Золь-гель технологии в микротехнологии Студент: Киселева А.А. Преподаватель: Рассадина А.А. 1 Введение Золь-гель технология (гелевая технология) (англ. The solgel process) - технология получения материалов с определенными химическими и физико-механическими свойствами, включающая получение золя и перевод его в гель. Золь-гель технологии используются при производстве неорганических сорбентов, катализаторов и носителей катализаторов, вяжущих неорганических веществ, керамики со специальными теплофизическими, оптическими, магнитными и электрическими свойствами, стекла, стеклокерамики, волокон, и др. Целью реферата является доказательство актуальности данной технологии, рассмотрение ее с точки зрения строения и компонентов, которые она содержит. 2 ГЛАВА 1. ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ТЕХНОЛОГИИ 3 Рассмотрим основные понятия золь-гель-технологии. Дисперсными называют системы, состоящие из множества малых частиц, распределенных в жидкой, твердой или газообразной среде, а коллоидными называют дисперсные системы с наиболее высокой степенью раздробленности вещества дисперсной фазы. Дисперсная фаза — это фаза вещества, которая распределена в дисперсионной среде и не вступает в реакцию с ней в дисперсной системе. Под термином «золь-гель-технология» подразумевается совокупность процессов приготовления неорганических материалов, общими признаками которых являются составляющие в виде раствора, их перевод в золь, а затем в гель. Наглядным примером золя является сваренный, но горячий и еще не застывший студень, а геля — уже застывший студень. Стадия золь-гель перехода приводит к формированию структурной сетки и протекает в жидкости, обычно в коллоидном растворе, при нужной температуре. 4 Физический и химический гель. Их получение Золь-гель технология подразделяется на две группы принципиально разных способов: получение химического геля (гидролиз и поликонденсация) и физического геля (гелирование золей). Поликонденсация – это процесс образования полимеров из двух или полифункциональных соединений, который сопровождается выделением вещества. Гидролиз- реакция разложения вещества под действием воды. Гелирование - превращение вязкого, но при этом текучего раствора в сохраняющий форму твердообразный студень. 5 Химический гель При технологии химического геля исходными материалами являются алкоксиды металлов или неметаллов, из которых приготавливают спиртовой раствор, из которого методами гидролиза и поликонденсации получают некристаллический гель и уже из геля за счет термообработки получают так называемый ксерогель. Алкоксид – это органическая функциональная группа, образующаяся, когда атом водорода удаляется из гидроксильной группы спирта при взаимодействии с металлом. Это сопряженное основание спирта. 6 Физический гель Технология физического геля заключается в приготовлении водного раствора солей металлов или неметаллов, из которого методом гидролиза получают аква-, гидроксо- и оксо- комплексы. Эти комплексы переводят затем в золь, из которого получают некристаллический гель и аналогично ксерогель. В обоих случаях технологические процессы начинаются с приготовления растворов, после чего идут операции гидролиза и поликонденсации. 7 Методы получения золей При получении золей могут быть использованы различные типы химических реакций (восстановления, окисления, двойного обмена, гидролиза); методы физической конденсации (путем замены растворителя или при пропускании паров какого-либо вещества в жидкости), а также электрические методы. Эффективный способ получения золей из молекулярных пучков был разработан С.З.Рогинским и А.И. Шальниковым. Сущность метода заключается в совместном испарении в вакууме вещества и растворителя. Смешанные пары компенсируются и замораживаются, после чего смесь размораживают и собирают в специальную емкость. Этим способом были получены труднодоступные золи многих веществ. Метод обеспечивает высокую чистоту получаемых золей. Кроме того, для приготовления золей могут применяться методы диспергации и пептизации. Диспергация - это дробление частиц твердого или жидкого вещества в жидкой среде. Пептизация – процесс перехода осадка в золь под действием специальных веществпептизоторов. 8 Превращение золя в гель Гель представляет собой многофазную систему (как минимум, двухфазную), построенную из частиц очень малых размеров. Склонность гелей к упорядочению проявляется уже в процессе их старения, как это показано на рис. 3. Сушка — важная операция золь-гель-технологии. Она вызывает глубокие изменения в геле и сопровождается сильной усадкой, повышением плотности первичных частиц и уменьшением зазоров между ними. 9 ГЛАВА 2. Золь-гель технология в тонких пленках 10 Золь-гель технология, или гелевая технология, является одним из перспективных методов получения тонкоплёночных материалов, который включает в себя получение золя и последующий перевод его в гель. Этот метод позволяет получить равномерные пленки сложного состава на основе твердых растворов, химических соединений. Меняя соотношение исходных компонентов, можно получать как мелкокристаллические, так и крупнокристаллические пленки. Для синтеза пленок по золь-гель технологии используют метод получения из пленкообразующих растворов (ПОР). Основным его преимуществом является возможность направленного синтеза материалов с заранее заданными физико-химическими свойствами. 11 Сущность метода получения пленок из ПОР заключается в том, что при растворении исходных веществ в растворителе необходим некоторый период, так называемый процесс «созревания» раствора или образования золя. Для различных веществ этот период может колебаться от нескольких минут до нескольких суток. На этой стадии происходит переход от истинного раствора к коллоидному за счет процессов таких как гидролиз, конденсация (рис. 1.5). Далее на подложку наносится тонкий слой раствора, находящегося на стадии образования золя и содержащий пленкообразующее вещество, который удерживается на ней (рис. 1.6). Капля раствора (золя) наносится в центр медленно вращающейся или неподвижной подложки. Затем подложка начинает вращаться с высокой угловой скоростью, в результате чего под действием центробежной силы капля растекается по поверхности. При вращении одновременно происходит интенсивное испарение жидкой фазы из золя. В результате испарения растворителя и в некоторых случаях за счет протекания гидролиза под действием паров воды формируется устойчивая, однородная пленка. 12 Полученные на этом этапе пленки еще не обладают требуемыми свойствами, высокой адгезией (способностью частиц взаимодействовать, держаться друг за друга) к подложке и стабильностью. Поэтому пленки подвергают термообработке при определенной температуре. В результате чего пленка уплотняется, увеличивается адгезия к подложке, стабильность свойств во времени, достигаются необходимые характеристики пленки. Для того чтобы получить пленки с хорошими свойствами, исходные ПОР должны обладать особыми физическими и химическими свойствами и также должна быть выбрана правильная подложка. 13 Преимущества золь-гель метода • Популярность классического варианта золь-гель метода, связана в первую очередь с тем, что получаемые материалы обладают рядом уникальных свойств. • Золь-гель метод позволяет снизить энергозатраты и достичь высокой степени чистоты продуктов на всех стадиях синтеза. • Кроме того, золь-гель метод синтеза наночастиц привлекает относительно легкой реализуемостью в лабораторных условиях. • Универсальность. Метод может быть применен для создания различных микрои наноструктур, включая пленки, порошки и нанокомпозиты. Благодаря этому, золь-гель технология находит применение во многих отраслях, таких как электроника, оптика, биомедицина. • Возможность контроля над структурными свойствами получаемых материалов. Это позволяет создавать материалы с оптимальными физическими и химическими свойствами для конкретных применений. • Золь-гель технология также обладает высокой масштабируемостью. Это делает золь-гель технологию доступной для широкого круга производителей. 14 Недостатки золь-гель метода Однако, помимо преимуществ, золь-гель технология также имеет некоторые ограничения. • Например, процесс синтеза может быть длительным и сложным, требуя определенных знаний и опыта для достижения желаемых результатов. • Кроме того, некоторые материалы, такие как полимеры, могут быть трудно применимыми в золь-гель процессе из-за их высокой вязкости или неустойчивости в гель-образовании. 15 Заключение Золь-гель технология является важной и перспективной в области микротехнологии. Она основана на формировании геля из коллоидной системы, содержащей золь (наночастицы) и гидроген (жидкую фазу). При использовании данной технологии можно получить микро- и наноструктуры с высокой структурной точностью. В целом, золь-гель технология представляет собой перспективный инструмент для создания микро- и наноструктур с уникальными свойствами. Ее высокая универсальность, контролируемость и масштабируемость открывают новые возможности в области микротехнологий и имеют потенциал для применения в различных отраслях. 16