Теоретическая часть

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра –НМНТ

Лабораторная работа № 3

Получение оксида циркония золь-гель методом

Исполнители:

Студенты, группы 4Е00 Глухов А.

Дронова М.

Ильина А

Каширина Н.

Руководитель, (_______) Лямина Г.В.

подпись

Дата (_______)

Томск –2011

Цель работы:получение оксида циркония золь-гель методом.

1.Теоретическая часть

1.1. Золь – гель метод

Золь-технология – технология получения микро и наноструктурированных материалов из коллоидного раствора в процессе конденсации и образования полимерной пространственной сети с жидкой фазой (геля).

Гелеобразование может быть организовано различными способами и

может приводить либо к коллоидным, либо к полимерным золям.

В первом случае условия осаждения определяются наличием в растворе

электролитов, которые нейтрализуют двойной электрический слой на поверхности мицелл, или пространственными факторами, связанными с ассоциацией и слипанием частиц (оба процесса затрудняют мицеллообразование). Во втором случае определяющими параметрами являются глубина и скорость протекания химических реакций, регулирующих рост и разветвленность полимерной цепи.

В полимерных системах гель построен из длинноцепных молекул,

которые и далее постепенно сшиваются друг с другом, давая плотные сетки.

Мицеллярные растворы, как правило, готовят гидролизом растворов

неорганических солей в присутствии оснований с последующей пептизацией

(процесс, обратный коагуляции и связанный с распадом агрегатов до частиц

первоначальных размеров; в данном случае осуществляется введением в

реактор разбавленных растворов электролитов) образующегося осадка

гидроксида, например:

Al(NO3)3 + 3NH3 + 3H2O → Al(OH)3↓ + 3NH4NO3 (13).

Для того чтобы гель превратился, наконец, в оксидный материал, он

должен пройти несколько этапов обработки. Первый из них – “старение”, то есть превращение, происходящее во времени. Оно неизбежно, так как коллоидный осадок – гель – система неравновесная. Далее следует формование, высушивание, термообработка. Важно, что в зависимости от того, как проводятся эти процессы, можно получить наноматериал в виде

порошка, волокон, пленок и брикетов.

Для получения волокон и нанопленок используют полимерный гель.

Если необходимо получить волокна, то его (гель) продавливают через фильеры и одновременно сушат, в результате чего удаляется растворитель. Для получения покрытий (пленок) полимерный гель наносят на поверхность

твердого носителя и сушат. Если полимерный гель просто высушивать при комнатной температуре, то удаление растворителя приведет к возникновению и преобладанию сил капиллярного давления, что, в свою очередь, станет причиной деформации трехмерной структуры геля в

Золь-гель прекурсор

гелеобразование

сушка

спекание

Рис. 1 Схема золь-гель метода

результате возникновения в ней напряжений. В результате может

образоваться стеклообразный, пористый или компактный продукт. Если растворитель из геля удалять при температуре и давлении выше критических(в автоклаве), то капиллярное давление минимизировано; в этом случае образуется аэрогель – аморфное вещество, проявляющее некоторые уникальные свойства, такие как высокая площадь внутренней поверхности, высокая пористость, низкая плотность и низкая электропроводность.

Золь-гель процесс был разработан специально для получения оксидной керамики. Процесс включает в себя следующие стадии: приготовление растворов алкоксидов, их каталитическое взаимодействие с последующим гидролизом, конденсационная полимеризация, дальнейший гидролиз. В качестве продукта процесса получают оксидный полимер (гель). Его подвергают старению, промывке, сушке и термообработке. Метод довольно прост и не требует сложного оборудования, при этом он позволяет получить нанопорошки как простых, так и сложных оксидов с размером зерен в единицы, а также пленки, волокна нанометровой толщины, высокопористые твердые вещества.

1.3. Распылительная сушка

Распылительная сушка - это наиболее крупномасштабный путь получения активных мелкодисперсных порошков. Суть метода состоит в том, что смесь растворов солей, переведенная посредством ультразвукового распылителя в состояние аэрозоля с размером частиц 0,5 – 0,8 мкм, переносится газом – носителем в горячую камеру или плазменную струю, где происходит мгновенное (полное или частичное) разложение частиц; образовавшийся оксидно-солевой продукт собирают на фильтре. Смешение компонентов в растворе на атомном уровне, практически мгновенное обезвоживание и разложение микрокапель аэрозоля позволяет получить гомогенный продукт, избежав присущие керамическому методу процессы повторного перемола и обжига, загрязняющие продукт и приводящие к ненормированному росту зерен. Вместе с тем получаемые порошки могут загрязняться материалами, из которых сделана камера для распыления; помимо этого, для того чтобы избежать образования карбонатов, приходится тщательно очищать большие объемы газа – носителя (кислорода) от примесей CO2. Распылительную сушку используют для получения и порошков, и пленок.

Вариант данного метода успешно применяется на многих производствах для получения оксида железа из хлоридных растворов. Реакция, протекающая в каплях аэрозоля в горячей камере:

2FeCl3 + 3H2O → Fe2O3 + 6HCl↑

Высокая температура способствует мгновенному разложению нитратов, при этом образуется большое число зародышей (центров кристаллизации) продукта, поэтому получается очень мелкодисперсный продукт с размером зерен около 10 нм.

1.4. Метод химического осаждения

Методы химического осаждения заключаются в совместном осаждении

(соосаждении) компонентов продукта из раствора в виде нерастворимых солей или гидроксидов. Наиболее распространены три типа химического осаждения – гидроксидный, оксалатный и карбонатный методы.

Для осаждения гидроксидов в качестве исходных реагентов используются нитраты или ацетаты, а в качестве осадителя – растворы аммиака или щелочи.

Для осаждения оксалатов в качестве исходных реагентов используются

нитраты или ацетаты, а в качестве осадителей – смеси щавелевая кислота –

аммиак, щавелевая кислота – триэтиламин, либо избыток насыщенного

раствора оксалата аммония при фиксированной кислотности раствора, либо

водный раствор диметилоксалата.

Осаждение карбонатов аналогично оксалатам. В качестве осадителя при осаждении карбонатных солей используются избыток гидрокарбоната аммония, избыток карбоната натрия либо карбонат тетраметиламмония.

Осаждение проводят при pH > 8, создаваемом добавлением раствора аммиака или гидроксида натрия. Однако приходится уделять особое внимание стадии промывки осадка, поскольку примеси щелочных металлов могут изменять свойства получаемых материалов.

12 Следующая ⇒