Hielscher tecnologia de ultra-som

Efeitos sonoquímicos em processos sol-gel

Introdução

partículas ultrafinas nano-sized e partículas de forma esférica, revestimentos de película fina, fibras, materiais porosos e densas, bem aerogéis e xerogéis de extremamente porosas são altamente aditivos potenciais para o desenvolvimento e produção de materiais de alto desempenho. Os materiais avançados, incluindo, por exemplo, cerâmicas, altamente porosos, aerogéis ultraleves e híbridos orgânicos-inorgânicos podem ser sintetizados a partir de suspensões coloidais ou polímeros em um líquido através do método sol-gel. O material apresenta características únicas, uma vez que as partículas de sol geradas variam no tamanho nanométrica. Desse modo, o processo de sol-gel é parte do nanoquímica.
No que se segue, a síntese de material de tamanho nano por meio de vias de sol-gel ultrassonicamente assistida é revisto.

Processo sol-gel

Sol-gel e de processamento relacionada inclui os seguintes passos:

  1. fazendo sol ou precipitando pó, gelificação do sol em um molde ou em um substrato (no caso de películas), ou fazendo um segundo solenóide do pó precipitado e a sua gelificação, ou moldar o pó para dentro de um corpo por vias não-gel;
  2. secagem;
  3. queima e sinterização. [Rabinovich 1994]
processos de sol-gel estão rotas molhado-químicos para a fabricação de gel de óxidos metálicos ou polímeros híbridos

Tabela 1: As etapas de síntese Sol-Gel e os processos a jusante

ultra-som poder promove reações sonoquímicos (Clique para ampliar!)

reactor de vidro de ultra-sons durante sonoquímica

Pedido de informação





processos de sol-gel são uma técnica de molhado-química de síntese para a fabricação de uma rede integrada (assim chamado de gel) de óxidos metálicos ou polímeros híbridos. Como precursores, os sais de metal normalmente inorgânicos, tais como cloretos de metais e compostos metálicos orgânicos, tais como alcóxidos de metal são utilizados. o sol – que consiste em uma suspensão dos precursores – transforma-se um sistema bifásico de tipo gel, que consiste em um líquido e uma fase sólida. As reacções químicas que ocorrem durante um processo de sol-gel de hidrólise são, poli-condensação, e gelificação.
Durante a hidrólise e a poli-condensação, um colóide (sol), que consiste em nanopartulas dispersas em um solvente, é formado. A fase sol transforma existente para o gel.
O gel de fase resultante é formado por partículas cuja dimensão e formação pode variar muito de partículas coloidais discretas para polímeros de cadeia do tipo contínuo. A forma e tamanho depende das condições químicas. A partir de observações sobre SiO2 alcogels pode ser geralmente concluído que um catalisados ​​por base sol resulta em uma espécie discretas formadas pela agregação de monómero aglomerados, que são mais compactos e altamente ramificada. Eles são afetados por sedimentação e forças da gravidade.
soles de ácido-catalisada derivam das cadeias de polímero altamente enredadas, mostrando uma muito fina microestrutura e poros muito pequenos que aparecem bastante uniforme por todo o material. A formação de uma rede contínua mais aberta de polímeros de baixa densidade apresenta determinadas vantagens no que diz respeito às propriedades físicas na formação de vidro de alto desempenho e de vidro / cerâmica componentes em 2 e 3 dimensões. [Sakka et al. 1982]
De acordo com outros passos de processamento, por spin-coating ou dip-coating, torna-se possível revestir substratos com filmes finos ou por fundição do sol num molde, para formar um gel assim chamada húmida. Após a secagem e aquecimento adicional, será obtido um material denso.
De acordo com outros passos do processo a jusante, o gel obtido pode ser adicionalmente processado. Via precipitação, pirólise de pulverização ou técnicas de emulsão, ultrafina e pós uniformes pode ser formado. Ou os chamados aerogeles, que são caracterizados por uma elevada porosidade e uma densidade extremamente baixa, pode ser criada pela extracção da fase líquida do gel húmido. Por conseguinte, são necessárias condições normalmente supercríticos.
Ultra-som é uma técnica comprovada para melhorar a síntese de sol-gel de nano-materiais. (Clique para ampliar!)

