Hielscher Ultrazvukové technológie

Sonochemical účinky na Sol-Gel procesy

Zavedenie

Ultrafine nano-veľké častice a sférické tvarované častice, tenké fólie nátery, vlákna, porézne a husté materiály, rovnako veľmi porézne aerogels a xerogels sú vysoko potenciálne prísady pre vývoj a výrobu vysoko výkonných Materiály. Pokročilé materiály, vrátane napríklad keramiky, vysoko porézne, ultraľahké aerogels a organické-anorganické hybridy môžu byť syntetizované z koloidných suspenzií alebo polymérov v kvapaline cez Sol-gél metódou. Materiál ukazuje jedinečné vlastnosti, pretože generované Sol častice rozsah v nanometrov veľkosti. Tým, Sol-gél proces je súčasťou nanochémie.
V nasledujúcom je preskúmaná syntéza nano-veľkých materiálov cez Rozpúšťadle asistovanej Sol-Gel trás.

Sol-Gel proces

Sol-Gel a súvisiace spracovanie zahŕňa nasledujúce kroky:

  1. robiť Sol alebo vyzrážanie prášku, želírovacie Sol vo forme alebo na substráte (v prípade filmov), alebo robiť druhý Sol z vyzrážaný prášok a jeho gelation, alebo tvarovanie prášku do tela negélových trás;
  2. sušenie
  3. streľby a spešanie. [Rabinovich 1994]
Sol-gél procesy sú mokré-chemické cesty pre výrobu gélu oxidov kovov alebo hybridných polymérov

Tabuľka 1: kroky syntézy Sol-Gel a následných procesov

Výkon ultrazvuk podporuje Sonochemical reakcie (kliknite pre zväčšenie!)

Ultrazvukový sklenený reaktor pre Sonochemistry

Žiadosť o informácie





Sol-Gel procesy sú mokré-chemická technika syntézy pre výrobu integrovanej siete (takzvaný gél) oxidov kovov alebo hybridných polymérov. Ako prekurzory sa používajú bežne anorganické kovové soli, ako sú chloridy kovov a organické kovové zlúčeniny, ako sú kovové alkoxidy. Sol – spočívajúci v pozastavení prekurzorov – transformuje na gél-ako dvojfázový systém, ktorý spočíva v kvapalnej aj pevnej fáze. Chemické reakcie, ktoré sa vyskytujú počas Sol-gél procesu sú hydrolýza, Poly-kondenzácie, a gelation.
Počas hydrolýzy a polykondenzácie sa vytvára koloidné (Sol), ktorý spočíva v nanočastách rozptýlených v rozpúšťadle. Existujúca Sol fáza transformuje na gél.
Výsledná gélová fáza je tvorená časticami, ktoré veľkosť a tvorba sa môžu značne líšiť od samostatných koloidných častíc až po kontinuálne reťazové polyméry. Forma a veľkosť závisí od chemických podmienok. Z pripomienok k SiO2 alkogély možno všeobecne dospieť k záveru, že základňa-katalyzovaný Sol výsledky v diskrétne druhy tvorené agregáciou monomérne-klastre, ktoré sú kompaktnejšie a vysoko rozvetvené. Sú ovplyvnené sedimentáciou a gravitačné sily.
Kyselina-katalyzované Sols odvodzujú z vysoko zapletené polymérne reťaze ukazujúce veľmi jemnú mikroštruktúru a veľmi malé póry, ktoré sa objavujú úplne jednotné v celom materiáli. Vytvorenie otvorenejší kontinuálnej siete polymérov s nízkou hustotou vykazuje určité výhody, pokiaľ ide o fyzikálne vlastnosti pri tvorbe vysokovýkonných sklenených a sklenených/keramických komponentov v 2 a 3 rozmeroch. [Sakka et al. 1982]
V ďalších krokoch spracovania, Spin-povlak alebo DIP-povlak sa stáva možné kabát substrátov s tenkými fólimi alebo odlievaním Sol do formy, tvoriť takzvaný mokrý gél. Po dodatočnej vysušení a zahrievania sa získa hustý materiál.
V ďalších krokoch následného procesu sa získaný gél môže ďalej spracovávať. Prostredníctvom zrážok, sprej pyrolýzy, alebo emulzie techniky, ultrajemných a jednotné prášky môžu byť tvorené. Alebo takzvaný aerogels, ktoré sú charakterizované vysokou pórovitosť a extrémne nízkou hustotou, môžu byť vytvorené extrakciou kvapalnej fázy mokrého gélu. Preto sa vyžadujú normálne superkritické podmienky.
Ultrazvukom je osvedčený techniku na zlepšenie Sol-Gel syntézu nano-materiálov. (Kliknite pre zväčšenie!)

Tabuľka 2: Ultrazvukový Sol-gél syntézu mesoporous TiO2 [Yu et al., chem. spoločné. 2003, 2078]

Vysoký výkon ultrazvuk

High-Power, nízkofrekvenčné ultrazvuk ponúka vysoký potenciál pre chemické procesy. Pri intenzívnej ultrazvukové vlny sú zavedené do kvapalného média, striedavý vysokotlakové a nízkotlakové cykly s sadzbami v závislosti na frekvencii nastať. Vysokotlakové cykly znamenajú kompresiu, zatiaľ čo nízkofrekvenčné cykly znamenajú zriedkavú činnosť média. Počas nízkotlakového (rarefaction) cyklu, vysoký výkon ultrazvuk vytvára malé vákuové bubliny v kvapaline. Tieto vákuové bubliny rastú v priebehu niekoľkých cyklov.
Preto sa ultrazvuk intenzity, tekuté obklady a tiahne do rôznych stupňov. To znamená, že kavitácia bubliny sa môžu správať dvoma spôsobmi. Pri nízkych ultrazvukových intenzít ~ 1-3Wcm-2 minúty, Kavitácia bubliny oscilujú o nejakej rovnováhe veľkosti pre mnoho akustických cyklov. Tento jav sa nazýva stabilná Kavitácia. Pri vysokých ultrazvukových intenzít (≤ 10Wcm-2 minúty) cavitational bubliny sú tvorené v priebehu niekoľkých akustických cyklov do okruhu aspoň dvojnásobku ich počiatočnej veľkosti a kolaps v mieste kompresie, keď bublina nemôže absorbovať viac energie. To sa nazýva prechodné alebo inerciálnej kavitácie. Počas bubliny implosion, lokálne takzvané horúce škvrny sa vyskytujú, ktoré majú extrémne podmienky: počas implozie sa dosiahnu lokálne veľmi vysoké teploty (cca 5 000 k) a tlaky (cca 2 000 ATM). Imploze kavitácie bublina tiež vedie tekuté trysky až 280m/s rýchlosťou, ktorá pôsobí ako veľmi vysoké šmykovej sily. [Suslick 1998/Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

Ultrazvukom je efektívny nástroj pre syntézu polymérov. Počas ultrazvukového rozptyľuje a deagglomeration, kaviárové šmykové sily, ktoré natiahnuť a zlomiť molekulárne reťazce v non-náhodný proces, viesť k zníženiu molekulovej hmotnosti a Poly-dispersity. Okrem toho viacfázové systémy sú veľmi efektívne Rozptýlené a Emulgované, aby sa poskytli veľmi jemné zmesi. To znamená, že ultrazvuk zvyšuje rýchlosť polymerizácie oproti konvenčným miešaním a vedie k vyšším molekulárnym závažím s nižšími polydispersities.
Ormosils (organicky modifikovaný silikát) sa získavajú, keď sa silán pridá do silikagézového kremeňa počas procesu Sol-Gel. Produkt je zložený z molekulárnej stupnice s vylepšeným mechanickým vlastnostiam. Sono-Ormosils sa vyznačujú vyššou hustotou ako klasické gély, rovnako ako lepšia tepelná stabilita. Vysvetlenie preto môže byť zvýšený stupeň polymerizácie. [Rosa-Fox et al. 2002]

Výkonné ultrazvukové sily sú dobre-známej a spoľahlivej techniky pre extrakciu (kliknite pre zväčšenie!)

Ultrazvukové kavitácia v kvapalnej

Mesoporous TiO2 cez Ultrazvukový Sol-Gel syntéza

Mesoporous TiO2 je widley používa ako photocatalyst, rovnako ako v elektronike, senzor technológie a ekologickej nápravy. Pre optimalizované vlastnosti materiálov je zameraná na výrobu TiO2 s vysokou kryštálnosť a veľké plochy. Ultrazvukový asistovanej Sol-Gel trasa má tú výhodu, že vnútorné a vonkajšie vlastnosti TiO2, ako je veľkosť častíc, plocha, pórov-objem, pórov priemer, kryštálnosť, rovnako ako anatáza, rutil a brookite fázy pomery môžu byť ovplyvnené kontrolou parametrov.
Milani et al. (2011) preukázali syntézu TiO2 anatázovej nanočastíc. Preto bol Sol-Gel proces aplikovaný na TiCl4 prekurzor a obidva spôsoby, s ultrazvukom, a bez ultrazvuku, boli porovnané. Výsledky ukazujú, že ultrazvukové ožarovanie má monotónny účinok na všetky zložky roztoku uskutočnenej Sol-Gel metódou a spôsobiť lámanie voľných väzieb veľkých nanometrických koloidov v roztoku. Tak, menšie nanočastice sú vytvorené. Lokálne sa vyskytujúce vysoké tlaky a teploty zlomiť bondings v dlhých polymérnych reťazcov, rovnako ako slabé väzby väzba menších častíc, ktoré tvoria väčšie koloidné hmoty. Porovnanie oboch TiO2 vzorky, v prítomnosti a v neprítomnosti ultrazvukového ožarovania, je uvedený v SEM obrázky nižšie (pozri pic. 2).

Ultrazvuk pomáha gelatinization proces počas Sol-gél syntézu. (Kliknite pre zväčšenie!)

Pic. 2: SEM obrazy TiO2 pwder, kalcinated na 400 degC pre 1H a gelatinization čas 24h: (a) v prítomnosti a (b) pri absencii ultrazvuku. [Milani et al. 2011]

Okrem toho, chemické reakcie môžu profitovať z sonochemical účinky, ktoré zahŕňajú napríklad zlomenie chemických dlhopisov, výrazné zvýšenie chemickej reaktivity alebo molekulárnej degradácie.

Sono-gély

Palcov sono katalyticky pomocou Sol-gélových reakcií sa na prekurzory aplikuje ultrazvuk. Výsledné materiály s novými vlastnosťami sú známe ako sonogels. Vzhľadom na neprítomnosť dodatočného rozpúšťadla v kombinácii s ultrazvukovou kavitáciasa vytvára jedinečné prostredie pre Sol-gélové reakcie, čo umožňuje vznik konkrétnych vlastností vo výsledných géloch: vysoká hustota, jemná textúra, homogénna štruktúra atď. Tieto vlastnosti určujú vývoj sonogels na ďalšie spracovanie a konečnú materiálovej štruktúry. [Blanco et al. 1999]
Suslick a price (1999) ukazujú, že ultrazvukové ožarovanie si (OC2H5)4 vo vode s kyslým katalyzátorom produkuje oxid kremičitý "sonogel". Pri konvenčnej príprave silikagélových gélov z si (OC2H5)4, etanol je bežne používaný co-rozpúšťadlo v dôsledku nerozpustnosti si (OC2H5)4 vo vode. Použitie takýchto rozpúšťadiel je často problematické, pretože môže spôsobiť praskanie počas sušenia. Ultrazvukom poskytuje vysoko efektívne miešanie tak, aby prchavé co-rozpúšťadlá, ako je etanol je možné sa vyhnúť. To má za následok kremičitý sono-gél vyznačuje vyššou hustotou ako konvenčne vyrábané gély. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konvenčné aerogels sa skladajú z nízkohustoty matice s veľkými prázdnymi pórmi. Sonogels, v kontraste, majú jemnejší pórovitosť a póry sú docela gule-formoval, s hladkým povrchom. Svahy väčšie ako 4 vo vysokej uhlovej oblasti odhaľujú dôležité elektronické výkyvy hustoty na hraniciach pórov (Rosa-Fox et al. 1990].
Obrazy povrchu vzoriek prášku jasne ukazujú, že použitie ultrazvukových vĺn vyústilo do väčšej homogenity v priemernej veľkosti častíc a vyústilo do menších častíc. Vzhľadom na sonikáciu sa priemerná veľkosť častíc znižuje približne o 3 nm. [Milani et al. 2011]
Pozitívne účinky ultrazvuku sú preukázané v rôznych výskumných štúdií. Napríklad, správa Neppolian et al. vo svojej práci význam a výhody ultrazvukom v modifikácii a zlepšenie fotokatalytických vlastností mesoporous nano-size TiO2 častíc. [Neppolian et al. 2008]

Nanopovlak cez Ultrazvukový Sol-gél reakcie

Nanopovlak znamená pokrývajúci materiál s nano-zmenšeným vrstvou alebo pokrytím nano-veľkosti subjektu. Tým sa získavajú zapuzdrené alebo jadro-shell štruktúry. Takéto nano kompozity majú fyzikálne a chemické vysokovýkonné vlastnosti v dôsledku kombinovaných špecifických charakteristík a/alebo štruktúrovanie účinkov komponentov.
Príkladne sa preukáže postup náteru častíc oxidu hlinitého (ITO). Častice ITO sú potiahnuté kremeňom v dvojstupňovom procese, ako je znázornené v štúdii Chen (2009). V prvom chemickom kroku sa prášok oxidu hlinitého na báze aminosilánu suface. Druhým krokom je kremičitý povlak pod ultrazvukom. Ak chcete dať konkrétny príklad ultrazvukom a jeho účinky, proces krok predložený v štúdii Chen, je zhrnuté nižšie:
Typický proces pre tento krok je nasledovný: 10g GPTS sa pomaly zmieša s 20g vody acidifikovanej kyselinou chlorovodíkovou (HCl) (pH = 1,5). 4G z vyššie uvedeného aminosilánu ošetreného prášku sa potom pridal do zmesi, obsiahnutej v 100ml sklenenej fľaši. Fľaša bola potom umiestnená pod sondou zhluk pre kontinuálne ultrazvukové ožarovanie s výkonom 60W alebo vyššie.
Sol-Gel reakcia sa začala po približne 2-3min ultrazvukovom ožarovaní, na ktorom bola vytvorená biela pena, kvôli uvoľneniu alkoholu po rozsiahlej hydrolýze GLYMO (3-(2, 3-Epoxypropoxy) propyltrimetoxysilánu). Sonikácia bola aplikovaná na 20min, po ktorej sa roztok mieša niekoľko hodín. Akonáhle bol proces dokončený, častice boli zhromaždené odstreďovaním a boli opakovane umývané vodou potom buď sušené na charakterizáciu alebo udržiavané rozptýlené vo vode alebo organických rozpúšťadiel. [Chen 2009, s. 217]

Záver

Použitie ultrazvuku na Sol-gél procesy vedie k lepšiemu miešanie a častíc ' deagglomeration. Výsledkom je menšia veľkosť častíc, sférický, nízkorozmerný tvar častíc a rozšírená morfológia. Takzvané sono-gély sú charakterizované ich hustotou a jemnou, homogénnou štruktúrou. Tieto funkcie sú vytvorené kvôli vyhýbaniu sa použitiu rozpúšťadla počas tvorby Sol, ale tiež, a hlavne, pretože počiatočné cross-spojený stav retikulácie vyvolané ultrazvukom. Po procese sušenia, výsledné sonogels prítomné častice štruktúru, na rozdiel od ich náprotivky získané bez použitia ultrazvuku, ktoré sú filamentous. [Esquivias et al. 2004]
Bolo preukázané, že použitie intenzívneho ultrazvuku umožňuje prispôsobenie jedinečných materiálov od Sol-Gel procesov. To je vysoko výkonné ultrazvuk mocný nástroj pre chémiu a materiály ' výskumu a vývoja.

Kontaktujte nás / požiadajte o ďalšie informácie

Porozprávajte sa s nami o vaše požiadavky na spracovanie. Odporučíme najvhodnejšie nastavenie a spracovanie parametrov pre váš projekt.





Vezmite prosím na vedomie naše Zásady ochrany osobných údajov,


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

1kW Ultrazvukový recirkulácia nastavenie s čerpadlom a držanie nádrže umožňuje sofistikované spracovanie

Literatúra / Referencie

  • Blanco, E.; Esquivias, L.; Litrán, R.; Pinero, M.; Ramírez-del-Solar, M.; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels a odvodené materiály. Appl. Organometal. Chem. 13, 1999. PP. 399-418.
  • Chen, Q.; Boothroyd, C.; McIntosh Soutar, A.; Zeng, X. T. (2010): Sol-gél nanopovlak na komerčné TiO2 nanoprášok pomocou ultrazvuku. J. Sol-Gel Sci. technol. 53, 2010. PP. 115-120.
  • Chen, Q. (2009): oxid kremičitý povlak nanočastíc podľa sonogel procesu. SIMTech 10/4, 2009. PP. 216-220.
  • Esquivias, L.; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M.; Mosquera, M. J. (2004): štruktúra hybridných koloidné-polymérov xerogels. Langmuir 20/2004. PP. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): syntéza TiO2 nano prášok Sol-Gel metódou a jej použitie ako Photocatalyst. J. Irán. Chem. SoC. 7, 2010. PP. 154-160.
  • Li, X.; Chen, L.; Li, B.; Li. L. (2005): príprava zirkónia Nanopráškov v ultrazvukovom poli metódou Sol-Gel. Trans tech pub. 2005.
  • Neppolian, B.; Wang, Q.; Jung, H.; Choi, H. (2008): Ultrazvukový-pomáhal Sol-gél metóda prípravy TiO2 nano-častíc: charakterizácia, vlastnosti a 4-chlorophenol odstránenie aplikácie. V prípade ultrazvuku. V meste sonochem. 15, 2008. PP. 649-658.
  • Pierre, A. C.; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerogels. In: M.A. Aegerter et al. (EDS.): aerogels Handbook, pokroky v Sol-Gel odvodené materiály a technológie. Springer Science + Business: New York, 2011. PP. 21-45.
  • Rabinovich, E. M. (1994): Sol-Gel Processing-všeobecné princípy. In: L. C. Klein (ed.) Sol-Gel optika: spracovanie a aplikácie. Kluwer akademickí vydavatelia: Boston, 1994. PP. 1-37.
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M.; Esquivias, L. (2002): organicko-anorganické hybridné materiály z Sonogels. 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): štrukturálne štúdie oxidu kremičitého sonogels. J. non-Cryst. Tuhé látky 121, 1990. PP. 211-215.
  • Sakka, S.; Kamya, K. (1982): Sol-Gel prechod: Tvorba sklenených vlákien & Tenké filmy. J. nekryštalické tuhé látky 38, 1982. s. 31.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C.; Martínez, J.-L. (2009): sila ultrazvuku. V: J.-L. Martínez (ed.): ultrazvuk v chémii: analytické aplikácie. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. PP. 1-16.
  • Shahruz, N.; Hossain, M. M. (2011): syntéza a kontrola veľkosti TiO2 Photocatalyst Nanoparticles príprava pomocou Sol-Gel metóda. World appl. Sci. J. 12, 2011. PP. 1981-1986.
  • Suslick, K. S.; Cena, G. J. (1999): aplikácia ultrazvuk na materiály chémia. Každoročne. Rev mater. Sci. 29, 1999. PP. 295-326.
  • Suslick, K. S. (1998): sonochemistry. In: Kirk-Othmer encyklopédia chemickej technológie, Vol. 26, 4th. Ed., J. Wiley & Synovia: New York, 1998. PP. 517-541.
  • Verma, L. Y.; Singh, M. P.; Singh, R. K. (2012): účinok ultrazvukového ožiarenia na prípravu a vlastnosti Ionogels. J. Nanomat. 2012.
  • Zhang, L.-Z.; Yu, J.; Yu, JW (2002): priame sonochemical príprava vysoko fotoaktívne mesoporous oxid titaničitý s bicrystického rámca. Abstrakty z 20. zasadnutia elektrochemickej spoločnosti, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem