Sonochemesch Effekter op Sol-Gel Prozesser

Ultrafine Nano-Gréisst Partikelen a kugelfërmeg geformte Partikelen, dënn Filmbeschichtungen, Faseren, porösen an dichte Materialien, souwéi extrem poröse Aerogelen a Xerogelen sinn héich potenziell Additive fir d'Entwécklung an d'Produktioun vun héich performant Materialien. Fortgeschratt Materialien, dorënner zB Keramik, héich porös, ultralight Aerogels an organesch-anorganesch Hybriden kënnen aus kolloidaler Suspensioun oder Polymer an enger Flëssegkeet iwwer d'Sol-Gel Method synthetiséiert ginn. D'Material weist eenzegaarteg Charakteristiken, well déi generéiert Solpartikelen an der Nanometergréisst variéieren. Doduerch ass de Sol-Gel Prozess Deel vun der Nanochemie.
An der folgender gëtt d'Synthese vun Nano-Gréisst Material iwwer ultraschall assistéiert Sol-Gel routes iwwerpréift.

Sol-Gel Prozess

Sol-gel a verbonne Veraarbechtung enthält déi folgend Schrëtt:

1. Sol oder Ausfällungspulver ze maachen, d'Sol an enger Schimmel oder op engem Substrat ze geléieren (am Fall vu Filmer), oder eng zweet Sol aus dem ausgefallene Pulver a senger Geléierung ze maachen, oder d'Pulver an e Kierper duerch Net-Gelrouten ze formen;
2. dréchen;
3. brennen an sinteren. [Rabinovich 1994]

Table 1: Schrëtt vun der Sol-Gel Synthese an de Downstream Prozesser

Sol-Gel Prozesser sinn eng naass-chemesch Technik vun der Synthese fir d'Fabrikatioun vun engem integréierten Netzwierk (sougenannte Gel) vu Metalloxiden oder Hybridpolymeren. Als Virgänger ginn allgemeng anorganesch Metallsalze wéi Metallchloride an organesch Metallverbindunge wéi Metallalkoxide benotzt. Soll – besteet aus enger Suspension vun de Virgänger – verwandelt sech an e gelähnlechen diphasesche System, deen aus enger flësseger an enger fester Phase besteet. Déi chemesch Reaktiounen, déi während engem Sol-Gel Prozess optrieden, sinn Hydrolyse, Polykondensatioun a Geléierung.
Wärend der Hydrolyse a Polykondensatioun gëtt e Kolloid (Sol), deen aus Nanopartikelen, déi an engem Léisungsmëttel dispergéiert sinn, geformt. Déi bestehend Solphase verwandelt sech an de Gel.
Déi doraus resultéierend Gel-Phase gëtt duerch Partikelen geformt, déi Gréisst a Formation ka vill vun diskret kolloidal Partikelen op kontinuéierlech Kette-ähnlechen Polymer variéieren. D'Form an d'Gréisst hänkt vun de chemesche Bedéngungen of. Aus Observatioune vu SiO2 Alkogelen kënnen allgemeng ofgeschloss ginn datt eng Basiskatalyséiert Sol zu enger diskreter Spezies resultéiert, déi duerch Aggregatioun vu Monomercluster geformt gëtt, déi méi kompakt an héich verzweigt sinn. Si gi vu Sedimentatioun a Schwéierkraaft beaflosst.
Säure-katalyséiert Sole kommen aus den héich verwéckelten Polymerketten, déi eng ganz fein Mikrostruktur a ganz kleng Poren weisen, déi ganz eenheetlech am ganze Material erschéngen. D'Bildung vun engem méi oppene kontinuéierleche Netz vu Polymeren mat niddereger Dicht weist gewësse Virdeeler mat Bezuch op physesch Eegeschafte bei der Bildung vun héich performant Glas a Glas / Keramik Komponenten an 2 an 3 Dimensiounen. [Sack et al. 1982]
A weidere Veraarbechtungsschrëtt, duerch Spin-Coating oder Dip-Coating gëtt et méiglech Substrate mat dënnen Filmer ze beschichten oder andeems d'Sol an eng Schimmel gegoss gëtt, fir e sougenannte naass Gel ze bilden. No zousätzlech Trocknung an Heizung gëtt en dichte Material kritt.
A weider Schrëtt vum Downstream Prozess kann de kritt Gel weider veraarbecht ginn. Duerch Nidderschlag, Spraypyrolyse oder Emulsiounstechnike kënnen ultrafein an eenheetlech Puder geformt ginn. Oder sougenannte Aerogelen, déi duerch héich Porositéit an eng extrem geréng Dicht charakteriséiert sinn, kënnen duerch d'Extraktioun vun der flësseger Phase vum naassem Gel erstallt ginn. Dofir sinn normalerweis superkritesch Bedéngungen erfuerderlech.

Table 2: Ultraschall Sol-Gel Synthese vu mesoporous TiO2 [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

High Power Ultraschall a seng sonochemesch Effekter

Héich-Muecht, niddereg-Frequenz Ultraschall bitt héich Potenzial fir chemesch Prozesser. Wann intensiv Ultraschallwellen an e flëssege Medium agefouert ginn, alternéierend Héichdrock- a Low-Drock-Zyklen mat Tariffer ofhängeg vun der Frequenz. Héichdrockzyklen bedeiten Kompressioun, wärend niddereg Frequenzzyklen d'Rarfektioun vum Medium bedeiten. Wärend dem Low-Drock (Rarefaction) Zyklus schaaft High Power Ultraschall kleng Vakuumblasen an der Flëssegkeet. Dës Vakuumblasen wuessen iwwer e puer Zyklen.
Deementspriechend der Ultraschallintensitéit, flësseg kompriméiert a streckt sech a variabelen Grad. Dëst bedeit datt d'Kavitatiounsblasen sech op zwou Weeër kënne behuelen. Bei nidderegen Ultraschallintensitéiten vun ongeféier 1-3 W/cm² oszilléieren d'Kavitatiounsblasen ëm eng Gläichgewiichtgréisst fir vill akustesch Zyklen. Dëse Phänomen gëtt stabil Kavitatioun bezeechent. Bei méi héijer Ultraschallintensitéiten (bis zu 10 W / cm²) bilden d'Kavitatiounsblasen bannent e puer akustesch Zyklen, erreechend e Radius op d'mannst zweemol hir initial Gréisst ier se an engem Kompressiounspunkt kollapsen, wann d'Bubble net méi Energie absorbéiere kann. Dëst gëtt transient oder inertiell Kavitatioun bezeechent. Bei der Bubbleimplosioun entstinn lokal genannt Hotspots, déi extrem Konditiounen hunn: ganz héich Temperaturen (ongeféier 5.000 K) an Drock (ongeféier 2.000 Atm) ginn erreecht. D'Implosioun vun der Kavitatiounsblase entsteet och Flëssegjets mat Geschwindegkeete vu bis zu 280 m/s, déi ganz héich Schéierkräften entstoen. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

Sonication ass en effizient Tool fir d'Synthese vu Polymeren. Wärend der Ultraschall-Dispergéierung an der Deagglomeratioun sinn d'kaviational Schéierkräften, déi d'molekulare Ketten an engem net-zoufällege Prozess ausstrecken an briechen, zu enger Ofsenkung vum Molekulargewiicht a Polydisperitéit. Ausserdeem si Multi-Phase Systemer ganz effizient dispergéiert an emulgéiert, sou datt ganz fein Mëschunge geliwwert ginn. Dëst bedeit datt Ultraschall den Taux vun der Polymeriséierung iwwer konventionell Rühr erhéicht an zu méi héije Molekulargewichte mat méi nidderegen Polydispersitéiten resultéiert.
Ormosils (organesch modifizéiert Silikat) gi kritt wann Silan zu Gel-ofgeleete Silika während Sol-Gel Prozess bäigefüügt gëtt. D'Produkt ass e molekulare Skala Komposit mat verbesserte mechanesche Eegeschaften. Sono-Ormosils si charakteriséiert duerch eng méi héich Dicht wéi klassesch Gele wéi och eng verbessert thermesch Stabilitéit. Eng Erklärung kéint also de verstäerkte Grad vun der Polymeriséierung sinn. [Rosa-Fox et al. 2002]

Mesoporous TiO2 iwwer Ultrasonic Sol-Gel Synthese

Mesoporous TiO2 gëtt widley als Photokatalysator benotzt wéi och an Elektronik, Sensortechnologie an Ëmweltsanéierung. Fir optimiséiert Materialeigenschaften ass et gezielt TiO2 mat héijer Kristallinitéit a grousser Uewerfläch ze produzéieren. D'Ultraschall assistéiert Sol-Gel Route huet de Virdeel datt déi intrinsesch an extrinsesch Eegeschafte vun TiO2, wéi d'Partikelgréisst, d'Uewerfläch, d'Porevolumen, d'Poren Duerchmiesser, d'Kristallinitéit souwéi d'Anatase, Rutil a Brookit Phase Verhältnisser beaflosst kënne ginn. duerch Kontroll vun de Parameteren.
Milani et al. (2011) hunn d'Synthese vun TiO2 Anatase Nanopartikel bewisen. Dofir gouf de Sol-Gel-Prozess op den TiCl4 Virgänger applizéiert a béid Weeër, mat an ouni Ultraschall, goufen verglach. D'Resultater weisen datt d'Ultraschallbestralung e monotonen Effekt op all Komponente vun der Léisung vun der Sol-Gel-Methode hunn a verursaachen d'Ofbriechen vu lockere Linke vu groussen nanometresche Kolloiden an der Léisung. Sou entstinn méi kleng Nanopartikelen. Déi lokal optrieden Héichdrock an Temperaturen briechen d'Verbindungen an de laange Polymerketten wéi och déi schwaach Links déi méi kleng Partikele binden, duerch déi méi grouss kolloidal Massen entstinn. De Verglach vu béide TiO2-Proben, an der Präsenz an der Verontreiung vun der Ultraschallbestralung, gëtt an de SEM-Biller hei ënnen gewisen (kuckt Pic. 2).
 

Foto. 2: SEM Biller vun TiO2 pwder, calcinated bei 400 degC fir 1h an gelatinization Zäit vun 24h: (a) an der Präsenz vun an (b) an der Verontreiung vun Ultraschall. [Milani et al. 2011]

Ausserdeem kënne chemesch Reaktioune vu sonochemeschen Effekter profitéieren, déi zB de Broch vu chemesche Bindungen, eng bedeitend Verbesserung vun der chemescher Reaktivitéit oder der molekulare Degradatioun enthalen.

Conclusioun

D'Applikatioun vum Ultraschall op Sol-Gel Prozesser féiert zu enger besserer Vermëschung an der Deagglomeratioun vun de Partikelen. Dëst resultéiert a méi kleng Partikelgréisst, kugelfërmeg, niddereg-dimensional Partikelform a verstäerkte Morphologie. Sougenannte Sono-Gelen si charakteriséiert duerch hir Dicht a fein, homogen Struktur. Dës Fonctiounen entstinn wéinst der Vermeidung vum Gebrauch vu Léisungsmëttel während der Solbildung, awer och, an haaptsächlech, wéinst dem initialen vernetzten Zoustand vun der Retikulatioun, déi duerch Ultraschall induzéiert ass. Nom Trocknungsprozess presentéieren déi resultéierend Sonogels eng partikelstruktur, am Géigesaz zu hire Géigeparteien, déi ouni Ultraschall ugewannt ginn, déi filamentös sinn. [Esquivias et al. 2004]
Et gouf gewisen datt d'Verwäertung vun intensiven Ultraschall d'Schneidung vun eenzegaartege Materialien aus Sol-Gel Prozesser erlaabt. Dëst mécht High-Power Ultraschall e mächtegt Tool fir Chemie a Material Fuerschung an Entwécklung.