Tabela 2: Síntese de sol-gel de ultra-som de TiO2 de porosidade intermédia [Yu et al., Chem. Comum. 2003 de 2078]

O ultra-som de alta potência

De alta potência, ultra-som de baixa frequência oferece alto potencial de processos químicos. Quando as ondas de ultra-sons intensos são introduzidos num meio líquido, ciclos alternados de alta pressão e de baixa pressão com taxas dependendo da frequência ocorrem. ciclos de alta pressão média de compressão, enquanto que os ciclos de baixa frequência significa rarefacção do meio. Durante o ciclo de baixa pressão (rarefacção), ultra-sons de alta potência são criadas pequenas bolhas de vácuo no líquido. Estas bolhas de vácuo crescer ao longo de vários ciclos.
De acordo com a intensidade ultra-som, líquido comprime e se estende até graus variados. Isto significa que o cavitação bolhas podem comportar-se de duas maneiras. Em baixas intensidades ultra-sônicas de ~ 1-3Wcm-2, as bolhas de cavitação oscilam sobre algum tamanho de equilíbrio para muitos ciclos acústicos. Esse fenômeno é denominado cavitação estável. Em altas intensidades ultra-sônicas (≤10Wcm-2) As bolhas cavitacionais são formadas dentro de poucos ciclos acústicos com um raio de, pelo menos, duas vezes o seu tamanho inicial e colapso em um ponto de compressão quando a bolha não pode absorver mais energia. Isto é denominado cavitação transitória ou inercial. Durante bolha implosão, localmente chamados pontos quentes ocorrer, que apresentam condições extremas: Durante a implosão, localmente temperaturas muito altas (aprox. 5.000 K) e pressões (aprox. 2,000atm) são alcançados. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido de até 280m / s de velocidade, que actuam como forças de cisalhamento muito elevadas. [1998 Suslick / Santos et al. 2009]

Sono-ormosil

A sonicação é uma ferramenta eficaz para a síntese de polímeros. Durante a dispersão ultra-sónica e desaglomeração, as forças de cisalhamento caviational, que se estendem para fora e quebrar as cadeias moleculares de um processo não-aleatória, resultar em uma redução do peso molecular e poli-dispersibilidade. Além disso, sistemas de multifase são muito eficientes dispersos e emulsionado, De modo que são fornecidos que as misturas muito finas. Isto significa que o ultra-som aumenta a taxa de polimerização sobre agitação convencional e resulta em maiores pesos moleculares com polidispersões mais baixas.
Ormosils (silicato organicamente modificada) são obtidos quando silano é adicionada a sílica derivada de gel durante o processo sol-gel. O produto é um composto escala molecular com propriedades mecânicas melhoradas. Sono-ormosils são caracterizados por uma maior densidade do que o gel clássicos, bem como uma estabilidade térmica melhorada. Uma explicação, portanto, pode ser o aumento do grau de polimerização. [Rosa-Fox et al. 2002]

forças de ultra-sons poderosos são um bem conhecido e confiável técnica de extração (Clique para ampliar!)

ultra-sônica cavitação em líquido

mesoporosos TiO2 por meio de ultra-som Sol-Gel Síntese

mesoporosos TiO2 é widley usado como fotocatalisador, bem como em electrónica, a tecnologia de sensores e recuperação do meio ambiente. Para propriedades de materiais optimizadas, que se destina a produzir TiO2 com elevada cristalinidade e grande área de superfície. A via sol-gel de ultra-som assistido tem a vantagem de que as propriedades intrínsecas e extrínsecas de TiO2, Tais como o tamanho de partícula, área de superfície, volume de poros, diâmetro dos poros, cristalinidade, bem como de anatase, rútilo e de razões de fase brookite pode ser influenciado por meio do controle dos parâmetros.
Milani et al. (2011) demonstraram a síntese de TiO2 nanopartículas de anatase. Portanto, o processo sol-gel foi aplicado ao TiCl4 precursor e em ambos os sentidos, com e sem ultra-som, foram comparados. Os resultados mostram que a irradiação de ultra-sons tem um efeito monótona em todos os componentes da solução feita pelo método de sol-gel e causar a quebra de ligações soltas de grandes colóides nanométricas em solução. Assim, as nanopartículas pequenas são criados. As que ocorrem localmente altas pressões e temperaturas quebrar as uniões em cadeias poliméricas longas, bem como os vínculos de ligação fracas partículas mais pequenas, pelo que massas maiores coloidais são formados. A comparação de ambas TiO2 amostras, na presença e na ausência de irradiação de ultra-sons, é mostrado nas imagens SEM abaixo (ver fig. 2).

O ultra-som auxilia o processo de gelatinização durante a síntese de sol-gel. (Clique para ampliar!)

Foto. 2: imagens de SEM de TiO2 pwder, calcinado a 400 graus C durante 1 hora e tempo de gelatinização de 24 horas: (a) na presença de e (b) na ausência de ultrassons. [Milani et al. 2011]

Além disso, as reacções químicas podem lucrar efeitos sonoquímicos, que incluem, por exemplo, a quebra de ligações químicas, melhoria significativa da reactividade química ou degradação molecular.

