Золь-гель синтез как метод получения наноматериалов
Сведения о механизме, методах и областях применения золь-гель технологии. Характеристики и особенности материалов, создаваемых при помощи золь-гель синтеза. Золь-гель процессы, направленные на получение неорганических стекловидных керамических материалов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.01.2019 |
| Размер файла | 474,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Иркутский национальный исследовательский технический университет
Золь-гель синтез как метод получения наноматериалов
С.С. Шашкина
Аннотации
Обобщены сведения о механизме, методах и областях применения золь-гель технологии. Показаны характеристики и особенности материалов, создаваемых при помощи золь-гель синтеза.
Ключевые слова: нанотехнологии, золь-гель синтез, наноматериалы.
The article generalizes the information about the mechanism, methods and field of use of sol-gel technology. It shows the characteristics and features of materials obtained in the result of sol-gel synthesis.
Keywords: nanotechnologies; sol-gel synthesis; nanomaterials.
Основное содержание исследования
Создание и исследование принципиально новых материалов, обладающих заданным набором свойств, является приоритетной задачей современной науки. Наиболее перспективным путем является развитие нанотехнологий. Прорывом в данной области можно считать введение массового синтеза наноматериалов - материалов, имеющих набор уникальных характеристик. Одна из наиболее передовых методик создания подобных "умных" материалов - золь-гель синтез. Технология является сравнительно простым методом получения наноматериалов, но с практической точки зрения классического подхода к осуществлению золь-гель синтеза для получения функциональных материалов недостаточно [1].
Понятия "золь-гель синтез", "золь-гель системы" и т.д. были введены в качестве самостоятельных научных направлений после выхода известной монографии C. Jeffery Brinker [2]. В этой работе были систематизированы данные по методам осуществления синтеза и последующего изучения свойств и структур материалов, образующихся в золь-гель процессах. Интерес к данным процессам обусловлен пониманием того, что практически все продукты синтеза представляют собой наноматериалы, обладающие комплексом уникальных свойств.
Золь-гель синтез-метод получения материалов на основе перехода гомогенного раствора в золь, а затем - в гель, т.е. в коллоидную систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, заключенной в пространственную сетку, образованной соединившимися частицами дисперсионной фазы [3]. Данный термин объединяет обширную группу методов синтеза материалов из растворов, ключевым элементом которых является образование геля на одной из стадий.
В золь-гель технологии золь - это дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и твердой нанодисперсной фазой.
В золь-гель технологии прекурсор - это вещество, которое при определенных условиях может образовывать полимолекулы, полисольватированные группы, мицеллы, из которых будут формировать зародыши наночастиц золя.
Маккензи (John D. Mackenzie), американский исследователь и специалист в области золь-гель процессов, предложил нижеследующий вариант классификации [4].
Процессы первого поколения - золь-гель процессы, направленные на получение неорганических стекловидных керамических материалов.
Исследования, проводившиеся в 1984-1986 гг., показали возможность получения гибридных, органо-неорганических материалов. Формирование проводилось путем "вставки" неорганических фрагментов в органические матрицы или, наоборот, органических моно - и олигомеров в неорганические сетки. Данные процессы являются вторым поколением золь-гель процессов.
Существует две разновидности гибридных органо-неорганических материалов, отличающихся друг от друга типом связей. В первом случае органические и неорганические группировки связаны ковалентными, координационными и ионными связями. Во втором - слабыми физическими связями.
В настоящее время применяются несколько вариантов золь-гель синтеза:
1. Первый и наиболее известный метод основан на взаимодействии пералкоксипроизводных (Si, Ti, B, Al и др.) с органилтриалкоксисиланами (R4-mSi (OR') m) (m = 32). Один из самых многочисленных классов наногибридов - ормосилы - формируется при проведении реакций гидролитической поликонденсации алкоксидов. Контролировать уровень газо - или жидкостной проницаемости удается за счет изменения природы органических групп у атомов кремния и пористости ормосилов.
2. Использование неорганических алкоксидов и органических мономеров, олигомеров или полимеров, содержащих функциональные группы (NH2, OH и др.), способствует формированию систем, в которых отсутствуют ковалентные связи между органическим компонентом и неорганической сеткой. Подобные системы обладают способностью специфического взаимодействия с неорганической матрицей через образование ассоциативных связей. За счет данных взаимодействий происходит фазовое разделение с выделением органической фазы. Иногда происходит слияние органического и неорганического компонентов на микроуровне, что приводит к формированию прозрачных нанокомпозитов. Однако данный метод изучен не до конца и не получил дальнейшего развития.
3. Третий метод основан на использовании телехелевых олигомеров и полимеров, в составе которых присутствуют функциональные группы на концах цепей. Формирование гибридной органо-неорганической сетки происходит в процессе конденсации алкоксигрупп телехелевого полимера с алкосигруппами прекурсора. Преимуществом данного метода является возможность получения органо-неорганических сеток, обладающих строго определенной структурой.
4. Данный метод позволяет создавать взаимопроникающие неорганические и органические полимерные сетки. Результатом разделения фаз на наноуровне приводит к формированию наноразмерных областей различных фаз.
Процесс золь-гель синтеза состоит из нескольких стадий.
На первой стадии происходит формирование химического состава продукта, включающего в себя определенное соотношение компонентов, представляющего собой высокодисперсный раствор с частицами дисперсной фазы 10-9 - 10-6 м [5]. Путем проведения реакций гидролиза и поликонденсации происходит формирование коллоидного раствора. Для того чтобы инициировать гидролиз и регулировать скорость реакции, добавляют катализаторы - кислоты или щелочи.
золь гель синтез материал
Введение модифицирующих добавок способствует приобретению новых полезных свойств получаемыми материалами.
На следующей стадии процесса происходит коагуляция раствора в результате агрегации мелкодисперсных частиц и формирование пространственной сетки геля.
На завершающих стадиях в результате удаления дисперсионной среды происходит уплотнение структуры геля, сжимание сетки. Исключительно важную роль в процессе играет сушка (удаление растворителя). В зависимости от метода их осуществления могут быть получены такие продукты, как: ксерогели, амбигели, криогели и аэрогели (рис.1).
Рис. 1. Продукты золь-гель синтеза
Отличительными чертами данных продуктов являются высокие значения удельной поверхности при существенных различиях в объемной плотности, а также сохранение наноразмеров элементов структуры.
Процесс золь-гель синтеза можно наглядно продемонстрировать на примере гидролитической поликонденсации алкоксисиланов Si (OR) 4, где R - радикал (CH3, С2Н5 и т.д.). На рис.2 приведены основные реакции, в результате которых образуется структура кремнезоля.
Рис. 2. Механизм формирования кремнезоля
Свойства и структуру соединения можно изменять за счет введения различных органических радикалов и функциональных групп. При введении органических радикалов материал трансформируется в органо-неорганический.
Введение легирующих добавок также позволяет модифицировать свойства получаемых материалов. Данный процесс осуществляется за счет добавления определенного количества раствора кислоты или соли, имеющего в своем составе нужный элемент. Выбранный допант внедряется в структурную сетку золя и геля в ионной или молекулярной форме. В полученном нанокомпозите наночастицы допантов будут равномерно распределены во всей структуре покрытия.
Золь-гель метод обладает обширным набором преимуществ. Простота и технологичность процессов способствует их внедрению в промышленное производство, автоматизации и механизации. Как и в других методах "мягкой химии", для проведения синтеза не требуется использование высоких температур. Состав получаемых материалов поддается модификации и воспроизведению. За счет введения специальных добавок и изменения условий гелеобразования возможно управление структурой и формой получаемых наноматериалов. Механические свойства золей и гелей дают возможность их нанесения на подложку или пропитку пористых материалов с последующим образованием пленок и композитов [6].
Применение золь-гель синтеза позволяет получать сложные органо-неорганические гибридные материалы, обладающие повышенной чувствительностью к высоким температурам, а также люминесцентные поверхностно-модифицированные материалы, мембраны и т.д. (таблица).
Основные виды и характеристики материалов
|
Продукция |
Свойства |
|
|
Волокна |
Получение вытяжки из раствора, чистота, низкие температуры плавления |
|
|
Покрытия |
Получение оксидных покрытий, керметов. Высокая гомогенность |
|
|
Порошки |
Более низкая температура получения спеченных керамических масс, исключение процесса измельчения, получение высокодисперсных порошков с пористой структурой |
|
|
Пустотелые сферы |
Оболочки для ядерного топлива |
|
|
Пористые продукты |
Подложки для катализаторов, получение материалов с одинаковым размером пор |
|
|
Монолиты |
Стержни, трубки, пластины, чистота и низкие температуры процесса |
|
|
Ормосилы, ормокеры |
Модифицированные органо-неорганические сетки |
Применение наноразмерных пленок (30-200 нм) в качестве мембран для жидкостных и газовых сенсоров, каталитических покрытий газовых сенсоров, чувствительных элементов металооксидных сенсоров, а также мембран топливных элементов является одним из наиболее перспективных направлений развития данной технологии.
Библиографический список
1. Третья международная конференция стран СНГ "Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем": тезисы докладов. Суздаль, 2014. С.9.
2. Brinker C. J., Scherer G. W. Sol-Gel Science. The physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. San Diego: Academic Press, Inc. 1990.
3. Пожидаев Ю.Н., Лебедева О.В., Шаглаева Н.С. Наноструктурированные полимеры и органо-неорганические композиты. Иркутск: ИрГТУ, 2009.143 с.
4. Шилова О. А, Кручинина И.Ю. Успехи в получении наноматериалов. Курс лекций. Золь-гель технология микро - и наночастиц и нанокомпозитов. 2014. С.10-26.
5. Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Основы золь-гель технологии нанодисперстного кремнезема. М.: ИКЦ "Академкнига", 2004.208 с.
6. Курлов А., Павленко А., Пустовгар Е., Шестаков М. Почему золь-гель метод столь популярен? [Электронный ресурс] 2010. URL: http://www.nanometer.ru/2010/10/17/zol_gel_219461.html (10.11.2016).
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Применение газовых сенсоров в системах автоматической пожарной сигнализации. Основные стадии наночастиц и наноматериалов. Механические свойства наноматериалов. Мицеллярные и полимерные гели. Золь-гель метод синтеза тонких пленок с солями металлов.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 21.12.2016Сущность и преимущества золь-гель-технологии синтеза порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Технологические свойства, структура и фазовый состав полученных порошков и напыленных из них покрытий, перспективы их применения.
статья [172,1 K], добавлен 05.08.2013Организация контроля и управление качеством покрытий, получаемых по золь-гель технологии. Схема изготовления модифицированного золь-гель пленкой изделия. Разработанная технологическая схема. Описание оборудования, используемого для контроля ПОР.
лекция [710,1 K], добавлен 04.10.2014Виды и свойства керамических покрытий, способы получения. Электронные ускорители низких энергий в технологиях получения покрытий. Нанесение покрытий CVD-методом. Золь-гель технология. Исследование свойств нанесенных покрытий, их возможные дефекты.
курсовая работа [922,9 K], добавлен 11.10.2011Исторические сведения о возникновении керамики, область ее применения. Современные технологии керамических материалов. Производство керамических материалов, изделий в Казахстане, СНГ и за рубежом. Производство и применение стеновых и облицовочных изделий.
курсовая работа [134,7 K], добавлен 06.06.2014Возникновение и развитие нанотехнологии. Общая характеристика технологии консолидированных материалов (порошковых, пластической деформации, кристаллизации из аморфного состояния), технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов.
реферат [3,1 M], добавлен 19.04.2010Методы получения наноматериалов. Синтез наночастиц в аморфных и упорядоченных матрицах. Получение наночастиц в нульмерных и одномерных нанореакторах. Цеолиты структурного типа. Мезопористые алюмосиликаты, молекулярные сита. Слоистые двойные гидроксиды.
курсовая работа [978,0 K], добавлен 01.12.2014Исторические сведения о возникновении керамических материалов, область их применения. Основные физико-химические свойства керамики, применяемые сырьевые материалы. Общая схема технологических этапов производства керамических материалов, ее характеристика.
курсовая работа [74,2 K], добавлен 02.03.2011Физические принципы, используемые при получении материалов: сепарация, центрифугирование, флотация, газлифт. Порошковая металлургия. Получение и формование порошков. Агрегаты измельчения. Наноматериалы. Композиционные материалы.
реферат [292,6 K], добавлен 30.05.2007Получение органических соединений, материалов и изделий посредством органического синтеза. Основные направления и перспективы развития органического синтеза. Группы исходных веществ для последующего органического синтеза. Методика органического синтеза.
реферат [1,6 M], добавлен 15.05.2011Изучение понятия, видов и свойств керамических материалов и изделий. Характеристика сырья и процесса производства керамических изделий. Исследование использования в строительстве как стеновых, кровельных, облицовочных материалов и заполнителей бетона.
реферат [17,6 K], добавлен 26.04.2011Процессы изготовления керамических материалов. Методы получения порошков. Корундовые керамики модифицированные соединениями хрома. Содержание порошка в образцах керамики на основе глинозема, термограмма. Особенности измерения микротвердости образцов.
курсовая работа [818,9 K], добавлен 30.05.2013Структура композиционных материалов. Характеристики и свойства системы дисперсно-упрочненных сплавов. Сфера применения материалов, армированных волокнами. Длительная прочность КМ, армированных частицами различной геометрии, стареющие никелевые сплавы.
презентация [721,8 K], добавлен 07.12.2015Физико-химические особенности наполнителей. Влияние распределения наполнителя в матрице на физико-механические параметры. Адсорбционные свойства и прочности связи наполнителей. Технология получения электроизоляционных резинотехнических материалов.
научная работа [134,6 K], добавлен 14.03.2011Значение подготовки поверхности окрашиваемых материалов для получения качественных покрытий. Способы подготовки поверхности перед окраской. Структура многослойных покрытий и процессы пленкообразования. Классификация и хранение лакокрасочных материалов.
реферат [31,4 K], добавлен 11.10.2013Получение, переработка и применение термоэластопластов. Виды и особенности свойств термопластичных полимеров. Основы создания фрикционных изделий. Определение показателя текучести расплава. Разработка твердофазного метода получения ТЭП при экструзии.
дипломная работа [763,1 K], добавлен 03.07.2015Роль химии в химической технологии текстильных материалов. Подготовка и колорирование текстильных материалов. Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений. Ухудшение механических свойств материалов.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 03.04.2010Тенденции развития органического синтеза. Синтез-газ как альтернатива нефти. Получение этанола прямой каталитической гидратацией этилена. Замена двухстадийного процесса синтеза ацетальдегида из этилена через этанол одностадийным окислительным процессом.
курсовая работа [116,4 K], добавлен 27.02.2015Отличия макро- и микроскопического строения материалов. Сравнение теплопроводности древесины и стали. Классификация дефектов кристаллического строения. Причины появления точечных дефектов. Особенности получения, свойства и направления применения резин.
контрольная работа [318,1 K], добавлен 03.10.2014Сорбционные процессы на границе раздела фаз сорбат – сорбент. Методы получения пористых углеродных материалов. Адсорбционные методы очистки сточных вод. Основные реакции взаимодействия компонентов смесей органических материалов в процессах со-термолиза.
дипломная работа [3,8 M], добавлен 21.06.2015
