بخشی از مقاله
سنتز نانو سيليکا به روش شيمي تر
چکيده :
در اين مقاله تهيه نانو سيليکا که روش تهيه آن رسوب از محلول آبي بوده ، بررسـي شـده اسـت . از دسـتگاه ميکروسـکوپ الکتروني روبشي scanning electron microscopy - SEM - بـراي تاييـد وجـود ذرات نـانومتري اسـتفاده شـده اسـت . آنـاليز شيميايي به روش - XRF - X-Ray fluorescence حاکي از وجود سيليس بادرصد بالا و همچنين الگوي پراش اشعه X - XRD - X-Ray Diffraction وجود سيليس و فازهاي مختلف آن را قبل و پس از پخت نمونه مشخص نموده اسـت . آنـاليز حرارتـي افتراقي - DTA-Differential thermal analysis - تغييرات آنتالپي در محدوده تغييرات فاز را نشان مي دهد.
آناليز توزين حرارتي TG کاهش وزن نمونه را در دماهاي خاصـي مـشخص مـي کنـد. بـراي تعيـين ضريب انبساط حرارتي نيز تست ديلاتومتري براي نمونه پخت شده انجام گرفت .
کليدواژه : نانو سيليکا، شيمي تر، SiO٢.
١- مقدمه و مرور منابع مطالعاتي
نانو تکنولوژي توانمندي توليد مواد ، ابزار ها و سيستم هاي جديد با در دست گـرفتن کنتـرل ،در سـطح مولکـولي واتمـي و استفاده از خواصي است که در آن سطوح ظاهر مي شود . [ ٢-١]به طور کلي هر ماده اي که دانه ها ،گروه هـا، لايـه هـا يـا رشته هايي با انـدازه دانـه کمتـر از ١٠٠ نـانومتر داشـته باشـند بـه عنـوان نـانومواد شـناخته مـي شـوند. نـانو سـراميکها ، سراميک هايي هستند که در ساخت آنها از اجزاي اوليه در مقياس نانو - مانند نانو ذرات ،نانو تيوب ها ونانو لايه ها - استفاده شده باشد ، که هر کدام از اين اجزاي اوليه ، خود از اتمها و مولکولهـا بدسـت آمدنـد .[٤] همـان گونـه کـه مـواد نـانو متـري کاربردهاي مختلفي دارند ،روش هاي سنتز مختلفي نيز براي اين مواد ابداع و به کار گرفته شده است . [٨-٥]
سيليکا يک پليمر از اسيد نانو سيليسيک مي باشد که از واحد هاي تترا هدرال - SiO4 با فرمول کلـي SiO2 تـشکيل شـده است .در طبيعت به صورت ماسه ،شيشه ،وکوارتز و.... يافت مي شود. [٩] روش سل - ژل يکي از رايـج تـرين روشـها بـراي سنتز نانو سيليکا مي باشد. اين روش شامل هيدروليز همزمان با کندانس کردن مي باشد.در اين فرآيند يک سل از سـيليکات سديم يا آلکو کسيد يا هاليد سيليکون به يک شبکه پليمري تبديل مي شوند . هيدروليز جزئي اورتو سيليکات وقتي که با آب يا اتانول مخلوط مي شوند اتفاق مي افتد.[ ١١- ٩]
کندانس شدن نيز بين دو گروه OHيا يک OH و گروه اتوکسي براي تشکيل يک اکسيژن پل ساز و آب واتانول اتفاق مي افتد.
De et al، روشي مبني بر سنتز نانو سيليکا به وسيله رسوب در شرايطي که يک اسيد آبي با PH - ٥-٥.٩ - بــه محلــول
بازي سيليکات و HSO٢٤ همزمان به هم اضافه شوندابداع نموده اند.[١٢] . Lee et alنيز تکنيک آئروسل ژل براي توليـد پـودر سيليکا با سطح ويژه بالا را وسيله فرآيند آئروسل بدون تجزيه شيميايي به وسـيله گرمـا - nonpyrolytic - ابداع کردند. [١٣] مشکل اصلي در تهيه نانو مواد آگلومراسيون آنهاست .مشابه سـاير نـانو مـواد آگلومراسـيون نـانو ذرات سيليکا نيز بزرگترين مانع در کاربرد گسترده آنهاست .[ ١٥- ١٤]براي استفاده از مواد نانو سايز بايد آنهـا را ديـسپرز کـرد ه،چون ذرات با اجتماع خود به اندازه ميکرومتري مي رسند. [١٧-١٦]طبق گزارشات رسيده مي تـوان ذرات نـانو سـيليکا را باCCl٤،پارافين مايع وروغن ديزل که جزء حلالهاي آلي مي باشند ،ديسپرز کرد.طبق گزارشات رسيده پـس از بررسـي هـاي ميکروسکوپ الکتروني عبوري transmission electron-TEM - وديسپرز ذرات بـا CCl4 انـدازه ذرات بـين ١٥ تـا ٢٠ نـانومتر گزارش شده است . [١٦] بر روي يک نمونه پودري از نانو سيليکا با اندازه دانه ٢٠ نانومترکه سـاخت شـرکت آلـدريچ آلمـان مي باشد ،بررسي هاي زير صورت گرفته شده است . قبل از پخت XRD گرفته شده که نشان دهنده آمـرف بـودن ايـن مـاده اسـت .پـس از ٣ سـاعت پخـت در دمـاي ١٣٠٠ درجـه سـانتيگراد فـاز کريـستو باليـت ،سـيليس آمـرف و کريـستالين ديـده مي شود.شکل - ١ - پس از عمليات حرارتي در ١٥٠٠ درجه سانتيگراد به مدت ٣ ساعت تنها يک پيک باريک از فازکريـستوباليت ديده مي شود [١٨]
شکل ١- الگوي پراش اشعه x از نمونه پودري با اندازه نانو متر قبل و بعد از پخت
با استفاده از روش سل –ژل نيز نانو سيليکاي متخلخل به وجود آورده اند که پس از به وجود آمـدن شـبکه نـانو سـيليکايي آنرا به سرعت خشک کرده و ماده اي جاذب ساخته اند. [١٩] با استفاده از پيروليز پاششي نيز نانو سيليکا توليد کرده اند.به عنوان مثال Simpson&lee et al, White, Mertz، Ahberg [٢٠و٢١و٢٢و٢٣] از روش رسوب براي براي تهيـه نـانو سـيليکا از ژل آبي استفاده کرده اند. نانو سيليسي که به روش مشابه روش ما در اين تحقيقي به کار برده شده بود به علت ديسپرز بالا در لوبريکنت ها - روان کننده ها - وهمچنين اندازه دانه بسيار ريز حدودا" ٢٠ نـانو متـر بـه عنـوان يـک مـاده اضـافه شـونده کاربرد مي يابد که در اينجا در سطح يک لوله فولادي به کار برده شده است .طبق روشي که Xiaohong Li وهمکـارانش اجـرا کردند سيستم ديسپرزي تهيه شد که بعد از ٥ ماه هم چنـان ديـسپرز بـاقي مانـد. بـا آنـاليز - EDS - Energy dispersive X-ray analysis spectrometer مشخص شد که در زمان شکست قطعه ذرات در سطح هستند. [٢٤] که مي توان اينطور توضيح داد که ذرات نانو سيليس ديسپرز شده جابجا شده ودر سطحي که در حال شکست است تجمع مي يابند. مکان هـايي بـا غلظـت Si بيشتر و Fe کمتر بيانگر اين است که نانو سيليس توان پر کنندگي مکانهاي پر خطر که همان ميکـرو تـرک هـا مـي باشـند را داراست و نقش ، خود تعمير کن ، را بر عهده دارد. اين ذرات به واسطه ي اندازه ي بسيار کوچکشان در ميکـرو ترکهـا فـرو مي روند . گذشته از اين سيليس احتمالا" به شکل يک کامپوزيت سراميکي با فلز در زمان شکست در مي آيد تا مقاومت ضد سايشي را افزايش دهد. [٢٥]مورد ديگر کاربرد در سطح فولاد زنگ نزن با روش رسوب الکترو فورتيک ازذرات نانو سـيليکا از سوسپانسيون سل -ژل مي باشد.اين روش به وسيله Y.Castro و همکارانش [٢٦] انجـام شـده کـه ايـن تکنيـک بـا کـاربرد گسترده اي در سراميکها براي سوسپانسيونهاي معمولي ،شامل تحقيقات کمي در اين زمينه مـي باشـد. [٢٨و٢٧] يکـي ديگـر ازموارد کاربرد نانو سيليس کلوئيدي - Colloidal Nano Silica - افزايش خاصيت چسبندگي سيمان ميباشد . نانو سيليس از دو طريــق ايــن خاصــيت را بــه وجــود مــي آورد اول از طريــق ريــز دانگــي کــه نقــش پــر کننــده دارد و دوم از طريــق تــاثير پوزولانيک - pozzonalic - بر اکسيد کلسيم و هيدروکسيد کلسيم موجود در سيمان که باعث پيوند قوي در سيمان مي شـود. در شکل - ٢ - آفزايش چسبندگي سيمان پرتلند با افزايش درصد نانو سيليکا مشاهده مي شود. نـانو سـيليس معلـق کاربردهـاي چند منظوره از خود نشان مي دهد مانند:
خاصيت ضد سايش
ضد لغزش
ضد حريق
ضد انعکاس سطوح
بالا رفتن ضريب مقاومت نفوذي در برابر سولفاتها وخوردگي [٢٩,٣٠]
شکل ٢- افزايش چسبندگي سيمان پرتلند با افزايش درصد نانو سيليکا
يکي از پر کاربرد ترين پلاستيک هاي مهندسي پلي بوتيلن ترفتليت - PBT - است که داراي خواص عـالي و کامـل اسـت کـه در صنايع اتو مبيل ،الکترونيک به کار مي رود و کاربردهاي الکتريکي نيز يافته است . [٣٤-٣١] خواص نا مطلوب اين ماده وقتـي که به تنهايي مورد استفاده قرار مي گيرد شامل دماي دفورماسيون پايين ،خواص مکانيکي پـايين و زود پـاره شـدن در اثـر نيروي وارده و... مي باشد.بنابراين اصلاح سازي آن مورد توجه دانشمندان مواد مـي باشـد. [٣٧-٣٥] نـانو ذرات سـيليکا بـه عنوان پر کننده ي پليمرها در دهه ي گذشته باعث بهبود خواص فيزيکي و شيميايي آنها شده اند[٤٠-٣٨]از ديگر کاربردهاي آن به عنوان پودرهاي عايق وبه عنوان جاذب يونها در صنايع شيميايي مي توان نام برد. همچنين از نـانو سـيليکا بـه هـراه چند ماده ديگر براي استفاده در مواد دندانپزشکي به کار برده شده است . [٤١]
٢-فعاليتهاي تجربي
مواد اوليه مورد استفاده در اين تحقيق شامل پودر متا سيليکات سديم ، هيدرو کلريـک اسـيد و آب مقطـر مـي باشـد. بـراي بدست آوردن نانو سيليکا لازم است محلولي با غلظت خاص از آب و هيـدرو کلرريـک اسـيد و همچنـين محلـولي بـا غلظـت مشخص از آب و متا سيليکات سديم تهيه شود. با اضافه کردن تدريجي محلول اسيدي به محلول بازي در PHخـاص شـاهد رسوب نانو سيليکا خواهيم بود.محصول جانبي اين واکنش NaCl مي باشد که بايد از سيستم خارج شود که براي خـروج آن کلوئيد بدست آمده را چندين مرتبه شستشو مي دهيم و سپس براي اينکه از عـاري شـدن محـصول از NaCl مطمـئن شـويم پساب شستشو را با محلول نيترات نقره و آب مقطر امتحان ميکنيم که در صـورت تـشکيل رسـوب بايـد شستـشو را ادامـه دهيم .سپس اندازه دانه ذرات را بادستگاه SEM بررسي نموده و آنـاليز هـاي DTA,XRD,XRF بـر روي نمونـه انجـام شـد.
سپس نمونه به مدت ٣ ساعت در دماي ٨٠٠ درجه سانتيگراد پخت شد ونمونه اي جهت ديلاتومتري تهيه و مجـددا" از ايـن نمونه XRD گرفته شد که نتايج را در قسمت بعدي بررسي خواهيم کرد.
٣-نتايج وبحث
٣-١-بررسي هاي SEM
نمونــه SEM را بــا چکانــدن يــک قطــره از سوسپانــسيون در روي پايــه نمونــه SEM و خــشک نمــودن آن تهيــه مي گردد. - ميکروسکوپ فيليپس XLC - در تصوير SEM زير شکل - ٣ - نمونه خشک شده نانو سيليکا مشاهده ميشود که ساختاري متخلخل و لانه زنبوري داردو به همين جهت در مورد ماده جاذب به آن فکر مي شود .در واقع تخلخـل هـاي ميکـرو سـايز و نـانو سـايز بهتـرين جـاذب هـا مي باشند.
شکل ٣- ريز ساختار ميکروسکوپي از نمونه نانو سيليکاي خشک شده
در شکل - ٤ - از نانو سيليکا در حالت کلوئيدي تصوير برداري شده است که ذرات بـا انـدازه دانـه ٧٨ نـانو متـر در آن ديـده
ميشود.
شکل ٤- زير ساختار ميکروسکوپي نانو سيليکا ي کلوئيدي با اندازه دانه ٧٨ نانو متر
در نمونه ديگر دانه اي با اندازه ٤٧ نانومتر ديده مي شود هم به علت آگلومراسيون شديد نمي توان گفت که کوچکترين سايز بدست آمده است شکل - ٥ - و پيش بيني مي شود که ذرات با اندازه کمتر نيز وجود دارد. همچنين با توجه به بررسي هاي بـه عمل آمده توسط SEM بر روي نمونه هاي مختلف به اين نتيجه رسيديم که هر چه غلظت محلـول متاسـيليکات سـديم و آب کمتر با شد ، نانو سيليکا نيز ريز دانه تر مي شود .
شکل ٥- ريز ساختار ميکروسکوپي نانو سيليکا کلوئيدي با اندازه دانه ٤٧ نانومتر
٣-٢- الگوي پراش اشعه x در مورد نمونه اوليه
در ابتداي فعاليت هاي تجربي پس از فرآوري پودر سيليس از درصد هـاي مختلـف متاسـيليکات سـديم و آب مقطـر الگـوي پراش اشعه x تهيه شد.شکل - ٦ - نمونه هاي اوليه تحت هيچ گونه عمليات فيزيکي و شـيميايي خاصـي مثـل شستـشو و پخـت قرار