Sono-Gel

Dentro Sono-cataliticamente reacções de sol-gel assistidas, ultra-som é aplicado aos precursores. Os materiais resultantes com novas características são conhecidos como sonogels. Devido à ausência de solvente adicional em combinação com a ultra-sons cavitação, É criado um ambiente único para as reacções de sol-gel, o que permite a formação de características específicas nos géis resultantes: alta densidade, boa textura, estrutura homogénea etc. Estas propriedades determinam a evolução da sonogels no processamento posterior e da estrutura do material final . [Blanco et al. 1999]
Suslick e Price (1999) mostram que a irradiação ultra-sónica de Si (OC2H5)4 em água, com um catalisador ácido produz um gel “sonogel”. Na preparação convencional de géis de sílica a partir de Si (OC2H5)4, Etanol representa um comumente usado co-solvente, devido à não-solubilidade de Si (OC2H5)4 na água. A utilização de tais solventes é muitas vezes problemática, já que eles podem causar a fissuração durante o passo de secagem. Ultra-som fornece uma mistura altamente eficiente para que voláteis co-solventes tais como o etanol pode ser evitado. Isso resulta em uma sílica-gel de sono caracterizado por uma densidade mais elevada do que geles produzidos convencionalmente. [Suslick et al. 1999, 319f.]
aerogéis convencionais consistem de uma matriz de baixa densidade com poros grandes vazios. Os sonogels, em contraste, tem porosidade mais fina e os poros são bastante em forma de esfera, com uma superfície lisa. Pistas superiores a 4 na região de ângulo elevado revelar flutuações importantes de densidade electrónica nos limites dos poros da matriz [Rosa-Fox et al. 1990].
As imagens da superfície das amostras em pó mostram claramente que o uso de ondas ultra-sônicas resultou em maior homogeneidade do tamanho médio das partículas e resultou em partículas menores. Devido a sonicação, o tamanho médio das partículas diminui por aprox. 3 nm. [Milani et al. 2011]
Os efeitos positivos do ultra-som são comprovados em vários estudos de investigação. Por exemplo, reportar Neppolian et al. no seu trabalho a importância e vantagens de ultra-sons na modificação e melhoria das propriedades foto catalíticas de partículas de TiO2 nano-tamanho mesoporosos. [Neppolian et al. 2008]

Nanocoating através da reacção de sol-gel de ultra-sons

Nanocoating significa cobrir material com uma camada nano-escalada ou a cobertura de uma entidade de tamanho nano. Assim, são obtidas estruturas encapsuladas ou de núcleo-concha. Tais compostos nano apresentam propriedades físicas e químicas de alto desempenho devido a características específicas combinadas e / ou efeitos estruturantes dos componentes.
Exemplos, o procedimento de revestimento das partículas de óxido de iodeto de índio (ITO) será demonstrado. As partículas de ITO são revestidas com sílica em um processo de dois passos, como mostrado em um estudo de Chen (2009). No primeiro passo químico, o pó de óxido de indio e estanho sofre um tratamento de superfície de aminosilano. O segundo passo é o revestimento de sílica sob ultra-som. Para dar um exemplo específico de sonicação e seus efeitos, o passo do processo apresentado no estudo de Chen, está resumido a seguir:
Um processo típico para este passo é o seguinte: 10 g GPTS foi misturado lentamente com 20 g de água acidificada por ácido clorídrico (HCl) (pH = 1,5). Adicionou-se 4 g do pó tratado com aminosilano acima mencionado à mistura, contida numa garrafa de vidro de 100 ml. A garrafa foi então colocada sob a sonda do sonicador para irradiação contínua por ultra-som com potência de saída de 60W ou superior.
reacção de sol-gel foi iniciado após a irradiação de ultra-sons aproximadamente 2-3 min, sobre o qual foi gerado espuma branca, devido à libertação de álcool mediante hidrólise extensa de GLYMO (3- (2,3-epoxipropoxi) propiltrimetoxisilano). A sonicao foi aplicada durante 20 minutos, após o que a solução foi agitada durante mais algumas horas. Uma vez que o processo foi terminado, as partículas foram recolhidas por centrifugação e foram lavadas várias vezes com água, em seguida secou-se, quer para a caracterização ou mantidos disperso em água ou solventes orgânicos. [Chen 2009, p.217]

Conclusão

A aplicação de ultra-som aos processos sol-gel leva a uma melhor mistura e à desaglomeração das partículas. Isso resulta em tamanho de partículas menores, forma de partículas esféricas, de dimensões baixas e morfologia aprimorada. Os chamados sono-gels são caracterizados pela sua densidade e estrutura fina e homogênea. Essas características são criadas devido à evitação do uso de solvente durante a formação do sol, mas também, e principalmente, devido ao estado reticulado inicial de reticulação induzida por ultra-som. Após o processo de secagem, os sonogels resultantes apresentam uma estrutura particulada, ao contrário dos seus homólogos obtidos sem aplicar ultra-som, que são filamentosos. [Esquivias et al. 2004]
Foi demonstrado que o uso de ultra-sons intensos permite a adaptação de materiais exclusivos de processos sol-gel. Isso faz com que o ultra-som de alta potência uma ferramenta poderosa para a química e materiais pesquisa e desenvolvimento.

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Literatura / Referências

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  • https://www.hielscher.com/sonochem