نویسنده موضوع: سل ژل  (دفعات بازدید: 2236 بار)

0 کاربر و 1 مهمان درحال دیدن موضوع.

آفلاین یکتـــــــا

  • پیر شهر
  • *
  • ارسال: 1630
  • محتوا: 4
  • فعالیت
    خلاقیت
  • جنسيت : دختر
    • *الماس*
    • Awards
  • محل تحصیل: دبیرستان فرزانگان
سل ژل
« : دسامبر 31, 2011, 08:56:18 pm »
روشهای سل- ژل(روش محلولی)، تراکم بخار خنثی، آلیاژسازی مکانیکی یا برخورد باگلوله های پر انرژی، روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی(آبکاری) از روشهای معمول برای تولید نانو ذرات هستند. اگر چه همه روشهای ذکر شده برای تولید حجم زیادی از نانومواد استفاده می شوند، اما روش سل- ژل هم اکنون می تواند نانوذراتی با کیفیت بالا ( برای مثال اندازه دقیقاً یکسان ذرات) را در حجمی بالا تولید کند. در برخی روشها اندازه ذرات باهم فرق دارد. این روش قادر است همزمان دو یا چند نانوماده را باهم تولید کند. روش سل- ژل می تواند امکان ساخت کامپوزیتهای بسیار همگنی با مواد بسیار خالص (با 99.99 درصد خلوص) را امکان پذیر کند. روش سل- ژل قادر است نسبت به روشهای استاندارد که محدوده دمایی 1400 تا 3600 درجه سانتیگراد دارد، نانومواد سرامیکی و فلزی را در دماهای بسیار پایینتری حدود 70 تا 320 درجه سانتیگراد تولید کند. این روش عیوبی هم دارد. مواد اولیه مورد استفاده در این فرایند بسیار گران قیمت هستند. محصولات به شرایط جوی حساسیت بالایی دارند و در فرایند از مواد سمی استفاده می شود.
 

شکل 1- فرایند سل- ژل در یک نما

ابتدا از ترکیب تعدادی از مواد(آب، الکل، کاتالیزور و آلکوکسید یا نمک فلزی در محلول الکلی) ژلی تهیه می شود که شامل یک جزء جامد و یک بخش مایع است. سپس با تخلیه مایع، ماده متخلخلی بر جای می ماند. شیوه خشک کردن در خواص ساختار نهایی تاثیر دارد.


فرآيند سل- ژل روش جديدي نيست. در سال 1800 «ابل‌من» به طور اتفاقي مشاهده کرد که تتراکلريد سيليکون که در ظرفی رها شده بود، ابتدا هيدروليز و سپس به ژل تبديل شد. در سال 1950 مطالعات گسترده‌اي در زمینه سنتز سراميکﻫﺎ و ساختارهاي شيشه‌اي با استفاده از اين روش آغاز شد. شايان ذکر است که با اين روش، بسياري از اکسيدهاي غيرآلي مانند TiO2، SiO2، ZrO2 سنتز شدند.
ائروژل یکی از محصولات فرایند سل- ژل است. ساده ترین تعریف از یک ائروژل، ژلی خشک است که با حذف رطوبت از یک ژل مرطوب به دست آمده است. بسته به شیوه حذف رطوبت، ساختمان این ژل تا حد زیادی ساختار ژل خیس را حفظ می کند. ژل خیس را می توان با فرایندهای مختلفی آماده کرد. این روشها عموماً روشهای سل- ژل اطلاق می شوند.
خصیصه کلی این فرایندها این است که آنها همراه با فشرده شدن واحدهایی در حد و اندازه مولکولی کنار هم همراهند.
 

شکل 2- متراکم شدن واحدهای مولکولی در کنار هم


تراکم این بلوکهای مولکولی کنار هم، یک محلول کلوییدی و در واقع یک سل(محلول) از نانوذرات می سازد.
 

شکل 3- مرحله آماده کردن سل


نانوذرات در مرحله بعد به هم فشرده و چسبیده می شوند تا یک شبکه یکپارچه را ایجاد کنند که حلال را در بر می گیرد. این شبکه جامد پر از حلال متورم شده و به آن ژل گفته می شود.

شکل 4- چسبیدن ذرات در سل و ایجاد یک ژل


نمونه ساده ای از این فرایند تولید سیلیکا از تترااتوکسی سیلان (TEOS) است. که در شکل نشان داده شده است.
 

 شکل 5- واکنش اولیه ای که منجر به ساخت ائروژل می شود.

شکل 6- غلظتهای مختلف اندازه های مختلف خواهد داد.


علاوه بر سیلیکون، می توان از تیتانیوم نیز سل تهیه کرد. برای اینکار یک ترکیب حاوی تیتانیوم (تتراایزوپروپکساید) در اتانول خالص حل شده و کاتالیزور و آب هم همراه آن می شود.

انتخاب کاتالیزور

واکنش دو ماده آب و آلکوکسید بسيار کُند است و با افزودن الکل محلول رقيق‌تر هم ﻣﻲشود، در نتيجه سرعت واکنش باز هم کاهش مي‌يابد. براي افزايش سرعت واکنش، ﻣﻲتوان از کاتاليزور استفاده کرد. کاتاليزوري را که براي انجام سريع اين واکنش مورد استفاده قرار می دهيم بايد به گونه اي باشد که بعد از انجام واکنش بتوان آن را به‌راحتي از محیط خارج کرد. در گزارش محققان، هم از اسيدها و هم از بازها به عنوان کاتاليزور در آماده سازی ذرات سيليس استفاده می شود که هر کدام مزايا و معايب خود را دارند. در محيطي با خاصيت بازي، ذرات تا اندازة 100 تا 200 نانومتر به‌سرعت رشد ﻣﻲکنند و نيروي دافعه جرمي باعث ﻣﻲشود که ذرات جدا از هم باقي بمانند. در محيط اسيدي ذرات در اندازه 2 تا 4 نانومتر متوقف ﻣﻲشوند، ولي در ادامه فرآيند به‌سرعت به هم ﻣﻲپيوندند و ذرات بزرگتر را تشکيل مي‌دهند. براي سنتز نانوذرات سيليس، از کاتاليزور آمونياک استفاده ﻣﻲشود. از مزاياي آمونياک اين است که نقطه جوش پايين دارد و به سرعت از سيستم بيرون مي رود. ولي از اسيدهايي چون اسيد کلريدريک، نيتريک و استيک نيز مي‌توان استفاده کرد که نقطه جوش بالايي دارند. بنابراين، خارج کردن آنها از محیط کار راحتي ﻧيست.

اصطلاحات مهم واکنشهای سل- ژل

هیدرولیز: واکنش یک آلکوکسید فلزی (M-OR) با آب که یک هیدروکسید فلزی (M-OH) ایجاد می کند.
تراکم: یک واکنش تراکمی وقتی انجام می شود که دو هیدروکسید فلزی (M-OH+HO-M) با هم ترکیب می شوند تا یک اکسید فلزی(M-O-M) ایجاد کنند. واکنش یک مولکول آب بر جای می گذارد.
سل: محلولی از مواد واکنش دهنده مختلف که واکنش های هیدرولیز و تراکم را انجام می دهند. وزن مولکولی نمونه های اکسیدی تولید شده به مرور زمان افزایش می یابد. وقتی این نمونه ها رشد می کنند، در یک شبکه سه بعدی به هم متصل می شوند.

خشک کردن

خصوصیت یک ژل قابلیت درآمدن آن به شکل ظرف، یا قالبی است که در آن آماده می گردد. بسته به سفت بودن ژل، می توان یک تکه مستقل با حفره های بزرگ به دست آورد. از آنجا که حلال در این وضعیت یک جزء داخلی ژل محسوب می شود (که در واقع شبکه را پابرجا نگهداشته) ثبات ساختار حفره ها با برداشتن حلال بسیار دشوار است. معمولاً باید اجازه داد ساختار ژل قبل از خشک کردن ،رسیده شود (کمی بماند) تا پیوندهای بین ذرات استوارتر شود. این مرحله می تواند بین چند ساعت تا چند روز طول بکشد. طی فرایند ماندن، ژل به تغییرات خود ادامه می دهد. در برخی موارد فاز مایع با خروج حلال از ژل جدا می شود. این امر به فشرده شدن مشهود بدنه ژل منجر می شود.

شکل 7- فرایند سل- ژل

در فرایند سل- ژل در مرحله اول مواد شیمیایی در محلول ذرات نانومتری به نام سل می سازند. در مرحله بعد این ذرات به هم متصل می شوند و شبکه سه بعدی جامدی به نام ژل ایجاد می کنند. محلول می تواند به روش فوق بحرانی برداشته شود تا ائروژل ساخته شود یا در دمای معمولی خشک شود و ژل خشک(خِروژل) ایجاد کند.

شکل 8- مراحل مختلف جدا کردن فاز مایع از ژل

وقتی که ژل تهیه شد می توانیم از راههای مختلف فاز مایع را جدا کنیم. یک راه آن این است که ماده را در محیط قرار دهیم تا خود به خود خشک شود. ماده حاصله زروژل نام می گیرد و حفره های کمتری دارد و متراکم است. راه دیگر روش فوق بحرانی است که در آن تغییرات شبکه جامد به حداقل می رسد. ماده حاصل دارای شبکه متخلخل وپوکی است که ائروژل نامیده می شود.

مرحله بعدی خشک کردن است. خشک کردن با یک فرایند ساده تبخیر یا با برداشتن حلال در خلاء امکان پذیر است. در اثر نیروهای مویینگی که از برهمکنش بین حلال و دیواره های ساختمان ماده در اثر تبخیر حلال ایجاد می شوند و اتصال و شبکه سازی گروههای فعال در طول شکاف ها، انتظار این است که میزان تخلخل کاهش یابد؛ اگر چنین باشد بعد از خشک شدن ژل، این تغییر قابل بازگشت نیست. یک راه مقابله با این مشکل حذف سطح تماسی بین فاز گاز و مایع در سیستم است. این موضوع می تواند با برداشتن حلال ها در زمانی که در حالت فوق بحرانیشان هستند حاصل شود. نقطه فوق بحرانی در نمودار فازی جایی است که گاز و مایع به صورت فازهای جدا از هم وجود ندارند. شکل 10را ببینید.
بنابراین حلال بدون نیاز به تغییر فاز برداشته می شود. فلش ها و اعداد شکل مسیرهای ممکن را برای رسیدن به این نقطه نشان می دهد. ابتدا، در یک محفظه کاملاً بسته دما تا بالای نقطه بحرانی(Tc) افزایش می یابد که فشار را از فشار بحرانی بالاتر می برد، Pc، و در نتیجه حالت فوق بحرانی حاصل می شود.
در ادامه در عین حال که دما بالاتر از دمای بحرانی است فشار کم می شود و به این ترتیب سیال فوق بحرانی مستقیماً به فاز بخار می رود و از داخل اتاقک آزاد می شود. چون فشار لازم برای این کار برای حلال های معمولی بالاتر از 6 مگاپاسکال است، به یک اتوکلاو نیاز است. در حالی که الکل(محصول جانبی تراکم آلکوکسیدهای سیلیکونی به صورت سیلیکا) به دماهای بالایی برای رسیدن به حالت بحرانی نیاز دارد (EtOH: C˚243Tc=)، CO2 در دمایی پایینتر از دمای اتاق(C˚31Tc=) بحرانی می شود. روش خشک کردن فوق بحرانی سرد (روش CO2) این مزیت را نیز دارد که مواد حاصله تخلخل و مساحت سطح بالاتری به دست می آورند، در حالی که در دماهای بالا (روش خشک کردن فوق بحرانی داغ) ماندن ماتریس تسهیل می شود .
چگونه یک سیال فوق بحرانی بسازیم؟
وقتی آب در دیگی سر باز داغ شود دمای آن از دمای جوش بالاتر نمی رود تا زمانی که خشک شود. اما اگر آب را در یک محفظه بدون درز و کاملاً بسته داغ کنیم دمای آن می تواند از دمای جوش خیلی بالاتر برود.
 

شکل 9-  دستیابی به شرایط فوق بحرانی شرایط ویژه ای نیاز دارد.


برای حصول شرایط فوق بحرانی برای سیال ،دستگاههایی بطور تجاری وجود دارد. روشهای معمول فوق بحرانی معمولاً به زمان قابل توجهی برای فرایند طولانی ماندن (مرحله پیش از خشک کردن) و همچنین مراحل شستشویی که ممکن بود برای برداشتن محصولات جانبی لازم باشد نیاز داشت. چنانچه در مواردی که از روش سرد استفاده می شد برای جایگزین کردن حلال اولیه با دی اکسید کربن این روشها خیلی زمان بر بود. برای سرعت دادن به فرایند، چند گروه روشهای استخراج فوق بحرانی سریع (RSCE) را توسعه دادند.

 شکل 10-دیاگرام فازی فشار-دما برای رسیدن به شرایط بحرانی

در نمودار دیاگرام فازی فشاری دمایی، Pc و Tc به ترتیب به فشار و دمای بحرانی اشاره دارند. پیکان های 1 و 2 مسیر خشک کردن فوق بحرانی را نشان می دهند. در ابتدا مایع با افزایش دما به سیال فوق بحرانی تبدیل می شود. فشار هم همزمان افزایش می یابد. در ادامه با ثابت نگهداشتن دما ،فشار پایین آورده می شود. بنابر این سیال فوق بحرانی به فاز گازی تبدیل می شود تا برداشته شود.

تیمی از دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) روشی شبیه به روش قالبریزی تزریقی( درساخت قطعات پلاستیکی) را ایجاد کرده اند که در آن مواد واکنش دهنده در یک قالب محکم ریخته شده و خیلی سریع داغ می شوند تا مراحل ژل شدن و ماندن سریعتر انجام شوند. وقتی دما از دما و فشار بحرانی گذشت، فشار برداشته می شود.

کاربردها

روش سل- ژل در تعدادی از محصولات زندگی روزمره مورد استفاده قرار گرفته است.

شکل 11- برخی از کاربردهای روش سل- ژل در ساخت وسایل مورد نیاز روزمره

روش سل-ژل در تهیه سرامیک های متراکم، افزایش کیفیت پوششها، پوشش شیشه ها و تهیه الیاف سرامیکی و فیلمهای نازک مورد استفاده قرار می گیرد. یکنواختی ابعاد ذرات در سمت چپ پایین ملاحظه می شود. 

شکل 12- فرایند کلی روشهای سل- ژل


برای پوشش دهی یک پارچه پنبه ای ابتدا پارچه کاملاً تمیز شده و در آون خشک می شود. سپس پنج دقیقه آن را در محلول سل تهیه شده غوطه ور می کنیم و بعد از عملیات غوطه وری نمونه را روی یک صفحه سیمی مشبک می گذاریم تا رطوبت اضافی آن کاملاً برود. اگر پارچه را به مدت 10 دقیقه در دمای 80 درجه سانتیگراد درون آون قرار دهیم، اتانول(قسمت خیس سل-ژل)می پرد. سپس برای تبدیل شدن ژل به یک فیلم جامد پارچه به مدت پنج دقیقه در دمای150 درجه قرار می گیرد تا کاملاً پخته شود.
 
 :گریه: دیگه اینـجا غریـبه ام ....