ヒールシャー超音波技術

ゾル - ゲル法上のソノケミカル効果

前書き

超微細ナノサイズ粒子と球状粒子、薄膜コーティング、繊維、多孔性および緻密性材料、ならびに極めて多孔エアロゲル及びキセロゲルは、高性能材料の開発及び生産のために非常に可能性のある添加剤です。例えば含めた高度な材料、セラミックス、高多孔質、超軽量エアロゲル及び有機 - 無機ハイブリッドは、ゾル - ゲル法を介して、液体中のコロイド懸濁液またはポリマーから合成することができます。生成されたゾルの粒子がナノメートルサイズの範囲にあるので、材料は、固有の特性を示しています。これにより、ゾル - ゲル法は、ナノ化学の一部です。
以下では、超音波アシストゾル - ゲル経路を介してナノサイズの物質の合成が見直されています。

ゾル - ゲル法

ゾル - ゲルおよび関連する処理は、以下のステップを含みます。

  1. (フィルムの場合)金型内又は基板上にゾルをゲル化し、または析出した粉末から第二のゾルを製造し、そのゲル化または非ゲル経路によって体内に粉末を成形、ゾルを製造または粉末を沈殿させます。
  2. 乾燥;
  3. 焼成して焼結。 [1994 Rabinovich]
ゾルゲル法は、金属酸化物またはハイブリッドポリマーのゲルを製造するための湿式化学経路であります

表1:ゾル - ゲル合成工程と下流工程

パワー超音波は、(クリックすると拡大します!)音響化学反応を促進します

以下のための超音波のガラス反応器 ソノケミストリー

情報要求




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ゾルゲル法は、金属酸化物またはハイブリッドポリマーの統合ネットワーク(いわゆるゲル)の製造のための合成の湿式化学技術です。前駆体として、例えば、金属塩化物、金属アルコキシドなどの有機金属化合物として、一般の無機金属塩が使用されます。ソル – 前駆体の懸濁液になります – 液体および固体相の両方からなるゲル状二相系に変換します。ゾル - ゲルプロセスの間に起こる化学反応は、加水分解、ポリ縮合、ゲル化しています。
加水分解及び重縮合の間に、溶媒中に分散したナノ粒子からなるコロイド(ゾル)が形成されます。既存のゾル相がゲルに変換します。
得られたゲル相は、サイズおよび形成は、連続鎖状ポリマーに別個のコロイド粒子から大きく変化することができる粒子によって形成されています。フォームとサイズは化学的条件に依存します。 SiO上の観察から2 アルコゲルは、一般に、よりコンパクトかつ高度に分岐しているモノマークラスターの凝集によって形成される別個の種に塩基触媒ゾル結果と結論付けることができます。これらは沈降し、重力の力の影響を受けています。
酸触媒ゾルは、材料全体にかなり均一に見える非常に細かい微細構造を示す非常に絡み合ったポリマー鎖と非常に小さい孔から派生します。低密度ポリマーのよりオープンな連続ネットワークの形成は、2及び3次元の高性能ガラス、ガラス/セラミック部品の形成において物理的特性に関して特定の利点を示します。 【咲花ら。 1982]
さらなる処理工程では、スピンコーティングまたはディップコーティングすることによって、それは、いわゆる湿潤ゲルを形成するために、薄膜又は金型内にゾルをキャストすることによって被覆基材に可能となります。追加の乾燥及び加熱後、緻密な材料​​が得られます。
下流プロセスのさらなるステップにおいて、得られたゲルをさらに処理することができます。析出、噴霧熱分解、またはエマルジョン技術、超微細で均一な粉末を介して形成することができます。または高多孔度および非常に低密度によって特徴付けられる、いわゆるエーロゲルは、湿潤ゲルの液相の抽出によって作成することができます。そのため、通常の超臨界条件が必要とされています。
超音波は、ナノ材料のゾル - ゲル合成を改善するための実績のある技術です。 (拡大するにはクリックしてください!)

表2:超音波メソポーラス酸化チタンのゾル - ゲル合成[Yuら、CHEM。 COMMUN。 2003年、2078年]

ハイパワー超音波

高出力、低周波の超音波は、化学プロセスのために高いポテンシャルを提供しています。強い超音波が液体媒体中に導入される場合、周波数に応じて料金が発生すると、高圧と低圧のサイクルを交互。低周波サイクルがメディアの希薄化を意味しながら、高い圧力サイクルは、圧縮を意味します。低圧(希薄化)サイクルの間、ハイパワー超音波は、液体中に小さな真空泡を生成します。これらの真空気泡は、いくつかのサイクルにわたって成長します。
したがって、超音波強度に、液体は、圧縮して様々な程度に広がっています。これは、 キャビテーション 泡は、2つの方法で振る舞うことができます。 〜1-3Wcmの低い超音波強度で-2、キャビテーション気泡は、多くの音響のサイクルのためのいくつかの平衡サイズについて振動します。この現象は、安定したキャビテーションと呼ばれます。 ≤10Wcm(高い超音波強度で-2)キャビテーション気泡は気泡が多くのエネルギーを吸収できない圧縮の点で少なくとも二回、その初期サイズと崩壊の半径に少数音響サイクル内に形成されています。これは一時的または慣性キャビテーションと呼ばれています。極端な条件を備えていますバブル爆縮、ローカルにいわゆるホットスポットが発生し、期間中:爆縮時には、局部的に非常に高い温度(約5,000K)と圧力(約2,000atm)が到達しています。キャビテーション気泡の内破はまた、非常に高い剪断力が作用するまで280メートル/秒の速度の液体ジェットをもたらします。 [Suslick 1998 /サントスら。 2009]

ソノオルモシル

超音波処理は、ポリマーの合成のための効率的なツールです。超音波分散および解凝集中、伸ばし及び非ランダムプロセスにおける分子鎖を破壊caviational剪断力は、分子量および多分散性の低下をもたらします。また、多相システムは非常に効率的です 分散した そして 乳化、非常に細かな混合物が提供されるようになっています。これは、超音波は、従来の攪拌を超える重合の速度を増大させ、より低い多分散性を有する、より高い分子量をもたらすことを意味します。
シランは、ゾルゲルプロセス中にゲル由来のシリカに添加されたときに有機変性シリカ(有機修飾ケイ酸塩)が得られます。生成物は、改善された機械的特性を有する分子スケールの複合体です。ソノ有機変性シリカは、古典的なゲルよりも高い密度、ならびに改善された熱安定性によって特徴付けられます。説明は、したがって、重合度が増大かもしれません。 [ローザ-Foxら。 2002]

強力な超音波の力は、抽出のためによく知られており、信頼性の高い技術です(クリックすると拡大します!)

超音波 キャビテーション 液体中

メソポーラスたTiO2 超音波ゾル - ゲル合成を介しました

メソポーラスたTiO2 widley光触媒としてだけでなく、エレクトロニクス、センサー技術と環境修復に使用されています。最適化された材料特性のために、たTiOを生成することを目的としています2 高い結晶性と大きな表面積を持ちます。超音波アシストゾル - ゲル経路は、TiOの内因性および外因性の特性という利点を有します2このような粒子サイズ、表面積、細孔容積、細孔直径、結晶化度ならびにアナターゼ、ルチル及びブルッカイト相比などのパラメータを制御することによって影響を与えることができます。
ミラニら。 (2011)のTiOの合成を実証しています2 アナターゼナノ粒子。したがって、ゾル - ゲルプロセスは、のTiClに適用されました4 超音波とない前駆体との両方の方法は、比較されました。結果は、超音波照射は、ゾル - ゲル法によって作製ソリューションのすべてのコンポーネントに単調な効果を有し、溶液中の大きいナノメートルコロイドの緩いリンクの破壊を引き起こすことを示しています。このように、より小さなナノ粒子が作成されます。局所的に発生する高い圧力および温度は、長いポリマー鎖におけるボンディングならびにより大きなコロイド状塊が形成されることにより、より小さな粒子を、結合の弱いリンクを破ります。両方のTiO比較2 試料は、存在下で超音波照射の不存在下で、以下のSEM画像(PIC 2参照)に示されています。

超音波は、ゾル - ゲル合成中にゲル化プロセスを支援します。 (拡大するにはクリックしてください!)

ピック。 2:24時間の1H及び糊化時間400摂氏度で焼成したTiO 2 pwderのSEM像、(A)の存在下、および(b)における超音波の不在です。 [ミラニら。 2011]

また、化学反応は、例えば、含む音響化学効果から利益を得ることができます化学結合、化学反応または分子の分解の有意な増強の破損。

ソノゲル

ソノ触媒 ゾル - ゲル反応を支援し、超音波が前駆体に適用されます。新しい特性を有する得られた材料はsonogelsとして知られています。超音波と組み合わせて、追加の溶媒の不在のために キャビテーションゾル - ゲル反応のためのユニークな環境が作成され、得られたゲル中の特定の特徴の形成を可能にする:高密度、微細なテクスチャー、均質構造等が挙げられる。これらの特性は、さらなる処理にsonogelsの進化及び最終物質の構造を決定。 [ブランコら。 1999]
Suslickと価格(1999)Siの超音波照射(OC示し2H54 酸触媒と水にシリカ「sonogel」を生成します。 Si(OCからシリカゲルの従来の調製における2H54、エタノール起因のSi(OCの非溶解性に一般的に使用される共溶媒であります2H54 水中で。そのような溶媒の使用は、それらが乾燥工程中にクラックが発生することができるように、しばしば問題となります。エタノールなどの揮発性共溶媒を回避することができるように、超音波は非常に効率的な混合を提供します。これは、従来製造さゲルよりも高い密度を特徴シリカソノゲルになります。 【Suslickら。 1999年、319f。]
従来のエアロゲルは、大きな空孔を有する低密度マトリックスから成ります。 sonogelsは、対照的に、より微細な多孔性を有し、細孔が非常に球状、滑らかな表面としています。高角度領域4よりも大きい傾きは細孔マトリクス境界[ローザ-Foxらに重要な電子密度の変動を明らかにする。 1990]。
粉末試料の表面の画像は、超音波を使用して、粒子の平均サイズが大きく均質をもたらし、より小さな粒子をもたらしたことを明らかに示しています。超音波処理を、平均粒径が約減少します。 3 nmの。 [ミラニら。 2011]
超音波のプラスの効果は、様々な調査研究で実証されています。例えば、Neppolianらが報告しています。仕事メソポーラスナノサイズのTiO 2粒子の光触媒特性の修正及び改善における超音波の重要性及び利点です。 【Neppolianら。 2008]

超音波ゾル - ゲル反応によりナノコーティング

ナノコーティングは、ナノスケール層又はナノサイズの実体のカバレッジを有する材料を被覆することを意味します。それによってカプセル化されたまたはコア - シェル構造が得られます。そのようなナノ複合材料を合わせ、特定の特徴および/または構成要素の構造化効果による物理的および化学的な高い性能特性を備えています。
例示的に、インジウムスズ酸化物(ITO)粒子のコーティング手順を実証する。 ITO粒子は、Chen(2009)の研究に示されているように、二段階プロセスでシリカでコーティングされています。第1の化学的ステップにおいて、インジウムスズ酸化物粉末は、アミノシラン表面処理を受ける。第2のステップは、超音波処理下のシリカコーティングである。 Chenの研究で提示されたプロセスステップは、音波処理とその効果の具体例を示すために以下に要約されています。
この工程の典型的な工程は次の通りである:10g GPTSを、塩酸(HCl)(pH = 1.5)で酸性化した水20gとゆっくりと混合した。次に、100mlのガラス瓶に入れた上記アミノシラン処理粉末4gを混合物に加えた。次いで、60W以上の出力を連続的に超音波照射するために、瓶をソニケーターのプローブの下に置いた。
ゾル - ゲル反応が白色の泡が原因GLYMO(3-(2,3-エポキシプロポキシ)プロピルトリメトキシシラン)の広範な加水分解により、アルコールの放出を、生成された時に約2-3min超音波照射後に開始しました。超音波処理は、溶液を更に数時間撹拌した後、20分間適用しました。プロセスが終了した後、粒子を遠心分離によって収集し、水、その後のいずれかの特徴付けのための乾燥又は水又は有機溶媒中に分散したままで繰り返し洗浄しました。 [陳2009、p.217]

結論

ゾル - ゲルプロセスへの超音波の適用は、より良好な混合及び粒子の解凝集をもたらします。これは、小さな粒子サイズ、球状、低次元粒子形状と拡張形態になります。いわゆるソノゲルは、その密度や罰金、均質な構造を特徴とします。これらの特徴があるため、超音波によって誘発される網状の初期架橋状態で、主としてゾル形成中の溶媒の使用の回避を作成するだけでなく、とされています。乾燥工程の後、得られたsonogelsは糸状であり、超音波を印加することなく、得られたそれらの対応物とは異なり、粒状構造を提示します。 【Esquiviasら。 2004]
激しい超音波の使用は、ゾル - ゲルプロセスからユニークな材料の調整を可能にすることが示されています。これは、高出力超音波化学や材料の研究と開発のための強力なツールになります。

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