Hielscher ультразвукова технологія

Сонохімічні ефекти на соль-гелеві процеси

Вступ

Ультратонкі нанорозмірні частинки та сферичні частинки, тонкі плівкові покриття, волокна, пористий і щільний матеріал, а також надзвичайно пористих аерогелів та ксерогелів є надзвичайно потенційними добавками для розробки та виробництва високоефективних матеріалів. Розширені матеріали, включаючи, наприклад, кераміку, високопористі, ультралегкі аерогелі та органічно-неорганічні гібриди, можуть бути синтезовані з колоїдних суспензій або полімерів у рідині методом соль-гель. Матеріал показує унікальні характеристики, оскільки генеровані зольні частинки містять розміри нанометра. Таким чином, процес золь-гель є частиною нанохімії.
Нижче наводиться аналіз синтезу нанорозмірного матеріалу за допомогою ультразвукових методів соль-гель.

Сол-Гель Процес

Sol-gel та пов'язана з ним обробка включає в себе наступні етапи:

  1. виготовлення солі або осадження порошку, гелеутворення солі у формі або на підкладці (у випадку плівок), або утворення другого солі з осадженого порошку та його гелеобразованія або формування порошку у тілі негельними шляхами;
  2. сушіння;
  3. стрілянина та спікання. [Рабінович 1994]
Соль-гельові процеси - волого-хімічні шляхи для виготовлення гелю з оксидів металів або гібридних полімерів

Таблиця 1: Етапи синтезу Соль-Гель та процеси, що відбуваються вниз

Ультразвук потужності сприяє сонохімічним реакціям (натисніть, щоб збільшити!)

Ультразвуковий скляний реактор для Сонохімія

Запит інформації




Зверніть увагу на наші Політика конфіденційності.


Соль-гелеві процеси - волого-хімічна методика синтезу для виготовлення інтегрованої мережі (так званого гелю) оксидів металів або гібридних полімерів. Як попередники, використовують звичайно неорганічні солі металів, такі як хлориди металів та сполуки з органічними металами, такі як алкоксиди металів. Сол – що складається в призупиненні попередників – перетворюється на гелеподібну двофазну систему, яка складається як у рідкій, так і в твердій фазі. Хімічні реакції, що виникають під час процесу соль-гель, - гідроліз, поліконденсація та гелеутворення.
Під час гідролізу та поліконденсації утворюється колоїд (золь), який складається з наночастинок, диспергованих у розчиннику. Існуюча соляна фаза перетворюється на гель.
Отримана гелева фаза утворюється частинками, розмір яких і формація може сильно відрізнятися від дискретних колоїдних частинок до неперервних ланцюгових полімерів. Форма та розмір залежить від хімічних умов. З спостережень на SiO2 Як правило, можна зробити висновок, що оснований каталітичний золь приводить до дискретних видів, утворених шляхом агрегації мономерних кластерів, які є більш компактними і сильно розгалуженими. На них впливають осідання та сили тяжкості.
Кислотно-каталізировані солі виходять з дуже заплутаних полімерних ланцюгів, що демонструють дуже тонку мікроструктуру та дуже маленькі пори, які виявляються досить однорідними по всьому матеріалу. Формування більш відкритої безперервної мережі полімерів низької щільності демонструє певні переваги щодо фізичних властивостей при утворенні високопродуктивних скла та скла / керамічних компонентів у 2 і 3 вимірах. [Сакка та співавт. 1982]
У подальших стадіях обробки, шляхом обертання покриттям або нанесенням покриттям, стає можливим покривати підкладки тонкими плівками або лиття солі у форму, щоб сформувати так званий вологий гель. Після додаткової сушки та нагрівання буде отриманий щільний матеріал.
На подальших стадіях процесу послідовного процесу, отриманий гель може бути додатково оброблений. За допомогою опадів, піролізу спрею або методів емульсії можуть бути утворені надтонкі та однорідні порошки. Або так звані аерогелі, які характеризуються високою пористістю і надзвичайно низькою щільністю, можуть бути створені шляхом екстракції рідкої фази вологого гелю. Тому, зазвичай, необхідні надкритичні умови.
Ультразвукове дослідження - це перевірена техніка для поліпшення соль-гель-синтезу наноматеріалів. (Натисніть, щоб збільшити!)

Таблиця 2: Ультразвуковий синтез золь-гель мезопористий TiO2 [Yu et al., Chem. Кому 2003, 2078]

Ультразвукове випромінювання

Високоефективний, низькочастотний ультразвук пропонує високий потенціал для хімічних процесів. Коли інтенсивні ультразвукові хвилі вводять у рідке середовище, відбуваються чергування циклів високого тиску і низького тиску з частотою залежно від частоти. Цикли високого тиску - це середнє стиснення, тоді як цикли низьких частот - це розрідження середовища. Під час циклу низького тиску (розрідження) ультразвук високої потужності створює у рідині невеликі вакуумні бульбашки. Ці вакуумні бульбашки ростуть протягом декількох циклів.
Відповідно до інтенсивності ультразвуку, рідкі компреси і розтягуються в різному ступені. Це означає, що кавітація бульбашки можуть поводитися двома способами. При низькій інтенсивності ультразвуку ~ 1-3 Вт / см-2, кавітаційні бульбашки коливаються приблизно в деяких рівноважних розмірах для багатьох акустичних циклів. Це явище називають стабільною кавітацією. При високій інтенсивності ультразвуку (≤10 Вт-2) кавітаційні бульбашки утворюються протягом кількох акустичних циклів до радіуса принаймні в два рази від початкового розміру та колапсу в точці стиснення, коли пузир не може поглинати більше енергії. Це називається тимчасова або інерційна кавітація. Під час спалаху бульбашок відбуваються локальні так звані гарячі точки, які мають екстремальні умови: під час імплозії виявляються локально дуже високі температури (близько 5000 K) і тисків (приблизно 2000 атм). Вплив кавітаційного міхура також призводить до утворення рідких струменів зі швидкістю до 280 м / с, які діють як дуже сильні зсувні сили. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Соно-Ормосіл

Сонник є ефективним інструментом для синтезу полімерів. Під час ультразвукового диспергування та деагломерації сила вимушених зсуву, яка розтягує і розриває молекулярні ланцюжки в не випадковому процесі, призводить до зниження молекулярної маси і полідисперсності. Крім того, багатофазні системи дуже ефективні розсіяний і емульгований, так що забезпечуються дуже дрібні суміші. Це означає, що ультразвук збільшує швидкість полімеризації при звичайному перемішуванні та призводить до вищих молекулярних ваг із нижчими полідисперсністю.
Ормосіл (органічно модифікований силікат) отримують, коли силан додають до гелю, отриманого кремнезему, під час процесу соль-гель. Продукт є молекулярно-масивним композитом з покращеними механічними властивостями. Соно-Ормосілс ​​характеризується більшою щільністю, ніж класичні гелі, а також поліпшеною термічною стійкістю. Таким чином, пояснення може бути підвищеним ступенем полімеризації. [Роза-Фокс та співавт. 2002]

Потужні ультразвукові сили - добре відомі та надійні методи витягання (натисніть, щоб збільшити!)

Ультразвукова кавітація в рідині

Месопорозний ТіО2 через синтез ультразвукового соль-гель

Месопорозний ТіО2 використовується як фотокаталізатор, так і електроніка, сенсорна техніка та екологічна реабілітація. Для оптимізованих властивостей матеріалів він спрямований на отримання ТіО2 з високою кристалічністю та великою площею поверхні. Ультразвуковий метод соль-гель, що підтримує, має перевагу, що властиві і зовнішні властивості TiO2, такі як розмір часток, площа поверхні, об'єм пор, діаметр порожнини, кристалічність, а також анатоз, рутил і броні, можуть впливати на контроль параметрів.
Milani et al. (2011) продемонстрували синтез TiO2 анатозних наночастинок. Тому до TiCl застосований процес золь-гель4 попередник і в обох напрямках, з і без ультразвуку, були порівняні. Результати показують, що ультразвукове опромінення має монотонне вплив на всі компоненти розчину, зробленого методом соль-гель, і призводить до розриву вільних зв'язків великих нанометричних колоїдів у розчині. Таким чином, створюються менші наночастинки. Високі тиски та температури, що відбуваються на місці, порушують скріплення в довгих полімерних ланцюгах, а також слабкі зв'язки, що зв'язують менші частки, за допомогою яких утворюються великі колоїдні маси. Порівняння обох TiO2 зразки, за наявності та за відсутності ультразвукового опромінення, показані на малюнках SEM (див. рис. 2).

Ультразвук допомагає процесі желатинізації при синтезі соль-гель. (Натисніть, щоб збільшити!)

Pic. 2: SEM-зображення ТВ2-пудра, прокалізовані при 400 ° С протягом 1 год і час желатинізації протягом 24 годин: (а) у присутності і (б) за відсутності ультразвуку. [Milani et al. 2011 р.]

Крім того, хімічні реакції можуть отримати користь від сонохімічних ефектів, які включають, наприклад, розрив хімічних зв'язків, значне посилення хімічної реактивності або деградації молекул.

Соно-Гелс

В сона-каталітично асоційовані соль-гель реакції, ультразвук застосовується до попередників. Отримані матеріали з новими характеристиками відомі як соногель. Через відсутність додаткового розчинника у поєднанні з ультразвуковим кавітація, створюється унікальне середовище для соль-гелевих реакцій, що дозволяє формувати певні особливості в отриманих гелях: високу щільність, тонкофактурну структуру, однорідну структуру і т. д. Ці властивості визначають еволюцію соногель на подальшій обробці та кінцеву структуру матеріалу . [Blanco et al. 1999]
Suslick та Price (1999) показують, що ультразвукове опромінення Si (OC2H5)4 у воді з кислотним каталізатором випускає кремнезему "соногель". При звичайній підготовці силікагелю з Si (OC2H5)4, ethanol є звичайно використаний co-solvent внаслідок нерозчинність Si (OC2H5)4 у воді Використання таких розчинників часто є проблематичним, оскільки вони можуть викликати розтріскування на етапі сушіння. Ультразвукова зв'язка забезпечує високоефективне змішування, щоб уникнути таких летючих колавертів, як етанол. Внаслідок цього силіконовий соногель характеризується більш високою щільністю, ніж звичайно вироблені гелі. [Суслик та співавт. 1999, 319р.]
Звичайні аерогелі складаються з матриці низької щільності з великими порожнистими порами. Натомість солонжелі мають більш тонку пористість, а пори повністю сферичні, з гладкою поверхнею. Схили більші ніж 4 у висококутній області показують важливі коливання електронної густини на межах пор-матриці [Rosa-Fox et al. 1990].
Зображення поверхні порошкових зразків чітко показують, що використання ультразвукових хвиль призвело до більшої однорідності у середньому розмірі частинок і призвело до зменшення кількості частинок. Через ультразвукову обробку середній розмір часток зменшується приблизно на. 3 нм. [Milani et al. 2011 р.]
Позитивні ефекти ультразвуку доведено в різних дослідженнях. Наприклад, повідомляють Непполіан та співавт. у своїй роботі важливість та переваги ультразвуку в модифікації та поліпшенні фотокаталітичних властивостей мезопористих частинок TiO2 на нанорозмірних розмірах. [Neppolian et al. 2008 р.]

Нанокодування через ультразвукову реакцію золь-гель

Нанокодування означає покриття матеріалу з наномасштабним шаром або охоплення нанорозмірні об'єкти. Тим самим одержують інкапсульовані або структури ядро-оболонки. Такі нанокомпозити мають фізичні та хімічні високоефективні властивості завдяки комбінованим специфічним характеристикам та / або структурувальній дії компонентів.
Очевидно, буде продемонстровано процедуру покриття частинок оксиду індію олова (ІТО). Частинки ITO покриті кремнеземом у двоступеневому процесі, як показано в дослідженні Чена (2009). На першому хімічному етапі порошок окису олова індію проходить аміносиланову поверхневу обробку. Другий крок - кремнеземисте покриття під ультразвуком. Щоб навести конкретний приклад ультразвукової обробки та його наслідків, описаний нижче крок, представлений в дослідженні Ченом:
Типовий процес для цього кроку такий: 10 г ПГТС повільно змішують з 20г води, підкисленої соляною кислотою (НСl) (рН = 1,5). Потім додавали 4 г вищезазначеного порошку, обробленого аміносиланом, до суміші, що міститься у скляній пляшці по 100 мл. Потім пляшку помістили під зонд сонітатора для постійного ультразвукового опромінення з вихідною потужністю 60 Вт або вище.
Реакція на соль-гель розпочата після приблизно 2-3хв. Ультразвукового опромінення, на якому утворюється біла піна, через виділення спирту при великому гідролізу GLYMO (3- (2,3-Епоксипропокси) пропілтриметоксисилан). Затемнювач застосовують протягом 20 хвилин, після чого розчин перемішують ще кілька годин. Після завершення процесу частинки збирали центрифугуванням і кілька разів промивали водою, потім або сушили для характеристики, або зберігали диспергу у воді або органічних розчинниках. [Чен 2009, с.217]

Висновок

Застосування методів ультразвуку до соль-гель призводить до кращого змішування та деагломерації частинок. Це призводить до меншого розміру часток, сферичної, низькорозмірної форми частки та підвищеної морфології. Так звані соногель характеризуються їх щільністю і тонкою, однорідною структурою. Ці особливості створюються внаслідок уникнення використання розчинника під час сольового утворення, але також і, головним чином, через початкового зшитого стану ретикуляції, індукованої ультразвуком. Після процесу сушіння отримані соногельи представляють структуру частинок, на відміну від їх аналогів, отриманих без застосування ультразвуку, які є нитковими. [Esquivias et al. 2004]
Показано, що використання інтенсивного ультразвуку дозволяє поширювати унікальні матеріали з соль-гелевих процесів. Це робить потужний ультразвук потужним інструментом для дослідження та розробки матеріалів хімії та матеріалів.

Зв'яжіться з нами / Запитуйте додаткову інформацію

Розкажіть нам про ваших вимогах до обробки. Ми будемо рекомендувати найбільш підходящі налаштування та параметри обробки для вашого проекту.





Будь ласка, зверніть увагу на наші Політика конфіденційності.


UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Налаштування ультразвукової рециркуляції 1 кВт з насосом і утримуючим баком дозволяє проводити складну обробку

Література / Довідники

  • Бланко, Е .; Esquivias, L .; Litrán, R .; Пінеро, М .; Рамірес-дель-Солар, М .; Rosa_Fox, N. de la (1999): соногель та похідні матеріали. Апп. Органометал. Хімія 13, 1999. pp. 399-418.
  • Чен, Q .; Boothroyd, C .; Mcintosh Soutar, A .; Зенг, XT (2010): наноколювання солігелем на комерційному нанопорошку ТіО2 за допомогою ультразвуку. J. Sol-Gel Sci. Технол. 53, 2010. С. 115-120.
  • Чен, Q. (2009): Кремнеземне покриття наночастинок за допомогою процесу sonogel. SIMTech 10/4, 2009. Стор 216-220.
  • Esquivias, L .; Роза-Фокс, Н. де ла; Бежарано, М .; Mosquera, MJ (2004): Структура гібридних колоїдних полімерних ксерогелів. Langmuir 20/2004. Стор. 3416-3423.
  • Карамі, А. (2010): Синтез нано порошку TiO2 методом соль-гель і його використання в якості фотокаталізатора. Дж. Іран. Хімія Соц. 7, 2010. с. 154-160.
  • Лі, Х .; Чен, Л .; Лі, Б .; Лі Л. (2005): Підготовка нанопорошків цирконію в ультразвуковому полі методом соль-гель. Trans Tech Pub. 2005 р.
  • Непполіан, Б .; Ванг, Q .; Юнг, Н .; Чой, Г. (2008): Метод соль-гель методом з ультразвуковим методом одержання наночастинок TiO2: Характеристика, властивості та застосування 4-хлорфенолу. Ультразона Соночем. 15, 2008. с. 649-658.
  • П'єр, AC; Рігаччі, А. (2011): SiO2 Аерогелі. В: М. А. Егертер та ін. (ред.): Довідник "Аерогель", "Прогрес у похідних матеріалах та технологіях SolGel". Springer Science + Business: Нью-Йорк, 2011. стор. 21-45.
  • Рабинович Е.М. (1994): Обробка солі-гель - загальні принципи. В: LC Klein (Ed.) Sol-Gel Optics: Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers: Бостон, 1994. С. 1-37.
  • Роза-Фокс, Н. де ла; Пінеро, М .; Esquivias, L. (2002): Органо-неорганічні гібридні матеріали з соногель. 2002 р.
  • Роза-Фокс, Н. де ла; Esquivias, L. (1990): Структурні дослідження силікатних соногель. J. Non-Cryst. Solids 121, 1990. pp. 211-215.
  • Сакка, S .; Камя, К. (1982): перехід соль-гель: утворення скляних волокон & Тонкі плівки. J. Non-crystalline Solids 38, 1982. p. 31
  • Сантос, ХМ; Лодейро, C .; Martínez, J.-L. (2009): Сила ультразвуку. В: J.-L. Martínez (ред.): УЗД в хімії: аналітичні додатки. Вілей-ВЧ: Вайнхайм, 2009. р. 1-16.
  • Шахруз, Н .; Hossain, MM (2011): Синтез та регулювання розмірів наночастинок TiO2 фотокаталізатора з використанням методу Sol-Gel. Світ Appl. Наука J. 12, 2011. С. 1981-1986.
  • Суслик, К.С. Ціна, ГДж (1999 р.): Застосування хімічних речовин ультразвуку до матеріалів. Анну. Rev. Mater. Наука 29, 1999. pp. 295-326.
  • Суслик, К.С. (1998): Сонохімія. В: Кірк-Отмер Енциклопедія хімічної технології, т. 26, 4го. ред., Дж. Вілі & Сини: Нью-Йорк, 1998. С. 517-541.
  • Верма, Л.Й .; Сінгх, депутат; Сінгх Р. К. (2012): Вплив ультразвукового випромінювання на підготовку та властивості іоногель. Дж. Наномат. 2012 р.
  • Чжан, Л.-З .; Ю. Ю .; Ю., Д. К. (2002): Пряма сонохімічна підготовка високо фотоактивного мезопористого діоксиду титану з бікристалічною структурою. Тези доповідей 201-го засідання електрохімічного суспільства, 2002.
  • https://www.hielscher.com/sonochem