سلها ذرات کلوئیدی پراکنده در محلول به ابعاد 1-100nm هستند که به علت کوچکی بیش از حد بوسیله حرکت براونی در محلول به حالت معلق باقی میمانند و ژل نیز عبارتست از یک شبکه جامد و به هم پیوستهای با منافذی به ابعاد زیر میکرومتر و زنجیرهای پلیمری که طول متوسط آنها بزرگتر از یک میکرومتر است. در حقیقت فرایند سل-ژل سنتز شبکه معدنی توسط واکنشهای شیمیائی در محلول و در دمای پائین است که به دلیل تشکیل شبکه بیشکل (در مراحل اولیه) در مقابل فرایند کریستاله شدن در محلول قرار دارد. در اینجا لازم است که درباره بعضی از اصطلاحات کلیدی و رایج در فرایند توضیح داده شود.
1- هیدروژل: ژلها را عموماً در محیط آبی تهیه میکنند، اصطلاح هیدروژل به ژلی اطلاق میشود که حفرات آن توسط آب پرشدهاند البته گاهی اوقات به آن Equagel نیز گفته میشود. 2- الکوژل : ژلی که حفرات آن توسط الکل پرشده باشد ژلهائی که از خشککردن الکوژل بدست میآیند دارای حفرات بیشتر و ساختار ژلی آبی تقریباً حفظ میشود و شکستگی کمتری در ساختار در هنگام خشککردن اتفاق میافتد. 3- گزروژل : به ژلی گفته میشود که تمام مایع داخل حفرات ژل خارج شده باشد به گونهای که ساختار کمی متراکمتر و فشردهتر شده باشد. و چروکیدگی نسبت به وضعیت هیدروژل در آن مشهود است. در ضمن سطح ویژه آن کاهش یافته است. 4- آئروژل: در واقع نوعی ژل خشک است. بدین ترتیب که محلول داخل ژل خارج شده است به گونهای که هیچ فشردگی یا تغییری در ساختار ژل ایجاد نشده است. این نوع ژل عموماً بدین صورت تهیه میشود که ژل را تا دمای بحرانی حلال حرارت میدهند بنابراین هیچ تعادلی بین مایع و بخار وجود ندارد. و ژل با سطح ویژه بالا با حفظ ساختار در حالت هیدروژل بدست میآید. شکل زیر بیانگر حالات مختلف ژل است . |
|
انواع مختلف ژل سیلسی a) هیدروژل b) گزروژل c) آئروژل d) گزروژل با دانسیته متوسط | |
انواع فرایند سل ژل عبارتند از: 1- فرایند در مسیر الکوکسیدی 2- فرایند در مسیر کلوئیدی
1- مسیر الکوکسیدی: مهمترین و متداولترین روش فرایند سل-ژل در تهیه مواد معدنی اعم از شیشهها، پایههای کاتالیست و سرامیکهای پیشرفته مسیر الکوکسیدی میباشد. این روش براساس شیمی الکوکسیدها بنا نهاده شده است. در اینجا سل از پیشماده الکوکسید حل شده در آب که به عنوان یک حلال بکار برده میشود تشکیل شده است. در نتیجه هیدرولیز و تراکم این پیشماده، سل به ژل تبدیل شده که طی خشککردن تحت شرایط خاصی شبکه معدنی از آن تشکیل میشود. معادلات زیر واکنشهای اساسی که تبدیل پیشماده الکوکسید را به ژل و نهایتاً به شبکه معدنی ممکن میسازند را نشان میدهد. در واکنش هیدرولیز پیشماده الکوکسید به گونههای معدنی که در الکل محلولند تبدیل میشوند.
|
در واکنش تراکم گونههای فعال شده باهم واکنش میدهند و شبکه پلیمری معدنی شامل پیوندهای M-O-M (با یک نوع الکوکسید) یا M- O - M´ (با چند نوع الکوکسید) در محلول شروع به تشکیل میکند:
|
که در این واکنش M میتواند Si ، Al ، Ti ، Zn ، Sn ، Pb ، Ta و Cu و Ni و Co و غیره باشد. و R یک گروه آلکیل مانند متیل، اتیل، ایزوپروپیل، بوتیل و … میباشد. 2- مسیر کلوئیدی: در این مسیر از اصول شیمی کلوئیدها برای تولید ذرات کلوئیدی از گونههای یونی و غیریونی در یک محیط آبی استفاده میشود. در این روش سل از ذرات کلوئیدی که در یک مایع (معمولاً آب) پراکنده شدهاند تشکیل یافته است. وقتی ویسکوزیته این سل، با ازدست دادن جزئی از مایع افزایش یابد به یک ژل سخت تبدیل میشود. بنابراین دراین روش شبکه معدنی از آرایش ذرات مجزا و ژل شدن محلول این ذرات بوجود میآید. از دو مسیر ذکر شده در فرایند سل-ژل امروزه مسیر الکوکسید بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. و اکثر کارهای انجام شده در این زمینه با استفاده از الکوکسیدها به عنوان پیشماده بوده است. زیرا الکوکسید منبع مناسبی برای مونومرهای معدنی هستد و همچنین در مسیر الکوکسید، بوسیله روشهای شیمیائی مثلاً با کنترل سرعت واکنش ئیدرولیز و تراکم میتوان سرعت واکنشهای کلی را کنترل کرد. بنابراین شیمی فرایند سل-ژل براساس الکوکسید آسانتر از پدیدههای شیمی کلوئیدی مثل بارهای سطحی یا گونههای جذب شده روی سطح ذرات قابل کنترل است. علاوه برآن مسیر الکوکسید امکان تهیه محصولات با درجه خلوص و همگنی بالا در دمای پائینتر را میسر میسازد |
فرایند سل ژل برای تهیه مواد گوناگون از پیشمادههای الکوکسید به چند مرحله متوالی تقسیم میشود. هر مرحله به عنوان پلی بین مرحله قبل و بعد خود عمل میکند. این مراحل به قرار زیر است: 1- مخلوط کردن پیش مادهها (mixing) 2- شکلدهی (forming) 3- ژلشدن (gelation) 4- کهنه شدن (aging) 5- خشک کردن (drying) 6- آبزدائی یا تثبیت شیمیائی (dehydration or chemical stablization ) 7- متراکم کردن (densification and sintering ) |
|
مراحل فرایند سل-ژل | |