از میان انواع مختلف ایروژل ها، ایروژل های سیلیکاتی بیش از همه بررسی شده اند. این مواد به علت ویزگی های مکانیکی، حرارتی، صوتی، نوری و بیولوژیکی خود کاربرد های متنوعی دارند.

ترجمه شده توسط: مهندس سیدجلال حسینی نسب

دانشجوی سال سوم دکتری شیمی تجزیه

روش تولید ایروژل های سیلیکا

برای تولید ایروژل های سیلیکایی روش های مختلفی وجود دارد که همه آنها شامل پلیمری شدن یک یا چند پیش ماده حاوی سیلیکون و تشکیل ماتریکس سل- ژلی هستند که در این ماتریکس حفرات با حلال واکنش پر شده اند.برای تولید ایروژل از این ژل خیس حلال باید طوری از آن خارج شود که حفرات صدمه نبینند و ساختار متخلخل ایروژل دست نخورده باقی بماند.

به طور کلی یک شبکه جامد نانو ساختار در نتیجه فرایند پلیمری شدن در محیط واکنش مایع تشکیل می شود و پل های سیلوکسان بین اتم های سیلیکون مولکول پیش ماده به وجود می آید. در مرحله اولیه فرایند سل- ژل، ذرات سیلیکای کلوییدی جامد (نانو ذرات) یا الیگومرهای خطی ایجاد می شوند. در مرحله بعد این مواد اولیه می توانند در حلال به یکدیگر متصل شوند و ساختار شبکه باز سه بعدی را بسازند که ژل نامیده می شود. تبدیل مداوم سل به ژل به فرایند ژل شدن معروف می باشد. در کل تغییر از حالت مایع به جامد، فرایند سل- ژل نام دارد. ژل هایی که بدست می ایند بسته به ماهیت واحد های سازنده شبکه و این که نانو ذره ای باشند یا خطی (شبیه پلیمر)، به ترتیب کلوییدی یا پلیمری هستند. برای هر دو مرحله واحد های پیش برنده عبارتند از: هیدرولیز و تراکم آب و یا تراکم الکل.

 

پیش ماده های سیلیکایی که اغلب بکار می روند الکوکسید های نوع Si(OR)₄ هستند که R و OR به ترتیب نشان دهنده گروه ها ی آلکیل و الکوکسید هستند. در اکثر مواقع R گروه متیل است. بنابراین پیش ماده ای که اغلب بکار می رود تترا متوکسی سیلان (TMOS) است. ماده معمول دیگر که چهار اتیل به عنوان گروه های R دارد، تترا اتوکسی سیلان (TEOS) است.

فرایند کلی تهیه ژل سیلیکا شامل سه مرحله است:

مرحله سل-ژل:

مخلوط آلکوکسید سیلیکون مثل تترا اتوکسی سیلان (TEOS) و آب اسیدی در بشری قرار می گیرد. آب باید اسیدی باشد زیرا هیدرولیز تترا اتوکسی سیلان به شدت به pH بستگی دارد. بعد از کامل شدن واکنش هیدرولیز، با تغییر pH واکنش تراکمی اتفاق می افتد و ژل تولید می شود.

مرحله پیر سازی(aging):

قبل از خشک کردن اغلب بر ژل های سیلیکا فرایند های مختلف پیر سازی اعمال می شوند. هدف این مرحله تقویت مکانیکی اسکلت جامد ظریفی است که در طول فرایند سل- ژل ایجاد شده است.

مرحله خشک کردن:

برای تهیه ایروژل از ژل تر(خیس) باید حلال مایع از ماتریکس حذف شود. این فرایند بسیار مهم است زیرا نانو ساختار ظریف یک ژل تر بهینه نشده نمی تواند در برابر نیرو های مویینگی بزرگ مقاومت کند (نیرو های مویینگی در طول خشک کردن به علت کشش سطحی در سطح تماس بخار- مایع وجود دارند). سل ژل های بهینه نشده که در شرایط محیطی خشک می شوند به علت فرو پاشی حفراتشان حدود 1/8 حجم اولیه خود منقبض می شوند و ماده حاصل زروژل نام دارد(ژل خشک). اگر فرایند خشک شدن آهسته رخ بدهد، تکه های زروژل دست نخورده ایجاد می شوند. اما برای تهیه ایروژل نباید از مرز فاز مایع- بخار عبور کرد.بدین ترتیب از فرو پاشی حفرات جلوگیری می شود. روش ها ی معمول برای جلوگیری از فرو پاشی حفرات در ساخت ایروژل ها سه دسته اند که هر کدام برای به حداقل رساندن یا از بین بردن نیرو های مویینگی (حاصل از اثرات کشش سطحی) طراحی شده اند که عبارتند از:

 

1) روش خشک کردن از طریق فریز کردن

2) خشک کردن در فشار محیط و بهینه کردن سطح

3) روش فوق بحرانی

فرایند کلی تهیه ایروژل ها به صورت شماتیک در پایین نشان داده شده است.

مراحل ساخت ایروژل ها

ترجمه شده توسط: مهندس سیدجلال حسینی نسب

دانشجوی سال سوم دکتری شیمی تجزیه

ترجمه شده توسط تیم پلیمرپلاس (Polymerplus.ir)

انتشار مطالب با ذکر نام پلیمرپلاس و لینک این صفحه بلامانع است

مطالب مرتبط:

ایروژل-چیست؟