Hielscher ultraljud teknik

Sonochemical effekter på Sol-gel processer

Införandet

Ultrafina nano-sized partiklar och sfäriska formade partiklar, tunn film beläggningar, fibrer, porösa och täta material, samt extremt porösa Aerogel och xerogels är mycket potentiella tillsatser för utveckling och produktion av hög prestanda Material. Avancerade material, inklusive t ex keramik, mycket porösa, ultralätt Aerogel och organiska-oorganiska hybrider kan syntetiseras från kolloidal SUS pensioner eller polymerer i en vätska via sol-gel metoden. Materialet visar unika egenskaper, eftersom de genererade sol partiklarna område i nanometer storlek. Därmed är sol-gel processen en del av nanokemin.
I följande, syntesen av Nano-sized material via ultraljud assisterad sol-gel rutter granskas.

Sol-gel process

Sol-gel och tillhör ande bearbetning omfattar följande steg:

  1. att göra sol eller utfällnings pulver, gelering av sol i en form eller på ett substrat (i fråga om filmer), eller göra en andra sol från utfälld pulver och dess gelatin, eller forma pulvret i en kropp av icke-gel vägar;
  2. torkning
  3. bränning och sintring. [Rabinovich 1994]
Sol-gel processer är våt-kemiska vägar för tillverkning av gel av metall oxider eller hybridpolymerer

Tabell 1: steg av sol-gel-syntesen och nedströmsprocesserna

Power ultraljud främjar sonochemical reaktioner (Klicka för att förstora!)

Ultraljud glas reaktor för sonochemistry

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Sol-gel processer är en våt-kemisk syntes teknik för tillverkning av ett integrerat nätverk (s.k. gel) av metall oxider eller hybridpolymerer. Som prekursorer, vanligen oorganiska metallsalter såsom metallklorider och organiska metall föreningar såsom metall alkoxides används. Sol – som består i ett upphävande av prekursorer – omvandlas till ett gelliknande difasiskt system, som består av både en vätska och en fast fas. De kemiska reaktioner som uppstår under en sol-gel process är hydrolys, Poly-kondensation, och gelation.
Under hydrolys och poly-kondensation, en kolloid (sol), som består i nanopartiklar dispergerade i ett lösnings medel, bildas. Den befintliga sol fasen förvandlas till gelen.
Den resulterande gel-fas bildas av partiklar som storlek och bildning kan variera kraftigt från diskreta kolloidal partiklar till kontinuerliga kedjeliknande polymerer. Formen och storleken beror på de kemiska förhållandena. Från observationer på SiO2 alcogels kan i allmänhet satsen att en base-katalyserad sol resulterar i en diskret art som bildas genom agg regering av monomer-kluster, som är mer kompakta och mycket förgrenad. De påverkas av sedimentering och gravitations krafter.
Acid-katalyseras Soler härrör från de mycket intrasslade polymerkedjor som visar en mycket fin mikrostruktur och mycket små porer som verkar ganska enhetliga i hela materialet. Bildandet av ett mer öppet kontinuerligt nätverk av låg densitet polymerer uppvisar vissa fördelar när det gäller fysikaliska egenskaper i bildandet av högpresterande glas och glas/keramiska komponenter i 2 och 3 dimensioner. [Sakka et al. 1982]
I ytterligare bearbetning steg, genom spinn-beläggning eller dip-beläggning blir det möjligt att belägga substrat med tunna filmer eller genom gjutning av sol i en form, för att bilda en så kallad våt gel. Efter ytterligare torkning och uppvärmning, ett tätt material kommer att erhållas.
I ytterligare steg i nedströmsprocessen kan den erhållna gelen bearbetas ytterligare. Via nederbörd, spraypyrolys, eller emulsionstekniker, kan ultrafina och enhetliga pulver bildas. Eller så kallade Aerogel, som kännetecknas av hög porositet och en extremt låg densitet, kan skapas genom extraktion av den flytande fasen av den våta gelen. Därför krävs normalt superkritiska förhållanden.
Ultraljud är en beprövad teknik för att förbättra sol-gel syntes av Nano-material. (Klicka för att förstora!)

Tabell 2: ultraljud sol-gel syntes av mesoporösa TiO2 [Yu et al., Chem. commun. 2003, 2078]

Hög effekt ultraljud

Hög effekt, låg frekventa ultraljud erbjuder hög potential för kemiska processer. När intensiva ultraljudsvågor introduceras i ett flytande medium, omväxlande högtrycks-och lågtrycks cykler med hastigheter beroende på frekvensen inträffar. Högtrycks cykler innebär kompression, medan låg frekventa cykler betyder förtunning av mediet. Under lågt tryck (rarefaction) cykel, hög effekt ultraljud skapar små vakuum bubblor i vätskan. Dessa vakuum bubblor växa under flera cykler.
Följaktligen till ultraljud intensitet, flytande kompresser och sträcker sig i varierande grad. Det innebär att kavitation bubblor kan bete sig på två sätt. Vid låga ultraljud intensiteter av ~ 1-3Wcm-2, kavitation bubblorna oscillerar om vissa jämvikt storlek för många akustiska cykler. Detta fenomen kallas stabil kavitation. Vid höga ultraljudintensiteter (≤ 10Wcm-2) de cavitational bubblorna bildas inom några akustiska cykler till en radie av minst två gånger sin ursprungliga storlek och kollaps vid en punkt av kompression när bubblan inte kan absorbera mer energi. Detta kallas övergående eller Tröghets kavitation. Under bubbla implosion, lokalt så kallade hot spots uppstår, som har extrema förhållanden: under implosion, är lokalt mycket höga temperaturer (ca. 5, 000K) och tryck (ca. 2, 000atm) nås. Implosion av kavitation bubblan resulterar också i flytande jets av upp till 280 m/s hastighet, som fungerar som mycket hög skjuvning krafter. [Suslick 1998/Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

Ultraljudsbehandling är ett effektivt verktyg för syntes av polymerer. Under ultraljud spridning och deagglomeration, kaviational skjuvning krafter, som sträcker ut och bryta molekyl ära kedjor i en icke-slumpmässig process, resultera i en sänkning av molekyl vikt och poly-dispersitet. Dessutom är flerfassystem mycket effektiva Spridda och Emulgerade, så att mycket fina blandningar tillhandahålls. Detta innebär att ultraljud ökar graden av polymerisering under konventionell omrörning och resulterar i högre molekyl vikter med lägre polydispersities.
Ormosils (organiskt modifierad silikat) erhålls när silan tillsätts till gel-derived kiseldioxid under sol-gel process. Produkten är en molekylär skalig komposit med förbättrade mekaniska egenskaper. Sono-Ormosils kännetecknas av en högre densitet än klassiska geler samt en förbättrad termisk stabilitet. En förklaring kan därför vara den ökade graden av polymerisation. [Rosa-Fox et al. 2002]

Kraftfulla ultraljud krafter är en välkänd och pålitlig teknik för utvinning (Klicka för att förstora!)

Ultraljud kavitation i vätske form

Mesoporösa TiO2 via ultraljud sol-gel syntes

Mesoporösa TiO2 är Widley används som foto katalysatorn samt inom elektronik, sensor teknik och miljö sanering. För optimerade material egenskaper syftar den till att producera TiO2 med hög kristallinitet och stor yta. Ultraljud assisterad sol-gel rutten har den fördelen att den inneboende och yttre egenskaper av tio2, såsom partikel storlek, yta, por-volym, por-diameter, kristallinitet samt anatase, rutil och tio fas nyckeltal kan påverkas av att kontrol lera parametrarna.
Milani et al. (2011) har demonstrerat en syntes av TiO2 anatas nanopartiklar. Därför tillämpades sol-gel-processen på TiCl-4 föregångare och båda sätten, med och utan ultraljud, har jämförts. Resultaten visar att ultraljud bestrålning har en monotont effekt på alla komponenter i lösningen som gjorts av sol-gel metod och orsaka att bryta lös länkar av stora nanometriska kolloider i lösning. Således skapas mindre nanopartiklar. Den lokalt uppstående kicken pressar, och temperaturer bryter bondings i lång polymer kedjar, såväl som de svaga anknyter bindande mindre partiklarna, som större kolloidal samlas vid bildas. Jämförelsen av både TiO2 prover, i närvaro och i avsaknad av ultraljud bestrålning, visas i SEM bilderna nedan (se pic. 2).

Ultraljud bistår gelatinization processen under sol-gel syntes. (Klicka för att förstora!)

Pic. 2: SEM bilder av TiO2 pwder, kalcinerade vid 400 degC för 1H och gelatinization tid 24h: (a) i närvaro av och (b) i avsaknad av ultraljud. [Milani et al. 2011]

Dessutom kan kemiska reaktioner dra nytta av sonochemical effekter, som inkluderar t. ex. brott av kemiska obligationer, betydande förbättring av kemisk reaktivitet eller molekylär nedbrytning.

Sono-gels

I Sono-katalytiskt assisterad sol-gel reaktioner, ultraljud appliceras på prekursorer. De resulterande materialen med nya egenskaper kallas sonogels. På grund av frånvaron av ytterligare lösnings medel i kombination med det ultraljuds- kavitation, en unik miljö för sol-gel reaktioner skapas, vilket möjliggör bildandet av särskilda egenskaper i den resulterande geler: hög densitet, fin textur, homogen struktur etc. Dessa egenskaper bestämmer utvecklingen av sonogels på vidare bearbetning och den slutliga material strukturen. [Blanco et al. 1999]
Suslick och pris (1999) visar att ultraljud bestrålning av Si (OC2H5)4 i vatten med en syra katalysator producerar en kiseldioxid "sonogel". Vid konventionell beredning av kiseldioxid-geler från Si (OC2H5)4, är etanol ett vanligt använt co-solvent på grund av icke-löslighet av Si (OC2H5)4 i vatten. Användningen av sådana lösnings medel är ofta problematiskt eftersom de kan orsaka sprickbildning under tork steget. Ultraljud ger en mycket effektiv blandning så att flyktiga co-lösningsmedel som etanol kan undvikas. Detta resulterar i en kiseldioxid Sono-gel som kännetecknas av en högre densitet än konventionellt producerade geler. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konventionella Aerogel består av en låg densitet matris med stora tomma porer. Den sonogels, i kontrast, har finare porositet och porerna är ganska sfäriska-formad, med en slät yta. Sluttningar större än 4 i den höga vinkeln regionen avslöjar viktiga elektroniska densitet variationer på por-matris gränser [rosa-Fox et al. 1990].
Bilderna av ytan av pulvret prover visar tydligt att använda ultraljudsvågor resulterade i större homogenitet i den genomsnittliga storleken på partiklarna och resulterade i mindre partiklar. På grund av ultraljudsbehandling, den genomsnittliga partikel storleken minskar med ca. 3 nm. [Milani et al. 2011]
De positiva effekterna av ultraljud bevisas i olika forsknings studier. T. ex., rapport Neppolian et al. i sitt arbete vikten och fördelarna med ultraljud i modifiering och förbättring av de foto katalytiska egenskaperna hos mesoporösa nano-storlek TiO2 partiklar. [Neppolian et al. 2008]

Nanocoating via ultraljud sol-gel reaktion

Nanocoating innebär täckande material med ett nanoskalat skikt eller täckningen av en nano-storlek enhet. Därmed inkapslad eller Core-Shell strukturer erhålls. Sådana nanokompositer har fysiska och kemiska hög prestanda egenskaper på grund av kombinerade specifika egenskaper och/eller strukturerande effekter av komponenterna.
Exemplarily, kommer beläggningen förfarande indium tenn oxid (ITO) partiklar att demonstreras. ITO partiklar är belagda med kiseldioxid i en två stegs process, som visas i en studie av Chen (2009). I det första kemiska steget genomgår indium tenn oxid pulver en aminosilane suface behandling. Det andra steget är kiseldioxid beläggning under ultraljud. För att ge ett specifikt exempel på ultraljudsbehandling och dess effekter, det processteg som presenteras i Chens studie, sammanfattas nedan:
En typisk process för detta steg är följande: 10g GPTS blandades långsamt med 20g vatten för sur ATS av saltsyra (HCl) (pH = 1,5). 4G av nämnda aminosilane behandlat pulver lades sedan till blandningen, som ingår i en 100ml glas flaska. Flaskan placerades sedan under sonden av någon sonikator för kontinuerlig ultraljud bestrålning med uteffekt av 60W eller högre.
Sol-gel reaktion inleddes efter cirka 2-3min ultraljud bestrålning, på vilken vitt skum genererades, på grund av frisläppandet av alkohol vid omfattande hydrolys av GLYMO (3-(2, 3-Epoxypropoxy) propyltrimethoxysilane). Ultraljudsbehandling tillämpades för 20min, varefter lösningen rördes i flera timmar. När processen var klar, var partiklar samlades genom centrifugering och tvättades upprepade gånger med vatten sedan antingen torkas för karakterisering eller hållas spridda i vatten eller organiska lösnings medel. [Chen 2009, p. 217]

Slutsats

Tillämpningen av ultraljud till sol-gel processer leder till en bättre blandning och partiklarna deagglomeration. Detta resulterar i mindre partiklar storlek, sfäriska, låg-dimensionell partikel form och förbättrad morfologi. Så kallade Sono-geler kännetecknas av deras densitet och fin, homogen struktur. Dessa funktioner skapas på grund av undvikande av användning av lösnings medel under sol formation, men också, och främst, på grund av den initiala tvär bunden tillstånd av retiympering induceras av ultraljud. Efter torkning, den resulterande sonogels presentera en partikel struktur, till skillnad från deras motsvarigheter erhålls utan att tillämpa ultraljud, som är trådformiga. [Esquivias et al. 2004]
Det har visats att användningen av intensivt ultraljud gör det möjligt att skräddarsy unika material från sol-gel processer. Detta gör hög effekt ultraljud ett kraftfullt verktyg för kemi och material forskning och utveckling.

Kontakta oss / Fråga mer

Prata med oss ​​om dina behandlingsbehov. Vi kommer att rekommendera den mest lämpliga inställningar och processparametrar för ditt projekt.





Observera att våra Integritetspolicy.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

1kW ultraljud recirkulation setup med pump och hålltank möjliggör sofistikerad bearbetning

Litteratur / Referenser

  • Blanco, E.; Esquivias, L.; Litrán, R.; Pinero, M.; Ramírez-del-Solar, M.; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels och härledda material. Appl. Organometal. Chem. 13, 1999. s. 399-418.
  • Chen, Q.; Boothroyd, C.; McIntosh Soutar, A.; Zeng, X. T. (2010): sol-gel nanocoating på kommersiella TiO2 nanopowder med hjälp av ultraljud. J. sol-gel Sci. Technol. 53, 2010. s. 115-120.
  • Chen Q. (2009): kiseldioxid beläggning av nanopartiklar genom sonogel process. SIMTech 10/4, 2009. s. 216-220.
  • Esquivias, L.; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M.; Mosquera, M. J. (2004): strukturera av hybrid-colloid-polymer Xerogels. Langmuir 20/2004. s. 3416-3423.
  • Karami, A. (2010): syntes av TiO2 nano pulver av sol-gel metod och dess användning som en Photocatalyst. J. Iran. Chem. soc. 7, 2010. s. 154-160.
  • Li, X.; Mer från Chen, L.; Li, B.; Li. L. (2005): beredning av zirkonium nanopulver i ultraljud fält av sol-gel metod. Trans Tech pub. på 2005.
  • Neppolian, B.; Wang, Q.; Jung, H.; Choi, H. (2008): ultraljud-Assisted sol-gel metod för beredning av TiO2 Nano-partiklar: karakterisering, egenskaper och 4-klorophenol borttagning ansökan. Ultrason. Med sonochem. 15, 2008. s. 649-658.
  • Pierre, A. C.; Rigacci, A. (2011): SiO2 Aerogel. I: M.A. Aegerter et al. (eds.): Aerogels hand bok, framsteg i sol-gel härledda material och teknologier. Springer vetenskap + affär: New York, 2011. s. 21-45.
  • Rabinovich, E. M. (1994): sol-gel Processing-allmänna principer. I: L. C. Klein (ED.) sol-gel optik: bearbetning och applikationer. Kluwer akademiska Utgivare: Boston, 1994. s. 1-37.
  • Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M.; Esquivias, L. (2002): organiska-oorganiska hybrid material från Sonogels. på 2002.
  • Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): strukturella studier av kiseldioxid sonogels. J. icke-Cryst. Fasta ämnen 121, 1990. s. 211-215.
  • Sakka, S.; Kamya, K. (1982): sol-gel över gången: bildande av glass fibrer & Tunna filmer. J. icke-kristallint fasta ämnen 38, 1982. s. 31.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C.; Martínez, J.-L. (2009): kraften av ultraljud. I: J.-L. Martínez (ED.): ultraljud i kemi: analytiska applikationer. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. s. 1-16.
  • Shahruz, N.; Hossain M. M. (2011): syntes och storleksanpassa kontrollerar av TiO2 Photocatalyst nanopartiklar förberedelse använda solenoid-gel metod. World Appl. Sci. J. 12, 2011. s. 1981-1986.
  • Suslick, K. S.; Prissätta G. J. (1999): applikationer av ultraljud till material kemi. Annu. Rev. mater. Sci. 29, 1999. s. 295-326.
  • Suslick, K. S. (1998): sonochemistry. I: Kirk-Othmer encyklopedi av kemisk teknologi, Vol. 26, 4Th. Ed., J. Wiley & Sons: New York, 1998. s. 517-541.
  • Verma, L. Y.; Singh, M. P.; Singh, R. K. (2012): verkställa av Ultraljuds-bestrålning på förberedelse och rekvisita av Ionogels. J. Nanomat. på 2012.
  • Zhang, L.-Z.; Yu, J.; Yu, J. C. (2002): rikta sonochemical förberedelse av mycket foto aktiva mesoporöst titandioxid med en bicrystalline ram. Abstracts av 201st möte av det electrochemical samhället, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem