Technologia ultradźwiękowa firmy Hielscher

Sonochemiczny wpływ na procesy zol-żel

Wprowadzenie

Nanowymiarowe ultradrobne cząstki kuliste cząstki ukształtowane cienkimi warstwami folii, włókien, materiałów porowatych i zwarte, a także bardzo porowate aerożele i kserożele są bardzo potencjalnych dodatków dla rozwoju i produkcji materiałów o wysokiej wydajności. Advanced Materials, w tym np Ceramika, silnie porowate, ultralekkich aerożele i hybrydowe organiczno-nieorganiczne mogą być syntetyzowane z zawiesin koloidalnych i polimerów w cieczy za pomocą metody zol-żel. Materiał wykazuje unikalne właściwości, ponieważ wytworzone cząstki zolu wahać w wielkości nanometrów. W ten sposób, w procesie zol-żel jest częścią nanochemia.
W dalszej części syntezy materiału nanocząstek przez wspomagane ultradźwiękami dróg zol-żel jest weryfikowana.

Sposób zol-żel

Zol-żel i pokrewne obróbki obejmuje następujące etapy:

  1. tworzenia zolu wytrącenie proszku żelującego zolu w formie, bądź na podłoże (w przypadku folii) lub co drugi zolu ze strąconego proszku i ich żelowanie lub formowanie proszku do organizmu drogą inną niż żelu;
  2. wysuszenie;
  3. wypalania i spiekania. [Rabinowicz 1994]
Procesy zol-żel jest podawanie mokre chemiczne do wytworzenia żelu z tlenków metali lub polimerów hybrydowych

Tabela 1 Etapy synteza zol-żel i dalsze procesy

USG moc promuje reakcje sonochemicznych (kliknij aby powiększyć!)

Ultradźwiękowy reaktor szklany przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Procesy zol-żel są techniki mokrej chemicznej syntezy do wytwarzania zintegrowanych sieci (tzw żel) z tlenkami metali lub polimerów hybrydowych. Jako prekursory są powszechnie używane nieorganiczne sole metali, takie jak chlorki metali i związki metaloorganiczne, takie jak alkoholany metali. zol – składająca się z zawiesiną prekursorów – przekształca się w systemie dwufazowym typu żelu, który składa się zarówno cieczą a fazą stałą. Reakcje chemiczne zachodzące w procesie zol-żel, to hydroliza poli-kondensacji, i żelowanie.
Podczas hydrolizy oraz poli-kondensacji, koloid (zol), który składa się z nanocząstek zdyspergowanych w rozpuszczalniku, powstaje. Istniejąca faza sol przekształca się żelu.
Powstały żel fazę tworzy wielkość cząstek i tworzenie mogą się znacznie różnić od dyskretnych cząstek koloidalnych polimerów podobnych do łańcucha ciągłych. Kształt i wielkość zależy od warunków chemicznych. Z uwagi na SiO2 alcogels można ogólnie stwierdzić, że bazę katalizowanej Wyniki Sol dyskretnymi związków wytworzonych przez agregację monomery klastrach, które są bardziej zwarte i bardzo rozgałęzione. Są one dotknięte sedymentacji i siłami grawitacji.
Katalizowanej kwasem zole pochodzą od silnie splątanych łańcuchów polimeru wykazują bardzo drobną mikrostrukturę, i bardzo małe pory, które wydają się dość jednolite na całej grubości materiału. Tworzenie bardziej otwartej ciągłą sieć polimerów o małej gęstości wykazuje pewne zalety w stosunku do właściwości fizycznych w tworzeniu szkła wysokiej wydajności i szkło / elementów ceramicznych w 2 i 3 wymiarach. [Sakka i in. 1982]
W dalszych etapach przetwarzania, przez powlekanie obrotowe lub powlekanie kąpieli staje się możliwe do powlekania podłoży z cienkich warstw, albo przez odlewanie z zolu do formy, w celu utworzenia tak zwanej mokrej żelu. Po dodatkowe suszenie i ogrzewanie, uzyska się materiał o dużej gęstości.
W dalszych etapach procesu przetwórczego otrzymany żel może być dalej przetwarzane. Drogą strącania, pirolizy rozpylania, emulsji lub technik, na Doskonała i jednorodnych proszków mogą być utworzone. Albo tak zwane aerożele, które charakteryzują się wysoką porowatość i bardzo niskiej gęstości, może być utworzony przez ekstrakcję fazy ciekłej mokrego żelu. W związku z tym potrzebne są zwykle warunki nadkrytyczne.
Ultrasonikację to sprawdzona metoda poprawy synteza zol-żel nanomateriałów. (Kliknij, aby powiększyć!)

