Гелеобразование

Структурообразование в дисперсных системах происходит в результате сцепления частиц дисперсной фазы. Приводит к образованию пространственного структурного каркаса и возникновению структурной вязкости или отверждению системы. Структурообразование в жидких дисперсных системах называют гелеобразованием, т.е. гелеобразование – это переход коллоидной системы из свободнодисперсного состояния (золя) в связнодисперсное состояние (гель). При этом процессе только часть поверхности частиц теряет стабильность и слипается. В результате частицы образуют пространственную сетку, в петлях которой находится дисперсионная среда. Наличие такой жидкостной прослойки между частицами обуславливают меньшую прочность структуры, но зато придают ей пластичность, а в некоторых случаях и эластичность.

На процесс гелеобразования влияют следующие факторы:

1. Концентрация дисперсной фазы. С повышением концентрации возрастает число контактов и скорость их возникновения.

2. Размеры частиц. Чем они меньше при постоянной массовой концентрации дисперсной фазы, тем больше образуется контактов.

3. Форма частиц. Гелеобразование облегчается, если частицы анизодиаметральны, т.е. частицы, имеющие различающиеся размеры по разным направлениям (нити, ленточки, пластины и т.д.).

4. Температура. При повышении температуры скорость гелеобразования увеличивается. Однако в результате повышения интенсивности броуновского движения гели могут переходить даже в неструктурированные жидкости.

5. Механическое воздействие. Обычно перемешивание препятствует образованию геля. Однако в некоторых случаях скорость образования геля можно значительно увеличить, если сосуд медленно вращать. Это явление получило название реопесии. Однозначного объяснения этого явления нет, но некоторые ученые считают, что причиной реопсии является возникновение в системе турбулентности, ускоряющей установление контактов между частицами.

Коагуляция – слипание частиц дисперсной фазы в коллоидных системах. Происходит при столкновении частиц в процессе броуновского движения или при перемешивании дисперсной среды. В образующихся агрегатах (хлопьях) частицы связаны молекулярными силами непосредственно или через прослойку дисперсной среды.

Важнейшим фактором, препятствующим коагуляции, является наличие на коллоидных частицах электрических зарядов. Вследствие одноименности этих зарядов, золь заметно не коагулирует даже при долгом хранении, т.е. является весьма устойчивым. Очевидно, что лишение коллоидных частиц их электрического заряда (хотя бы частичное) должно понижать устойчивость золей и способствовать их коагуляции. Такое разряжение может быть достигнуто добавлением к коллоидному раствору электролитов. Разряжение коллоидных частиц может быть достигнуто прибавлением не только электролитов, но и противоположно заряженных коллоидов.

Старение

Как показывают многочисленные исследования, гели с течением времени меняют свои свойства, т. е. стареют. В процессе старения на их поверхности начинают появляться капельки жидкости, которые затем сливаются вместе, образуя сплошную жидкую фазу. Происходит разделение геля на две фазы — дисперсионную и дисперсную. Подобный само­произвольно возникающий процесс старения геля получил название синерезиса или отмокания. Синерезис обусловлен возрастанием во времени числа и прочности контактов между частицами, а в некоторых случаях – возникновением кристаллизационных мостиков между частицами. В результате синерезиса гелеобразная система может превратиться в сплошное кристаллическое тело.

Сушка

Исключительно важную роль в золь-гель синтезе играют процессы удаления растворителя из геля (сушки). В зависимости от метода их осуществления могут быть получены различные продукты синтеза: ксерогели, амбигели, криогели, аэрогели.

Ксерогель — продукт сушки при атмосферном давлении в достаточно жестких условиях, приводящих к схлопыванию макропор и значительному увеличению плотности материала.

Амбигель — продукт сушки водного или органического геля (алкогеля) при атмосферном давлении, характеризующийся, в отличие от ксерогеля, низкими значениями плотности.

Криогель — высокопористый монолитный или порошкообразный продукт сублимационной сушки замороженных суспензий и гелей. Сублимационная сушка — процесс удаления растворителя из замороженных гелей, основанный на сублимации затвердевшего растворителя (льда) без образования макроколичеств жидкой фазы.

Аэроге́ли — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Это продукт сверхкритической сушки.

На рис.3[7] можно увидеть:

Вверху: органический гель (алкогель) силиката лантана и продукты его сушки различными методами (ксерогель, амбигель, аэрогель). Линейка на заднем плане подтверждает отличие объемов образцов, полученных из одного и того же количества исходного геля различными методами.

Внизу: микрофотография амбигеля силиката лантана, полученная при помощи электронной микроскопии высокого разрешения

Рис.3 Ксерогель, амбигель,

аэрогель, гель селиката лантана

Применение

С экологической точки зрения оптимальными являются бессточные способы получения композиционных материалов, в частности, золь-гель метод. Золь-гель метод — удобный путь получения дисперсных материалов, он позволяет исключить многочисленные стадии промывки, так как в качестве исходных веществ используют соединения, не вносящие примеси в состав конечного продукта. В таблице 2 представлены основные виды продукции, получаемые Золь-гель синтезом[6].

Табл. 2 Основные виды продукции, получаемые Золь-гель синтезом.

Заключение

Нанотехнологии широко внедряются различных отраслях промышленности. В данной работе был рассмотрен один из методов формирования наноструктур – «Золь-Гель» синтез. Этот процесс происходит в четыре этапа. На первом этапе происходит образование золя, второй и третий этапы это образование и созревание геля соответственно, четвертый – окончательное формирование наноструктуры.

Наноструктура, полученная данным методом, обладает уникальными свойствами, такие как прочность и износостойкость, а так же способность выдерживать высокие температуры. Широкое применение Золь-гель синтеза в науке и технике, обусловлено целым рядом преимуществ данного метода по сравнению с традиционными методами получения материалов из порошков. Это, прежде всего, легкость очистки исходных компонентов, возможность проведения Золь-гель синтеза при низких температурах, возможность получения таких некристаллических систем, синтез которых традиционными методом приведет либо к разделению фаз, либо к рекристаллизации.

Список литературы

1. Некрасов Б.В. Курс общей химии.-М.: Госхимиздат,1954

2. Слейбо У., Персонс Т. Общая химия.-М.: Мир, 1979

3. Химический энциклопедический словарь. /Под ред. Кнунянц И.Л.-М.: Советская энциклопедия, 1983

4. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия.-Спб.: Лань, 2010

5. http://physchem.narod.ru/Source/PCC/Colloids_6.htm

6. http://www.nanometer.ru/2010/10/17/zol_gel_219461.html

7. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article507

Поиск по сайту: