Золь-гель метод (стр. 1 из 7)
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины»
Химический факультет
Курсовая работа
Золь-гель метод
Исполнитель:
Студентка группы К-42
Лягушова А.Ю.
Научный руководитель:
Загрушевская Т.Е.
Гомель 2006
Оглавление
Введение
1. Получение коллоидных систем
1.1 Основные понятия и определения
1.2 Теоретический анализ процессов формирования кварцевых стекол золь-гель методом
1.4 Литье и гелеобразование
1.3 Гидролиз и поликонденсация
1.5 Созревание и сушка
1.6 Спекание
2. Получение золь-коллоидных систем по “гибридному” методу
3. Кварцевые стекла, активированные ионами европия
3.1 Кварцевые стекла, активированные ионами Eu3+
3.2 Кварцевые стекла, активированные ионами Eu2+
4. Свойства квантовых стекол, активированные ионами европия
4.1 Спектрально-люминесцентные свойства Eu- и Ce-Eu - содержащих кварцевые гель-стекол
4.2 Спектры поглощения Eu- и Ce-Eu-содержащих кварцевых гель-стекол
4.3 Спектры люминесценции Еu-содержащих стекол
4.4 Спектры люминесценции и ее возбуждения Се-Еu-содержащих стекол
Заключение
Литература
Несмотря на недавно появившуюся волну научного интереса, использование золь-гельных методов для изготовления стекла и керамики не ново. Слово «золь» согласно Юргенсону и Страуманису описывает дисперсию коллоидов в жидкостях. В свою очередь, коллоиды описываются как твёрдые частицы диаметром в диапазоне 10 – 1000 А, каждая из которых содержит 103 – 109 атомов. Когда вязкость золя повышается в достаточной степени, обычно благодаря частичной потере его жидкой фазы, он становится жёстким. Этот жёсткий материал называется «гель». Наиболее широко исследованными неорганическими гелями являются кремнеземный и силикатный гели.
Одним из перспективных методов получения особо чистых однородных стекол и высокопористого стеклоподобного материала для изготовления разнообразных изделий для оптики, электроники, теплотехники, химической промышленности и т.п. является золь-гель метод – принципиально новый метод, позволяющий синтезировать продукты, минуя стадию варки (1-4).
Начало систематических исследований в области золь-гель синтеза стекол относится к концу 60-х – началу 80-х годов.
Наиболее интересным и перспективных для технологии стекла является способ непосредственного формирования изделия заданной формы путем поликонденсации гелей и последующего их уплотнения при термообработке (без плавления), т.е. способ, в котором реализуется постоянный переход золь – гель – стекло /8/.
Основными преимуществами данного способа является следующие:
- высокая чистота стекла, обусловленная чистотой сырьевых материалов;
- высокая однородность стекла, базирующаяся на однородности исходных компонентов;
- низкая температура получения монолитного стекла (снижение до ≥ 500оС);
- простота используемой аппаратуры и оборудования.
К недостаткам золь-гель технологии следует отнести высокую стоимость сырьевых материалов (прежде всего алкоксидов); технологические трудности, возникающие при получении монолитных стёкол (растрескивание гелей при сушке и термообработке); повышенное содержание гидроксильных групп в стекле; продолжительность процесса.
1. Получение коллоидных систем
1.1 Основные понятия и определения
Дисперсной системой называется такая система, в которой вещество находится в состоянии более или менее высокого раздробления (дисперсности) и равномерно распределено в окружающей среде.
Дисперсные системы делятся на однофазные (гомогенные) и многофазные (гетерогенные). В гомогенных системах, состоящих из молекул или ионов, отсутствуют границы раздела между частицами и средой. В гетерогенных дисперсных системах существуют границы раздела между фазами.
Двухфазная гетерогенная система состоит из среды (газообразной, жидкой или твёрдой), в которой находятся частицы раздробленного вещества. Первую фазу условились называть дисперсной средой, вторую фазу, т.е. раздробленное вещество, дисперсной фазой.
По степени дисперсности все микродисперсные системы можно условно разделить на три группы: грубодисперсные (Д(1/см)~<105), коллоидно-дисперсные (Д(1/см)~105-107) и молекулярно (ионно)- дисперсные (Д(1/см)~107).
Классификацию дисперсных систем проводят и по другому признаку – по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсные системы с газообразной дисперсной средой называют аэрозолями (туман, дым); с жидкой дисперсной средой – лиозолями (коллоидные растворы, эмульсии, суспензии) и, наконец, системы с твёрдой дисперсной средой – твёрдые золи (стёкла, самоцветы, сплавы).
Вещества определённой степени дисперсности могут быть получены двумя способами:
1) путем раздробления более или менее крупных тел до желаемой дисперсности;
2) путем укрупнения молекул, атомов и ионов до частиц желаемой дисперсности. Исходя из этого, методы получения коллоидных систем разделяются, на дисперсионные и конденсационные.
Методы диспергирования практически осуществляются путем механического измельчения, дробления, истирания на дробилках, жерновах, шаровых мельницах и др.
В последнее время для получения различного рода высокодисперсных коллоидных систем всё большее значение приобретает ультразвук. Под действием ультразвукового поля удается получать не только эмульсии, но и диспергировать в различных средах твёрдые вещества. Так можно получать коллоидные растворы с частицами гипса, графита, серы, некоторых металлов, красителей и других веществ.
Методы конденсации (агрегации) основаны на переходе от молекулярных или ионных растворов к коллоидным системам путем перевода вещества в нерастворимое состояние. Эти процессы могут носить как физический, так и химический характер. В случае физических процессов в основе их лежат явления конденсации паров, в случае химических процессов – различные реакции, приводящие к образованию нерастворимых в дисперсной среде соединений.
Золь – двухфазная система, состоящая из коллоидных частиц, распределенных в жидкости.
Гель - взаимосвязанная твердая трехмерная сетка с порами субмикронного размера, заполненными жидкостью (гидрогель) или газом (ксе-рогель).
Если жидкость в порах представляет собой воду, то используют термин аквагель, а в случае заполнения спиртом - алкогель.
Общий термин гель часто применяется к различным типам гелеобразных ультрапористых структур, а полученный путем гиперкритической сушки низкоплотный гель называют аэрогелем. Гель считается сухим, когда физически адсорбированная вода полностью удалена из его тела. Это происходит при температурах от 100 до 180 °С.
Термообработка гелей при повышенных температурах (от 800 до 1200 °С) в значительной степени уменьшает число пор и их взаимосвязанность за счет механизма вязкого течения. Этот процесс называется уплотнением или спеканием. Пористый гель трансформируется в плотное или монолитное стекло, когда все поры исчезают.
Микроаморфный кремнезем включает в себя золи, гели, порошки и гель стекла, которые состоят, в основном, из первичных частиц размером менее одного микрона и с величиной удельной поверхности более 3 м
/г. Микроаморфный кремнезем подразделяется на два класса:I. Пирогенный кремнезем (аэросил) представляет собой безводные аморфные частицы диоксида кремния, получаемые при высокой температуре методом окисления соединений кремния, таких, как SiCl4, SiH4, SiHCl3 и др. в парообразном состоянии в токе кислорода или углеводородном пламени.
II. Гидроксилированный микроаморфный кремнезем образуется на зародышах, формируемых из растворов мономера Si(OH)4, образующегося путем гидролиза органических соединений кремния (алкоксидный золь-гель процесс) или солей кремниевой кислоты. Тетраэдрические сетки кремнезема, выстраивающиеся в процессе конденсации мономера Si(OH)4, являются аморфными и имеют сферическую форму. Таким образом, микроаморфный гидроксилированный кремнезем выделяется из раствора либо в виде сферических аморфных частиц (золь), либо агрегируется в гель, либо коагулирует при резком изменении рН или температуры, образуя порошок. Первоначально сформированные частицы могут содержать внутри аморфной сетки кремнезема некоторую долю несконденсированных групп Si-OH (силанолъные группы), и, в зависимости от условий роста, группы ОН
либо остаются на поверхности, либо распределены по диаметру частицы по определенному закону.По классификации Г. Шерера [1] поры, в зависимости от размеров, ксерогелях, получаемых золь-гель методом, подразделяются на три группы: микропоры (< 1нм), переходные поры или мезопоры (от l до ЗО нм) и макропоры (> 30 нм).
Золи, сформированные из частиц пирогенного кремнезема и гидроксилированного аморфного кремнезема, получаемые путем гидролиза алкоксисоединений кремния с последующей поликонденсацией, называются смешанными или гибридными золями. А процесс перехода золя в гель путем дестабилизации (при изменении температуры или рН системы) носит название гелеобразование. Гелеобразование происходит в формах (изложницах), куда выливается золь после дестабилизации. Во время периода созревания (старения) геля, которое происходит в течение довольно длительного времени (от нескольких часов до нескольких суток), продолжаются процессы упрочнения сетки геля за счет реакций поликонденсации и роста перешейков в структуре кремнекислородного каркаса и выдавливания интермицеллярной жидкости (синерезис).