Tabela 2: ultradźwiękowe synteza zol-żel mezoporowatych TiO2 [Yu i inni, Chem.. Commun. 2003, 2078]

USG o dużej mocy

Dużej mocy, ultradźwięki o niskiej częstotliwości oferuje wysoki potencjał do procesów chemicznych. Kiedy intensywne fale ultradźwiękowe są wprowadzane do cieczy, na przemian cykle wysokiego ciśnienia i niskiego ciśnienia z szybkościami w zależności od częstotliwości występuje. cykle wysokociśnieniowe oznaczać kompresji, podczas gdy cykle niskie częstotliwości myśli rozrzedzenia ośrodka. Podczas niskiego ciśnienia (rozrzedzenie) cyklu ultradźwiękowej wysokiej mocy powstają małe pęcherzyki próżniowe w cieczy. Te pęcherzyki próżniowe rosnąć przez kilka cykli.
Odpowiednio do natężenia ultradźwięków, płyn kompresuje i rozciąga się w różnym stopniu. Oznacza to, że kawitacja Pęcherzyki mogą zachowywać się na dwa sposoby. Przy niskich ultradźwiękowych natężeń ~ 1-3Wcm-2Pęcherzyki kawitacji oscylują wokół jakiejś wielkości równowagi dla wielu cykli akustycznych. Zjawisko to określa się mianem stabilnej kawitacji. Przy wysokich natężeń ultradźwięków (≤10Wcm-2) Te pęcherzyki kawitacyjne powstają w ciągu kilku cykli akustycznych o promieniu co najmniej dwukrotność ich początkowej wielkości i upadku w punkcie kompresji, gdy pęcherzyk nie może wchłonąć więcej energii. Jest to określane jako przejściową lub inercyjne kawitacji. Podczas implozji bąbelków, lokalnie występują tak zwane gorące punkty, które wyposażone są w ekstremalnych warunkach: podczas implozji, lokalnie bardzo wysokie temperatury (ok. 5,000K) i ciśnieniu (ok. 2,000atm) zostały osiągnięte. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego skutkuje również strumieniami cieczy do 280m / s prędkości, które działają w bardzo dużych sił ścinających. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Sono-ORMOSIL

Sonikacja jest skutecznym narzędziem do syntezy polimerów. Podczas ultradźwiękowego rozpraszania i deaglomeracji, na caviational siły ścinające, które rozciągają się na zewnątrz i zrywania łańcuchów cząsteczkowych w nieprzypadkowy procesu, spowodować obniżenie masy cząsteczkowej i poli-dyspersyjności. Ponadto układy wielofazowe są bardzo wydajne rozproszone i emulgujeTak, że bardzo drobne są mieszaniny. Oznacza to, że ultradźwięki zwiększa szybkość polimeryzacji na konwencjonalnym mieszania i prowadzi do wyższych ciężarów cząsteczkowych z niższymi polidyspersyjności.
Ormosils (organicznie modyfikowany krzemian) uzyskuje się, gdy silan dodaje się żel krzemionkowy pochodzi w procesie zol-żel. Produkt kompozytowy cząsteczkowej skalę, o ulepszonych własnościach mechanicznych. Sono-Ormosils charakteryzują się wyższą gęstość niż klasyczne żele jak również lepszą stabilność termiczną. Dlatego wyjaśnienie może być zwiększony stopień polimeryzacji. [Rosa Fox i in. 2002]

Potężne siły ultradźwiękowe są dobrze znane i niezawodne techniki ekstrakcji (kliknij aby powiększyć!)

Ultradźwiękowy kawitacja w płynie

mezoporowate TiO2 poprzez ultradźwiękowe Sol-Gel Synthesis

mezoporowate TiO2 widley jest stosowany jako fotokatalizatora, a także w dziedzinie elektroniki, sensoryki i rekultywacji środowiska. Dla optymalizacji właściwości materiałowych, to na celu stworzenie TiC2 o wysokiej krystaliczności i dużej powierzchni. Ultradźwiękowy wspomaga droga zol-żel ma tę zaletę, że wewnętrzne i zewnętrzne właściwości TiO2, Takich jak wielkość cząstek, powierzchnia porów objętości porów średnicy, krystaliczności oraz anatazu, rutylu i brukitu stosunki fazowe można oddziaływać przez kontrolowanie parametrów.
Milani i in. (2011) wykazali syntezę TiO2 Nanocząstki anataz. Dlatego, w procesie zol-żel nakłada się na TiCU4 prekursora i w obu kierunkach, z lub bez ultradźwiękami zostały porównane. Wyniki pokazują, że ultradźwięki ma jednostajny wpływu na wszystkie składniki roztworu wykonany metodą zol-żel, i spowodować złamanie luźne związki dużych nanometrycznych koloidów w roztworze. Tak więc, małe nanocząstki utworzone. Lokalnie występujące wysokie ciśnienia i temperatury łamać wiązań długich łańcuchów polimerowych, jak również słabe połączeń wiążących mniejszych cząstek, w którym tworzą się większe masy koloidalnych. Porównanie obu TiO2 Próbki, w obecności i przy braku działania ultradźwiękami, jest pokazany na obrazach SEM poniżej (patrz rys. 2).

Ultradźwięki wspomaga proces żelowania podczas syntezy zol-żel. (Kliknij, aby powiększyć!)

Fotka. 2. obrazy SEM TiO2 pwder, kalcynowany w temperaturze 400 ° C w ciągu 1 h i żelowania czasie 24 godzin: (a) w obecności i (b) w nieobecności ultradźwięków. [Milani i in. 2011]

Ponadto reakcje chemiczne mogą korzystać z efektu sonochemicznych, do których należą np pękanie wiązań chemicznych znacznego zwiększenia reaktywności chemicznej lub degradacji cząsteczkowej.

Sono-żel

W sono katalitycznie Reakcje wspomagane zol-żel, ultradźwięki stosuje się do prekursorów. Uzyskane materiały o nowych właściwościach są znane jako sonogels. Ze względu na brak dodatkowego rozpuszczalnika, w połączeniu z ultradźwiękami kawitacja, Unikalny dla środowiska reakcji zol-żel jest utworzony, co umożliwia formowanie określonych elementów w otrzymanych żeli: dużą gęstość, drobnoziarnistą, jednorodną strukturę itd. Te właściwości określają ewolucję sonogels na dalsze przetwarzanie i ostatecznej struktury materiału , [Blanco i in. 1999]
Suslick i cena (1999) pokazują, że ultradźwięki Si (OC2H5)4 w wodzie, w obecności kwasowego katalizatora wytwarza krzemionki „sonogel”. W konwencjonalnym wytwarzaniu żelu krzemionkowego z Si (OC2H5)4Etanol jest powszechnie stosowanym współrozpuszczalnikiem powodu braku rozpuszczalności Si (OC2H5)4 w wodzie. Zastosowanie takich rozpuszczalników jest często problematyczne, ponieważ mogą one powodować pękanie podczas etapu suszenia. Ultradźwięki stanowi bardzo skuteczne mieszanie tak, że można uniknąć, lotne współrozpuszczalniki, takie jak etanol. Powoduje to sono żelu krzemionkowego charakteryzującym się większą gęstością niż konwencjonalnie wytwarzane żeli. [Suslick i in. 1999, 319f].
Aerożele konwencjonalne składają się z matrycy o niskiej gęstości, o dużych pustych porów. W sonogels, w przeciwieństwie do tego, porowatość i mają drobniejsze pory są całkiem w kształcie kuli, o gładkiej powierzchni. Zbocza więcej niż 4 w obszarze wysokiej kąt ujawniają znaczne fluktuacje gęstości elektronowej na granicach porów macierzy [Rosa Fox i in. 1990].
Obrazy powierzchni próbek proszkowych pokazują jasno, że przy użyciu fal ultradźwiękowych w wyniku większej jednorodności średniej wielkości cząstek, a w wyniku mniejsze cząstki. Ze względu na działanie ultradźwiękami, średni rozmiar cząstek zmniejsza się o ok. 3 nm. [Milani i in. 2011]
Pozytywne efekty ultradźwięków są sprawdzone w wielu badaniach naukowych. Np zgłosić Neppolian et al. w pracy znaczenie i zalety ultradźwiękami w modyfikacji i poprawy właściwości fotokatalitycznych mezoporowatych cząstek TiO2 nano-rozmiaru. [Neppolian i in. 2008]

NanoPowłoka poprzez ultradźwiękowe reakcji zol-żel

NanoPowłoka oznacza materiał obejmujący warstwą nano skalę lub pokrycia jednostki nanocząstek. W ten sposób zamknięty lub struktury typu rdzeń-otoczka otrzymuje się. Takie kompozyty nanocząstki posiadają fizycznych i chemicznych właściwości wysokiej wydajności z uwagi na połączeniu określonych cech i / lub skutków strukturyzacji składników.
Przykładowo procedura powłoki z tlenku indu i cyny (ITO) cząstek będzie wykazane. cząstki ITO są pokryte krzemionką w procesie dwustopniowym, jak pokazano w badaniach Chen (2009). W pierwszym etapie chemicznym proszek tlenku indu i cyny jest poddawany obróbce aminosilan Suface. Drugi etap jest powlekanie krzemionką pod ultradźwiękami. Aby dać konkretny przykład ultradźwiękami i jego skutków, etap procesu przedstawiono w badaniu Chena, przedstawiono poniżej:
Typowy proces dla tego etapu jest następujący: 10 g GPTS mieszano powoli z 20 g wody zakwaszonej kwasem chlorowodorowym (HCl) (pH = 1,5). Następnie do mieszaniny dodano 4 g wyżej wspomnianego traktowanego aminosilanem proszku, zawartego w szklanej butelce o pojemności 100 ml. Następnie butelkę umieszczono pod sondą sonikatora w celu ciągłego naświetlania ultradźwiękowego z mocą wyjściową 60 W lub więcej.
reakcję zol-żel rozpoczynano po upływie około 2-3min napromieniowania ultradźwiękowego, na których białe piany wytworzonej się, ze względu na uwalnianie alkoholu po rozległej hydrolizie GLYMO (3- (2,3-Epoksypropoksy) propylotrimetoksysilan). Sonikacja stosowano przez 20 minut, po czym roztwór miesza się w ciągu kilku godzin. Gdy proces ten został zakończony, cząstki zostały zebrane przez wirowanie i wielokrotnie przemywa wodą, a następnie wysuszone do charakteryzacji lub trzymane rozproszony w wodzie lub w rozpuszczalnikach organicznych. [Chen 2009, p.217]

Wniosek

Zastosowanie ultradźwięków w procesach zol-żel, prowadzi do lepszego mieszania i deaglomeracji cząstek. Skutkuje to mniejszym rozmiarze cząstek sferycznych, o niskiej trójwymiarowy kształt cząstek i zwiększenia morfologii. Tak zwane Sono żele charakteryzują się gęstością i cienkiej, jednorodnej struktury. Cechy te są tworzone ze względu na uniknięcie użycia rozpuszczalnika w czasie formowania zolu, ale również i przede wszystkim, ze względu na początkową usieciowanego stanu wywołanego sieciowania za pomocą ultradźwięków. Po zakończeniu procesu suszenia, wynikające sonogels przedstawia strukturę cząstek, w przeciwieństwie do ich odpowiedników otrzymywana bez stosowania ultradźwięków, które są włóknistą. [Esquivias i in. 2004]
Wykazano, że stosowanie intensywnej USG pozwala na krawiectwa unikalnych materiałów z procesów zol-żel. To sprawia, że ​​ultradźwięki wysokiej mocy potężne narzędzie do chemii i materiałów badania i rozwój.

Kontakt / Poproś o więcej informacji

Porozmawiaj z nami o swoich wymagań technologicznych. My polecamy najbardziej odpowiednie parametry konfiguracyjne i przetwarzania dla danego projektu.





Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

1kW ultradźwiękowe setup recyrkulacji z pompą i Kanister pozwala na zaawansowaną przetwarzania

Literatura / Referencje

  • Biała, E.; Esquivias, L.; Litrán R.; Pinero, M.; Ramirez-del-Solar, M.; Rosa_Fox, N. (1999): Sonogels i pochodne materiałów. Appl. Metaloorganiczne. Chem. 13, 1999 str. 399-418.
  • Chen, P .; Boothroyd, C .; Mcintosh Soutar, A .; Zeng, X. T. (2010): zol-żel nanopowłoka do handlowego nanoproszku TiO2 przy użyciu ultradźwięków. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, 2010. str. 115-120.
  • Chen, P. (2009): powłoka nanocząstek krzemionki przez proces sonogel. Simtech 10/4, 2009. str. 216-220.
  • Esquivias, L .; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M .; Mosquera, M. J. (2004): Struktura hybrydowych polimerowe koloidy kserożele. Langmuira 20/2004. ss. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): Synteza TiO2 Nano Proszek przez metodą zol-żel i jego zastosowanie jako fotokatalizatora. J. Iran. Chem. Soc. 7, 2010. str. 154-160.
  • Li, X .; Chen, L .; Li, B .; Li. L. (2005): Przygotowanie Zirconia nanoproszków w Ultrasonic Pole metodą zol-żel. Trans Tech Pub. 2005.
  • Neppolian, B .; Wang, P .; Jung, H .; Choi, H. (2008): ultradźwiękowe wspomagane metodą zol-żel otrzymywania TiO2 nanocząstek: Charakteryzacja, właściwości i zastosowania usuwania 4-chlorofenolu. Ultrason. Sonochem. 15, 2008. str. 649-658.
  • Pierre A. C .; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerożele. W: M. A. Aegerter et al. (Red.), Handbook Aerożele, Advances in Sol-Gel Derived materiałów i technologii. Springer Science + działalności: New York, 2011. pp 21-45..
  • Rabinowicz, E. M. (1994): Sol-Gel Processing - ogólne zasady. W: L. Klein, C. (red.), Sol-Gel Processing Optyka i zastosowania. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994. pp. 1-37.
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M .; Esquivias, L. (2002): hybrydowe organiczno-nieorganiczne materiały z Sonogels. 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Badania strukturalne sonogels krzemionki. J. Non-Cryst. Ciał stałych 121, 1990. str. 211-215.
  • Sakka S .; Kamya, K. (1982): zol-żel przejścia: Powstawanie włókien szklanych & Cienkie filmy. J. Non-Crystalline ciał stałych 38, 1982. str. 31.
  • Santos H. M .; Lodeiro, C .; Martínez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. W: J.-L. Martinez (red.): USG chemii: zastosowaniach analitycznych. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. str 1-16..
  • Shahruz, N .; Hossain, M. M. (2011): Synteza i rozmiar Kontrola nanocząstek TiO2 fotokatalizator Przygotowania Korzystanie metodą zol-żel. Świat Appl. Sci. J. 12, 2011 str. 1981/86.
  • Suslick K. S .; Cena, G. J. (1999): Zastosowanie ultradźwięków do materiałów chemii. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999. str. 295-326.
  • Suslick, K. S. (1998) Sonochemia. W: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 26 4th, wyd., J. Wiley & Sons: New York, 1998. pp 517-541..
  • Verma, L. Y .; Singh, M. P .; Singh, R. K. (2012): Wpływ ultradźwięków na Otrzymywanie i właściwości Ionogels. J. NanoMat. 2012.
  • Zhang, L., Z .; Yu, J .; Yu, J.C. (2002): Otrzymywanie bezpośrednie sonochemicznego wysoce światłoczułego mezoporowata dwutlenku tytanu z ramy bicrystalline. Streszczenia na 201st Zgromadzenia elektrochemicznego Society, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem