Hielscher Echografietechniek

Sonochemical Effecten op Sol-Gel Processen

Invoering

Ultrafijne nano-deeltjes en bolvormige deeltjes, dunne bekledingen, vezels, poreuze en dichte materialen, en zeer poreuze aerogels en xerogels hoogst mogelijke additieven voor de ontwikkeling en productie van hoogwaardige materialen. Geavanceerde materialen, zoals b.v. keramiek, zeer poreuze, ultralight aerogels en organische-anorganische hybride kan worden gesynthetiseerd uit colloïdale suspensies of polymeren in een vloeistof via de sol-gel methode. Het materiaal vertoont unieke eigenschappen, aangezien de gegenereerde sol deeltjes variëren in het nanometer gebied. Daardoor de sol-gel-werkwijze bevindt zich in de nanochemie.
In het volgende wordt de synthese van nanogrootte materiaal via ultrasoon geassisteerde sol-gel routes beoordeeld.

Sol-gel proces

Sol-gel en bijbehorende verwerking omvat de volgende stappen:

  1. waardoor sol of poeder neerslaan geleren de sol in een mal of op een substraat (bij films) of het maken van een tweede sol van het neergeslagen poeder en de gelering of vormen van het poeder tot een lichaam van niet-gel routes;
  2. drogen;
  3. vuren en sinteren. [Rabinovich 1994]
Sol-gel processen natchemische routes voor de vervaardiging van gel metaaloxiden of hybride polymeren

Tabel 1: Stappen van sol-gel-synthese en nabewerkingsprocessen

Vermogen ultrasound bevordert sonochemische reacties (klik om te vergroten!)

Ultrasone glazen reactor sonochemistry

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Sol-gel processen een natchemische werkwijze van synthese voor de vervaardiging van een geïntegreerd netwerk (zogenaamde gel) metaaloxiden of hybride polymeren. Als precursors zijn gewoonlijk anorganische metaalzouten zoals metaalchloriden en organische metaalverbindingen zoals metaalalkoxiden gebruikt. de sol – bestaande uit een suspensie van de voorlopers – omvormt tot een gel-achtige tweefasen systeem, bestaande uit zowel een vloeistof en een vaste fase. De chemische reacties die plaatsvinden tijdens een sol-gel-werkwijze zijn hydrolyse, polycondensatie en gelering.
Gedurende hydrolyse en polycondensatie, een colloïd (sol), die bestaat uit nanodeeltjes gedispergeerd in een oplosmiddel wordt gevormd. De bestaande sol overgaat op de gel.
De resulterende gel-fase wordt gevormd door deeltjes met afmetingen en vormen kan sterk variëren van afzonderlijke colloïdale deeltjes doorlopende keten-polymeren. De vorm en grootte is afhankelijk van de chemische omstandigheden. Uit waarnemingen op SiO2 alcogels algemeen kan worden geconcludeerd dat een base gekatalyseerde sol leidt tot een discrete soort, gevormd door samenvoeging van monomeer-clusters, die compacter en sterker zijn vertakt. Zij worden beïnvloed door depositie en zwaartekrachten.
Zuur gekatalyseerde sols afgeleid van de sterk verwarde polymeerketens met een zeer fijne microstructuur en zeer kleine poriën die vrij gelijkmatig weergegeven door het materiaal. De vorming van een opener continu netwerk van polymeren met lage dichtheid vertoont bepaalde voordelen ten aanzien van fysische eigenschappen bij de vorming van hoogwaardige glas en glas / keramiek componenten 2 en 3 dimensies. [Sakka et al. 1982]
In verdere bewerkingsstappen, door spincoating of dip-coating vaak bekleden van substraten met dunne films of door het gieten van de sol in een mal wordt, een zogenaamde natte gel. Na nog drogen en verhitten, een dicht materiaal verkregen.
Bij verdere stappen van het vervolgproces kan de verkregen gel verder worden verwerkt. Via precipitatie, spuitpyrolyse, of emulsietechnieken, ultrafijne en uniforme poeders kunnen worden gevormd. Of zogenaamde aerogels, die worden gekenmerkt door hoge porositeit en een zeer lage dichtheid, kunnen worden gecreëerd door extractie van de vloeibare fase van de natte gel. Daarom worden doorgaans superkritische omstandigheden vereist.
Ultrasone trillingen is een bewezen techniek om sol-gel-synthese van nano-materialen te verbeteren. (Klik om te vergroten!)

Tabel 2: Ultrasone sol-gel-synthese van mesoporeus TiO2 [Yu et al, Chem.. Commun. 2003, 2078]

Echografie met hoog vermogen

High-power, lage frequentie ultrasound biedt een groot potentieel voor de chemische processen. Bij intensieve ultrasone golven worden in een vloeibaar medium, afwisselend hoge druk en lage druk cycli, met tarieven afhankelijk van de frequentie optreden. Hoge druk cycli betekenen compressie, terwijl laagfrequente cycli betekenen verdunning van het medium. Tijdens de lage druk (verdunning) cyclus hoog vermogen ultrasone creëert kleine vacuüm belletjes in de vloeistof. Deze vacuüm belletjes groeien over meerdere cycli.
Dienovereenkomstig de ultrasone intensiteit vloeistof comprimeert en strekt zich in verschillende mate. Dit betekent dat de cavitatie belletjes kunnen zich op twee manieren. Bij lage ultrasone intensiteit van ~ 1-3Wcm-2, de cavitatiebellen oscilleren ongeveer een evenwichtsgrootte voor vele akoestische cycli. Dit fenomeen wordt stabiele cavitatie genoemd. Bij hoge ultrasone intensiteiten (≤10Wcm-2) De cavitatie bellen worden gevormd binnen enkele akoestische cycli met een straal van ten minste tweemaal hun aanvankelijke grootte en samenvouwen op een punt van compressie wanneer de bubble energie niet kan opnemen. Dit wordt aangeduid als voorbijgaand of inertie cavitatie. Tijdens zeepbel implosie, lokaal zogenaamde hot spots optreden, die extreme omstandigheden zijn voorzien van: Tijdens de implosie, lokaal zeer hoge temperaturen (. Ca. 5000 K) en drukken (. Ca. 2,000atm) worden bereikt. De implosie van het cavitatiebel resulteert ook in vloeibare stralen tot 280m / s snelheid, die afschuifkrachten zeer hoog optreden. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Sono-ormosil

Sonicatie is een efficiënt hulpmiddel voor de synthese van polymeren. Tijdens ultrasoon dispergeren en deagglomeratie de caviational afschuifkrachten, die uitstrekken en de molecuulketens breken in een niet-willekeurig proces, resulteren in een verlaging van het molecuulgewicht en poly- dispersiteit. Bovendien meerfasige systemen zijn zeer efficiënt verspreid en geëmulgeerdZodat zeer fijne mengsels verschaft. Dit betekent dat ultrageluid verhoogt de snelheid van polymerisatie met conventionele roeren tot hogere molecuulgewichten met lage polydispersiteiten.
Ormosils (organisch gemodificeerde silicaten) worden verkregen wanneer silaan-gel afgeleide silica wordt toegevoegd tijdens sol-gel-werkwijze. Het product is een moleculaire schaal composiet met verbeterde mechanische eigenschappen. Sono-Ormosils worden gekenmerkt door een hogere dichtheid dan klassieke gels en een verbeterde thermische stabiliteit. Een verklaring daarom wellicht de verhoogde mate van polymerisatie. [Rosa-Fox et al. 2002]

Krachtige ultrasone krachten zijn een bekende en betrouwbare techniek voor de extractie (klik om te vergroten!)

ultrasonore cavitatie in vloeibare

Mesoporeuze TiO2 via ultrasone Sol-Gel Synthesis

Mesoporeuze TiO2 widley wordt gebruikt als fotokatalysator en elektronica, sensoren en herstel van het milieu. Voor optimale materiaaleigenschappen, is het de bedoeling TiO produceren2 met een hoge kristalliniteit en groot oppervlak. De ultrasone-geassisteerde sol-gel route heeft het voordeel dat de intrinsieke en extrinsieke eigenschappen van TiO2, Zoals de deeltjesgrootte, specifiek oppervlak, poriënvolume, poriëndiameter, kristalliniteit en anataas, rutiel en brookiet fasenverhoudingen kan worden beïnvloed door regeling van de parameters.
Milani et al. (2011) hebben de synthese van TiO aangetoond2 anatase nanodeeltjes. Daarom werd de sol-gel-werkwijze toegepast op het TiCl4 voorloper en beide manieren, met en zonder ultrasone trillingen, zijn vergeleken. De resultaten tonen aan dat ultrasone straling een monotoon effect op alle componenten van de oplossing door de sol-gel werkwijze en veroorzaakt het breken van losse schalmen van grote nanometrische colloïden in oplossing. Aldus worden kleinere nanodeeltjes gemaakt. De plaatselijk optredende hoge drukken en temperaturen breken de verlijmingen lange polymeerketens en de zwakke schakels bindende kleinere deeltjes, waardoor grotere colloïdale massa's worden gevormd. De vergelijking van beide TiO2 monsters, in aanwezigheid en in afwezigheid van ultrasone bestraling wordt getoond in de SEM beelden hieronder (zie afb. 2).

Ultrasound helpt de verstijfselingstemperatuur proces gedurende sol-gel-synthese. (Klik om te vergroten!)

Pic. 2: SEM afbeeldingen van TiO2 pwder, gecalcineerd bij 400 ° C gedurende 1 uur en gelatineren tijdstip van 24 uur: (a) in aanwezigheid van en (b) bij afwezigheid van ultrageluid. [Milani et al. 2011]

Bovendien kunnen chemische reacties profiteren sonochemische effecten, die bijvoorbeeld omvatten het breken van chemische bindingen, significante versterking van chemische reactiviteit of moleculaire afbraak.

Sono-Gels

In Sono-katalytisch geassisteerde sol-gel reactie, wordt ultrageluid aangebracht op de voorlopers. De resulterende materialen met nieuwe eigenschappen zijn bekend als sonogels. Vanwege de afwezigheid van additioneel oplosmiddel in combinatie met de ultrasone cavitatieEen unieke omgeving voor sol-gel-reactie ontstaat, waardoor de vorming van bijzonderheden in de verkregen gels hoge dichtheid, fijne structuur homogene structuur etc. Deze eigenschappen bepalen de evolutie van sonogels voor verdere verwerking en uiteindelijke materiaalstructuur . [Blanco et al. 1999]
Suslick en Price (1999) laten zien dat de ultrasone bestraling van Si (OC2H5)4 in water met een zure katalysator produceert een silica “sonogel”. Bij conventionele bereiding van silicagels uit Si (OC2H5)4Ethanol is een veelgebruikte hulpoplosmiddel gevolg van de niet-oplosbaarheid van Si (OC2H5)4 in water. Het gebruik van dergelijke oplosmiddelen vaak problematisch omdat zij scheuren gedurende de droogstap kan veroorzaken. Ultrasone trillingen verschaft een zeer efficiënte menging zodat vluchtige hulpoplosmiddelen, zoals ethanol kunnen worden vermeden. Dit resulteert in een silica-gel Sono gekenmerkt door een hogere dichtheid dan conventioneel geproduceerde gels. [Suslick et al. 1999 319f.]
Gebruikelijke aerogels uit een lage dichtheid matrix met grote lege poriën. De sonogels daarentegen hebben fijnere porositeit en de poriën zijn vrij bol-vormig, met een glad oppervlak. Hellingen van meer dan 4 in de hoge hoekgebied kunnen belangrijke elektronendichtheid schommelingen van de porie-matrix grenzen [Rosa-Fox et al. 1990].
De beelden van het oppervlak van de poedermonsters blijkt duidelijk dat het gebruik van ultrasone golven geleid tot een grotere homogeniteit van de gemiddelde grootte van de deeltjes en resulteerde in kleinere deeltjes. Vanwege sonicatie, de gemiddelde deeltjesgrootte afneemt ca. 3 nm. [Milani et al. 2011]
De positieve effecten van ultrageluid zijn bewezen in diverse onderzoeken. Bijv melden Neppolian et al. in hun werk het belang en voordelen van ultrasone trillingen in de modificatie en verbetering van de fotokatalytische eigenschappen van mesoporeuze nano-afmetingen TiO2 deeltjes. [Neppolian et al. 2008]

Nanocoating via ultrasone sol-gelreactie

Nanocoating betekent bedekking van materiaal met een laag op nanoschaal of de dekking van een entiteit van nanogrootte. Daardoor worden ingekapselde of kern-schilstructuren verkregen. Dergelijke nanocomposieten hebben fysische en chemische eigenschappen met hoge prestaties vanwege gecombineerde specifieke kenmerken en / of structurerende effecten van de componenten.
Bij wijze van voorbeeld zal de bekledingsprocedure van indiumtinoxide (ITO) -deeltjes worden gedemonstreerd. ITO-deeltjes worden gecoat met silica in een tweestapsproces, zoals getoond in een studie van Chen (2009). In de eerste chemische stap ondergaat het indiumtinoxidepoeder een aminosilaan oppervlaktebehandeling. De tweede stap is de silicabekleding onder ultrasone trillingen. Om een ​​specifiek voorbeeld van sonicatie en de effecten ervan te geven, wordt de processtap die in de studie van Chen wordt gepresenteerd hieronder samengevat:
Een typisch proces voor deze stap is als volgt: 10 g GPTS werd langzaam gemengd met 20 g water aangezuurd met zoutzuur (HCl) (pH = 1,5). 4 g van het hiervoor genoemde met aminosilaan behandelde poeder werd vervolgens aan het mengsel toegevoegd, dat zich in een glazen fles van 100 ml bevond. De fles werd vervolgens onder de sonde van de sonicator geplaatst voor continue ultrageluidbestraling met een uitgangsvermogen van 60 W of meer.
Sol-gel reactie werd geïnitieerd na ongeveer 2-3 min bestraling met ultrageluid, waarna wit schuim werd gegenereerd door het vrijkomen van alcohol na uitgebreide hydrolyse van GLYMO (3- (2,3-epoxypropoxy) propyltrimethoxysilaan). De sonicatie werd gedurende 20 min, waarna de oplossing werd gedurende enkele uren. Zodra het proces klaar was, werden deeltjes verzameld door centrifugeren en werden keer met water en vervolgens gedroogd karakterisering gehouden of gedispergeerd in water of organische oplosmiddelen gewassen. [Chen 2009, p.217]

Conclusie

De toepassing van ultrageluid op sol-gel-processen leidt tot een betere menging en de deagglomeratie van de deeltjes. Dit resulteert in kleinere deeltjesafmetingen, bolvormige, laag-dimensionale deeltjesvorm en verbeterde morfologie. Zogenaamde sonogelen worden gekenmerkt door hun dichtheid en fijne, homogene structuur. Deze kenmerken worden gecreëerd als gevolg van het vermijden van het gebruik van oplosmiddel tijdens de solvorming, maar ook, en hoofdzakelijk, vanwege de initiële verknoopte toestand van reticulatie geïnduceerd door ultrageluid. Na het droogproces presenteren de resulterende sonogels een deeltjesvormige structuur, in tegenstelling tot hun tegenhangers verkregen zonder toepassing van ultrageluid, die filamenteus zijn. [Esquivias et al. 2004]
Er is aangetoond dat het gebruik van intense ultrasone maakt het op maat maken van unieke materialen uit sol-gel processen. Dit maakt high-power echografie een krachtige tool voor chemie en materialen onderzoek en ontwikkeling.

Neem contact met ons op / vraag om meer informatie

Praat met ons over uw verwerking eisen. We zullen de meest geschikte configuratie en bewerkingsparameters aanbevelen voor uw project.





Let op onze Privacybeleid.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

1kW ultrasone recirculatie opstelling met pomp en vuilwatertank maakt geavanceerde verwerking

Literatuur / Referenties

  • White, E.; Esquivias, L.; Litran, R.; Pinero, M.; Ramirez-del-Solar, M.; Rosa_Fox, de N. (1999): Sonogels en afgeleide materialen. Appl. Organometallic. Chem. 13, 1999 pp. 399-418.
  • Chen, Q .; Boothroyd, C .; Mcintosh Soutar, A .; Zeng, X. T. (2010): Sol-gel nanocoating commerciële TiO2 nanopoeders met ultrageluid. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, 2010. blz. 115-120.
  • Chen, V. (2009): Silicabekleding van nanodeeltjes door sonogel werkwijze. SIMTech 10/4, 2009. blz. 216-220.
  • Esquivias, L .; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M .; Mosquera, M. J. (2004): Structuur van Hybrid van colloïdaal Polymer xerogels. Langmuir 20/2004. blz. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): Synthese van TiO2 Nanopoeder door de sol-gel werkwijze en het gebruik ervan als photocatalyst. J. Iran. Chem. Soc. 7, 2010. blz. 154-160.
  • Li, X .; Chen, L .; Li, B .; Li. L. (2005): Voorbereiding van zirconia Nanopoeders in Ultrasone gebied door de Sol-Gel Method. Trans Tech Pub. 2005.
  • Neppolian, B .; Wang, Q .; Jung, H .; Choi, H. (2008): ultrasone-geassisteerde sol-gel-werkwijze voor de bereiding van TiO2 nanodeeltjes: Karakterisering, eigenschappen en 4-chloorfenol verwijdering applicatie. Ultrason. Sonochem. 15, 2008. blz. 649-658.
  • Pierre, A. C .; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerogels. In: Aegerter M.A. et al. (Red.): Aërogels Handbook, Advances in Sol-Gel afgeleide materialen en technologieën. Springer Science + Business: New York, 2011. pp 21-45..
  • Rabinovich, E. M. (1994): Sol-Gel Processing - Algemene beginselen. In: L. C. Klein (Ed.) Sol-Gel Optics: verwerking en toepassing. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994. pp 1-37..
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M .; Esquivias, L. (2002): organisch-anorganische hybride materialen uit Sonogels. 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Structural Studies silica sonogels. J. Niet-Cryst. Solids 121, 1990. blz. 211-215.
  • Sakka, S .; Kamya, K. (1982): De Sol-Gel Transition: Vorming van glasvezels & Thin Films. J. Niet-kristallijne Vaste stoffen 38, 1982, blz. 31.
  • Santos, H. M .; Lodeiro, C .; Martínez, J.-L. (2009): De kracht van Ultrasound. In: J.-L. Martínez (red.): Ultrasound in de chemie: Analytical Applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. blz 1-16..
  • Shahruz, N .; Hossain, M. M. (2011): Synthese en Besturingselement van TiO2 Photocatalyst Nanodeeltjes Bereiding gebruiken sol-gel methode. Wereld Appl. Sci. J. 12, 2011. blz. 1981-1986.
  • Suslick, K. S .; Prijs, G. J. (1999): Toepassingen van Ultrasound aan Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999. blz. 295-326.
  • Suslick, K. S. (1998): Sonochemistry. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 26 4d. ed., J. Wiley... & Sons: New York, 1998. pp 517-541..
  • Verma, L. Y .; Singh, M. P .; Singh, R. K. (2012): Effect van bestraling met ultrasone golven op de voorbereiding en eigenschappen van Ionogels. J. Nanomat. 2012.
  • Zhang, L.-Z .; Yu, J .; Yu, J. C. (2002): Direct Sonochemical bereiding van zeer fotoactieve mesoporeuze titanium dioxide met een bicrystalline kader. Samenvattingen van de 201e vergadering van de Electrochemical Society, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem