دانشکده مهندسي شيمي، نفت و گاز
پايان‌نامه‌ي کارشناسي ارشد
در رشته مهندسي شيمي
بررسي پارامترهاي موثر بر توليد ژل آلومينا به روش سل- ژل
به کوشش
نجمه مصلي نژاد
استاد راهنما
دکتر عبدالمحمد علمداري
شهريور ماه 1393
به نام خدا
اينجانب نجمه مصلي نژاد (9130664) دانشجوي رشتهي مهندسي شيمي دانشكدهي مهندسي شيمي، نفت و گاز اظهار ميكنم كه اين پايان نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي كه از منابع ديگران استفاده كردهام، نشاني دقيق و مشخصات كامل آن را نوشته ام. همچنين اظهار ميكنم كه تحقيق و موضوع پاياننامهام تكراري نيست و تعهد مينمايم كه بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. كليه حقوق اين اثر مطابق با آيين نامه مالكيت فكري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام و نام خانوادگي: نجمه مصلي نژاد
تاريخ و امضا: 14/10/1393
تقديم به
پدر و مادرم
که از نگاهشان صلابت
از رفتارشان محبت
و از صبرشان ايستادگي را آموختم
سپاسگزاري
با سپاس و ستايش بيکران به درگاه داناي يکتا، که همواره توکل به او ياري دهنده راههاي پرپيچ وخم زندگيم بوده است و وجود و نعمات بي پايانش را در نهايت کرم و بخشندگي بر من روا داشته است. درآغاز برخود فرض ميدانم، از استاد راهنماي ارجمند ام ، جناب آقاي دکتر عبدالمحمد علمداري که افتخار شاگرديشان را داشتهام همواره مرا از دانش و اخلاق پسنديده خويش بهرهمند ساختهاند و بدون راهنمايي ايشان پيمودن اين مسير ناممکن مينمود، تشکر و قدراني نمايم. از اساتيد گرامي جناب آقاي دکتر محمد خرم و دکتر جعفر قاجار که از نظرات راهگشاي ايشان استفاده نمودهام، سپاسگزاري مينمايم. همچنين مراتب سپاس خود را از کليه اشخاصي که در مراحل انجام اين پايان نامه از نظرات ارزندهي ايشان بهره مند شدهام، اعلام ميدارم. در پايان از پدر بزرگوار و مادر مهربانم که همراه و مشوق اصلي من در دوران تحصيل بودهاند، قدرداني مينمايم.
.
چکيده
بررسي پارامترهاي موثر بر توليد ژل آلومينا به روش سل- ژل
روش سل- ژل يکي از روشهاي متداول است که به طور گسترده براي توليد نانوذرات مختلف استفاده ميشود. در اين روش محلولي از آغازگرها در حضور کاتاليست با آب مخلوط ميشوند و واکنشهاي هيدروليز و پليمريزاسيون اتفاق ميافتد. در ادامه فرآيند پليمريزاسيون ذرات سل يک شبکه سه بعدي به نام ژل تشکيل ميدهند. از جمله پارامترهاي موثر بر زمان تشکيل ژل آلومينا نسبت مولي آب به الکوکسيد، سرعت هيدروليز، نوع و حجم کاتاليست مورد استفاده، غلظت اوليه پيش ماده و دماي هيدروليز و خشک کردن است. بعد از تهيه ژل، فاز مايع (حلال) به دو روش خشک کردن تبخيري و فوق بحراني جدا ميشود. ماده حاصله به ترتيب زيروژل و ايروژل نام ميگيرد. با توجه به کشش سطحي مايع، اختلاف فشاري در ديواره حفره هاي ژل به وجود ميآيد که مي تواند قسمت زيادي از حجم حفرههاي ژل را از بين ببرد. خشک کردن فوق بحراني مانع اين اتفاق ميشود. استحکام، پايداري بالا، ساختار متخلل و مورفولوژي ايروژلها باعث شدهاست که کاربرد گستردهاي در سالهاي اخير پيدا کنند. از جمله کاربرد ايروژلها در ساخت عايق حرارتي، انواع جاذب و پايه کاتاليست است. در بين صدها پايه کاتاليست، پايههاي از جنس آلومينا به علت مقاومت گرمايي، پايداري شيميايي و تخلخل بالا بسيار مورد توجه هستند. در پژوهش حاضر سنتز ژل آلومينا به عنوان پايه نانوکاتاليست به کمک هيدروليز آلومينيوم تري سک بوت اکسايد در دو دماي 60 و 32 درجه سانتيگراد، با غلظتهاي مختلف پيش ماده و آب و دو نوع متفاوت اسيد به عنوان کاتاليست، در مقادير مختلف بررسي شد. سرعت تشکيل ژل، سرعت هيدروليز و پليمريشدن و مقدار ژل سنتز شده اندازهگيري و تحليل شد. نتايج نشان داد که اضافه کردن مقدار2/0 ميليليتر اسيد نيتريک به ازاي 1 ميليليتر آلومينيوم تري سک بوت اکسايد در محلول 16 درصد وزني آلومينيوم تري سک بوي اکسايد و نسبت مولي آب به پيشماده برابر با 2، در دماي 60 درجه سانتيگراد مقدار ژل و زمان تشکيل ژل آلومينا بهينه ميباشد و بيشترين مقدار ژل در کمترين زمان ممکن حاصل ميشود. سپس ژل سنتز شده در شرايط بهينه در دما و فشار محيط و شرايط فوق بحراني کربن دي اکسيد خشک شد و نتايج حاصل از آناليز ميکروسکوپ الکتروني روبشي با هم مقايسه شد.
کلمات کليدي: ژل آلومينا، پارامترهاي موثر، نقطه ي ژلي شدن، فوق بحراني، کربن دي اکسيد، ايروژل
فهرست مطالب
عنوان شماره صفحه
1. فصل اول: مقدمه 1
1-1- سل- ژل2
1-1-1- تاريخچه فرآيند سل- ژل3
1-1-2- مراحل فرآيند سل ژل4
1-1-3- تشکيل سل4
1-1-4- تشکيل ژل6
1-1-5- مزاياي روش سل- ژل8
1-2- پيرسازي9
1-3- خشک کردن9
1-3-1- خشک کردن محيطي9
1-3-2- خشک کردن فوق بحراني10
1-3-3- ساير روش ها12
1-4- ايروژل12
1-4-1- تاريخچه ايروژل13
1-4-2- خواص ايروژلها13
1-4-3- انواع ايروژل14
1-4-4- کاربرد ايروژلها16
1-5- ايروژل آلومينا17
1-6- معرفي سيال فوق بحراني18
1-6-1- تاريخچه سيال فوق بحراني19
1-6-2- کاربرد سيال فوق بحراني20
2. فصل دوم: پيشينه تحقيق 24
2-1- اهداف پايان نامه32
3. فصل سوم: مطالعات آزمايشگاهي 33
3-1- تجهيزات لازم34
3-1-1- همزن مغناطيسي هيتر دار34
3-1-2- دستگاه خشک کن فوق بحراني35
3-1-3- ساير وسايل آزمايشگاهي38
3-2- مواد39
3-2-1- آلومينيوم تري سک بوت اکسايد39
3-2-2- حلال39
3-2-3- اسيد40
3-2-4- آب دوبار تقطير40
3-3- روش انجام آزمايش40
3-3-1- تهيه ژل40
3-3-2- خشک کردن ژل48
4. فصل چهارم: نتايج و بحث 49
4-1- بررسي زمان تشکيل ژل آلومينا50
4-1-1- مقايسه بين هيدروليز يک مرحلهاي و دو مرحلهاي50
4-1-2- بررسي تاثير مقدار اسيد50
4-1-3- بررسي تاثير نسبت مولي آب به پيشماده53
4-1-4- بررسي تاثير دما55
4-1-5- بررسي تاثير غلظت اوليه محلول56
4-1-6- مقايسه بين اسيد نيتريک و استيک اسيد در واکنش هيدروليز57
4-2- بررسي خشک کردن ژل آلومينا58
5. فصل پنجم: نتيجهگيري 62
5-1- نتيجهگيري63
5-2- پيشنهادات63
6. مراجع 64
7. پيوست 1 68
فهرست جداول
عنوان شماره صفحه
جدول ‎2-1: مقايسه خواص ژل خشک شده به سه روش مختلف26
جدول ‎2-2: مورفولوژي و اندازه ذره زيروژل در pH هاي مختلف31
جدول ‎3-1: ساير وسايل بکار رفته39
جدول ‎3-2: هيدروليز يک مرحلهاي و دو مرحلهاي سنتز ژل آلومينا با غلظت 16 درصد وزني پيش ماده به حلال44
جدول ‎3-3: مقادير مختلف اسيد در سنتز ژل با غلظت 16 درصد وزني پيشماده به حلال در محلول اوليه و هيدروليز يک مرحلهاي45
جدول ‎3-4: مقادير مختلف نسبت مولي آب به پيشماده با غلظت 16 درصد وزني پيش ماده به حلال در محلول اوليه به روش هيدروليز يک مرحلهاي46
جدول ‎3-5: هيدروليز يک مرحلهاي با غلظت 16 درصد وزني پيشماده به حلال در محلول اوليه در دو دماي 32 و 60 درجه سانتيگراد47
جدول ‎3-6: هيدروليز يک مرحله اي پيش ماده در غلظت هاي مختلف پيشماده به حلال در محلول اوليه47
جدول ‎3-7: بکار بردن استيک و نيتريک اسيد در هيدروليز دو مرحله اي با غلظت 16 در صد وزني پيشماده به حلال در محلول اوليه48
جدول ‏4-1: نتايج حاصل از هيدروليز يک و دو مرحله اي پيشماده50
جدول ‏4-2: نتايج حاصل از آزمايش سنتز ژل در مقادير مختلف اسيد51
جدول ‏4-3: نتايج حاصل از آزمايش سنتز ژل در نسبتهاي مختلف مولي آب به پيشماده53
جدول ‏4-4: نتايح حاصل از هيدروليز در دو دماي 32 و 60 درجه سانتيگراد55
جدول ‏4-5: نتايج حاصل از هيدروليز با غلظتهاي مختلف پيشماده56
فهرست شکل ها
عنوان شماره صفحه
شکل ‏1-1: نماي کلي روش سل- ژل2
شکل ‏1-2 : نماي کلي از واکنش هيدروليز5
شکل ‏1-3 : تصوير مدل سه بعدي مربوط به واکنش تراکم7
شکل ‏1-4 : نماي کلي مراحل مختلف واکنش سل- ژل8
شکل ‏1-5 : نمودار فازي فشار- دما براي رسيدن به شرايط بحراني11
شکل ‏1-6 : ايروژل تهيه شده از ملامين با فرمالدهيد15
شکل ‎2-1: نمايش رفتار ژل آلومينا تحت تاثيرpH31
شکل ‎3-1: همزن مغناطيسي هيتر دار34
شکل ‎3-2: نماي شماتيک دستگاه آزمايشگاهي خشک کن فوق بحراني35
شکل ‎3-3: نمائي از دستگاه آزمايشگاهي خشک کن فوق بحراني36
شکل ‎3-4: رآکتور36
شکل ‎3-5: حمام پارافين37
شکل ‎3-6: پمپ خلا38
شکل ‎3-7: محلول بعد از اضافه کردن اسيد41
شکل ‎3-8: تشکيل ميسل41
شکل ‎3-9: سل تشکيل شده از ميسل ها42
شکل ‎3-10: تشکيل ژل و رسوب ژلهاي يا لخته از سل42
شکل ‎3-11: لايه کاتيوني-آنيوني تشکيل شده اطراف ميسل43
شکل ‏4-1: سل آلومينا قبل از اضافه کردن اسيد57
شکل ‏4-2: سل آلومينا بعد از افزودن اسيد a: نيتريک اسيد b: استيک اسيد57
شکل ‏4-3: آناليز SEM ژل آلومينا خشک شده در a) شرايط محيط b) شرايط فوق بحراني60
شکل ‏4-4: آناليز SEM ژل آلومينا خشک شده در a) شرايط محيط b) شرايط فوق بحراني61
شکل ‏پ1-1: سل حاصل از حلال متانول68
شکل ‏پ1-2: سل حاصل از حلال استن69
شکل ‏پ1-3: سل حاصل از حلال اتانول69
فهرست نمودار ها
عنوان شماره صفحه
نمودار ‎2-1: حجم نسبي ژل بر حسب نسبت مولي اسيد به هيدروکسيد 24
نمودار ‎2-2: تاثير دماي کلسيناسيون روي مساحت ويژه ايروژل در سه چگالي مختلف 27
نمودار ‏4-1: زمان تشکيل ژل بر حسب حجم اسيد در نسبت مولي آب به پيشماده برابر با 2 و دماي 32 درجه سانتيگراد51
نمودار ‏4-2: جرم رسوب تشکيل شده بر حسب حجم اسيد در نسبت مولي آب به پيشماده برابر با 2 و دماي 32 درجه سانتيگراد52
نمودار ‏4-3: زمان تشکيل ژل بر حسب نسبت مولي آب به پيشماده در دماي 32 درجه سانتي گراد و 5/0ميليليتر اسيد نيتريک54
نمودار ‏4-4: جرم رسوب تشکيل يافته بر حسب نسبت مولي آب به پيشماده در دماي 32 درجه سانتي گراد و 5/0ميليليتر اسيدنيتريک54
نمودار ‏4-5: تغييرات دما و فشار راکتور بر حسب زمان خشک کردن ژل آلومينا58
فصل اول
مقدمه
سل- ژل
فرآيند سل- ژل1 يک روش شيميايي تر2 براي سنتز انواع نانوساختارها به ويژه نانوذرات اکسيد فلزي مي باشد. در اين روش پيش ماده مولکولي (معمو?ً آلکوکسيد فلزي) در آب يا آلکل حل شده و با حرارت و همزدن در اثر هيدروليز/الکليز به ژل تبديل ميشود. شکل 1-1 نماي کلي از فرآيند سل- ژل را نشان ميدهد (Niederberger and Pinna, 2009).
شکل1-1: نماي کلي روش سل- ژل (Niederberger and Pinna, 2009)

تاريخچه فرآيند سل- ژل
براي نخستين بار در سال 1845 ابلمن3 به طور اتفاقي مشاهده کرد که تتراکلريد سيليکون (SiCl4) که در ظرفي رها شده بود، ابتدا هيدروليز و سپس به ژل تبديل شد. حدود يک قرن روش سل- ژل فقط مورد توجه شيميدانها بود اما در سال 1930 شرکت شات از روش سل- ژل براي پوشش شيشه هاي صنعتي از لايههاي اکسيد با استفاده از ترکيبات فلز به عنوان پيش ماده استفاده کرد. در سال 1950 مطالعات گستردهاي در زمينه سنتز سراميکها و ساختارهاي شيشه اي با استفاده از اين روش آغاز شد. روي و همکارش4 يک روش براي سنتز ترکيبات اکسيد سراميک با استفاده از فرآيند سل- ژل پيشنهاد کردند که محصول نهايي نسبت به روشهاي ديگر همگنتر بود.
ژلهاي معدني از نمکهاي چند آبه براي مدت زمان زيادي مورد مطالعه قرار گرفت. گراهام نشان داد آب داخل سيليکا ژل ميتواند با حلالهاي آلي جايگزين شود که تئوري ساختار متخلخل شبکهي جامد ژل را تائيد ميکرد. در حالي که تئوريهاي ديگر ساختار ژل را به عنوان يک سل لخته شده که ذرات آن با يک لايه آب احاطه شده است يا يک امولسين در نظر ميگرفتند. در دههي 1930 ساختار شبکهاي و متخلخل ژل به طور گستردهاي مورد قبول قرار گرفت که حاصل تلاش زياد هارد بود. سنتز ايروژل به کمک خشک کردن ژل با استفاده از سيال فوق بحراني توسط کيسلر5 در سال 1932 نيز مهر تائيدي بر ساختار شبکهاي ژل بود. همزمان توليد پودر همگن از ژل و سل براي مطالعه در زمينه تعادل فازي مورد توجه بسياري قرار گرفت. شايان ذکر است که با اين روش، بسياري از اکسيدهاي غيرآلي مانند TiO2، SiO2، ZrO2 سنتز شدند(Brinker and Schere,1990).
مراحل فرآيند سل ژل
براي توليد محصول به روش سل- ژل ?زم است ابتدا مقدمات و شرايط ?زم براي واکنشها فراهم شود.
تهيه محلول همگن6: ?زم است تا در ابتدا يک محلول همگن شامل حلال و پيش مادههايي که قرار است در طول فرآيند، محصول نهايي را شکل دهند آماده گردد. براي اين کار ابتدا حلال (آب، الکل، حلالهاي آلي يا نسبتي از آنها) و پيش ماده در يک ظرف مخلوط ميشوند تا محلول همگن حاصل شود. گاهي ?زم است تا از ترکيب دو حلال با نسبتهاي معين استفاده شود تا پيش مادهها به طور کامل در آن حل و محلول همگن حاصل شود. به عنوان مثال برخي از پيش مادههاي آلي فلزي ابتدا بايد در يک حلال آلي قابل حل در آب حل و سپس محلول حاصل در آب حل شود. اما در مواردي که پيش ماده مورد نظر نمک فلزي باشد به طور مستقيم در آب قابل حل بوده و نيازي به حلال آلي وجود ندارد. پيش مادههاي آلکوکسيدي بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند اما مي تواند به طريق ديگري غير از مسير الکوکسيدي نيز روش سل – ژل پيش برود که به آن مسير کلوئيدي گفته مي شود (Niederberger and Pinna, 2009).
تشکيل سل
پس از ساخت يک محلول همگن بايد آن را به سل تبديل کرد. واکنش هيدروليز7 پايه اين مرحله است. اصو? کلمه هيدروليز از ترکيب دو کلمه هيدرو8و ليز9 تشکيل شده و مفهوم آن تجزيه بوسيله آب است. اصطلاح تجزيه به هر موردي اطلاق ميشود که يک حالت پيچيده به حالتي ساده تر تبديل گردد. در شيمي گاهي آب مي تواند مولکولي را شکسته و به مولکولهاي سادهتري تبديل کند. به طور خلاصه به دسته اي از واکنشها که در آن آب مولکولي را شکسته (بر اثر يک واکنش شيميايي) و به مولکول هاي سادهتر تبديل ميکند هيدروليز گفته ميشود (Niederberger and Pinna, 2009).
واکنش هيدروليز چندان پيچيده نيست. همانطور که در شکل 1-2 مشاهده مي شود، براي آغاز اين فرآيند کمي آب به محيط واکنش افزوده ميشود که اين در حالتي است که محلول همگن در حلالي فاقد آب تهيه شده باشد. حضور آب باعث خواهد شد تا واکنش هيدروليز بر روي پيشماده صورت گيرد و به نوعي آن را فعال کرده تا ذرات اکسيد فلزي گرد هم آمده و تشکيل ذرات ريز و جامدي بدهند که در حلال پراکنده هستند. به چنين ترکيبي سل، به عنوان يک محصول مياني فرآيند اط?ق ميشود.
شکل1-2: نماي کلي از واکنش هيدروليز (Niederberger and Pinna, 2009)
سل از کلمه انگليسي سلوشن10 به معناي محلول گرفته شده و لذا محلولي است کلوئيدي از واکنش دهندههاي مختلف شامل پيش مادهها، حلال، کاتاليزورهاي اسيدي يا بازي و ساير افزودنيهاي مورد نياز که قرار است در ادامه واکنش طي مراحل هيدروليز و تراکم به ژل تبديل شود. سلها کمي با محلولهاي حقيقي متفاوت هستند. در محلول حقيقي جسم حل شونده به صورت اتم، مولکول و يا يون درحلال به طور يکنواخت پراکنده شده و اندازه ذرات از يک نانومتر تجاوز نميکند. اما اگر اندازه ذرات بزرگتر از صد نانومتر باشد، به تدريج تهنشين ميشوند (مخلوط سوسپانسيوني). اگر اندازه ذرات بين 1 تا حدود 100 نانومتر متغير باشد، معمولاً به صورت پراکنده درهمه جاي مخلوط باقي ميماند که به اين گونه مخلوطها کلوييد ميگويند. سلها شامل ذرات بسيار ريز ( 100 نانومتر) پراکنده شده در فاز حلال هستند و در واقع يک محلول يا به اصط?ح درستتر مخلوط کلوييدي را تشکيل ميدهند. بنابراين سل عبارتست از مخلوط جامد پراکنده شده در مايع که به علت کوچکي ذرات جامد قادر است براي مدت بسيار طو?ني (ماهها) پايدار بماند و تهنشين نشود. مهمترين نکتهاي که راجع به يک سل خوب و قابل قبول بايد گفت اين است که سل حاصل بايد به گونه اي تهيه شود تا بتواند براي ماهها پايدار باشد و رسوب نکند. به عبارت ديگر بايد اندازه ذرات آنقدر کوچک باشد که حرکات براوني11 ذرات بر نيروي جاذبه زمين غلبه کرده، تهنشين نشوند و براي مدت طو?ني همگن باقي بمانند. اگر سل حاصل داراي چنين ويژگي باشد ميتوان اميدوار بود تا محصولي همگن، خالص و با بازده با? توليد شود(Hench and West, 2009).
تشکيل ژل
براي اين کار کافي است، محلول ساخته شده به نوعي تحريک شود، تا ذرات ريز پراکنده شده که هر کدام شامل چند تا چند ده واحد مولکولي يا اتمي از آغارگرهاي مربوطه هستند، شروع به نوعي گردهمايي کنند. با ايجاد بر همکنشهاي فيزيکي و شيميايي ميان ذرات معلق پراکنده شده در محلول سل، آنها به صورت واحدهايي متشکل از چند ده هزار مولکول کنار هم جمع شده و تشکيل يک مولکول سه بعدي بي نهايت بزرگ ميدهند که تمام حجم ظرف واکنش را به خود اختصاص ميدهد. اين مولکول غول پيکر که داراي خلل و فرج بسيار فراواني است و تمام حلال را در درون خود به دام مياندازد، ژل نام دارد.
مرحله تبديل سل به ژل که توسط واکنش هايي موسوم به تراکم12 کنترل ميشوند، يک واکنش بسپارش معدني 13به شمار مي رود که محصول نهايي آن شبکه اکسيدي حاوي خوشههاي اکسيد فلزي M-O-M است.
شکل1-3: تصوير مدل سه بعدي مربوط به واکنش تراکم (Niederberger and Pinna, 2009)
در واکنش تراکم دو مولکول ساده به هم ميپيوندند و تشکيل يک مولکول پيچيدهتر را ميدهند. در حاشيه اين ترکيب شدن يک مولکول کوچک مثل آب آزاد ميشود. يک واکنش تراکمي وقتي انجام ميشود که دو هيدروکسيد يا يک هيدروکسيد و يک آلکوکسيد فلزي (M-OR+HO-M) با هم ترکيب ميشوند تا يک اکسيد فلزي (M-O-M) ايجاد کنند. ژل در نهايت به عنوان محلول ساخته ميشود. در مرحله بعد بايد به روشي حلال از آن جدا شود تا فرآيند تکميل شود. ژلها انواع مختلفي دارند، که هر کدام خصوصيات و کاربردهاي مخصوص به خود را دارند. بسته به نوع حلال مورد استفاده يا نوع روش خشک کردن، اسامي، ويژگيها و کاربردهاي آنها متفاوت خواهد بود(Brinker and Schere,1990) .
شکل1-4: نماي کلي مراحل مختلف واکنش سل- ژل (Brinker and Schere,1990)
مزاياي روش سل- ژل
د?يل اصلي استفاده از فرآيند سل- ژل، توليد محصولي با خلوص با?، توزيع اندازه ذرات باريک و دست يافتن به نانو ساختاري يکنواخت است. اغلب روش سل- ژل جهت سنتز نانو اکسيدهاي فلزي مورد استفاده قرار ميگيرد. روش سل- ژل روش ارزاني است و به دليل دماي پايين واکنش ميتواند کنترل مناسبي بر ترکيب شيميايي محصو?ت داشته باشد. مواد حاصل از روش تهيه سل- ژل ميتواند در کاربردهاي متفاوت نوري، الکترونيک، انرژي، سطح، سنسورهاي زيستي ، دارويي و تکنولوژي جداسازي مثل کروماتوگرافي به کار برده شود. از ديگر د?يل محبوبيت روش سل- ژل به اختصار ميتوان موارد زير را ذکر کرد :1- سنتز در دماي پائين،2- ابزار انجام آن ساده است، 3- تهيه محصو?تي با خلوص با?، 4- راندمان توليد بسيار با?، 5- توليد قطعات اپتيکي با اشکال پيچيده، 6- سنتز ترکيبات يکنواخت به صورت اکسيدهاي کامپوزيتي، 7- امکان طراحي ترکيب شيميايي و به دست آوردن ترکيب همگن، 8- امکان استفاده از محصول به اشکال خاص مثل الياف ،ايروژل و تهيه پوشش سطوح، 9- امکان استفاده از اين فرآيند براي سنتز مواد در حالت بي شکل و به کارگيري آنها جهت ?يههاي نازک، 10- توليد مواد داراي خواص فيزيکي اصلاح شده مانند ضريب انبساط حرارتي پايين و جذب اشعه ماورابنفش کم و شفافيت اپتيکي با?، 11- توليد مواد متخلخل که اجازه غني شدن با ترکيبات آلي و پليمري را ميدهند، 12- واکنش پذيري شيميايي با?ي پيش مادهها به دليل انجام فرايند در فاز محلول، 13- کنترل دقيق ساختار مواد با امکان تنظيم متغيرهاي مرحله اوليه، تشکيل سل و تشکيل شبکه و 14-سرمايه گذاري اوليه کم و در عين حال کيفيت با?ي محصو?ت فرآيند (Hench and West, 1990).
پيرسازي14:
از ويژگي ژلها اين است که ميتوانند شکل ظرفي که در آن توليد شدهاند را به خود بگيرند. بسته به استحکام ساختار ژل، ميتوان يک تکه مستقل با حفرههاي بزرگ به دست آورد. از آنجا که در اين وضعيت حلال يکي از اجزء داخلي ژل محسوب ميشود (شبکه را پابرجا نگه ميدارد)، حفظ ثبات ساختار حفرهها با برداشتن حلال بسيار دشوار است. معمو?ً بايد اجازه داد ساختار ژل قبل از خشک کردن، رسيده شود (کمي بماند) تا پيوندهاي بين ذرات استوارتر گردد. اين مرحله بين چند ساعت تا چند روز طول ميکشد. به اين فرآيند در اصط?ح پيرسازي گفته ميشود. طي فرآيند پيرسازي، ژل به تغييرات خود ادامه ميدهد تا پيوندهاي جديد شکل گرفته و استحکام اسکلت ژل بيش از پيش گردد .(Pierret and Pajonk, 2002)
خشک کردن:
بعد از فرآيند پيرسازي و تهيه ژل، از راههاي مختلف فاز مايع(حلال) را جدا ميکنند.
خشک کردن محيطي
اگر ژل در محيط قرار داده شود تا خود به خود خشک شود، در اين حالت، ماده حاصله زروژل15 نام ميگيرد و حفرههاي کمتري دارد و متراکم است. زروژل به ژلي گفته ميشود که تمام مايع داخل حفرات ژل خارج شدهاست، به گونه اي که ساختار کمي متراکمتر و فشردهتر شدهاست و چروکيدگي نسبت به وضعيت ژل خيس در آن کاملا مشهود است (Pierret and Pajonk, 2002).
خشک کردن فوق بحراني
روش ديگر خشک کردن در شرايط فوق بحراني است که در آن تغييرات شبکه جامد به حداقل مي رسد. ماده حاصل داراي شبکه متخلخل است که ايروژل16 ناميده ميشود. در اين جا خروج حلال به گونه اي بوده که فشردگي17 يا تغييري در ساختار ژل ايجاد نشده است. بر خلاف زروژل، در ايروژل خلل و فرج و ساختار حفظ شده و ژل متراکم نمي شود. در اثر نيروهاي مويينگي که از برهمکنش بين حلال و ديوارههاي ساختمان ماده در اثر تبخير حلال ايجاد مي شود ميزان تخلخل کاهش مييابد. اگر چنين باشد، بعد از خشک شدن ژل، اين تغيير قابل بازگشت نيست. يک راه مقابله با اين مشکل حذف سطح تماسي بين فاز گاز و مايع است. اين موضوع مي تواند با برداشتن حلال ها در زماني که در حالت فوق بحراني شان هستند، حاصل شود. نقطه فوق بحراني در نمودار فازي جايي است که گاز و مايع به صورت فازهاي جدا از هم وجود ندارند (شکل5). بنابراين حلال بدون نياز به تغيير فاز حذف ميشود. يعني، نيازي نيست حلال از فاز مايع به گاز تبديل شده و سپس خارج شود. در شکل 1-5 پيکان ها و اعداد مسيرهاي ممکن را براي رسيدن به اين نقطه را نشان ميدهند.
شکل1-5 : نمودار فازي فشار- دما براي رسيدن به شرايط بحراني (Pierret and Pajonk, 2002)
در نمودار فازي فشار- دما، Pc وTc به ترتيب به فشار و دماي بحراني اشاره دارند. پيکان هاي 1 و 2 مسير خشک کردن فوق بحراني را نشان ميدهند. در ابتدا، مايع با افزايش دما به سيال فوق بحراني تبديل ميشود. فشار هم همزمان افزايش مييابد. در ادامه، با ثابت نگه داشتن دما، فشار پايين آورده ميشود. بنابراين سيال فوق بحراني به فاز گازي تبديل ميشود و از محيط خارج ميگردد. در ادامه در عين حال که دما با?تر از دماي بحراني است، فشار کم ميشود و به اين ترتيب سيال فوق بحراني مستقيماً به فاز بخار ميرود و از داخل اتاقک آزاد ميشود. چون فشار ?زم براي اين کار براي حلال هاي معمولي با?تر از 6 مگا پاسکال است، به يک اتوکلاو18 نياز است. در حالي که الکل به دماهاي با?يي براي رسيدن به حالت بحراني نياز دارد ( اتانول حدود243 درجه سانتيگراد)، CO2 در دمايي حدود دماي اتاق(حدود31 درجه سانتيگراد) بحراني ميشود. روش خشک کردن فوق بحراني سرد(شرايط فوق بحراني کربن دي اکسيد) اين مزيت را دارد که ژل حاصل شده از اين فرآيند تخلخل و سطح با?تري دارد. اين در حالي است که در دماهاي با?، روش خشک کردن فوق بحراني داغ، چهارچوب اوليه ژل خيس بهتر حفظ مي شود(Pierret and Pajonk, 2002).
ساير روش ها
روش هاي ديگر که براي خشک کردن مي توان استفاده کرد موارد زير را شامل ميشود:
استفاده از افزودنيهاي شيميايي کنترل کننده خشک کردن از قبيل گليسرول، فرمالدهيد، اگزاليک اسيد و تترامتيل آمونيوم هيدروکسيد.
خشک کردن انجمادي: در اين روش مايع درون ژل ابتدا منجمد ميشود و سپس بوسيله تصعيد خشکانده ميشود. موادي که به اين ترتيب بدست ميآيد کريوژل19 ناميده ميشوند(Pierret and Pajonk, 2002).
ايروژل
واژه ايروژل از دو کلمه هوا و ژل تشکيل شده است. ايروژلها سبکترين و کم دانسيته ترين جامدهايي هستند که تاکنون شناخته شدهاند. به طور عمده 5/99-50 درصد حجم آنها را هوا تشکيل داده است. ايروژلها سطحي حدود 3000-250 مترمربع در هرگرم دارند، بطوريکه يک اينچ مکعب آنها سطحي حدود يک زمين فوتبال دارد (Blaszcynskia et al., 2013).

تاريخچه ايروژل
ايروژل اولين بار توسط استيون کيستلر در سال 1931 ساخته شد. به دليل اينکه مايع موجود در ساختار ژل، بدون آسيب رسيدن به ساختار جامد با هوا جايگزين ميشود، ايروژل(هوا + ژل) نامگذاري شد. اولين نوع ايروژلها از نوع سيليکا ايروژلها بودند. با وجود ويژگي هاي منحصر به فرد ايروژل ها تا قبل از سال 1970مورد توجه نبودند اما از سال 1970 مطالعات گستردهاي روي ايروژل انجام شد. در سال 1985 خشک کردن ايروژل با استفاده از کربن دي اکسيد فوق بحراني توسعه يافت. در دهه ي 1990 ايروژل هاي آلي و آيروژل کربن توجه زيادي را به خود جلب کرد. در قرن 21 دانشمندان، مهندسان و صنايع مختلف تجاري سازي ايروژل را در برنامه خود قرار دادهاند(Aegerter and Leventis, 2011).
خواص ايروژلها
خواص عايق بودن ايروژلها: ايروژل ها بهترين مواد عايق حرارتي شناخته شده هستند. ايروژل ها اگر چه بسيار ترد هستند، مي توانند بسيار شفاف ساخته شوند. هدايت پايين ايروژلها از بافت متخلخل آنها سرچشمه مي گيرد. سيليکا ايروژلها در پنجرههاي عايق کاربرد دارند که مانع از ورود و خروج گرما ميشوند (Rao and Bhagat, 2004).
خواص مکانيکي ايروژلها: يکي از مشخصات بارز ايروژلها، سبکي و شکندگي آنها است. در عين حال اين مواد به اندازه کافي محکم هستند که بتوان آنها را با دست حمل کرد. قدرت فشردگي و کششي آنها بسيار پايين است و بزرگي اين خواص وابسته به بهم پيوستگي شبکه ايروژل و دانسيته پايين آن است. طي فرايند پيرسازي ژل در محلول الکوکسيد قرار ميگيرد و شبکه محکم تري مييابد. اين فرايند، ژل را در مقابل فشار موئينگي مقاومتر ميسازد و خواص مکانيکي آن را بهبود ميبخشد (Aegerter and Leventis, 2011).
انواع ايروژل
آيروژلها شامل ايروژلهاي معدني( شامل سيليکا ايروژل، آلومينا ايروژل و…. )، ايروژلهاي آلي، کربن ايروژلها و ايروژلهاي هيبريدي هستند.
ايروژل هاي معدني
اولين ژلهاي معدني که در شرايط اسيدي سنتز شدند، سيليکا ژلها بودند که بوسيله ابلمن در سال 1845 تهيه شدند. ژلهاي طبيعي با ماهيت آلي در دنياي امروز معمولترند. تقريباً همه فلزات يا اکسيدهاي نيمه هادي ميتوانند به فرم ژل تبديل شوند. علاوه بر سيليکون يا ايروژل سيليکا، ايروژل معدني بر پايه تيتانيوم، زيرکونيوم، قلع، آلومينيوم، واناديم، کروم، آهن، تانتاليم، موليبدن، و نئوبيوم نيز سنتز ميشوند. همچنين ايروژلهاي اکسيد دوتايي يا سه تايي نيز ساخته شدهاند که يکي از معايب اين ترکيبات شکننده بودن آنها است. اين شکنندگي به دليل طبيعت سراميکي اين ترکيبات است.
ايروژلهاي آلي
پيش مادههاي آلي که ميتوانند پليمرهاي آلي با پيوند کوا?نسي قوي (C-C) توليد کنند، سنتز دسته جديدي ازايروژلهاي يکپارچه را ممکن ساخته است. بيشترين موادي که براي تهيه اين ايروژلها استفاده ميشوند، رزوسينول- فرمالدهيد يا ملامين- فرمالدهيد هستند. اين ايروژلها از تراکم رزورسينول يا ملامين با فرمالدهيد در محلول آبي قليايي که (اغلب سديم هيدروکسيد يا سديم هيدروژن کربنات به عنوان کاتاليست) تهيه ميشوند. واکنش تراکم ملامين با فرمالدهيد در شکل 1-6 نشان داده شده است.
شکل1-6 : ايروژل تهيه شده از ملامين با فرمالدهيد (Alain and Pierre, 2002)
مواد ديگري که براي سنتزايروژلهاي آلي استفاده مي شود شامل فنول و فورفورال مخلوط شده با پليديمتيلسيلوکسان، پليآکريلونيتريل و پليايزوسياناتها هستند. اين دسته ازايروژلها کاربردهاي بسيار سودمندي دارند. آنها مي توانند با پلياورتانها بهم پيوسته، به پلي اوره ها و … تبديل شوند. از اين ايروژلها در مواد عايق هم در خلا و هم در شرايط محيط استفاده ميشود. اين ايروژلها شفاف نيستند اما عايقهاي حرارتي خوبي هستند.
ايروژلهاي کربن
کربن ايروژلها اولين بار در سال 1990 ساخته شدند. اين ايروژلها اغلب از گرماکافت(Pyrolysis) ايروژلهاي آلي در درجه حرارتهاي با?تر از 500 درجه سانتي گراد بدست ميآيند. با اين روش، ايروژلهاي آلي به شبکه کربن هادي الکتريسته تبديل ميشوند. کربن ايروژل بدست آمده در طول گرماکافت، مساحت سطح و حجم با?ي خلل و فرجهاي خود را حفظ ميکنند. طي پيروليز در دماي زير 1000 درجه سانتي گراد، تعداد ميکروپرزها بسيار افزايش مييابد به نحوي که بزرگترين مساحت سطح در حدود دماي 600 درجه سانتي گراد بدست مي آيد. در دماي با?تر از 2100 درجه سانتي گراد حجم حفرات به صفر ميرسد، که بيانگر تشکيل حفرات بسته است. کربن ايروژلها به شکلهاي متفاوتي از جمله : يکپارچه، پودر، فيلم و دانه دانه هستند.
ايروژلهاي هيبريدي
محققان تلاش ميکنند تا با سنتز مواد هيبريدي



قیمت: تومان


پاسخ دهید