Hielscher 초음파 기술

솔 - 겔 공정에 대한 Sonochemical 효과

소개

초미세 나노 크기의 입자 및 구형 입자, 박막 코팅, 섬유, 다공성 및 고밀도 물질뿐만 아니라 매우 다공성 에어로겔 및 제로겔은 고성능의 개발 및 생산을위한 매우 잠재적 인 첨가제입니다. 자료. 예를 들어 세라믹, 고다공성, 초경량 에어로겔 및 유기 무기 하이브리드를 포함한 고급 재료는 솔 겔 방법을 통해 액체내의 콜로이드 현탁액 또는 폴리머에서 합성될 수 있습니다. 이 물질은 생성된 졸 입자가 나노미터 크기로 범위이기 때문에 독특한 특성을 나타낸다. 이에 따라, 솔겔 공정은 나노화학의 일부이다.
다음에서, 초음파 보조 솔 겔 경로를 통해 나노 크기의 물질의 합성을 검토한다.

솔 젤 공정

솔 겔 및 관련 처리에는 다음 단계가 포함됩니다.

  1. 솔 또는 침전 분말을 만들고, 몰드 또는 기판상에서 졸을 겔화(필름의 경우), 또는 침전된 분말 및 그 겔화로부터 제2 솔을 제조하거나, 또는 비겔 경로에 의해 체내에 분말을 형성;
  2. 건조;
  3. 소결. [라비노비치 1994]
솔 겔 공정은 금속 산화물 또는 하이브리드 폴리머의 겔 제조를 위한 습식 화학 적 경로입니다.

표 1: 솔-겔 합성 단계 및 다운스트림 공정

힘 초음파는 sonochemical 반응을 승진시킨다 (확대 할 것이다 누르기!)

초음파 유리 반응기용 sonochemistry

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우리의 주의 개인 정보 정책.


솔 겔 공정은 금속 산화물 또는 하이브리드 폴리머의 통합 네트워크(소위 겔)의 제조를 위한 습식 화학 적 합성 기술입니다. 전구체로서, 금속 염화물 및 금속 알크옥산화물과 같은 유기 금속 화합물과 같은 일반적으로 무기 금속 염이 사용됩니다. 솔 – 전구체의 현탁액으로 구성 – 액체와 고체 상으로 구성된 젤과 같은 디파식 시스템으로 변환됩니다. 솔 겔 공정 중에 발생하는 화학 반응은 가수 분해, 폴리 응축 및 겔화입니다.
가수 분해 및 폴리 응축 중에 용매에 분산 된 나노 입자로 구성된 콜로이드 (sol)가 형성됩니다. 기존 졸상은 겔로 변형된다.
생성된 겔 상은 크기와 형성이 이산 콜로이드 입자에서 연속 체인과 같은 중합체에 이르기까지 크게 다를 수 있는 입자에 의해 형성됩니다. 형태와 크기는 화학 조건에 따라 다릅니다. SiO에 대한 관찰에서2 알코겔은 일반적으로 염기 촉매 졸이 더 컴팩트하고 고도로 분지되는 단량체 클러스터의 응집에 의해 형성된 이산 종을 초래한다는 결론을 내릴 수 있다. 그들은 침전과 중력의 영향을 받습니다.
산 촉매 졸은 매우 미세한 미세 구조와 재료 전반에 걸쳐 매우 균일하게 나타나는 매우 작은 기공을 보여주는 매우 얽힌 폴리머 사슬에서 파생됩니다. 저밀도 폴리머의 보다 개방적인 연속 네트워크의 형성은 2 및 3 차원에서 고성능 유리 및 유리/세라믹 부품의 형성에 있는 물리적 특성과 관련하여 특정 이점을 나타낸다. [사카 외. 1982]
추가의 처리 단계에서, 스핀 코팅 또는 딥 코팅에 의해 박막으로 기판을 코팅하거나 몰드에 솔을 캐스팅하여, 소위 습식 겔을 형성하는 것이 가능하게 된다. 추가 건조 및 가열 후, 조밀 한 재료가 얻어질 것이다.
다운스트림 공정의 추가 단계에서, 수득된 겔은 추가로 처리될 수 있다. 침전, 스프레이 열분해 또는 에멀젼 기술을 통해 초미세 및 균일 분말이 형성될 수 있습니다. 또는 높은 다공성과 매우 낮은 밀도를 특징으로하는 소위 에어로겔은 습식 겔의 액체 상을 추출하여 생성 할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 초임계 조건이 필요합니다.
초음파는 나노 물질의 솔 겔 합성을 개선하는 입증 된 기술입니다. (확대하려면 클릭하십시오!)

표 2: 메소다이루스 TiO2의 초음파 솔 겔 합성 [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

고출력 초음파

고전력, 저주파 초음파는 화학 공정에 대한 높은 잠재력을 제공합니다. 강렬한 초음파가 액체 매체로 유입되면 주파수에 따라 비율이 있는 고압 및 저압 사이클이 번갈아 발생합니다. 고압 사이클은 압축을 의미하지만 저주파 사이클은 매체의 희귀도를 의미합니다. 저압 (희귀) 주기 동안 고출력 초음파는 액체에 작은 진공 기포를 만듭니다. 이러한 진공 기포는 여러 주기에 걸쳐 자랍니다.
따라서 초음파 강도에 따라 액체가 압축되어 다양한 각도로 확장됩니다. 즉, 캐비테이션 거품은 두 가지 방법으로 행동할 수 있습니다. ~ 1~3Wcm의 낮은 초음파 강도에서-2캐비테이션 버블은 많은 음향 사이클에 대한 일부 평형 크기에 대해 진동합니다. 이 현상은 안정적인 캐비테이션이라고합니다. 높은 초음파 강도 (≤10Wcm-2) 캐비테이션 버블은 몇 가지 음향 주기 내에서 초기 크기의 두 배 이상의 반경으로 형성되며 기포가 더 많은 에너지를 흡수할 수 없을 때 압축 지점에서 붕괴됩니다. 이것은 과도 또는 관성 캐비테이션이라고합니다. 버블 내파 중에, 국부적으로 소위 핫스팟이 발생하며, 이는 극단적 인 조건을 특징으로합니다 : 내파 중, 국소적으로 매우 높은 온도 (약 5,000K) 및 압력 (약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 버블의 파열은 또한 최대 280m/s의 액체 제트를 생성하여 매우 높은 전단력으로 작용합니다. [수슬릭 1998/ 산토스 외. 2009]

소노 오르모실

초음파 처리는 폴리머 합성을위한 효율적인 도구입니다. 초음파 분산 및 탈래 동안 비 무작위 공정에서 분자 사슬을 스트레칭하고 분해하는 항공 전단력이 분자량과 다분산성을 저하시게됩니다. 또한, 다상 시스템은 매우 효율적입니다. 분산 된유화, 그래서 매우 미세한 혼합물이 제공됩니다. 이것은 초음파가 기존의 교반에 비해 중합 속도를 증가시키고 더 낮은 다분산성으로 더 높은 분자량을 초래한다는 것을 의미합니다.
오르모실(유기적으로 변형된 규산염)은 졸겔 공정 동안 젤 유래 실리카에 실란을 첨가할 때 수득된다. 이 제품은 향상된 기계적 특성을 가진 분자 규모의 복합체입니다. 소노-오르모실은 클래식 젤보다 밀도가 높을 뿐만 아니라 열 안정성을 향상시키는 것이 특징입니다. 따라서 설명은 중합의 증가 정도일 수 있습니다. [로사 폭스 외. 2002]

강력한 초음파 힘은 잘 알려지고 신뢰할 수있는 추출 방법입니다 (클릭하여 확대하십시오!).

초음파 캐비테이션 액체에

메소포러스 티오2 초음파 솔 젤 합성을 통해

메소포러스 티오2 widley는 광촉매뿐만 아니라 전자, 센서 기술 및 환경 개선에 사용됩니다. 최적화된 재료 특성을 위해 TiO를 생산하는 것을 목표로 합니다.2 높은 결정성과 넓은 표면적. 초음파 보조 솔 겔 경로는 TiO의 본질및 외인성 특성이 있다는 장점이 있습니다.2입자 크기, 표면적, 공극 부피, 기공 직경, 결정성뿐만 아니라 아나타제, 루틸 및 브루위트 상 비와 같은 파라미터를 제어함으로써 영향을 받을 수 있다.
밀라노 외(2011)는 TiO의 합성을 입증했습니다.2 아나타제 나노 입자. 따라서, 솔겔 공정을 TiCl에 적용하였다.4 전구체와 초음파 의 유무에 관계없이 두 가지 방법이 비교되었습니다. 결과는 초음파 조사가 솔 겔 방법에 의해 만들어진 용액의 모든 구성 요소에 단조로운 영향을 미치고 용액에서 큰 나노 메트릭 콜로이드의 느슨한 링크가 끊어지는 것을 보여줍니다. 따라서 더 작은 나노 입자가 생성됩니다. 국부적으로 발생하는 고압과 온도는 긴 폴리머 사슬의 결합뿐만 아니라 더 큰 콜로이드 덩어리가 형성되는 작은 입자를 결합하는 약한 링크를 끊습니다. 두 TiO의 비교2 초음파 조사가 없는 상태에서 샘플은 아래 SEM 이미지에 표시됩니다 (그림 2 참조).

초음파는 솔 겔 합성 중에 젤라틴화 과정을 지원합니다. (확대하려면 클릭하십시오!)

그림. 2: TiO2 pwder의 SEM 이미지, 24h의 1시간 및 젤라틴화 시간에 대한 400 degC에서 소성: (a) 초음파가 없는 경우 및 (b)의 존재. [밀라니 외. 2011]

또한 화학 반응은 화학 적 결합의 파손, 화학 반응성 또는 분자 분해의 상당한 향상과 같은 sonochemical 효과로부터 이익을 얻을 수 있습니다.

소노 젤

...에서 소노 촉매 보조 솔 겔 반응, 초음파는 전구체에 적용됩니다. 새로운 특성을 가진 결과 물자를 sonogels로 알려져 있습니다. 초음파와 함께 추가 용매가 없기 때문에 캐비테이션고밀도, 미세 한 질감, 균일 한 구조 등 : 솔 젤 반응을위한 독특한 환경이 생성되어 결과 젤의 특정 기능을 형성 할 수 있습니다. 이러한 특성은 추가 가공 및 최종 재료 구조에 대한 소노겔의 진화를 결정합니다. [블랑코 외. 1999]
Suslick 및 가격 (1999)는 Si (OC)의 초음파 조사가 있음을 보여줍니다.2H5)4 산 성 촉매와 물에서 실리카 "sonogel"을 생성합니다. Si (OC)에서 실리카 젤의 종래의 제조2H5)4, 에탄올은 Si(OC)의 용해도가 아닌 용해성으로 인해 일반적으로 사용되는 공동 용매입니다.2H5)4 물에. 이러한 용매의 사용은 종종 건조 단계 동안 균열을 일으킬 수 있기 때문에 문제가된다. 초음파는 에탄올과 같은 휘발성 공동 용매를 피할 수 있도록 매우 효율적인 혼합을 제공합니다. 이는 종래 제조된 겔보다 더 높은 밀도를 특징으로 하는 실리카 소노겔을 초래한다. [Suslick 외. 1999, 319f.]
기존의 에어로겔은 큰 빈 기공을 가진 저밀도 매트릭스로 구성됩니다. 반면, 소노겔은 더 미세한 다공성을 가지며 모공은 매끄러운 표면을 가진 구형입니다. 높은 각도 영역에서 4보다 큰 경사는 기공 매트릭스 경계에 중요한 전자 밀도 변동을 나타냅니다 [Rosa-Fox et al. 1990].
분말 샘플표면의 이미지는 초음파를 사용하면 입자의 평균 크기가 더 큰 균질성을 초래하고 더 작은 입자를 초래한다는 것을 명확하게 보여줍니다. 초음파 처리로 인해 평균 입자 크기는 약 3 nm 감소합니다. [밀라니 외. 2011]
초음파의 긍정적 인 효과는 다양한 연구 연구에서 입증되었습니다. 예를 들어, 그들의 작품에서 Neppolian 외를 보고 중형 나노 크기 TiO2 입자의 광촉매 특성의 변형 및 개선에 초음파의 중요성과 장점. [네폴리스 외. 2008]

초음파 솔 젤 반응을 통한 나노 코팅

나노 코팅은 나노 스케일층 또는 나노 크기의 엔티티의 커버리지로 물질을 덮는 것을 의미한다. 이에 따라 캡슐화 또는 코어 쉘 구조가 얻어진다. 이러한 나노 복합재료는 성분의 특정 특성 및/또는 구조화 효과로 인해 물리적 및 화학적 고성능 특성을 특징으로 합니다.
예시로, 인듐 주석 산화물(ITO) 입자의 코팅 절차가 입증될 것이다. ITO 입자는 첸 (2009)의 연구에서 나타난 바와 같이, 2 단계 과정에서 실리카로 코팅된다. 제 1 화학 단계에서, 인듐 주석 산화물 분말은 아미노 실란 suface 처리를 겪는다. 두 번째 단계는 초음파 하에서 실리카 코팅입니다. 초음파 처리 및 그 효과의 구체적인 예를 제공하기 위해 첸의 연구에 제시 된 프로세스 단계는 아래에 요약되어 있습니다.
이 단계에 대한 전형적인 공정은 다음과 같다: 10g GPTS는 염산(HCl)에 의해 산성화된 물 20g과 천천히 혼합하였다(pH=1.5). 4g의 상기 아미노실리란 처리 분말을 혼합물에 첨가한 후, 100ml 유리 병에 함유하였다. 병은 60W 이상의 출력 전력으로 연속 초음파 조사를 위해 초음파 검사기의 프로브 아래에 배치되었습니다.
솔 겔 반응은 GLYMO (3-(2,3-에폭시프로옥시)의 광범위한 가수 분해 시 알코올의 방출로 인해 백색 발포가 생성된 약 2-3 분 초음파 조사 후에 시작되었습니다. 초음파 처리는 20 분 동안 적용되었으며, 그 후 용액을 몇 시간 동안 교반했습니다. 공정이 완료되면, 입자를 원심분리에 의해 수집하고 물로 반복해서 세척한 다음 특성화를 위해 건조하거나 물 또는 유기 용매에 분산된 유지합니다. [첸 2009, p.217]

결론

솔 겔 공정에 초음파를 적용하면 더 나은 혼합과 입자의 대각선으로 이어집니다. 이로 인해 입자 크기가 작아지고 구형, 낮은 차원의 입자 모양 및 향상된 형태가 생성됩니다. 소위 소노 겔은 밀도와 미세하고 균일 한 구조를 특징으로합니다. 이러한 특징은 졸 형성 동안 용매의 사용의 회피로 인해 생성되며, 또한, 주로 초음파에 의해 유도된 망상의 초기 가교 상태 때문에 생성된다. 건조 공정 후, 결과 sonogels는 필라멘트 인 초음파를 적용하지 않고 얻은 것과 달리 미립자 구조를 제시합니다. [에스퀴비아스 외. 2004]
강렬한 초음파를 사용하면 솔 젤 공정에서 독특한 재료의 맞춤화가 가능합니다. 따라서 고출력 초음파는 화학 및 재료의 연구 개발을위한 강력한 도구입니다.

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문학 / 참고 문헌

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