Chap-Gel jarayonlarni bo'yicha Sonochemical ta'siri
Ultra nozik nano o'lchamdagi zarralar va sferik shakldagi zarralar, yupqa plyonkali qoplamalar, tolalar, gözenekli va zich materiallar, shuningdek, o'ta g'ovakli aerojellar va kserogellar yuqori samarali materiallarni ishlab chiqish va ishlab chiqarish uchun yuqori potentsial qo'shimchalardir. Kolloid suspenziyalar yoki polimerlardan suyuqlikdagi sol-gel usuli orqali ilg'or materiallar, jumladan, keramika, juda g'ovakli, o'ta engil aerojellar va organik-noorganik duragaylar sintezlanishi mumkin. Material o'ziga xos xususiyatlarga ega, chunki hosil bo'lgan zarrachalar nanometr o'lchamiga ega. Shunday qilib, sol-gel jarayoni nanokimyoning bir qismidir.
Quyida ultratovushli sol-gel yo'llari orqali nano o'lchamdagi materialning sintezi ko'rib chiqiladi.
Sol-Gel jarayoni
Sol-gel va tegishli ishlov berish quyidagi bosqichlarni o'z ichiga oladi:
- soluvchi yoki cho‘ktiruvchi kukun tayyorlash, qolipda yoki substratda (plyonkalar bo‘lsa) zolni jellash yoki cho‘ktirilgan kukundan va uning jellanishidan ikkinchi zol tayyorlash yoki gel bo‘lmagan yo‘llar bilan kukunni korpusga aylantirish;
- quritish;
- kuydirish va sinterlash. [Rabinovich 1994]
1-jadval: Sol-Gel sintezi bosqichlari va quyi oqim jarayonlari
Sol-gel reaktsiyalari uchun ultratovushli reaktor
Sol-gel jarayonlari metall oksidlari yoki gibrid polimerlarning integratsiyalashgan tarmog'ini (gel deb ataladigan) ishlab chiqarish uchun ho'l-kimyoviy sintez usulidir. Prekursorlar sifatida odatda noorganik metall tuzlari, masalan, metall xloridlari va metall alkoksidlari kabi organik metall birikmalari ishlatiladi. Sol – prekursorlarning suspenziyasidan iborat – suyuq va qattiq fazadan iborat bo'lgan jelga o'xshash difazali tizimga aylanadi. Sol-gel jarayonida sodir bo'ladigan kimyoviy reaktsiyalar gidroliz, polikondensatsiya va gellanishdir.
Gidroliz va polikondensatsiya jarayonida erituvchida tarqalgan nanozarrachalardan tashkil topgan kolloid (zol) hosil bo'ladi. Mavjud eritma fazasi jelga aylanadi.
Olingan gel-faza zarrachalar tomonidan hosil bo'ladi, ularning o'lchamlari va shakllanishi diskret kolloid zarralardan uzluksiz zanjirga o'xshash polimerlargacha juda farq qilishi mumkin. Shakl va hajmi kimyoviy sharoitga bog'liq. SiO2 alkogellari ustida olib borilgan kuzatishlardan umumiy xulosaga kelish mumkinki, bazaviy katalizlangan eritma monomer-klasterlar yigʻilishi natijasida hosil boʻlgan diskret turga ega boʻlib, ular ancha ixcham va yuqori tarmoqlangan. Ularga sedimentatsiya va tortishish kuchlari ta'sir qiladi.
Kislota-katalizlangan eritmalar juda chigallashgan polimer zanjirlaridan hosil bo'lib, ular juda nozik mikro tuzilmani va material bo'ylab bir xil ko'rinadigan juda kichik teshiklarni ko'rsatadi. Past zichlikdagi polimerlarning yanada ochiq uzluksiz tarmog'ini shakllantirish 2 va 3 o'lchovlarda yuqori samarali shisha va shisha/keramika komponentlarini shakllantirishda jismoniy xususiyatlarga nisbatan ma'lum afzalliklarni ko'rsatadi. [Sakka va boshqalar. 1982]
Keyingi ishlov berish bosqichlarida, shpin-qoplama yoki dip qoplama orqali substratlarni yupqa plyonkalar bilan qoplash yoki zolni qolipga quyish orqali nam jel deb ataladigan hosil qilish mumkin bo'ladi. Qo'shimcha quritish va isitishdan so'ng zich material olinadi.
Pastki oqim jarayonining keyingi bosqichlarida olingan jelni qo'shimcha ravishda qayta ishlash mumkin. Yog'ingarchilik, buzadigan amallar piroliz yoki emulsiya texnikasi orqali o'ta nozik va bir xil kukunlar hosil bo'lishi mumkin. Yoki yuqori g'ovaklik va juda past zichlik bilan ajralib turadigan aerojellar deb ataladigan narsalarni nam jelning suyuq fazasini olish orqali yaratish mumkin. Shuning uchun odatda o'ta kritik shartlar talab qilinadi.
2-jadval: Mezoporoz TiO2 ning ultratovushli sol-gel sintezi [Yu va boshq., Chem. Kommun. 2003, 2078]
Yuqori quvvatli ultratovush va uning sonokimyoviy ta'siri
Yuqori quvvatli, past chastotali ultratovush kimyoviy jarayonlar uchun yuqori imkoniyatlarni taqdim etadi. Kuchli ultratovush to'lqinlari suyuq muhitga kiritilganda, chastotaga qarab stavkalari bo'lgan yuqori bosimli va past bosimli tsikllar paydo bo'ladi. Yuqori bosim davrlari siqishni anglatadi, past chastotali davrlar esa muhitning kamdan-kam bo'lishini anglatadi. Past bosimli (kamdan-kam uchraydigan) tsikl davomida yuqori quvvatli ultratovush suyuqlikda kichik vakuum pufakchalarini hosil qiladi. Ushbu vakuum pufakchalari bir necha davrlarda o'sadi.
Ultratovush intensivligiga ko'ra, suyuqlik turli darajada siqiladi va cho'ziladi. Bu kavitatsiya pufakchalari ikki yo'l bilan harakat qilishi mumkinligini anglatadi. Taxminan 1-3 Vt/sm² past ultratovush intensivligida kavitatsiya pufakchalari ko'plab akustik davrlar uchun muvozanat o'lchami atrofida tebranadi. Ushbu hodisa barqaror kavitatsiya deb ataladi. Yuqori ultratovush intensivligida (10 Vt/sm² gacha) kavitatsiya pufakchalari bir necha akustik tsikllar ichida hosil bo'ladi va pufakcha energiyani o'zlashtira olmay qolganda siqilish nuqtasida qulashdan oldin dastlabki o'lchamidan kamida ikki baravar radiusga etadi. Bu vaqtinchalik yoki inertial kavitatsiya deb ataladi. Pufak portlashi paytida mahalliy deb ataladigan issiq nuqtalar paydo bo'ladi, ular ekstremal sharoitlarga ega: juda yuqori haroratlar (taxminan 5000 K) va bosimlarga (taxminan 2000 atm) erishiladi. Kavitatsiya pufakchasining portlashi natijasida 280 m / s gacha tezlikda suyuqlik oqimi ham paydo bo'ladi, bu esa juda yuqori kesish kuchlarini yaratadi. [Suslick 1998/ Santos va boshq. 2009]
Yuqori quvvatli ultratovush apparati UIP1500hdT sol-gel reaktsiyalarining doimiy sonokimyoviy kuchayishi uchun
Sono-Ormosil
Sonikatsiya polimerlarni sintez qilish uchun samarali vositadir. Ultrasonik dispersiya va deaglomeratsiya jarayonida molekulyar zanjirlarni tasodifiy bo'lmagan jarayonda cho'zuvchi va buzadigan kaviatsion kesish kuchlari molekulyar og'irlik va poli-dispersiyaning pasayishiga olib keladi. Bundan tashqari, ko'p fazali tizimlar juda samarali disperslangan va emulsiyalangan, shuning uchun juda nozik aralashmalar ta'minlanadi. Bu shuni anglatadiki, ultratovush an'anaviy aralashtirishga qaraganda polimerizatsiya tezligini oshiradi va past polidisperslik bilan yuqori molekulyar og'irliklarga olib keladi.
Ormosillar (organik modifikatsiyalangan silikat) sol-gel jarayonida silan jeldan olingan silika qo'shilganda olinadi. Mahsulot mexanik xususiyatlari yaxshilangan molekulyar miqyosdagi kompozitsiyadir. Sono-Ormosillar klassik jellarga qaraganda yuqori zichlik va yaxshilangan termal barqarorlik bilan ajralib turadi. Shuning uchun tushuntirish polimerizatsiya darajasining oshishi bo'lishi mumkin. [Rosa-Foks va boshqalar. 2002]
Ultrasonik Sol-Gel sintezi orqali Mesoporous TiO2
Mesoporous TiO2 fotokatalizator sifatida, shuningdek, elektronika, sensorlar texnologiyasi va atrof-muhitni yaxshilashda ishlatiladi. Optimallashtirilgan materiallar xususiyatlari uchun yuqori kristallilik va katta sirt maydoni bilan TiO2 ishlab chiqarishga qaratilgan. Ultrasonik yordamchi sol-gel marshrutining afzalligi shundaki, TiO2 ning ichki va tashqi xususiyatlari, masalan, zarrachalar hajmi, sirt maydoni, g'ovak hajmi, g'ovak diametri, kristallik, shuningdek, anataza, rutil va brukit faza nisbati ta'sir qilishi mumkin. parametrlarini nazorat qilish orqali.
Milani va boshqalar. (2011) TiO2 anataza nanozarrachalarining sintezini ko'rsatdi. Shuning uchun, sol-gel jarayoni TiCl4 kashshofiga qo'llanildi va ultratovushli va ultratovushsiz ikkala usul ham taqqoslandi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, ultratovushli nurlanish sol-gel usuli bilan tayyorlangan eritmaning barcha komponentlariga monoton ta'sir ko'rsatadi va eritmadagi katta nanometrik kolloidlarning bo'sh bo'g'inlarining uzilishiga olib keladi. Shunday qilib, kichikroq nanozarrachalar hosil bo'ladi. Mahalliy ravishda yuzaga keladigan yuqori bosim va haroratlar uzun polimer zanjirlaridagi bog'lanishlarni, shuningdek, kichikroq zarralarni bog'laydigan zaif zvenolarni buzadi, ular orqali kattaroq kolloid massalar hosil bo'ladi. Ikkala TiO2 namunasini ultratovush nurlanishida va yo'qligida taqqoslash quyidagi SEM tasvirlarida ko'rsatilgan (2-rasmga qarang).
Rasm. 2: TiO2 pwderining SEM tasvirlari, 1 soat davomida 400 degC da kaltsiylangan va jelatinlanish vaqti 24 soat: (a) ultratovush mavjud bo'lganda va (b) yo'qligida. [Milani va boshqalar. 2011]
Bundan tashqari, kimyoviy reaktsiyalar, masalan, kimyoviy aloqalarning uzilishi, kimyoviy reaktivlikning sezilarli darajada oshishi yoki molekulyar degradatsiyani o'z ichiga olgan sonokimyoviy ta'sirlardan foyda olishi mumkin.
sono-gellar – Sonokimyoviy takomillashtirilgan Sol-Gel reaktsiyalari
Sono-katalitik yordamli sol-gel reaktsiyalarida prekursorlarga ultratovush qo'llaniladi. Olingan yangi xususiyatlarga ega materiallar sonogels deb nomlanadi. Akustik kavitatsiya bilan birgalikda qo'shimcha erituvchining yo'qligi tufayli sol-gel reaktsiyalari uchun noyob muhit yaratiladi, bu hosil bo'lgan jellarda o'ziga xos xususiyatlarni shakllantirishga imkon beradi: yuqori zichlik, nozik tekstura, bir hil tuzilish va boshqalar. Bu xususiyatlar aniqlaydi. keyingi qayta ishlash bo'yicha sonogellarning evolyutsiyasi va yakuniy material tuzilishi. [Blanco va boshqalar. 1999]
Suslick va Price (1999) shuni ko'rsatadiki, Si(OC) ning ultratovush nurlanishi2H5)4 kislotali katalizatorli suvda silika "sonogel" hosil qiladi. Silikagellarni an'anaviy tayyorlashda Si(OC2H5)4, etanol Si(OC) ning eruvchanligi tufayli tez-tez ishlatiladigan birgalikda erituvchi hisoblanadi2H5)4 suvda. Bunday erituvchilardan foydalanish ko'pincha muammoli, chunki ular quritish bosqichida yorilishga olib kelishi mumkin. Ultrasonikatsiya yuqori samarali aralashtirishni ta'minlaydi, shuning uchun etanol kabi uchuvchi birgalikda erituvchilardan qochish mumkin. Bu an'anaviy ishlab chiqarilgan jellarga qaraganda yuqori zichlik bilan tavsiflangan silika sono-geliga olib keladi. [Suslick va boshqalar. 1999, 319f.]
An'anaviy aerojellar katta bo'sh teshiklari bo'lgan past zichlikdagi matritsadan iborat. Bundan farqli o'laroq, sonogellar nozik g'ovaklikka ega va g'ovaklari juda sharsimon, silliq yuzaga ega. Yuqori burchakli mintaqada 4 dan katta qiyaliklar g'ovak-matritsa chegaralarida muhim elektron zichlik tebranishlarini ko'rsatadi [Rosa-Fox va boshq. 1990].
Kukun namunalari sirtining tasvirlari ultratovush to'lqinlaridan foydalanish zarrachalarning o'rtacha kattaligida ko'proq bir xillikka olib kelishi va kichik zarrachalarga olib kelishini aniq ko'rsatadi. Sonikatsiya tufayli o'rtacha zarracha hajmi taxminan kamayadi. 3 nm. [Milani va boshqalar. 2011]
Ultratovushning ijobiy ta'siri turli tadqiqot ishlarida isbotlangan. Masalan, hisobot Neppolian va boshqalar. o'z ishlarida mezoporoz nano-o'lchamdagi TiO2 zarrachalarining fotokatalitik xususiyatlarini o'zgartirish va yaxshilashda ultrasonikatsiyaning ahamiyati va afzalliklari. [Neppolian va boshqalar. 2008]
Ultrasonik Sol-Gel reaktsiyasi orqali nano qoplama
Nano qoplama materialni nano o'lchamdagi qatlam bilan qoplash yoki nano o'lchamdagi ob'ektni qoplashni anglatadi. Shunday qilib, kapsulalangan yoki yadroli qobiqli tuzilmalar olinadi. Bunday nanokompozitlar tarkibiy qismlarning birlashtirilgan o'ziga xos xususiyatlari va / yoki tuzilish effektlari tufayli jismoniy va kimyoviy yuqori samarali xususiyatlarga ega.
Misol tariqasida, indiy qalay oksidi (ITO) zarralarini qoplash tartibi ko'rsatiladi. Chen (2009) tadqiqotida ko'rsatilganidek, hind qalay oksidi zarralari ikki bosqichli jarayonda silika bilan qoplangan. Birinchi kimyoviy bosqichda indiy qalay oksidi kukuni aminosilan yuzasi bilan ishlov berishdan o'tadi. Ikkinchi bosqich - ultratovush ostida silika qoplamasi. Sonikatsiya va uning ta'siriga aniq misol berish uchun Chenning tadqiqotida keltirilgan jarayon bosqichi quyida umumlashtiriladi:
Ushbu bosqich uchun odatiy jarayon quyidagicha: 10 g GPTS sekin xlorid kislota (HCl) (pH = 1,5) bilan kislotalangan 20 g suv bilan aralashtiriladi. Keyin 100 ml shisha idishdagi aralashmaga yuqorida aytib o'tilgan aminosilan bilan ishlangan 4 g kukun qo'shildi. Keyin shisha 60 Vt yoki undan yuqori chiqish quvvatiga ega bo'lgan doimiy ultratovush nurlanishi uchun sonikatorning probi ostiga qo'yildi.
Taxminan 2-3 daqiqa ultratovush nurlanishidan so'ng sol-gel reaktsiyasi boshlandi, buning natijasida GLYMO (3-(2,3-epoksipropoksi) propiltrimetoksisilan) ning keng gidrolizi natijasida spirtning ajralib chiqishi tufayli oq ko'pik hosil bo'ldi. Sonikatsiya 20 daqiqa davomida qo'llanildi, shundan so'ng eritma yana bir necha soat davomida aralashtiriladi. Jarayon tugagandan so'ng, zarralar santrifüj orqali yig'ildi va suv bilan qayta-qayta yuvildi, keyin tavsiflash uchun quritildi yoki suvda yoki organik erituvchilarda tarqaldi. [Chen 2009, p.217]
Xulosa
Sol-gel jarayonlariga ultratovushni qo'llash yaxshiroq aralashtirishga va zarrachalarning deaglomeratsiyasiga olib keladi. Bu kichikroq zarrachalar hajmi, sharsimon, past o'lchamli zarracha shakli va rivojlangan morfologiyaga olib keladi. Sono-gellar deb ataladigan moddalar zichligi va nozik, bir hil tuzilishi bilan ajralib turadi. Bu xususiyatlar solvent hosil bo'lishida erituvchidan foydalanishdan qochish tufayli, shuningdek, asosan, ultratovush bilan induktsiya qilingan retikulyatsiyaning dastlabki o'zaro bog'langan holati tufayli yaratilgan. Quritish jarayonidan so'ng, natijada paydo bo'lgan sonogellar, ultratovushni qo'llamasdan olingan hamkasblaridan farqli o'laroq, filamentli bo'lgan zarrachalar tuzilishini taqdim etadi. [Esquivias va boshqalar. 2004]
Intensiv ultratovushdan foydalanish sol-gel jarayonlaridan noyob materiallarni tikish imkonini berishi ko'rsatilgan. Bu yuqori quvvatli ultratovushni kimyo va materiallarni tadqiq qilish va rivojlantirish uchun kuchli vositaga aylantiradi.
UIP1000hdT, 1000 vattli kuchli ultratovushli gomogenizator sonokimyoviy takomillashtirilgan sol-gel sintezi uchun
Adabiyot/Adabiyotlar
- Hernández, R.; Hernández-Reséndiz, J.R.; Cruz-Ramírez, M.; Velázquez-Castillo, R.; Escobar-Alarcón, L.; Ortiz-Frade, L.; Esquivel, K. (2020): Au-TiO2 Synthesized by a Microwave- and Sonochemistry-Assisted Sol-Gel Method: Characterization and Application as Photocatalyst. Catalysts 2020, 10, 1052.
- Isabel Santacruz, M. Isabel Nieto, Jon Binner, Rodrigo Moreno (2009): Gel casting of aqueous suspensions of BaTiO3 nanopowders. Ceramics International, Volume 35, Issue 1, 2009. 321-326,
- Blanco, E.; Esquivias, L.; Litrán, R.; Pinero, M.; Ramírez-del-Solar, M.; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels and Derived Materials. Appl. Organometal. Chem. 13, 1999. pp. 399-418.
- Chen, Q. (2009): Silica coating of nanoparticles by sonogel process. SIMTech 10/4, 2009. pp. 216-220.
- Esquivias, L.; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M.; Mosquera, M. J. (2004): Structure of Hybrid Colloid-Polymer Xerogels. Langmuir 20/2004. pp. 3416-3423.
- Li, X.; Chen, L.; Li, B.; Li. L. (2005): Preparation of Zirconia Nanopowders in Ultrasonic Field by the Sol-Gel Method. Trans Tech Pub. 2005.
- Rabinovich, E. M. (1994): Sol-Gel Processing – General Principles. In: L. C. Klein (Ed.) Sol-Gel Optics: Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994. pp. 1-37.
- Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M.; Esquivias, L. (2002): Organic-Inorganic Hybrid Materials from Sonogels. 2002.
- Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Structural Studies of silica sonogels. J. Non-Cryst. Solids 121, 1990. pp. 211-215.
- Sakka, S.; Kamya, K. (1982): The Sol-Gel Transition: Formation of Glass Fibers & Thin Films. J. Non-Crystalline Solids 38, 1982. p. 31.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C.; Martínez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: J.-L. Martínez (ed.): Ultrasound in Chemistry: Analytical Applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. pp. 1-16.
- Agda Aline Rocha de Oliveira, Bruna Borba de Carvalho, Herman Sander Mansur, Marivalda de Magalhães Pereira (2014): Synthesis and characterization of bioactive glass particles using an ultrasound-assisted sol–gel process: Engineering the morphology and size of sonogels via a poly(ethylene glycol) dispersing agent.
Materials Letters, Volume 133, 2014. 44-48. - Suslick, K. S.; Price, G. J. (1999): Applications of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999. pp. 295-326.
- Suslick, K. S. (1998): Sonochemistry. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 26, 4th. ed., J. Wiley & Sons: New York, 1998. pp. 517-541.
- https://www.hielscher.com/sonochem