerkezetet mutatnak, és nagyon kicsi pórusokat mutatnak, amelyek egészen az egész anyagon egyenletesek. A kis sűrűségű polimerek nyitottabb, folyamatos hálózatának kialakítása bizonyos előnyökkel jár a fizikai tulajdonságok tekintetében a nagy teljesítményű üveg és az üveg / kerámia komponensek kialakításában 2 és 3 dimenzióban. [Sakka et al. 1982]
További feldolgozási lépésekben, spin-bevonással vagy dip-bevonattal válik lehetővé a szubsztrátum vékonyréteggel történő bevonása vagy a szol formában való öntése, úgynevezett nedves gél előállítása céljából. További szárítás és melegítés után sűrű anyagot kapunk.
A lefelé irányuló folyamat további lépései során a kapott gél tovább feldolgozható. Csapadék, spray-pirolízis vagy emulziós technikák, ultrafinom és egyenletes porok képződhetnek. Vagy az úgynevezett aerogélek, amelyek nagy porozitással és rendkívül alacsony sűrűséggel rendelkeznek, a nedves gél folyadékfázisának extrakciójával hozhatók létre. Ezért általában szuperkritikus körülmények szükségesek.
Az ultrahangos technológia bizonyított technika a nanoanyagok szol-gél szintézisének javítására. (Kattints a kinagyításhoz!)

2. táblázat: A mezopórusos TiO2 ultrahangos szol-gél szintézise [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

Nagy teljesítményű ultrahang

A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahang nagy potenciállal rendelkezik a kémiai folyamatokban. Amikor intenzív ultrahanghullámokat vezetnek be folyékony közegbe, váltakozó nagynyomású és alacsony nyomású ciklusok váltakoznak frekvenciától függően. A nagynyomású ciklusok kompressziót jelentenek, míg az alacsony frekvenciájú ciklusok a táptalaj ritkaságát jelentik. Az alacsony nyomású (ritkítási) ciklus során a nagy teljesítményű ultrahang kis vákuum buborékokat hoz létre a folyadékban. Ezek a vákuum buborékok több cikluson keresztül nőnek.
Az ultrahang intenzitásnak megfelelően a folyadék különböző fokokra nyúlik és nyúlik. Ez azt jelenti, hogy kavitációs a buborékok kétféleképpen viselkedhetnek. Alacsony ultrahangos intenzitással ~ 1-3Wcm-2, a kavitációs buborékok sok akusztikai cikluson keresztül ingadoznak bizonyos egyensúlyi méretben. Ezt a jelenséget stabil kavitációnak nevezik. Magas ultrahangos intenzitással (≤10Wcm-2) a kavitációs buborékok néhány akusztikus cikluson belül alakulnak ki legalább kétszeres kezdeti méretű sugárral, és összenyomódnak egy sűrítési ponton, amikor a buborék nem tud felvenni több energiát. Ezt tranziens vagy inerciális kavitációnak nevezik. A buborék-implózis során lokálisan úgynevezett forró pontok jelentkeznek, amelyek extrém körülmények között járnak: Az implózis során lokálisan nagyon magas hőmérsékleteket (kb. 5000K) és nyomást (kb. 2000m) érnek el. A kavitációs buborék implóziója akár 280 m / s sebességű folyékony fúvókákat is eredményez, amelyek nagyon nagy nyíróerejűek. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

A Sonication hatékony eszköz a polimerek szintéziséhez. Az ultrahangos diszpergálás és a deagglomeráció során a nem-véletlenszerű eljárás során a molekuláris láncokat megnyújtó és megszakító kaviációs nyíróerők a molekulatömeg és a poliszperzitás csökkenését eredményezik. Továbbá a többfázisú rendszerek nagyon hatékonyak szétszórt és emulgált, így nagyon finom keverékek vannak. Ez azt jelenti, hogy az ultrahang növeli a polimerizációs sebességet a hagyományos keverésnél, és nagyobb molekulatömegeket eredményez alacsonyabb polidiszperzitással.
Ormosilokat (szerves módosított szilikát) állítanak elő, amikor szilan-gél-eljárás során szilánt adnak a gélből származó szilícium-dioxidhoz. A termék molekuláris léptékű összetétel, javított mechanikai tulajdonságokkal. A Sono-Ormosilokat a klasszikus zseléknél nagyobb sűrűség jellemzi, valamint javítja a hőtani stabilitást. Ezért lehet magyarázni a fokozott polimerizációs fok. [Rosa-Fox et al. 2002]

Az erős ultrahangos erők jól ismertek és megbízhatóak a kitermeléshez (Kattintson a nagyításhoz!)

Ultrahangos kavitációs folyadékban

Mezopórusos TiO2 Ultrahangos Sol-Gel Synthesis segítségével

Mezopórusos TiO2 a fotokatalizátor, valamint az elektronika, az érzékelő technológia és a környezeti károk helyreállítása céljából. Az optimális anyag tulajdonságok érdekében célja a TiO előállítása2 magas kristályossággal és nagy felületű. Az ultrahanggal segített sol-gel útvonal előnye, hogy a TiO belső és külső tulajdonságai2, mint például a részecskeméret, a felület, a pórus-térfogat, a pórusátmérő, a kristályosság, valamint az anatáz, rutil és brookit fázis arányok befolyásolhatók a paraméterek szabályozásával.
Milani et al. (2011) kimutatták a TiO szintézisét2 anatáz nanorészecskék. Ezért a szol-gél-eljárást alkalmaztuk a TiCl-re4 prekurzort és mindkét irányban, ultrahangos anélkül és anélkül. Az eredmények azt mutatják, hogy az ultrahangos besugárzás monoton hatást gyakorol a sol-gel-eljárással készült oldat összes komponensére, és nagy nanométeres kolloidok laza összekapcsolódását okozza az oldatban. Így kisebb nanorészecskék jönnek létre. A helyileg előforduló magas nyomások és hőmérsékletek megszakítják a hosszú polimer láncokban lévő kötéseket, valamint a kisebb részecskékhez kötődő gyenge kapcsolatokat, amelyekkel nagyobb kolloid tömeg keletkezik. A TiO összehasonlítása2 mintákat, ultrahangos besugárzással és hiányában az alábbi SEM ábrákon mutatjuk be (lásd a 2. ábrát).

Az ultrahang segíti a zselatinizációt a szol-gél szintézis során. (Kattints a kinagyításhoz!)

Pic. 2. ábra: TiO2-ből származó SEM-képek, 400 ° C-on 1 órán át kalcinált és 24 óra zselatinizációs idő: (a) ultrahang hiányában és (b) jelenlétében. [Milani et al. 2011]

Továbbá a kémiai reakciók nyereséget nyerhetnek a szonokémiai hatásokból, amelyek magukban foglalják például a kémiai kötések törését, a kémiai reakcióképesség jelentős mértékű növelését vagy a molekuláris lebomlást.

Sono-gélek

Ban ben Sono-katalitikusan asszisztált szol-gél reakciókat, ultrahangot alkalmaznak a prekurzorokra. Az eredményül kapott új tulajdonságokkal rendelkező anyagok ismertek sonogélként. A további oldószer hiánya miatt az ultrahanggal együtt kavitációs, egyedülálló környezetet biztosít a szol-gél reakciókhoz, ami lehetővé teszi a kapott gélek sajátos jellemzőinek kialakulását: nagy sűrűségű, finom struktúra, homogén struktúra stb. Ezek a tulajdonságok meghatározzák a sonogélek továbbfejlesztését és a végső anyagszerkezetet . [Blanco et al. 1999]
Suslick és Price (1999) kimutatták, hogy a Si (OC2H5)4 vízben savkatalizátorral szilícium-dioxid "sonogelt" termel. A Si (OC2H5)4, az etanol egy általánosan használt segéd oldószer a Si (OC2H5)4 vízben. Az ilyen oldószerek használata gyakran problémás, mivel a szárítási lépés során repedéseket okozhatnak. Az ultrahangos eljárás rendkívül hatékony keverést tesz lehetővé, így elkerülhetők az illékony ko-oldószerek, például az etanol. Ez szilícium-dioxid-gélt eredményez, amely nagyobb sűrűséggel jellemezhető, mint a hagyományosan előállított gélek. [Suslick et al. 1999, 319f.]
A hagyományos aerogélek kis sűrűségű mátrixból állnak, nagy üres pórusokkal. A sonogéleknek ezzel szemben finomabb porozitásuk van, és a pórusok meglehetősen gömb alakúak, sima felületűek. A 4-nél nagyobb lejtések a nagy látószögű régióban jelentős elektronikus sűrűség ingadozásokat mutatnak a pórus-mátrix határokon [Rosa-Fox et al. 1990].
A porminták felületének képei egyértelműen azt mutatják, hogy az ultrahanghullámok használata nagyobb homogenitást eredményezett a részecskék átlagos méreténél és kisebb részecskéket eredményezett. Az ultrahangos kezelés miatt az átlagos részecskeméret kb. 3 nm. [Milani et al. 2011]
Az ultrahang pozitív hatásait különböző kutatási tanulmányok bizonyítják. Pl. Neppolian és mtsai. munkájuk során az ultrasonication fontosságát és előnyeit a mesoporous nano-size TiO2 részecskék fotokatalitikus tulajdonságainak módosításában és javításában. [Neppolian et al. 2008]

