Sol-jel ultrason etkisi

Ultra ince nano boyutlu parçacıklar ve küresel şekilli parçacıklar, ince film kaplamalar, lifler, gözenekli ve yoğun malzemeler ile aşırı gözenekli aerojeller ve kserojeller, yüksek performanslı malzemelerin geliştirilmesi ve üretimi için oldukça potansiyel katkı maddeleridir. Seramikler, yüksek gözenekli, ultra hafif aerojeller ve organik-inorganik hibritler dahil olmak üzere gelişmiş malzemeler, sol-jel yöntemi ile bir sıvı içindeki kolloidal süspansiyonlardan veya polimerlerden sentezlenebilir. Üretilen sol parçacıkları nanometre boyutunda değiştiği için malzeme benzersiz özellikler gösterir. Bu nedenle, sol-jel işlemi nanokimyanın bir parçasıdır.
Aşağıda, ultrasonik destekli sol-jel yolları ile nano boyutlu malzemenin sentezi gözden geçirilmiştir.

Sol-Jel Prosesi

Sol-jel ve ilgili işleme aşağıdaki adımları içerir:

1. sol yapmak veya çökeltme tozu, sol'u bir kalıpta veya bir substrat üzerinde jelleştirmek (filmler söz konusu olduğunda) veya çökeltilmiş tozdan ve jelleşmesinden ikinci bir sol yapmak veya tozu jel olmayan yollarla bir gövdeye şekillendirmek;
2. Kurutma;
3. ateşleme ve sinterleme. [Rabinoviç 1994]

Tablo 1: Sol-Jel sentezinin adımları ve sonraki süreçler

Sol-jel işlemleri, metal oksitlerin veya hibrit polimerlerin entegre bir ağının (jel olarak adlandırılır) üretimi için ıslak-kimyasal bir sentez tekniğidir. Öncüler olarak, yaygın olarak metal klorürler gibi inorganik metal tuzları ve metal alkoksitler gibi organik metal bileşikleri kullanılır. Sol – öncüllerin askıya alınmasından oluşur – hem sıvı hem de katı fazdan oluşan jel benzeri bir difazik sisteme dönüşür. Bir sol-jel işlemi sırasında meydana gelen kimyasal reaksiyonlar hidroliz, çoklu yoğuşma ve jelleşmedir.
Hidroliz ve poli-kondenzasyon sırasında, bir çözücü içinde dağılmış nanopartiküllerden oluşan bir kolloid (sol) oluşur. Mevcut sol fazı jele dönüşür.
Elde edilen jel fazı, boyutu ve oluşumu ayrı kolloidal parçacıklardan sürekli zincir benzeri polimerlere kadar büyük ölçüde değişebilen parçacıklar tarafından oluşturulur. Biçim ve boyut kimyasal koşullara bağlıdır. SiO2 alcogels üzerindeki gözlemlerden, genel olarak, baz katalizli bir solun, daha kompakt ve oldukça dallanmış olan monomer kümelerinin toplanmasıyla oluşan ayrı bir türle sonuçlandığı sonucuna varılabilir. Sedimantasyon ve yerçekimi kuvvetlerinden etkilenirler.
Asit katalizli sollar, çok ince bir mikro yapı ve malzeme boyunca oldukça homojen görünen çok küçük gözenekler gösteren oldukça dolaşık polimer zincirlerinden türetilir. Düşük yoğunluklu polimerlerden oluşan daha açık ve sürekli bir ağın oluşumu, 2 ve 3 boyutlu yüksek performanslı cam ve cam/seramik bileşenlerin oluşumunda fiziksel özellikler açısından belirli avantajlar sergiler. [Sakka ve ark. 1982]
Daha sonraki işlem adımlarında, spin kaplama veya daldırma kaplama ile alt tabakaları ince filmlerle kaplamak veya sol'u bir kalıba dökerek ıslak jel olarak adlandırılan bir form oluşturmak mümkün hale gelir. Ek kurutma ve ısıtmadan sonra yoğun bir malzeme elde edilecektir.
Aşağı akış prosesinin sonraki adımlarında, elde edilen jel daha fazla işlenebilir. Çökeltme, sprey piroliz veya emülsiyon teknikleri yoluyla ultra ince ve homojen tozlar oluşturulabilir. Veya yüksek gözeneklilik ve son derece düşük yoğunluk ile karakterize edilen aerojeller, ıslak jelin sıvı fazının ekstraksiyonu ile oluşturulabilir. Bu nedenle, normalde süper kritik koşullar gereklidir.

Tablo 2: Mezogözenekli TiO2'nin ultrasonik sol-jel sentezi [Yu ve diğerleri, Chem. Commun. 2003, 2078]

Yüksek Güçlü Ultrason ve Sonokimyasal Etkileri

Yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrason, kimyasal işlemler için yüksek potansiyel sunar. Yoğun ultrasonik dalgalar sıvı bir ortama sokulduğunda, frekansa bağlı olarak değişen yüksek basınç ve düşük basınç döngüleri meydana gelir. Yüksek basınç döngüleri sıkıştırma anlamına gelirken, düşük frekans döngüleri ortamın seyrekleşmesi anlamına gelir. Düşük basınç (nadirlik) döngüsü sırasında, yüksek güçlü ultrason sıvıda küçük vakum kabarcıkları oluşturur. Bu vakum kabarcıkları birkaç döngü boyunca büyür.
Ultrason yoğunluğuna göre, sıvı değişen derecelerde sıkışır ve gerilir. Bu, kavitasyon kabarcıklarının iki şekilde davranabileceği anlamına gelir. Yaklaşık 1-3 W / cm²'lik düşük ultrasonik yoğunluklarda, kavitasyon kabarcıkları birçok akustik döngü için bir denge boyutu etrafında salınır. Bu fenomen kararlı kavitasyon olarak adlandırılır. Daha yüksek ultrasonik yoğunluklarda (10 W / cm²'ye kadar), kavitasyon kabarcıkları birkaç akustik döngü içinde oluşur ve kabarcık artık enerjiyi ememediğinde bir sıkıştırma noktasında çökmeden önce başlangıç boyutlarının en az iki katı bir yarıçapa ulaşır. Buna geçici veya ataletsel kavitasyon denir. Kabarcık patlaması sırasında, yerel olarak adlandırılan sıcak noktalar meydana gelir ve aşırı koşullara sahiptir: çok yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 5.000 K) ve basınçlara (yaklaşık 2.000 atm) ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının patlaması aynı zamanda 280 m/s'ye kadar hızlara sahip sıvı jetleri ile sonuçlanır ve bu da çok yüksek kesme kuvvetleri oluşturur. [Suslick 1998 / Santos ve ark. 2009]

Sono-Ormosil

Sonikasyon, polimerlerin sentezi için etkili bir araçtır. Ultrasonik dispersiyon ve deagglomeration sırasında, rastgele olmayan bir işlemde moleküler zincirleri geren ve kıran havacılık kesme kuvvetleri, moleküler ağırlığın ve poli-dispersitenin düşmesine neden olur. Ayrıca, çok fazlı sistemler çok verimli bir şekilde dağıtılır ve emülsifiye edilir, böylece çok ince karışımlar sağlanır. Bu, ultrasonun geleneksel karıştırmaya göre polimerizasyon oranını arttırdığı ve daha düşük polidispersiteye sahip daha yüksek moleküler ağırlıklarla sonuçlandığı anlamına gelir.
Ormosiller (organik olarak modifiye edilmiş silikat), sol-jel işlemi sırasında jel türevli silikaya silan eklendiğinde elde edilir. Ürün, geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip moleküler ölçekli bir kompozittir. Sono-Ormosiller, klasik jellerden daha yüksek bir yoğunluğun yanı sıra gelişmiş bir termal stabilite ile karakterize edilir. Bu nedenle bir açıklama, artan polimerizasyon derecesi olabilir. [Rosa-Fox ve ark. 2002]

Ultrasonik Sol-Jel Sentezi ile Mezogözenekli TiO2

Mezogözenekli TiO2, fotokatalizör olarak olduğu kadar elektronik, sensör teknolojisi ve çevresel iyileştirmede de yaygın olarak kullanılır. Optimize edilmiş malzeme özellikleri için yüksek kristalliğe ve geniş yüzey alanına sahip TiO2 üretilmesi amaçlanmaktadır. Ultrasonik destekli sol-jel yolu, partikül boyutu, yüzey alanı, gözenek hacmi, gözenek çapı, kristallik ve anataz, rutil ve brookit faz oranları gibi TiO2'nin içsel ve dışsal özelliklerinin parametrelerin kontrol edilmesinden etkilenebilmesi avantajına sahiptir.
Milani ve ark. (2011), TiO2 anataz nanopartiküllerinin sentezini göstermiştir. Bu nedenle, sol-jel işlemi TiCl4 öncüsüne uygulandı ve ultrasonikasyon ile ve ultrasonikasyon olmadan her iki yol karşılaştırıldı. Sonuçlar, ultrasonik ışınlamanın sol-jel yöntemiyle yapılan çözeltinin tüm bileşenleri üzerinde monoton bir etkiye sahip olduğunu ve çözeltideki büyük nanometrik kolloidlerin gevşek bağlarının kopmasına neden olduğunu göstermektedir. Böylece daha küçük nanopartiküller oluşturulur. Lokal olarak meydana gelen yüksek basınçlar ve sıcaklıklar, uzun polimer zincirlerindeki bağları ve daha küçük parçacıkları bağlayan zayıf halkaları kırar ve bu sayede daha büyük kolloidal kütleler oluşur. Ultrasonik ışınlamanın varlığında ve yokluğunda her iki TiO2 örneğinin karşılaştırılması aşağıdaki SEM görüntülerinde gösterilmiştir (bkz. Resim 2).
 

PIC. 2: 1 saat boyunca 400 ° C'de kalsine edilmiş ve 24 saatlik jelatinleşme süresi olan TiO2 pwder'in SEM görüntüleri: (a) ultrason varlığında ve (b) ultrason yokluğunda. [Milani ve ark. 2011]

Ayrıca, kimyasal reaksiyonlar, örneğin kimyasal bağların kırılması, kimyasal reaktivitenin önemli ölçüde artması veya moleküler bozunma gibi sonokimyasal etkilerden yararlanabilir.

Son

Ultrasonun sol-jel işlemlerine uygulanması, daha iyi bir karışıma ve partiküllerin topaksızlaşmasına yol açar. Bu, daha küçük parçacık boyutu, küresel, düşük boyutlu parçacık şekli ve gelişmiş morfoloji ile sonuçlanır. Sono-jeller olarak adlandırılanlar, yoğunlukları ve ince, homojen yapıları ile karakterize edilir. Bu özellikler, sol oluşumu sırasında çözücü kullanımından kaçınılması nedeniyle, aynı zamanda ve esas olarak, ultrasonun neden olduğu ilk çapraz bağlı retikülasyon durumu nedeniyle yaratılmıştır. Kurutma işleminden sonra elde edilen sonojeller, ultrason uygulanmadan elde edilen ve filamentli olan muadillerinden farklı olarak parçacıklı bir yapı sunar. [Esquivias ve ark. 2004]
Yoğun ultrason kullanımının, sol-jel işlemlerinden benzersiz malzemelerin uyarlanmasına izin verdiği gösterilmiştir. Bu, yüksek güçlü ultrasonu kimya ve malzemelerin araştırma ve geliştirmesi için güçlü bir araç haline getirir.