Efektet sonokimike në proceset Sol-Xhel

Grimcat ultrafine me madhësi nano dhe grimcat në formë sferike, veshjet me film të hollë, fibrat, materialet poroze dhe të dendura, si dhe aerogelët dhe xerogelët jashtëzakonisht porozë janë aditivë shumë potencialë për zhvillimin dhe prodhimin e materialeve me performancë të lartë. Materialet e avancuara, duke përfshirë p.sh. qeramikën, aerogelët shumë porozë, ultra të lehtë dhe hibridet organike-inorganike mund të sintetizohen nga suspensionet koloidale ose polimeret në një lëng nëpërmjet metodës sol-gel. Materiali tregon karakteristika unike, pasi grimcat e krijuara të solit variojnë në madhësinë nanometër. Kështu, procesi sol-gel është pjesë e nanokimisë.
Në vijim, rishikohet sinteza e materialit me madhësi nano përmes rrugëve të sol-xhel të asistuara në mënyrë ultrasonike.

Procesi Sol-Gel

Sol-xhel dhe përpunimi i lidhur përfshin hapat e mëposhtëm:

1. duke bërë sol ose pluhur precipitues, duke bërë gellim të sol në një kallëp ose në një substrat (në rastin e filmave), ose duke bërë një sol të dytë nga pluhuri i precipituar dhe xhelatimi i tij, ose duke i dhënë formë pluhurit në një trup me rrugë jo xhel;
2. tharje;
3. pjekja dhe shkrirja. [Rabinovich 1994]

Tabela 1: Hapat e sintezës Sol-Gel dhe proceset e rrjedhës së poshtme

Proceset sol-gel janë një teknikë e sintezës së lagësht kimike për prodhimin e një rrjeti të integruar (të ashtuquajtur xhel) të oksideve metalike ose polimereve hibride. Si pararendës, zakonisht përdoren kripërat e metaleve inorganike si kloruret e metaleve dhe komponimet e metaleve organike si alkoksidet metalike. Sol – që konsiston në një pezullim të prekursorëve – shndërrohet në një sistem difazik të ngjashëm me xhel, i cili përbëhet si në një fazë të lëngshme ashtu edhe në një fazë të ngurtë. Reaksionet kimike që ndodhin gjatë një procesi sol-xhel janë hidroliza, polikondensimi dhe xhelatimi.
Gjatë hidrolizës dhe polikondensimit, formohet një koloid (sol), i cili përbëhet nga nanogrimca të shpërndara në një tretës. Faza ekzistuese e sol transformohet në xhel.
Faza xhel që rezulton formohet nga grimca, madhësia dhe formimi i të cilave mund të ndryshojnë shumë nga grimcat koloidale diskrete deri te polimerët e vazhdueshëm të ngjashëm me zinxhirin. Forma dhe madhësia varet nga kushtet kimike. Nga vëzhgimet në alkogelet SiO2, përgjithësisht mund të konkludohet se një sol i katalizuar nga baza rezulton në një specie diskrete të formuar nga grumbullimi i grupeve monomere, të cilat janë më kompakte dhe shumë të degëzuara. Ato ndikohen nga sedimentimi dhe forcat e gravitetit.
Solet e katalizuara nga acidi rrjedhin nga zinxhirët polimerë shumë të ngatërruar që tregojnë një mikrostrukturë shumë të imët dhe pore shumë të vogla që duken mjaft uniforme në të gjithë materialin. Formimi i një rrjeti më të hapur të vazhdueshëm polimerësh me densitet të ulët shfaq disa avantazhe në lidhje me vetitë fizike në formimin e komponentëve qelqi dhe qelqi/qeramike me performancë të lartë në dimensione 2 dhe 3. [Sakka et al. 1982]
Në hapat e mëtejshëm të përpunimit, me mbështjellje me tjerr ose lyerje me zhytje, bëhet e mundur që të lyhen nënshtresat me filma të hollë ose duke hedhur solinë në një kallëp, për të formuar një të ashtuquajtur xhel të lagësht. Pas tharjes dhe ngrohjes shtesë, do të merret një material i dendur.
Në hapat e mëtejshëm të procesit të rrjedhës së poshtme, xheli i marrë mund të përpunohet më tej. Nëpërmjet teknikave të reshjeve, pirolizës me spërkatje ose emulsioni, mund të formohen pluhura ultrafine dhe uniforme. Ose të ashtuquajturat aerogel, të cilët karakterizohen nga poroziteti i lartë dhe një densitet jashtëzakonisht i ulët, mund të krijohen nga nxjerrja e fazës së lëngshme të xhelit të lagësht. Prandaj, zakonisht kërkohen kushte superkritike.

Tabela 2: Sinteza tejzanore e sol-xhelit të TiO2 mezoporoze [Yu et al., Chem. Komuna. 2003, 2078]

Ultratinguj me fuqi të lartë dhe efektet e tij sonokimike

Ekografia me fuqi të lartë dhe me frekuencë të ulët ofron potencial të lartë për proceset kimike. Kur valët intensive tejzanor futen në një mjedis të lëngshëm, ndodhin cikle të alternuara të presionit të lartë dhe presionit të ulët me ritme në varësi të frekuencës. Ciklet e presionit të lartë nënkuptojnë kompresim, ndërsa ciklet me frekuencë të ulët nënkuptojnë rrallim të mediumit. Gjatë ciklit të presionit të ulët (rrallimi), ultratingulli me fuqi të lartë krijon flluska të vogla vakumi në lëng. Këto flluska vakumi rriten gjatë disa cikleve.
Në përputhje me intensitetin e ultrazërit, lëngu ngjesh dhe shtrihet në shkallë të ndryshme. Kjo do të thotë që flluskat e kavitacionit mund të sillen në dy mënyra. Në intensitet të ulët tejzanor prej afërsisht 1-3 W/cm², flluskat e kavitacionit lëkunden rreth një madhësie ekuilibri për shumë cikle akustike. Ky fenomen quhet kavitacion i qëndrueshëm. Në intensitete më të larta tejzanor (deri në 10 W/cm²), flluskat e kavitacionit formohen brenda disa cikleve akustike, duke arritur një rreze të paktën dyfishin e madhësisë së tyre fillestare përpara se të shemben në një pikë ngjeshjeje kur flluska nuk mund të thithë më energji. Ky quhet kavitacion kalimtar ose inercial. Gjatë shpërthimit të flluskave, ndodhin pika të nxehta të quajtura lokale, me kushte ekstreme: arrihen temperatura shumë të larta (afërsisht 5,000 K) dhe presione (afërsisht 2,000 atm). Shpërthimi i flluskës së kavitacionit rezulton gjithashtu në avionë të lëngshëm me shpejtësi deri në 280 m/s, të cilët krijojnë forca prerëse shumë të larta. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

Sonication është një mjet efikas për sintezën e polimereve. Gjatë shpërndarjes dhe deaglomerimit tejzanor, forcat prerëse kaviacionale, të cilat shtrihen dhe thyejnë zinxhirët molekularë në një proces jo të rastësishëm, rezultojnë në një ulje të peshës molekulare dhe poli-dispersitetit. Për më tepër, sistemet shumëfazore janë shumë efikase të shpërndara dhe të emulsifikuara, në mënyrë që të sigurohen përzierje shumë të imta. Kjo do të thotë që ultratingulli rrit shkallën e polimerizimit mbi trazimin konvencional dhe rezulton në pesha molekulare më të larta me polidispersi më të ulëta.
Ormosilet (silikat i modifikuar organikisht) përftohen kur silani i shtohet silicës së përftuar nga xhel gjatë procesit sol-xhel. Produkti është një përbërje në shkallë molekulare me veti mekanike të përmirësuara. Sono-Ormosils karakterizohen nga një densitet më i lartë se xhelët klasikë, si dhe nga një stabilitet i përmirësuar termik. Prandaj, një shpjegim mund të jetë shkalla e rritur e polimerizimit. [Rosa-Fox et al. 2002]

TiO2 mezoporoz nëpërmjet sintezës sol-xheli me ultratinguj

TiO2 mezoporoz përdoret gjerësisht si fotokatalizator, si dhe në elektronikë, teknologjinë e sensorëve dhe korrigjimin e mjedisit. Për vetitë e optimizuara të materialeve, synohet të prodhohet TiO2 me kristalitet të lartë dhe sipërfaqe të madhe. Rruga sol-xhel me asistencë tejzanor ka avantazhin që vetitë e brendshme dhe të jashtme të TiO2, të tilla si madhësia e grimcave, sipërfaqja, vëllimi i poreve, diametri i poreve, kristaliniteti, si dhe raportet e fazës së anatazës, rutilit dhe brookitit mund të ndikohen. duke kontrolluar parametrat.
Milani etj. (2011) kanë demonstruar sintezën e nanogrimcave të anatazës TiO2. Prandaj, procesi sol-gel u aplikua në pararendësin TiCl4 dhe të dyja mënyrat, me dhe pa ultratinguj, janë krahasuar. Rezultatet tregojnë se rrezatimi tejzanor ka një efekt monoton në të gjithë përbërësit e tretësirës së bërë me metodën sol-gel dhe shkakton thyerjen e lidhjeve të lirshme të koloideve të mëdha nanometrike në tretësirë. Kështu, krijohen nanogrimca më të vogla. Presionet dhe temperaturat e larta që ndodhin lokalisht thyejnë lidhjet në zinxhirët e gjatë të polimerit si dhe lidhjet e dobëta që lidhin grimcat më të vogla, me anë të të cilave formohen masa më të mëdha koloidale. Krahasimi i të dy mostrave të TiO2, në prani dhe në mungesë të rrezatimit ultrasonik, tregohet në imazhet SEM më poshtë (shih Fig. 2).
 

Fig. 2: Imazhet SEM të pwder TiO2, të kalcinuara në 400 degC për 1 orë dhe koha e xhelatinizimit prej 24 orë: (a) në prani dhe (b) në mungesë të ultrazërit. [Milani et al. 2011]

Për më tepër, reaksionet kimike mund të përfitojnë nga efektet sonokimike, të cilat përfshijnë p.sh. thyerjen e lidhjeve kimike, rritjen e ndjeshme të reaktivitetit kimik ose degradimin molekular.

konkluzioni

Aplikimi i ultrazërit në proceset sol-xhel çon në një përzierje më të mirë dhe deagglomerim të grimcave. Kjo rezulton në madhësi më të vogël të grimcave, formë sferike, me dimensione të ulëta të grimcave dhe morfologji të përmirësuar. Të ashtuquajturat sono-gels karakterizohen nga dendësia dhe struktura e imët dhe homogjene. Këto veçori krijohen për shkak të shmangies së përdorimit të tretësit gjatë formimit të sollit, por gjithashtu, dhe kryesisht, për shkak të gjendjes fillestare të ndërlidhur të rrjetës të shkaktuar nga ultratingulli. Pas procesit të tharjes, sonogelët që rezultojnë paraqesin një strukturë grimcash, ndryshe nga homologët e tyre të marrë pa aplikimin e ultrazërit, të cilat janë filamentoze. [Esquivias et al. 2004]
Është treguar se përdorimi i ultrazërit intensiv mundëson përshtatjen e materialeve unike nga proceset sol-xhel. Kjo e bën ultratingullin me fuqi të lartë një mjet të fuqishëm për kërkimin dhe zhvillimin e kimisë dhe materialeve.