مقاله سنتز نانو سیلیکا به روش شیمی تر

سنتز نانو سیلیکا به روش شیمی تر
چکیده :
در این مقاله تهیه نانو سیلیکا که روش تهیه آن رسوب از محلول آبی بوده ، بررسـی شـده اسـت . از دسـتگاه میکروسـکوپ الکترونی روبشی scanning electron microscopy – SEM – بـرای تاییـد وجـود ذرات نـانومتری اسـتفاده شـده اسـت . آنـالیز شیمیایی به روش – XRF – X-Ray fluorescence حاکی از وجود سیلیس بادرصد بالا و همچنین الگوی پراش اشعه X – XRD – X-Ray Diffraction وجود سیلیس و فازهای مختلف آن را قبل و پس از پخت نمونه مشخص نموده اسـت . آنـالیز حرارتـی افتراقی – DTA-Differential thermal analysis – تغییرات آنتالپی در محدوده تغییرات فاز را نشان می دهد.
آنالیز توزین حرارتی TG کاهش وزن نمونه را در دماهای خاصـی مـشخص مـی کنـد. بـرای تعیـین ضریب انبساط حرارتی نیز تست دیلاتومتری برای نمونه پخت شده انجام گرفت .
کلیدواژه : نانو سیلیکا، شیمی تر، SiO٢.

١- مقدمه و مرور منابع مطالعاتی
نانو تکنولوژی توانمندی تولید مواد ، ابزار ها و سیستم های جدید با در دست گـرفتن کنتـرل ،در سـطح مولکـولی واتمـی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می شود . [ ٢-١]به طور کلی هر ماده ای که دانه ها ،گروه هـا، لایـه هـا یـا رشته هایی با انـدازه دانـه کمتـر از ١٠٠ نـانومتر داشـته باشـند بـه عنـوان نـانومواد شـناخته مـی شـوند. نـانو سـرامیکها ، سرامیک هایی هستند که در ساخت آنها از اجزای اولیه در مقیاس نانو – مانند نانو ذرات ،نانو تیوب ها ونانو لایه ها – استفاده شده باشد ، که هر کدام از این اجزای اولیه ، خود از اتمها و مولکولهـا بدسـت آمدنـد .[۴] همـان گونـه کـه مـواد نـانو متـری کاربردهای مختلفی دارند ،روش های سنتز مختلفی نیز برای این مواد ابداع و به کار گرفته شده است . [٨-۵]

سیلیکا یک پلیمر از اسید نانو سیلیسیک می باشد که از واحد های تترا هدرال – SiO4 با فرمول کلـی SiO2 تـشکیل شـده است .در طبیعت به صورت ماسه ،شیشه ،وکوارتز و…. یافت می شود. [٩] روش سل – ژل یکی از رایـج تـرین روشـها بـرای سنتز نانو سیلیکا می باشد. این روش شامل هیدرولیز همزمان با کندانس کردن می باشد.در این فرآیند یک سل از سـیلیکات سدیم یا آلکو کسید یا هالید سیلیکون به یک شبکه پلیمری تبدیل می شوند . هیدرولیز جزئی اورتو سیلیکات وقتی که با آب یا اتانول مخلوط می شوند اتفاق می افتد.[ ١١- ٩]

کندانس شدن نیز بین دو گروه OHیا یک OH و گروه اتوکسی برای تشکیل یک اکسیژن پل ساز و آب واتانول اتفاق می افتد.

De et al، روشی مبنی بر سنتز نانو سیلیکا به وسیله رسوب در شرایطی که یک اسید آبی با PH – ۵-۵.٩ – بــه محلــول
بازی سیلیکات و HSO٢۴ همزمان به هم اضافه شوندابداع نموده اند.[١٢] . Lee et alنیز تکنیک آئروسل ژل برای تولیـد پـودر سیلیکا با سطح ویژه بالا را وسیله فرآیند آئروسل بدون تجزیه شیمیایی به وسـیله گرمـا – nonpyrolytic – ابداع کردند. [١٣] مشکل اصلی در تهیه نانو مواد آگلومراسیون آنهاست .مشابه سـایر نـانو مـواد آگلومراسـیون نـانو ذرات سیلیکا نیز بزرگترین مانع در کاربرد گسترده آنهاست .[ ١۵- ١۴]برای استفاده از مواد نانو سایز باید آنهـا را دیـسپرز کـرد ه،چون ذرات با اجتماع خود به اندازه میکرومتری می رسند. [١٧-١۶]طبق گزارشات رسیده می تـوان ذرات نـانو سـیلیکا را باCCl۴،پارافین مایع وروغن دیزل که جزء حلالهای آلی می باشند ،دیسپرز کرد.طبق گزارشات رسیده پـس از بررسـی هـای میکروسکوپ الکترونی عبوری transmission electron-TEM – ودیسپرز ذرات بـا CCl4 انـدازه ذرات بـین ١۵ تـا ٢٠ نـانومتر گزارش شده است . [١۶] بر روی یک نمونه پودری از نانو سیلیکا با اندازه دانه ٢٠ نانومترکه سـاخت شـرکت آلـدریچ آلمـان می باشد ،بررسی های زیر صورت گرفته شده است . قبل از پخت XRD گرفته شده که نشان دهنده آمـرف بـودن ایـن مـاده اسـت .پـس از ٣ سـاعت پخـت در دمـای ١٣٠٠ درجـه سـانتیگراد فـاز کریـستو بالیـت ،سـیلیس آمـرف و کریـستالین دیـده می شود.شکل – ١ – پس از عملیات حرارتی در ١۵٠٠ درجه سانتیگراد به مدت ٣ ساعت تنها یک پیک باریک از فازکریـستوبالیت دیده می شود [١٨]

شکل ١- الگوی پراش اشعه x از نمونه پودری با اندازه نانو متر قبل و بعد از پخت
با استفاده از روش سل –ژل نیز نانو سیلیکای متخلخل به وجود آورده اند که پس از به وجود آمـدن شـبکه نـانو سـیلیکایی آنرا به سرعت خشک کرده و ماده ای جاذب ساخته اند. [١٩] با استفاده از پیرولیز پاششی نیز نانو سیلیکا تولید کرده اند.به عنوان مثال Simpson&lee et al, White, Mertz، Ahberg [٢٠و٢١و٢٢و٢٣] از روش رسوب برای برای تهیـه نـانو سـیلیکا از ژل آبی استفاده کرده اند. نانو سیلیسی که به روش مشابه روش ما در این تحقیقی به کار برده شده بود به علت دیسپرز بالا در لوبریکنت ها – روان کننده ها – وهمچنین اندازه دانه بسیار ریز حدودا” ٢٠ نـانو متـر بـه عنـوان یـک مـاده اضـافه شـونده کاربرد می یابد که در اینجا در سطح یک لوله فولادی به کار برده شده است .طبق روشی که Xiaohong Li وهمکـارانش اجـرا کردند سیستم دیسپرزی تهیه شد که بعد از ۵ ماه هم چنـان دیـسپرز بـاقی مانـد. بـا آنـالیز – EDS – Energy dispersive X-ray analysis spectrometer مشخص شد که در زمان شکست قطعه ذرات در سطح هستند. [٢۴] که می توان اینطور توضیح داد که ذرات نانو سیلیس دیسپرز شده جابجا شده ودر سطحی که در حال شکست است تجمع می یابند. مکان هـایی بـا غلظـت Si بیشتر و Fe کمتر بیانگر این است که نانو سیلیس توان پر کنندگی مکانهای پر خطر که همان میکـرو تـرک هـا مـی باشـند را داراست و نقش ، خود تعمیر کن ، را بر عهده دارد. این ذرات به واسطه ی اندازه ی بسیار کوچکشان در میکـرو ترکهـا فـرو می روند . گذشته از این سیلیس احتمالا” به شکل یک کامپوزیت سرامیکی با فلز در زمان شکست در می آید تا مقاومت ضد سایشی را افزایش دهد. [٢۵]مورد دیگر کاربرد در سطح فولاد زنگ نزن با روش رسوب الکترو فورتیک ازذرات نانو سـیلیکا از سوسپانسیون سل -ژل می باشد.این روش به وسیله Y.Castro و همکارانش [٢۶] انجـام شـده کـه ایـن تکنیـک بـا کـاربرد گسترده ای در سرامیکها برای سوسپانسیونهای معمولی ،شامل تحقیقات کمی در این زمینه مـی باشـد. [٢٨و٢٧] یکـی دیگـر ازموارد کاربرد نانو سیلیس کلوئیدی – Colloidal Nano Silica – افزایش خاصیت چسبندگی سیمان میباشد . نانو سیلیس از دو طریــق ایــن خاصــیت را بــه وجــود مــی آورد اول از طریــق ریــز دانگــی کــه نقــش پــر کننــده دارد و دوم از طریــق تــاثیر پوزولانیک – pozzonalic – بر اکسید کلسیم و هیدروکسید کلسیم موجود در سیمان که باعث پیوند قوی در سیمان می شـود. در شکل – ٢ – آفزایش چسبندگی سیمان پرتلند با افزایش درصد نانو سیلیکا مشاهده می شود. نـانو سـیلیس معلـق کاربردهـای چند منظوره از خود نشان می دهد مانند:
 خاصیت ضد سایش
 ضد لغزش
 ضد حریق
 ضد انعکاس سطوح
 بالا رفتن ضریب مقاومت نفوذی در برابر سولفاتها وخوردگی [٢٩,٣٠]

شکل ٢- افزایش چسبندگی سیمان پرتلند با افزایش درصد نانو سیلیکا
یکی از پر کاربرد ترین پلاستیک های مهندسی پلی بوتیلن ترفتلیت – PBT – است که دارای خواص عـالی و کامـل اسـت کـه در صنایع اتو مبیل ،الکترونیک به کار می رود و کاربردهای الکتریکی نیز یافته است . [٣۴-٣١] خواص نا مطلوب این ماده وقتـی که به تنهایی مورد استفاده قرار می گیرد شامل دمای دفورماسیون پایین ،خواص مکانیکی پـایین و زود پـاره شـدن در اثـر نیروی وارده و… می باشد.بنابراین اصلاح سازی آن مورد توجه دانشمندان مواد مـی باشـد. [٣٧-٣۵] نـانو ذرات سـیلیکا بـه عنوان پر کننده ی پلیمرها در دهه ی گذشته باعث بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آنها شده اند[۴٠-٣٨]از دیگر کاربردهای آن به عنوان پودرهای عایق وبه عنوان جاذب یونها در صنایع شیمیایی می توان نام برد. همچنین از نـانو سـیلیکا بـه هـراه چند ماده دیگر برای استفاده در مواد دندانپزشکی به کار برده شده است . [۴١]
٢-فعالیتهای تجربی
مواد اولیه مورد استفاده در این تحقیق شامل پودر متا سیلیکات سدیم ، هیدرو کلریـک اسـید و آب مقطـر مـی باشـد. بـرای بدست آوردن نانو سیلیکا لازم است محلولی با غلظت خاص از آب و هیـدرو کلرریـک اسـید و همچنـین محلـولی بـا غلظـت مشخص از آب و متا سیلیکات سدیم تهیه شود. با اضافه کردن تدریجی محلول اسیدی به محلول بازی در PHخـاص شـاهد رسوب نانو سیلیکا خواهیم بود.محصول جانبی این واکنش NaCl می باشد که باید از سیستم خارج شود که برای خـروج آن کلوئید بدست آمده را چندین مرتبه شستشو می دهیم و سپس برای اینکه از عـاری شـدن محـصول از NaCl مطمـئن شـویم پساب شستشو را با محلول نیترات نقره و آب مقطر امتحان میکنیم که در صـورت تـشکیل رسـوب بایـد شستـشو را ادامـه دهیم .سپس اندازه دانه ذرات را بادستگاه SEM بررسی نموده و آنـالیز هـای DTA,XRD,XRF بـر روی نمونـه انجـام شـد.
سپس نمونه به مدت ٣ ساعت در دمای ٨٠٠ درجه سانتیگراد پخت شد ونمونه ای جهت دیلاتومتری تهیه و مجـددا” از ایـن نمونه XRD گرفته شد که نتایج را در قسمت بعدی بررسی خواهیم کرد.
٣-نتایج وبحث
٣-١-بررسی های SEM
نمونــه SEM را بــا چکانــدن یــک قطــره از سوسپانــسیون در روی پایــه نمونــه SEM و خــشک نمــودن آن تهیــه می گردد. – میکروسکوپ فیلیپس XLC – در تصویر SEM زیر شکل – ٣ – نمونه خشک شده نانو سیلیکا مشاهده میشود که ساختاری متخلخل و لانه زنبوری داردو به همین جهت در مورد ماده جاذب به آن فکر می شود .در واقع تخلخـل هـای میکـرو سـایز و نـانو سـایز بهتـرین جـاذب هـا می باشند.

شکل ٣- ریز ساختار میکروسکوپی از نمونه نانو سیلیکای خشک شده
در شکل – ۴ – از نانو سیلیکا در حالت کلوئیدی تصویر برداری شده است که ذرات بـا انـدازه دانـه ٧٨ نـانو متـر در آن دیـده
میشود.

شکل ۴- زیر ساختار میکروسکوپی نانو سیلیکا ی کلوئیدی با اندازه دانه ٧٨ نانو متر
در نمونه دیگر دانه ای با اندازه ۴٧ نانومتر دیده می شود هم به علت آگلومراسیون شدید نمی توان گفت که کوچکترین سایز بدست آمده است شکل – ۵ – و پیش بینی می شود که ذرات با اندازه کمتر نیز وجود دارد. همچنین با توجه به بررسی های بـه عمل آمده توسط SEM بر روی نمونه های مختلف به این نتیجه رسیدیم که هر چه غلظت محلـول متاسـیلیکات سـدیم و آب کمتر با شد ، نانو سیلیکا نیز ریز دانه تر می شود .

شکل ۵- ریز ساختار میکروسکوپی نانو سیلیکا کلوئیدی با اندازه دانه ۴٧ نانومتر
٣-٢- الگوی پراش اشعه x در مورد نمونه اولیه
در ابتدای فعالیت های تجربی پس از فرآوری پودر سیلیس از درصد هـای مختلـف متاسـیلیکات سـدیم و آب مقطـر الگـوی پراش اشعه x تهیه شد.شکل – ۶ – نمونه های اولیه تحت هیچ گونه عملیات فیزیکی و شـیمیایی خاصـی مثـل شستـشو و پخـت قرار

Facebook Twitter Google+ LinkedIn Pinterest Print