Ph−ơng pháp sol-gel do R. Roy đề xuất năm 1956, nó cho phép trộn lẫn các chất phản ứng ở quy mô phân tử và hạt keọ Nhờ có những đặc điểm −u việt, nên nó đ−ợc phát triển mạnh mẽ và là một trong những ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng phổ biến hiện nay trong kỹ thuật tổng hợp vật liệụ
Trong những năm gần đây, nhiều tác giả trên thế giới [28, 31, 51, 59, 69, 70, 88] và trong n−ớc [9] đã nghiên cứu áp dụng ph−ơng pháp sol-gel để tổng hợp gốm cordieritẹ
Ph−ơng pháp sol-gel liên quan đến quá trình tạo sol và gel, thực chất là các hệ dung dịch keo mà các chất vô cơ là chất đầu thuỷ phân rạ Sol là một dạng huyền phù chứa các tiểu phân có đ−ờng kính từ 1 ữ 100 nm phân tán trong chất lỏng. Gel là một dạng chất rắn - nửa rắn (solid-semi rigide) trong đó vẫn còn giữ dung môi của hệ chất rắn d−ới dạng chất keo hoặc polimẹ
Để tổng hợp gốm theo ph−ơng pháp này, ng−ời ta th−ờng điều chế sol bằng cách dùng dung môi để thuỷ phân các hợp chất cơ kim, th−ờng là các alkoxide kim loại M(OR)n, M'(OR)n, trong đó: M và M' là kim loại, R là gốc ankyl. Sau khi thu đ−ợc sol, tiếp tục xử lý hoặc để lâu dần cho già hoá thành gel.
Các giai đoạn chủ yếu của quá trình gel hoá nh− sau: • Giai đoạn tạo sol:
- Thuỷ phân các alkoxide kim loại (th−ờng là trong dung môi gồm hỗn hợp n−ớc và r−ợu) ở nhiệt độ th−ờng hoặc đun nóng nhẹ, có mặt axit hoặc bazơ làm xúc tác: M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n-x + xROH (1.13) - Phản ứng trùng ng−ng xảy ra loại n−ớc và r−ợu:
- M - OH + HO - M' - → - M - O - M' - + H2O (1.14) - M - OH + RO - M' - → - M - O - M' - + ROH (1.15) - M - OH + RO - M' - → - M - O - M' - + ROH (1.15) Khi đó, liên kết kim loại - oxy đ−ợc hình thành, khung kim loại - oxy này lớn dần lên đạt kích th−ớc hạt keọ M O O M' O M' M O O O M M' O
• Giai đoạn gel hoá:
Khung polime nối với nhau thành khung 3 chiều đến một lúc nào đó độ nhớt tăng lên đột ngột và toàn bộ hệ biến thành gel, n−ớc và r−ợu nằm trong các lỗ của gel. Vì trong gel đã sinh ra những đoạn cấu trúc của oxyt phức hợp t−ơng lai, nên khoảng cách khuếch tán nhiệt của chúng sẽ cực tiểu trong phản ứng pha rắn sau nàỵ
Có thể tóm tắt quá trình tổng hợp vật liệu gốm bằng ph−ơng pháp sol-gel theo sơ đồ ở hình 1.9: Sấy Xerogel Gel Sol Oxit phức hợp Gốm Nung thiêu kết Đun nóng già hoá Thuỷ phân Dung dịch Nung sơ bộ
M.Ạ Einarsrud và cộng sự [31] đã nghiên cứu tổng hợp gốm cordierite có độ chắc đặc cao ở nhiệt độ nung thấp bằng ph−ơng pháp sol-gel (xem sơ đồ hình 1.10). Nguyên liệu ban đầu là muối Mg(CH3COO)2.4H2O và các alkoxide là
tetraethoxysilane (C2H5O)4Si (TEOS) và aluminum sec-butoxide Al[-O-CH(CH3)-C2H5)]3 (ASB). Các alkoxide này đ−ợc phân tán trong dung môi
hữu cơ 2-methoxyetanol (HO-CH2-CH2-O-CH3), với chất kìm hãm quá trình thuỷ phân của các alkoxide là acetyl aceton (CH3-CO-CH2-CO-CH3). Gel sau khi sấy khô, đ−ợc nung sơ bộ ở 400oC, sau đó ép viên và nung thiêu kết. Kết quả cho thấy: ngay tại nhiệt độ nung 900oC, pha cordierite đã hình thành với c−ờng độ pic nhiễu xạ khá rõ rệt.
−u và nh−ợc điểm của ph−ơng pháp sol-gel:
- Sự phân tán của các cấu tử phản ứng ở cấp độ nguyên tử, phân tử, nên có thể tổng hợp đ−ợc precursor của gốm d−ới dạng bột với cấp hạt cỡ àm hoặc nm. Sản phẩm thu đ−ợc có tính đồng nhất cao, bề mặt riêng lớn. Mức độ tiếp xúc giữa các cấu tử phản ứng rất cao nên giảm thiểu quá trình khuếch tán nhiệt của các chất phản ứng và do đó nhiệt độ phản ứng giữa các pha rắn thấp hơn nhiều so với ph−ơng pháp gốm truyền thống.
- Có thể tổng hợp đ−ợc gốm cordierite d−ới dạng màng mỏng, dạng lỗ xốp, dạng sợi với đ−ờng kính cỡ àm [63].
- Ph−ơng pháp sol-gel có nh−ợc điểm là quá trình tổng hợp rất phức tạp, nguyên liệu đầu là các alkoxide rất đắt tiền, nên đã phần nào hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong thực tiễn.
Gốm cordierite Xerogels
Gel Khuôn Teflon
Nung thiêu kết ở 900oC Gel hoá ở 50oC trong 34h
Rửa, làm khô
TEOS Acetyl aceton
Khấy đều
Đun hồi l−u ở 130oC trong 24h
Mg(CH3COO)2.4H2O 2-methoxyetanol H2O 2-methoxyetanol ASB Khí quyển N2
Đun hồi l−u ở 130oC trong 24h Làm lạnh đến nhiệt độ phòng
Khuấy đều trong 15 phút ở nhiệt độ phòng
Khuấy đều Khí quyển N2
Khí quyển N2
Hình 1.10. Sơ đồ tổng hợp gốm cordierite bằng ph−ơng pháp sol-gel theo M.Ạ Einarsrud [31]
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});