رسوب دهی با استفاده از فرایند سل ژل

روش سل ژل برای تولید مواد سرامیکی و سرامیکی-آلی در فرم بالک، نانوپودر و فیبر، مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین از این روش برای رسوب دهی پوشش های ی نانوکریستالی همگن، استفاده می شود. عمدتا مواد اولیه که الکولات / آلکوکسید یا نانوذرات هستند،‌در یک محلول قرار دارند که سل نامیده می شود. به عنوان یک نتیجه از فرایند اگریگاسیون یا دنس شدن، این سل جامد شده و به ژل( بموجب ایجاد زنجیره های دارای پیوندهای عرضی) تبدیل می شود. فرایندهای خشک کردن متفاوت، پیرشدگی و فرایندهای عملیات حرارتی بعدی، حالت و ساختار ماده ی جامد حاصله را تعیین می کند. به عنوان یک قاعده ی کلی، ریزساختارهای حاصله از سایر روش های تولید یکنواخت تر است. علاوه بر میزان خلوص بالا و قیمت به نسبت پایین این تکنولوژی، دمای پایین فرایند نیز یک مزیت مهم محسوب می گردد به نحوی که پوشش دهی مواد حساس به حرارت مانند پلاستیک ها ممکن می شود. توالی عملیاتی و تغییر فرایندی این روش در شکل 1 آورده شده است.

مواد اولیه برای سل ژل

سل یک محلول پایدار از کلویید است که از ذرات ریز در یک مایع تولید شده است. قطر این ذرات در گستره ی 1 نانومتر تا 0.5 میکرون است. به دلیل آنکه دانسیته ی ذرات از مایع بیشتر است، ته نشین شدن انتظار می رود. به هر حال به دلیل تعادل دینامیکی میان نیروهای جذبی و دفعی که به ذرات اعمال می شود، ته نشین شدن در یک گستره ی خاص اتفاق می افتد و یا هرگز اتفاق نمی افتد. نیروهای جذبی از اثر انرژی آزاد سطحی، نیروهای الکترواستاتیک جذبی، و نیروهای واندروالسی، بوجود می آید. نیروهای دافعه می تواند به طور انتخابی بوسیله ی افزودن عوامل امولسیون کننده یا یک عامل تغییر PH تحت تأثیر قرار می گیرد به نحوی که آگلومره شدن غیر عمدی اتفاق می افتد.

انتقال سل به ژل

در حالی که ذرات منفرد می توانند به طور آزادانه در سل حرکت کنند، زنجیره های با پیوند عرضی فضایی در ژل وجود دارد. حلال و محصولات واکنش در حالت مایع در این ساختار سهیم اند. انتقال از حالت سل به ژل برای همه ی انواع سل امکان پذیر است، این فرایند کوآ گولاسیون نامیده می شود. واکنش معکوس(لخته زدایی) از حالت ژل به سل تنها در محلو ل های کلویید معکوس امکان پذیر است. انواع مختلفی برای انتقال از حالت سل به ژل وجود دارد که این مسئله به ساختار سیستم مواد اولیه بستگی دارد. سیستم های سنتز شیمی تر و سل های تشکیل شده از ذرات بیشترین استفاده را دارند.

سل ها و ژل ها ی تشکیل شده از ذرات

سل ها و ژل های تشکیل شده از ذرات شامل ذراتی در گستره ی 1 تا 500 نانومتر هستند. که در داخل حلال پخش شده اند. این ذرات برای مثال می توانند بوسیله ی استفاده از بال میل، اکسیداسیون شعله ای یا ایروژن جرقه ای، تولید شوند. محصولات نمونه وار ذرات SiO2 هستند که با وزش نمک SiCl4 در شعله ی H2-O2 با دمای 1800 درجه ی سانتیگراد تولید می شود. این مواد با نام تجاری ایروسل یا Cab-O-Sil بفروش می رسد. اندازه ی ذرات به عنوان تابعی از میزان زمانی است که ماده با شعله در تماس است که بموجب آن اندازه با افزایش زمان،‌افزایش می یابد. در طی فرایند، این ذرات به طور جزئی هیدرولیز می شوند. مخلوط کردن ذرات با یک حلال مناسب سل را تشکیل می دهد. وقتی تعادل نیروها بر هم می خورد، این مسئله موجب تشکیل ژل می شود. این فرایند به طور شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است. که دیده می شود،‌ذرات بزرگتر آگلومره می شود درحالی که نواحی درون شبکه ای از ذرات ریز پر است. این مسئله توضیح میدهد که چرا عرض تفرق قطر ذرات منجر به یک ترکیب ذره ای پایدارتر می شود. با افزایش رشد، شاخه دار شدن ساختارهای زنجیره ای بیشتر می شوند.

سیستم های سنتز شیمیایی

مواد اولیه برای سیستم های سنتز شیمی تر الکولات ها( همچنین به آنها آلکوکسید می گویند)‌هستند؛ که عموما می توان آنها را با فرمول کلی M(OR)n نشان داد( M فلز، R یک زنجیره ی آلیفاتیک و n والانس فلز است. یکی از بهترین مثال ژ از الکولات ها، ارتوسیلیکات های تترا اتیلن هست. به عنوان یک قانون، الکولات ها در دمای اتاق مایع اند، به استثنای الکولاتهای جامد که به خاطر خلالیت کم معروفند( عمدتا محلو ل های TEOS استفاده می شود که فلزات قلیایی و قلیایی خاکی اضافه می گردد تا ماده ی جامد حاصل شود.
وقتی الکولات ها مورد استفاده قرا می گیرند، آنها در الکل حل شده تا سل تشکیل شود. مرحله ی واکنش اول هیدرولیز شدن است. با افزودن n قسمت آب به محلول آلکولات، پیوند میان اتم فلزی و زنجیره ی آلیفاتک جدا می شود( شکل 3).

در مرحله ی دوم واکنش، با افزودن اسیدهای واکنش دهنده ی به عنوان کاتالیزو، یا بازها( به ترتیب)،‌یون های فلز هیدروکسیدی تجزیه می شوند و آب بوجود می آورند. تجزیه ی آب باعث شده تا این واکنش را واکنش کندانس شدن بنامند. والانس های آزاد نتیجه شده از اتم های Si یا O می توانند سپس با سایر هیدروکسیدهای فلزی، واکنش دهد و سرانجام ساختارهای تشکیل شده از زنجیرهای ملکولی حاصل می شود( شکل 4 ).

تغییر PH می تواند بر روی نوع پلیمریزاسیون اثر بگذارد برای مثال در اسیدها(PH کمتر از 5)، هیدرولیز سریع تر از کندانس شدن اتفاق می افتد. به دلیل مسیرهای نفوذ طولانی تر، مولکول های کندانس شده، زمان طولانی تری را برای آرایش دادن خود صرف می کنند و زنجیره های بلند تر با شاخه های کمتر تولید می کنند. در ناحیه ی بازی(PH بیش تر از 7)، کندانس شدن سریع تر از هیدرولیز صورت می گیرد و بنابراین هیدروکسید های فلزی کندانس می شوند. این مسئله موجب تشکیل مولکول های کوتاه می شود که به آنها کلاستر گفته می شود. برای مقادیر PH بالاتر از 8.5 ، انحلال ترجیحی مولکول های باریک و دراز نیز اتفاق می افتد. و این مسئله منجر به تشکیل آگلومراسیون های منفرد می شود. این روابط به طور شماتیک در شکل 5 نشان داده شده است.

ساختاری که در این روش تولید می شود مهم است مخصوصا برای قابلیت های فرایندی دیگر و خواص محصولات بدست آمده از فرآیند خشک کردن follow-on. درجه ی پیوندهای عرضی بزرگتر باعث ایجاد ساختار مستحکم تر می شود. در حالی که زنجیره های بلند به طور نمونه وار برای فرایندهای فیبری و ملکول های کوتاه برای تولید پودر مناسبند.

ایجاد پوشش با استفاده از سل ژل

پوشش ها یکی از گسترده ترین کاربردهای فرایند سل ژل است و از آن در بسیاری از زمینه ها از جمله محافظت در برابر خوردگی و سایش، عایق کاری و کاربردهای اپتو الکتریک استفاده می شود. ضخامت نمونه وار پوشش برابر 0.05 تا 15 میکرون است. برای تولید پوشش ها، یک فیلم سل بر روی قطعه اعمال می گردد. ضخیم شده و سپس به صورت گرمایی عمل آوری می شود. علاوه بر روش های اسپری کردن، که دارای بدی هایی از جمله عدم توان برای کنترل ضخامت لایه، روش های قوطه وری و فرایندهای پوشش دهی چرخنده مورد استفاده قرار می گیرند.
با یک فرایند غوطه وری،‌ جزء مورد نظر در سل وارد می شود و با سرعت معین خارج می گردد. در این صورت یک فیلم نازک بر روی سطح بدنه باقی می ماند. این فلرایند کاربردهایی پیدا کرده است، مثلا در پوشش دهی شیشه های مخصوص معماری. در کاربرد، ضخامت فیلم سل به ویسکوزیته ی سل و سرعت خارج کردن نمونه بستگی دارد. ضخامت پوشش نیز به طور عکس با زاویه ی غوطه وری در رابطه است. بنابراین این امکان پذیر است که ضخامت های پوشش در دو طرف زیر لایه متفاوت بدست آید.
در عوض،‌ برای اجزای با تقارن چرخشی، فرایند چرخش در هنگامی که ریختن سل در وسط جزء انجام می شود. در این فرایند به دیل چرخش، توزیع یکنواختی از سل بر روی کل نمونه ایجاد می شود، درحالی که مقادیر اضافی سل از نمونه خارج می شود. پارامترهای غالب شتاب، سرعت نهایی چرخش و ویسکوزیته ی سل است. لازمه ی تمام این فرایندها ترشوندگی مناسب زیرلایه با سل است.
با استفاده از سیستم های سنتز شیمی تر، پوشش های نانوکریستالی می تواند بر روی شیشه، سرامیکی، پلاستیک و فلز، اعمال شود. پیوندهای کوالانسی با مواد بازی ایجاد پیوندهای قوی می کنند. پوشش های غیرآلی با استحکام مناسب می تواند تولید شود( بسته به اینکه سطوح با زنجیره های مولکولی پیوند دهند-شکل6 ). سطوح آب گریز خواص خود تمیز شونده دارند که از اثر lotus blossom پیروی می کند( شکل 7). با فرایند سل ژل، زیرلایه های مسطح را می توان از یک یا دوطرف پوشش داد؛ درحالی که سطوح با هندسه ی پیچیده مانند کانال ها و تیوب ها با استفاده از روش غوطه وری پوشش داده می شوند.

مثال هایی از پوشش های تولیدی با سل-ژل

یکی از متداول ترین کاربرد این روش در تولید پوشش های ترانسپارنت مقاوم در برابر کشیده شدن بر روی زیرلایه های پلاستیکی است ( برای تولید این مواد عموتا از TEOSبه عنوان ماده ی اولیه استفاده می شود). این پوشش ها کاربردهایی بدست آورده است مثلا به عنوان لنزها، آیینه ها، الیاف نوری و لنزهای چشمی ( به عنوان محافظ در برابر آسیب های مکانیکی). اعمال این پوشش ها بر روی فلز معمولا با ایجاد خاصیت خود تمیز شوندگی، برای حفاظت در برابر خوردگی و سایش مورد استفاده قرار می گیرد( شکل8).

شیشه های پنجره با استفاده از پوشش های سل ژلی تیتانیوم پالادیوم پوشش داده می شوند تا با محدود کردن رفتار جذب و بازتابش، عایق کاری گرمایی بهبود یابد. با استفاده از پوشش های الکترو کروماتیک، امکان شیفت دادن ناحیه ی عبور نور پوشش، با اعمال ولتاژ وجود دارد؛‌ که با استفاده از این روش، شیشه بی رنگ می شود. پوشش های اکسید تنگستنی برای آیینه های اتومبیل کاربرد دارد. سایر کاربردهای ممکنه برای پوشش های تولیدی با سل ژل را می توان در مهندسی سیستم های میکرویی جستجوکرد در این کاربردها خواص فرومغناطیس، نیمه رسانایی، یا پیزوالکتریک مورد استفاده قرار می گیرد.
استفاده از اطلاعات این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع است.