Az ultrahangos szol-gél reakció révén nanocoupling

A nanokőztetés nanoréteges réteggel borított anyagot vagy nano méretű egység lefedettségét jelenti. Ezáltal kapszulázott vagy maghéjszerkezeteket kapunk. Az ilyen nano-kompozitok fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek a komponensek kombinált sajátosságai és / vagy szerkezeti hatásai miatt.
Például az indium-ón-oxid (ITO) részecskék bevonási eljárását bizonyítják. Az ITO-részecskéket kétlépcsős eljárással szilícium-dioxiddal vonják be, amint azt Chen (2009) tanulmányában bemutattuk. Az első kémiai lépésben az indium-ón-oxid por amino-szilán felületi kezelésen megy keresztül. A második lépés a szilícium-dioxid bevonat ultrahangos kezelés alatt. Az ultrahangvizsgálat és hatásainak pontos bemutatására a Chen tanulmányában bemutatott folyamat lépéseit az alábbiakban ismertetjük:
Egy tipikus eljárás a következő lépéshez: 10 g GPTS-t lassan összekeverünk 20 g sósavval (HCl) megsavanyított vízzel (pH = 1,5). Ezután 4 g fent említett aminosilánnal kezelt port adunk a keverékhez, amelyet egy 100 ml-es üveg palackban tartunk. A palackot ezután a ultrahangos besugárzás ultrahangos besugárzásának szonda alá helyezték, 60 W vagy annál nagyobb kimeneti teljesítmény mellett.
A szol-gélreakciót körülbelül 2-3 perc ultrahangos besugárzást követően indították el, amelyen fehér hab keletkezett, mivel a GLYMO (3- (2,3-epoxi-propoxi) -propil-trimetoxi-szilán) kiterjedt hidrolízisével a alkohol felszabadulása következett be. Sonicációt alkalmaztunk 20 percig, majd az oldatot még több órán át kevertük. A folyamat befejezése után a részecskéket centrifugálással összegyűjtöttük és ismételten vízzel mossuk, majd megszárítjuk a jellemzéshez vagy vízben vagy szerves oldószerekben diszpergálva. [Chen 2009, 217. o.]

Következtetés

Az ultrahang alkalmazása a szol-gél folyamatokhoz jobb keverést és a részecskék deagglomerációját eredményezi. Ez kisebb részecskék méretét, gömb alakú, alacsony dimenziós részecskék alakját és fokozott morfológiáját eredményezi. Az úgynevezett ami-géleket sűrűségük és finom, homogén szerkezete jellemzi. Ezek a tulajdonságok azért jönnek létre, mert elkerülik az oldószer használatát a szol képződés során, hanem elsősorban az ultrahang okozta retikuláció kezdeti keresztkötéses állapota miatt. A szárítás után a keletkező szalogélek szemcsés szerkezetet mutatnak, ellentétben azokkal a vastagokkal, amelyek ultrahang alkalmazása nélkül készültek, és amelyek fonalasak. [Esquivias et al. 2004]
Kimutatták, hogy az intenzív ultrahang használata lehetővé teszi egyedülálló anyagok testreszabását a szol-gél folyamatokból. Ez teszi a nagy teljesítményű ultrahangot a kémiai és anyagi kutatások és fejlesztések hatékony eszközévé.

Kapcsolat / Ajánlatkérés További információk

Beszélj nekünk a feldolgozási követelményeket. Mi ajánljuk a legmegfelelőbb a telepítést és a feldolgozási paraméterek a projekt.





Kérjük, vegye figyelembe Adatvédelmi irányelvek.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Az 1kW-os ultrahangos recirkuláció beállítása a szivattyúval és a tárolótartállyal lehetővé teszi a kifinomult feldolgozást

Irodalom / References

  • Blanco, E .; Esquivias, L .; Litrán, R .; Pinero, M .; Ramírez-del-Solar, M .; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels és származtatott anyagok. Appl. Fémorganikus. Chem. 13, 1999, pp. 399-418.
  • Chen, Q .; Boothroyd, C .; Mcintosh Soutar, A .; Zeng, XT (2010): Sol-gél nanocsövekszik a kereskedelmi TiO2 nanopowder ultrahang segítségével. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, 2010, 115-120.
  • Chen, Q. (2009): nanorészecskék sziiikagél-bevonata sonogel eljárással. SIMTech 10/4, 2009. pp. 216-220.
  • Esquivias, L .; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M .; Mosquera, MJ (2004): Hybrid Colloid-Polymer Xerogels szerkezete. Langmuir 20/2004. pp. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): TiO2-nanopor szintézise a Sol-gél módszerrel és annak fotokatalizátorként való felhasználása. J. Irán. Chem. Soc. 7, 2010, pp. 154-160.
  • Li, X; Chen, L .; Li, B .; Li. L. (2005): Zirkónia Nanopowders előkészítése ultrahangos területen Sol-Gel módszerrel. Trans Tech Pub. 2005.
  • Neppolian, B .; Wang, Q .; Jung, H .; Choi, H. (2008): TiO2 nano-részecskék előállítása ultrahangos szol-gél módszerrel: Karakterizálás, tulajdonságok és 4-klór-fenol eltávolítási alkalmazás. Ultrason. Sonochem. 15, 2008. 649-658.
  • Pierre, AC; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerogélek. In: MA Aegerter et al. (szerk.): Aerogels Handbook, Előrehaladások a Sol-Gel alapú anyagokból és technológiákból. Springer Science + Business: New York, 2011. pp. 21-45.
  • Rabinovich, EM (1994): Sol-gel feldolgozás - általános elvek. In: LC Klein (szerk.) Sol-Gel Optics: feldolgozás és alkalmazások. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994, pp. 1-37.
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M .; Esquivias, L. (2002): Sonogels szerves-szervetlen hibrid anyagok. 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): A szilícium-dioxid szelogének szerkezeti vizsgálata. J. Non-Cryst. Solids 121, 1990, pp. 211-215.
  • Sakka, S .; Kamya, K. (1982): A sol-gél átmenet: üvegszálak képzése & Vékony filmek. J. Non-crystalline Solids 38, 1982. p. 31.
  • Santos, HM; Lodeiro, C .; Martínez, J.-L. (2009): Az ultrahang ereje. In: J.-L. Martínez (szerk.): Ultrasound in Chemistry: Analitikai alkalmazások. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. pp. 1-16.
  • Shahruz, N .; Hossain, MM (2011): A TiO2 fotokatalizátor nanorészecskék előállításának szintézise és mérete a Sol-Gel módszer alkalmazásával. World Appl. Sci. J. 12, 2011, 1981-1986.
  • Suslick, KS; Price, GJ (1999): Ultrahang anyagok alkalmazása a kémiai anyagokra. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999, 295-326.
  • Suslick, KS (1998): Sonochemistry. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1. kötet. 26, 4Th. Ed., J. Wiley & Sons: New York, 1998, 517-541.
  • Verma, LY; Singh, MP; Singh, RK (2012): Az ultrahangos besugárzás hatása az ionogélek előkészítésére és tulajdonságaira. J. Nanomat. 2012-ben.
  • Zhang, L.-Z; Yu, J .; Yu, JC (2002): A nagymértékben fotoaktív mezopórus titán-dioxid közvetlen biokémiai előállítása bicikristályos kerettel. Az Elektrokémiai Társaság 201. találkozójának absztraktjai, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem