Hielscher ultralydteknologi

Sonokemiske effekter på Sol-Gel-prosesser

Introduksjon

Ultrafine nanostørrelsespartikler og sfæriske formede partikler, tynnfilmbelegg, fibre, porøse og tette materialer, samt ekstremt porøse aerogeler og xerogeler er svært potensielle tilsetningsstoffer for utvikling og produksjon av høyytelsesmaterialer. Avanserte materialer, inkludert f.eks. Keramikk, høyporøse, ultralette aerogeler og organisk uorganiske hybrider, kan syntetiseres fra kolloide suspensjoner eller polymerer i en væske via sol-gel-metoden. Materialet viser unike egenskaper, siden det oppnådde solpartiklasser i nanometerstørrelsen. Dermed er sol-gel-prosessen en del av nanokjemien.
I det følgende blir syntesen av nanostørret materiale via ultralydsassisterte sol-gel-ruter vurdert.

Sol-Gel-prosess

Sol-gel og tilhørende prosessering omfatter følgende trinn:

  1. å lage sol eller utfelling av pulver, gelering av solen i en form eller på et substrat (i tilfelle av filmer), eller å lage en andre sol fra det utfelte pulveret og dets gelering, eller forme pulveret til en kropp ved ikke-gel-ruter;
  2. tørking;
  3. avfyring og sintring. [Rabinovich 1994]
Sol-gel-prosesser er våte kjemiske veier for fremstilling av gel av metalloksyder eller hybridpolymerer

Tabell 1: Trinn av Sol-Gel-syntese og nedstrøms prosesser

Effekt ultralyd fremmer sonokemiske reaksjoner (Klikk for å forstørre!)

Ultralyd glassreaktor for sonochemistry

Informasjonsforespørsel




Merk våre Personvernregler.


Sol-gel-prosesser er en våt-kjemisk synteseteknikk for fremstilling av et integrert nettverk (såkalt gel) av metalloksyder eller hybridpolymerer. Som forløpere anvendes vanligvis uorganiske metallsalter som metallklorider og organiske metallforbindelser, så som metallalkoksider. Solen – bestående av en suspensjon av forløpene – omformer til et gelignende diphasic system, som består i både en væske og en fast fase. De kjemiske reaksjonene som oppstår under en sol-gel-prosess er hydrolyse, polykondensasjon og gelering.
Under hydrolyse og polykondensasjon dannes et kolloid (sol) som består av nanopartikler dispergert i et løsningsmiddel. Den eksisterende solfasen forvandler seg til gelen.
Den resulterende gelfasen dannes av partikler hvilken størrelse og formasjon kan variere sterkt fra diskrete kolloide partikler til kontinuerlige kjede-lignende polymerer. Skjemaet og størrelsen avhenger av de kjemiske forholdene. Fra observasjoner på SiO2 Alkogler kan generelt konkluderes med at en basekatalysert sol resulterer i en diskret art dannet ved aggregering av monomerklynger, som er mer kompakte og forgrenede. De er rammet av sedimentering og tyngdekrafter.
Syrekatalyserte soler stammer fra de høyt sammenklemt polymerkjedene som viser en meget fin mikrostruktur og svært små porer som virker ganske jevne i hele materialet. Dannelsen av et mer åpent kontinuerlig nettverk av polymerer med lav tetthet utviser visse fordeler med hensyn til fysiske egenskaper ved dannelsen av høyytelses glass og glass / keramiske komponenter i 2 og 3 dimensjoner. [Sakka et al. 1982]
Ved ytterligere prosesseringstrinn blir det mulig å belegge substrater med tynne filmer ved hjelp av spinbelegg eller dyppbelegg, eller ved å støpe solen i en form for å danne en såkalt våt gel. Etter ytterligere tørking og oppvarming, vil et tett materiale bli oppnådd.
I ytterligere trinn i nedstrøms prosessen kan den oppnådde gel behandles ytterligere. Via utfelling, spray pyrolyse eller emulsjonsteknikker kan ultrafine og likformige pulver dannes. Eller såkalte aerogeler, som er preget av høy porøsitet og ekstremt lav tetthet, kan opprettes ved ekstraksjon av væskefaseens flytende fase. Derfor er det normalt krevende superkritiske forhold.
Ultralydbehandling er en påvist teknikk for å forbedre sol-gelsyntese av nanomaterialer. (Klikk for å forstørre!)

Tabell 2: Ultralyd sol-gel-syntese av mesoporøs TiO2 [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

ultralyd med høy effekt

Høy effekt, lavfrekvente ultralyd gir høy potensial for kjemiske prosesser. Når intense ultralydbølger blir introdusert i et flytende medium, varierer høytrykks- og lavtrykkssykluser med frekvenser avhengig av frekvensen. Høytrykkssykluser betyr komprimering, mens lavfrekvenssykluser betyr sjeldnere tilsetning av mediet. Under lavt trykk (sjeldnere) syklus, skaper høy effekt ultralyd små vakuumbobler i væsken. Disse vakuumboblene vokser over flere sykluser.
Følgelig til ultralydintensiteten, komprimerer væsken og strekker seg i varierende grad. Dette betyr at kavitasjon bobler kan oppføre seg på to måter. Ved lave ultralydintensiteter på ~ 1-3 Wcm-2, cavitasjon bobler oscillere om noen likevekt størrelse for mange akustiske sykluser. Dette fenomenet kalles stabil kavitasjon. Ved høye ultralydintensiteter (≤10Wcm-2) kavitasjonsboblene dannes innen noen få akustiske sykluser til en radius på minst to ganger deres opprinnelige størrelse og kollaps ved et komprimeringspunkt når boblen ikke kan absorbere mer energi. Dette kalles forbigående eller inertial kavitasjon. Under bobleimplosjon oppstår lokalt såkalte hotspots, som har ekstreme forhold: Under implosjonen oppnås lokalt svært høye temperaturer (ca. 5.000K) og trykk (ca. 2.000atm). Implusjonen av kavitasjonsboblen resulterer også i væskestråler på opptil 280m / s hastighet, som virker som svært høy skjærkraft. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

Sonikering er et effektivt verktøy for syntese av polymerer. Under ultralyddispergering og deagglomerering resulterer kaviasjonsskjærkraften, som strekker seg ut og bryter molekylkjedene i en ikke-tilfeldig prosess, til en reduksjon av molekylvekten og polydispersjonen. Videre er flerfasesystemer svært effektive fordelt og emulgert, slik at meget fine blandinger er tilveiebrakt. Dette betyr at ultralyd øker polymeriseringshastigheten over konvensjonell omrøring og resulterer i høyere molekylvekter med lavere polydispersiteter.
Ormosiler (organisk modifisert silikat) oppnås når silan tilsettes til gel-avledet silika under sol-gel-prosess. Produktet er et molekylskala kompositt med forbedrede mekaniske egenskaper. Sono-Ormosils kjennetegnes av en høyere tetthet enn klassiske geler, samt en forbedret termisk stabilitet. En forklaring kan derfor være den økte polymeriseringsgraden. [Rosa-Fox et al. 2002]

Kraftige ultralydskrefter er en velkjent og pålitelig teknikk for utvinning (Klikk for å forstørre!)

ultralyd kavitasjon i væske

Mesoporøs TiO2 via ultralyd sol-gel-syntese

Mesoporøs TiO2 er widley brukt som fotokatalysator så vel som i elektronikk, sensorteknologi og miljøvern. For optimaliserte materialegenskaper, er det rettet mot å produsere TiO2 med høy krystallinitet og stort overflateareal. Den ultralydassisterte sol-gel-ruten har fordelen at de indre og ekstrinsiske egenskapene til TiO2, slik som partikkelstørrelsen, overflateareal, porevolum, porediameter, krystallinitet samt anatase, rutil og brookittfaseforhold kan påvirkes ved å kontrollere parametrene.
Milani et al. (2011) har vist syntesen av TiO2 anatase nanopartikler. Derfor ble sol-gel-prosessen påført TiCl4 forløper og begge veier, med og uten ultralyd, er blitt sammenlignet. Resultatene viser at ultralydbestråling har en monotont effekt på alle bestanddeler av løsningen fremstilt ved sol-gel-metoden og forårsaker brudd på løse ledd i store nanometriske kolloider i løsning. Dermed skapes mindre nanopartikler. De lokalt forekommende høye trykk og temperaturer bryter sammenbindingene i lange polymerkjeder, så vel som de svake leddene binder mindre partikler, hvorved større kolloidale masser dannes. Sammenligningen av begge TiO2 prøver, i nærvær og i fravær av ultralydbestråling, vises i SEM-bildene under (se bilde 2).

Ultralyd hjelper gelatiniseringsprosessen under sol-gel-syntese. (Klikk for å forstørre!)

Pic. 2: SEM-bilder av TiO2-pwder, kalsinert ved 400 ° C i 1 time og gelatineringstid på 24 timer: (a) i nærvær av og (b) i fravær av ultralyd. [Milani et al. 2011]

Videre kan kjemiske reaksjoner dra nytte av sonokemiske effekter, som blant annet omfatter brudd på kjemiske bindinger, signifikant forbedring av kjemisk reaktivitet eller molekylær nedbrytning.

Sono-geler

I sono-katalytisk assisterte sol-gel-reaksjoner, blir ultralyd påført forløpene. De resulterende materialer med nye egenskaper er kjent som sonogeler. På grunn av fravær av ekstra løsningsmiddel i kombinasjon med ultralyd kavitasjon, et unikt miljø for sol-gel-reaksjoner opprettes, noe som muliggjør dannelse av spesielle egenskaper i de resulterende geler: høy tetthet, fin tekstur, homogen struktur etc. Disse egenskapene bestemmer utviklingen av sonogeler ved videre prosessering og den endelige materialstrukturen . [Blanco et al. 1999]
Suslick og Price (1999) viser at ultralydbestråling av Si (OC2H5)4 i vann med en syrekatalysator frembringer et silikagel "sonogel". Ved konvensjonell fremstilling av silikagel fra Si (OC2H5)4, etanol er et vanlig brukt samløsningsmiddel på grunn av uoppløseligheten av Si (OC2H5)4 i vann. Bruken av slike løsningsmidler er ofte problematisk da de kan forårsake sprekkdannelse under tørketrinnet. Ultralydbehandling gir en svært effektiv blanding slik at flyktige samløsningsmidler som etanol kan unngås. Dette resulterer i en silikagelgel som er preget av en høyere tetthet enn konvensjonelt produserte geler. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konvensjonelle aerogeler består av en lavdensitetsmatrise med store tomme porer. Sonogelene har derimot finere porøsitet og porene er ganske sfærformede, med en jevn overflate. Skråninger større enn 4 i høyvinkelregionen avslører viktige elektroniske tetthetsfluktuasjoner på porematriksgrensene [Rosa-Fox et al. 1990].
Bildene av overflaten av pulverprøver viser tydelig at bruk av ultralydbølger resulterte i større homogenitet i partikkelens gjennomsnittlige størrelse og resulterte i mindre partikler. På grunn av lydbehandling reduseres den gjennomsnittlige partikkelstørrelsen med ca. 3 nm. [Milani et al. 2011]
De positive effektene av ultralyd er bevist i ulike forskningsstudier. F.eks. Rapporter Neppolian et al. i deres arbeid viktigheten og fordelene med ultralydbehandling i modifikasjon og forbedring av de fotokatalytiske egenskapene til mesoporøse nano-størrelse TiO2-partikler. [Neppolian et al. 2008]

Nanokoering via ultralyd sol-gel-reaksjon

Nanocoating betyr å dekke materiale med et nanoskalert lag eller dekning av en nano-størrelse enhet. Deretter oppnås innkapslede eller kjernehalsstrukturer. Slike nano kompositter har fysiske og kjemiske egenskaper med høy ytelse på grunn av kombinerte spesifikke egenskaper og / eller struktureringseffekter av komponentene.
Eksempelvis vil belegningsprosedyren for indiumtennoksid (ITO) -partikler bli vist. ITO-partikler er belagt med silisiumdioksyd i en to-trinns prosess, som vist i en studie av Chen (2009). I det første kjemiske trinn gjennomgår indium-tinnoksidpulveret en aminosilan-overflatebehandling. Det andre trinnet er kiselbelegget under ultralydbehandling. For å gi et spesifikt eksempel på sonikering og dens effekter, er prosesstrinnet som presenteres i Chens studie, oppsummert nedenfor:
En typisk prosess for dette trinnet er som følger: 10 g GPTS ble blandet sakte med 20 g vann surgjort ved saltsyre (HCl) (pH = 1,5). 4 g av det tidligere nevnte aminosilanbehandlede pulver ble så tilsatt til blandingen, som var inneholdt i en 100 ml glassflaske. Flasken ble så plassert under sonde av sonikatoren for kontinuerlig ultralydbestråling med utgangseffekt på 60 W eller høyere.
Sol-gel-reaksjonen ble initiert etter ca. 2-3 min ultralydbestråling, hvorpå hvitt skum ble dannet på grunn av frigjøring av alkohol ved omfattende hydrolyse av GLYMO (3- (2,3-epoksypropoksy) propyltrimetoksysilan). Sonikering ble påført i 20 minutter, hvorpå løsningen ble omrørt i flere timer. Når prosessen var ferdig, ble partikler samlet ved sentrifugering og ble vasket gjentatte ganger med vann, enten tørket for karakterisering eller holdt dispergert i vann eller organiske løsningsmidler. [Chen 2009, s.217]

Konklusjon

Anvendelsen av ultralyd til sol-gel-prosesser fører til en bedre blanding og partiklernes deagglomerering. Dette resulterer i mindre partikkelstørrelse, sfærisk, lavdimensjonal partikkelform og forbedret morfologi. Såkalte sono-geler er preget av dens tetthet og fine, homogene strukturer. Disse funksjonene opprettes på grunn av unngåelse av bruk av løsningsmiddel under soldannelsen, men også, og hovedsakelig på grunn av den første tverrbundne tilstand av retikulasjon indusert av ultralyd. Etter tørkeprosessen presenterer de resulterende sonogeler en partikkelformet struktur, i motsetning til deres motstykker oppnådd uten å påføre ultralyd, som er filamentøse. [Esquivias et al. 2004]
Det har vist seg at bruk av intens ultralyd gjør det mulig å skreddersy unike materialer fra sol-gel-prosesser. Dette gjør ultralyd med høy effekt et kraftig verktøy for forskning og utvikling av kjemi og materialer.

Kontakt oss / be om mer informasjon

Snakk med oss ​​om dine krav til behandling. Vi vil anbefale de mest egnede oppsett- og behandlingsparametrene for prosjektet ditt.





Vær oppmerksom på at Personvernregler.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

1kW ultralyd resirkulering oppsett med pumpe og oppbevaringstank muliggjør sofistikert behandling

Litteratur / Referanser

  • Blanco, E .; Esquivias, L .; Litrán, R .; Pinero, M .; Ramírez-del-Solar, M .; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels og Derived Materials. Appl. Metallorganisk. Chem. 13, 1999, s. 399-418.
  • Chen, Q .; Boothroyd, C .; Mcintosh Soutar, A .; Zeng, XT (2010): Sol-gel nanokoating på kommersielt TiO2 nanopowder ved hjelp av ultralyd. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, 2010. s. 115-120.
  • Chen, Q. (2009): Silikonbelegg av nanopartikler ved sonogel-prosess. SIMTech 10/4, 2009. s. 216-220.
  • Esquivias, L .; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M .; Mosquera, MJ (2004): Structure of Hybrid Colloid-Polymer Xerogels. Langmuir 20/2004. pp. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): Syntese av Ti02 Nano Powder ved Sol-Gel Metoden og dens bruk som fotokatalysator. J. Iran. Chem. Soc. 7, 2010. s. 154-160.
  • Li, X .; Chen, L .; Li, B .; Li. L. (2005): Fremstilling av zirkonium-nanopoeder i ultralydfelt ved hjelp av Sol-Gel-metoden. Trans Tech Pub. 2005.
  • Neppolian, B .; Wang, Q .; Jung, H .; Choi, H. (2008): Ultralydassistent sol-gel-metode for fremstilling av TiO2-nanopartikler: Karakterisering, egenskaper og fjerning av 4-klorfenol-fjerning. Ultralyd. Sonochem. 15, 2008. s. 649-658.
  • Pierre, AC; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerogels. I: MA Aegerter et al. (eds.): Aerogels Handbook, fremskritt i Sol-Gel-avledede materialer og teknologier. Springer Science + Business: New York, 2011. s. 21-45.
  • Rabinovich, EM (1994): Sol-Gel Processing - Generelle prinsipper. I: LC Klein (red.) Sol-Gel Optics: Behandling og applikasjoner. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994, s. 1-37.
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M .; Esquivias, L. (2002): Organisk-uorganiske hybridmaterialer fra Sonogels. 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Strukturelle studier av silikagelgeler. J. Ikke-krystaller. Faststoffer 121, 1990, s. 211-215.
  • Sakka, S .; Kamya, K. (1982): Sol-gel-overgangen: dannelse av glassfibre & Tynne filmer. J. Ikke-krystallinske faste stoffer 38, 1982. s. 31.
  • Santos, HM; Lodeiro, C .; Martínez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. I: J.-L. Martínez (red.): Ultralyd i kjemi: Analytiske applikasjoner. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. s. 1-16.
  • Shahruz, N .; Hossain, MM (2011): Syntese og Størrelsesregulering av TiO2 Fotokatalysator Nanopartikler Preparering ved hjelp av Sol-Gel Metode. Verdens Appl. Sci. J. 12, 2011. pp. 1981-1986.
  • Suslick, KS; Pris, GJ (1999): Anvendelser av ultralyd til materialkjemi. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999, s. 295-326.
  • Suslick, KS (1998): Sonochemistry. I: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 26, 4Th. Ed., J. Wiley & Sønner: New York, 1998, s. 517-541.
  • Verma, LY; Singh, MP; Singh, RK (2012): Effekt av ultralydbestråling på fremstilling og egenskaper av ionogeler. J. Nanomat. 2012.
  • Zhang, L.-Z .; Yu, J .; Yu, JC (2002): Direkte sonokemisk fremstilling av høyt fotoaktivt mesoporøst titandioksid med et bikrystallinsk rammeverk. Sammendrag av det 201. møte i det elektrokjemiske samfunnet, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem