مقاله فرآیند سُل- ژل

[*mishi* 11920]

فرآیند سُل- ژل (sol-gel) یك روش شیمیایی تر برای ساخت مواد (مثلاً از یك اكسید فلزی) می باشد، كه از یك محلول شیمیایی (sol مخفف solution) و یا ذرات كلوئیدی (sol برای نانو ذرات) برای تولید یك شبكه كامل شده، استفاده می شود. پیش سازها و شروع كننده ها اكسیدهای فلزی و كلریدهای فلزی هستند كه تحت واكنش های هیدرولیز شدن و تراكم پذیری (Poly condensation ) یك كلوئید را تشكیل می دهند كه یك سیستم تركیب شده از ذرات جامد پراكنده شده (با سایز یك نانومتر تا یك میكرون) در یك حلال می باشد. با پراكنده شدن ذرات جامد در حلال، سُل باز می شود و سپس به سمت تشكیل یك شبكه پیوسته معدنی حاوی یك فاز مایع (ژل) پیش می رود.

اكسیدهای فلزی از مهم ترین نانو ذراتی هستند كه معمولاً در پوششها از آنها استفاده می شود و معروف ترین آنها عبارتند از : سیلیكا (2 SiO )، تیتان (2 TiO )، آلومینا ( Al2O3 )، زیركونیوم (ZrO )، سریا (CeO2 )، زیركونیا ( ZrO2 )،ّ Fe2O3 ، ّFe3O4 . (نانو ذرات موادی می باشند كه اندازه آنها در محدوده 1 تا 100 نانومتر باشد و معمولاً به شكل پودر یا مایع دیسپرس شده می توانند برای تهیه انواع پوشش ها یا محصولات مختلف دیگر استفاده شوند.)

تشكیل یك اكسید فلزی ارتباط مراكز فلزی را با M-O-M)OXO ) یا پل های هیدروكسی (M-OH-M ) درگیر می كند، بنابراین پلیمرهای OXO فلزی یا هیدروكسی فلزی را در محل تولید می كند. فرآیند خشك شدن به انتقال فاز مایع از ژل با تشكیل مواد متخلخل كمك می كند، سپس یك عملیات حرارتی (firing ) ممكن است در جهت پیش بردن تراكم پذیری مركب (Poly condensation ) و در نتیجه بهبود خواص مكانیكی انجام شود.

مراحل فرآیند سیستم سل- ژل شامل مراحل زیر می باشد: (این مراحل كلی بدون در نظر گرفتن مواد شروع كننده می باشد)

1) مخلوط كردن

2) ژل شدن: تعریف تجربی یعنی زمانی كه محلول جریان نمی پذیرد.

3) تشكیل ماده: بصورت فیلم نازك، لیف یا توده می باشد.

4) خشك كردن

5) تغلیظ و متراكم شدن

 

فواید فرآیند سل- ژل

1) سادگی روش

2) انعطاف پذیر بودن

3) دمای پایین واكنش

4) سرمایه گذاری كم

پیش ساز ژل می تواند رو یك سطح برای تشكیل فیلم (به عنوان مثال به روش فروبری یا چرخشی) ته نشن و اعمال شود و یا می تواند به صورت توده مناسب با شكل مورد نظر (به عنوان مثال برای به دست آوردن سرامیك های یك پارچه، شیشه ها، الیاف، پوسته ها یا ورقه ها و یا ژل های مجزا) باشد و یا به صورت تركیب پودر (مثل كره های نانو و میكرو) استفاده شود. روش سل- ژل روش ارزانی می باشد و روشی است كه به دلیل دمای پایین واكنش می توان كنترل مناسبی بر تركیب شیمیایی محصولات داشت و این كنترل باعث می شود كه مقادیر كوچك تركیب شده در هم مانند رنگینه های آلی و فلزات خاكی نادر مطرح شوند و در نهایت در محصول نهایی دیسپرس پایان پذیرید.سل- ژل می تواند در فرآیند ساخت سرامیك ها به عنوان مواد در قالب استفاده شود یا به عنوان حد واسط فیلم های خیلی نازك اكسیدهای فلزی برای فرآیندهای مختلف استفاده شود. مواد ناشی از سیستم سل- ژل می تواند در كاربردهای متفاوت نوری (اپتیك)، الكترونیك، انرژی، سطح، سنسورهای بیو (Bio )، دارویی و تكنولوژی جداسازی (مثل كروماتوگرافی) به كار برده شود. تاریخچه استفاده از فرآیند سل- ژل به سال 1880 میلادی بر می گردد كه هیدرولیز تترا اتیل اورتوسیلیكات (TEOS ) تحت حالت اسیدی باعث تشكیل SiO2 به شكل الیاف و ورقه های یكپارچه شد. رشد تحقیق و پژوهش سل- ژل در سال 1990 میلادی به حدی شد كه در حدود بیشتر از 50000 مقاله در سرتاسر دنیا در مورد فرآیند آن به چاپ رسید.

كاربردها:

محققان از سیستم سل- ژل برای تولید سبك ترین مواد دنیا كه زیر دستی كه مانند سرامیك داشته باشد، استفاده می كنند. با استفاده از سل- ژل مواد بسیار زیادی را می توان تولید كرد. یكی از بیشترین كاربردهای سل- ژل در تهیه فیلم های نازك است كه می تواند توسط روش پوشش دادن پرخشی یا غوطه وری بر روی سطح ایجاد شود. روش های دیگر شامل اسپری كردن، الكتروفورز، چاپ جوهری یا پوشش های رولی می باشد. پوشش های نوری، رنگ های حفاظتی و تزیینی و تركیبات الكترو اپتیك می توانند روی شیشه، فلز و دیگر انواع سطوح با این روش استفاده شوند.

با ریختن در قالب و سپس خشك كردن و عملیات حرارتی سرامیك متراكم یا كارهای هنری شیشه ای با خواص جدید می تواند ایجاد شود كه با روش های دیگر امكان انجام آن میسر نمی باشد. اجزای نوری میكروسكوپ و تركیبات نوری فعال به خوبی یك سطح آینه ای داغ بزرگ، آینه ای سرد، لنزها و *****های نوری با هندسه نوری می تواند سریع و با قیمت ارزان با سیستم سل- ژل تهیه شود.

با یك ویسكوزیته سل تنظیم شده برای محدوده مناسب، هم الیاف نوری و هم الیاف سرامیكی سخت می توانند طوری تهیه شوند كه برای سنسورهای فیبر نوری و عایق های حرارتی استفاده شوند.

پودر های سرامیكی بسیار نرم و یك پارچه می توانند توسط روش ته نشینی و رسوب تشكیل شوند. این پودرهای یك جزئی یا تركیبات چند جزئی می توانند در اندازه ذرات زیر میكرومتر، برای كاربردهای دندان پزشكی و دارویی استفاده شوند. پودرهای تركیبی به عنوان كود شیمیایی و سم استفاده می شوند. هم چنین ساینده های پودری كه در عملكرد تكمیلی مختلف استفاده می شوند با فرآیند سل- ژل درست شده اند.

یكی از كاربردهای مهم این فرآیند، انجام سنتز زئولیت (سیلیكات آبدار) می باشد. عوامل دیگر (فلزات و اكسیدهای فلزی) می توانند به راحتی داخل محصول نهایی تركیب شوند وسل سیلیكاتی تشكیل شده به این روش بسیار پایدار است. دیگر محصولات ساخته شده با این روش شامل پوسته غشایی سرامیكی مختلف برای میكرو*****اسیون، اولترا*****اسیون، نانو *****اسیون و اسمز معكوس می باشد. اگر مایع در یك ژل مرطوب، تحت حالت فوق بحرانی جا به جا شود، موادی با حفره های بزرگ ( بسیار متخلخل) و دانسیته به شدت پایین كه Aerogel نامیده می شود. تشكیل می دهد. خشك شدن ژل توسط عملیات حرارتی با دمای میانگین پایین (25-100 درجه سانتی گراد) صورت می گیرد و ممكن است كه مواد جامد متخلخل كه Xerogel نامیده می شوند، به دست آید. در انتها، فرآیند سل- ژل درسال 1950 برای تولید پودرهای رادیواكتیو Uo2 و ThO2 برای سوخت هسته ای بدون تولید ذرات با اندازه های بزرگ گسترش یافته بود.

منبع: نشریه PET