Sonochemesch Effekter op Sol-Gel-Prozesser

Ultrafein Partikelen an der Nanometergréisst a kugelfërmeg Partikelen, Dënnschichtbeschichtungen, Faseren, poréis an dicht Materialien, souwéi extrem poréis Aerogelen a Xerogelen si ganz villverspriechend Zousazstoffer fir d’Entwécklung an d’Produktioun vu Materialien mat héijer Leeschtung. Fortgeschratt Materialien, dorënner z. B. Keramik, héichporéis, ultraliicht Aerogelen an organesch-anorganesch Hybridmaterialien, kënne mat der Sol-Gel-Method aus kolloidale Suspensiounen oder Polymeren an enger Flëssegkeet synthetiséiert ginn. D’Material weist eenzegaarteg Eegenschaften, well déi entstane Solpartikelen am Nanometerberäich leien. Domat ass de Sol-Gel-Prozess en Deel vun der Nanochemie.
Am Follgende gëtt d’Synthees vu Material an der Nanometergréisst iwwer ultraschallënnerstëtzt Sol-Gel-Verfare beschriwwen.

Sol-Gel-Prozess

D’Sol-Gel-Veraarbechtung an déi domat verbonne Veraarbechtungsverfaren ëmfaassen déi follgend Schrëtt:

1. e Sol hierstellen oder e Pudder ausfällen, de Sol an enger Form oder op engem Substrat (am Fall vu Schichten) geléiere loossen, oder aus dem ausgefällte Pudder en zweete Sol hierstellen an dëse geléiere loossen, oder de Pudder iwwer Verfaren ouni Gelbildung zu engem Kierper formen;
2. dréchnen;
3. brennen a sinteren.   [Rabinovich 1994]

Tabell 1: Schrëtt vun der Sol-Gel-Synthees an déi nogelagert Prozesser

Sol-Gel-Prozesser sinn eng naasschemesch Syntheestechnik fir d’Hierstellung vun engem zesummenhängende Netzwierk (sougenannte Gel) aus Metalloxiden oder Hybridpolymeren. Als Virleefer gi gewéinlech anorganesch Metallsalzer wéi Metallchloriden an organesch Metallverbindunge wéi Metallalkoxide benotzt. De Sol – deen aus enger Suspensioun vun de Virleefer besteet – verwandelt sech an e gelaartegt Zweephasesystem, dat souwuel aus enger flësseger wéi och aus enger fester Phas besteet. Déi chemesch Reaktiounen, déi wärend engem Sol-Gel-Prozess optrieden, sinn Hydrolys, Polykondensatioun a Gelbildung.
Wärend der Hydrolys an der Polykondensatioun entsteet e Kolloid (Sol), dat aus Nanopartikelen, déi an engem Léisungsmëttel dispergéiert sinn, besteet. Déi bestoend Solphas verwandelt sech an de Gel.
Déi entstane Gelphas gëtt vu Partikele gebilt, deenen hir Gréisst a Gestalt staark variéiere kënnen, vun eenzele kolloidale Partikele bis zu kontinuéierleche kettenaartege Polymeren. D’Form an d’Gréisst hänke vun de chemesche Bedéngungen of. Aus Observatiounen u SiO2-Alkogele kann allgemeng geschloss ginn, datt e Sol, deen duerch eng Bas katalyséiert gëtt, zu enger diskreeter Spezies féiert, déi duerch d’Aggregatioun vu Monomerclustere gebilt gëtt, déi méi kompakt a staark verzweigt sinn. Si gi vun der Sedimentatioun a vun de Schwéierkräfte beaflosst.
Solen, déi duerch eng Saier katalyséiert ginn, entstinn aus de staark verknäuelte Polymerketten, déi eng ganz fein Mikrostruktur a ganz kleng Poren opweisen, déi am ganze Material zimmlech eenheetlech erschéngen. D’Bildung vun engem méi oppenen, kontinuéierlechen Netzwierk aus Polymere mat niddreger Dicht weist gewësse Virdeeler a Bezuch op déi physikalesch Eegenschafte bei der Hierstellung vu Glas mat héijer Leeschtung a vu Glas-/Keramikkomponenten an 2 an 3 Dimensiounen. [Sakka et al. 1982]
A weidere Veraarbechtungsschrëtt ass et méiglech, Substrater duerch Rotatiounsbeschichtung oder Tauchbeschichtung mat dënne Schichten ze beschichten oder duerch d’Géisse vum Sol an eng Form e sougenannten naasse Gel ze bilden. No zousätzlechem Dréchnen an Erhëtze gëtt en dicht Material kritt.
A weidere Schrëtt vum nogelagerte Prozess kann de gewonnene Gel weider verschafft ginn. Duerch Ausfällung, Spraypyrolys oder Emulsiounstechnike kënnen ultrafein an eenheetlech Puddere gebilt ginn. Oder sougenannt Aerogelen, déi sech duerch eng héich Porositéit an eng extrem niddreg Dicht auszeechnen, kënnen duerch d’Extraktioun vun der flësseger Phas vum naasse Gel hiergestallt ginn. Dofir sinn normalerweis iwwerkritesch Bedéngungen néideg.

Tabell 2: Ultraschallënnerstëtzt Sol-Gel-Synthees vu mesoporéisem TiO2 [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

Héichleeschtungsultraschall a seng sonochemesch Effekter

Héichleeschtungsultraschall mat niddreger Frequenz bitt e grousst Potenzial fir cheemesch Prozesser. Wann intensiv Ultraschallwellen an e flëssegt Medium ageleet ginn, entstinn ofwiesselnd Héichdrock- an Nidderdrockzyklen, deenen hir Widderhuelungsquot vun der Frequenz ofhänkt. Héichdrockzykle bedeite Kompressioun, wärend Zykle mat niddreger Frequenz eng Ausdeenung vum Medium bedeiten. Wärend dem Nidderdrockzyklus (Ausdeenung) erzeugt Héichleeschtungsultraschall kleng Vakuumblosen an der Flëssegkeet. Dës Vakuumblose wuessen iwwer e puer Zyklen.
Jee no Ultraschallintensitéit gëtt d’Flëssegkeet a verschiddenem Mooss kompriméiert an ausgedeent. Dat bedeit, datt sech d’Kavitatiounsblosen op zwou Aarte verhale kënnen. Bei niddregen Ultraschallintensitéite vun ongeféier 1–3 W/cm² schwéngen d’Kavitatiounsblosen iwwer vill akustesch Zykle ronderëm eng Gläichgewiichtsgréisst. Dëse Phenomeen gëtt als stabil Kavitatioun bezeechent. Bei méi héijen Ultraschallintensitéiten (bis zu 10 W/cm²) bilden sech d’Kavitatiounsblose bannent e puer akusteschen Zyklen an erreechen e Radius, deen op d’mannst dem Duebele vun hirer ursprénglecher Gréisst entsprécht, éier se bei engem Kompressiounspunkt zesummefalen, wann d’Blos keng Energie méi ophuele kann. Dat gëtt als transient oder inertial Kavitatioun bezeechent. Bei der Implosioun vun de Blosen entstinn lokal sougenannt Hotspots, an deenen extrem Bedéngungen herrschen: Et gi ganz héich Temperaturen (ongeféier 5.000 K) an Drécker (ongeféier 2.000 atm) erreecht. D’Implosioun vun der Kavitatiounsblos féiert och zu Flëssegkeetsstrale mat Vitessë vu bis zu 280 m/s, déi ganz héich Schéierkräften erzeugen. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

D’Ultraschallbehandlung ass en effikast Instrument fir d’Synthes vu Polymeren. Beim Dispergéieren an Deagglomeréiere mat Ultraschall féieren d’kavitatiounsbedéngt Schéierkräften, déi d’Moleküllketten an engem net zoufällege Prozess strecken a briechen, zu enger Reduktioun vum Molekulargewiicht a vun der Polydispersitéit. Ausserdeem gi Systemer mat méi Phasen ganz effikass dispergéiert an emulgéiert, sou datt ganz fein Mëschungen entstinn. Dat bedeit, datt Ultraschall d’Polymerisatiounsvitess am Verglach mam konventionelle Réieren erhéicht an zu méi héije Molekulargewiichter mat méi niddrege Polydispersitéite féiert.
Ormosilen (organesch modifizéiert Silikat) ginn erhalen, wa Silan wärend dem Sol-Gel-Prozess zu Siliziumdioxid bäigefüügt gëtt, dat aus engem Gel hiergestallt gouf. D’Produkt ass e Komposit op molekularem Niveau mat verbesserte mechaneschen Eegenschaften. Sono-Ormosile charakteriséiere sech duerch eng méi héich Dicht wéi klassesch Gele souwéi duerch eng verbessert thermesch Stabilitéit. Eng Erklärung dofir kéint de méi héije Polymerisatiounsgrad sinn. [Rosa-Fox et al. 2002]

Mesoporéist TiO2 duerch ultraschallënnerstëtzt Sol-Gel-Synthes

Mesoporéist TiO2 gëtt vill als Fotokatalysator souwéi an der Elektronik, der Sensortechnik an der Ëmweltsanéierung benotzt. Fir optiméiert Materialeegenschafte gëtt ugestrieft, TiO2 mat héijer Kristallinitéit a grousser Uewerfläch hierzestellen. Den ultraschallënnerstëtzte Sol-Gel-Verfare bitt de Virdeel, datt déi intrinsesch an extrinsesch Eegenschafte vun TiO2, wéi d’Partikelgréisst, d’Uewerfläch, de Porevolume, de Porenduerchmiesser, d’Kristallinitéit souwéi d’Verhältnisser vun den Anatas-, Rutil- a Brookitphasen, duerch d’Steierung vun de Parametere beaflosst kënne ginn.
Milani et al. (2011) hunn d’Synthes vun TiO2-Anatas-Nanopartikele gewisen. Dofir gouf de Sol-Gel-Prozess op den TiCl4-Virleefer applizéiert, a béid Verfaren, mat an ouni Ultraschallbehandlung, goufe matenee verglach. D’Resultater weisen, datt d’Ultraschallbestralung e monotonen Effekt op all Komponente vun der Léisung huet, déi mam Sol-Gel-Verfaren hiergestallt gouf, an datt si déi labber Verknëppunge vu groussen nanometresche Kolloiden an der Léisung brécht. Doduerch entsti méi kleng Nanopartikelen. Déi lokal optriedend héich Drécker an Temperature briechen d’Bindungen a laange Polymerketten souwéi déi schwaach Verknëppungen, déi méi kleng Partikelen zesummenhalen an doduerch méi grouss kolloidal Masse bilden. De Verglach vun deenen zwou TiO2-Prouwen, mat an ouni Ultraschallbestralung, gëtt an de SEM-Biller hei ënnendrënner gewisen (kuckt Bild 2).
 

Bild 2: SEM-Biller vun TiO2-Polver, dat bei 400 degC fir 1h kalzinéiert gouf, mat enger Geléierungszäit vu 24h: (a) a Presenz vun an (b) ouni Ultraschall. [Milani et al. 2011]

Ausserdeem kënne cheemesch Reaktioune vu sonocheemeschen Effekter profitéieren, déi z. B. d’Opbrieche vu cheemesche Bindungen, eng däitlech Erhéijung vun der cheemescher Reaktivitéit oder de molekularen Ofbau ëmfaassen.

Fazit

Den Asaz vun Ultraschall bei Sol-Gel-Prozesser féiert zu enger besserer Mëschung an zur Desagglomeratioun vun de Partikelen. Doduerch entstinn eng méi kleng Partikelgréisst, eng kugelfërmeg, niddregdimensional Partikelform an eng verbessert Morphologie. Sougenannt Sono-Geler zeechne sech duerch hir Dicht an hir fein, homogen Struktur aus. Dës Eegenschaften entstinn, well bei der Solbildung op den Asaz vu Léisungsmëttel verzicht gëtt, awer och, an haaptsächlech, duerch den ufängleche Vernetzungszoustand, dee vum Ultraschall induzéiert gëtt. Nom Dréchne weisen déi entstane Sonogeler eng partikulär Struktur op, wärend hir Géigestécker, déi ouni Ultraschall hiergestallt ginn, eng fuedemfërmeg Struktur hunn. [Esquivias et al. 2004]
Et gouf gewisen, datt den Asaz vun intensivem Ultraschall et erméiglecht, eenzegaarteg Materialien duerch Sol-Gel-Prozesser geziilt unzepassen. Dat mécht Héichleeschtungsultraschall zu engem leeschtungsstaarken Instrument fir d’Fuerschung an d’Entwécklung an der Chimie an an de Materialwëssenschaften.