Phƣơng pháp sol-gel đã đƣợc biết từ 50 năm nay và ngày càng phát triển, nhất là trong lĩnh vực chế tạo các oxide kim loại tinh khiết hoặc pha tạp cĩ các hình dạng khác nhau, ví dụ nhƣ các vật liệu dạng khối, dạng màng mỏng hoặc dạng bột rất mịn. Phƣơng pháp sol – gel là một kỹ thuật tổng hợp hĩa keo để tạo ra các vật liệu cĩ hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp. Nĩ đƣợc hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngƣng tụ từ các chất gốc (alkoxide precursors) [20]. Các nhĩm sản phẩm chính của phƣơng pháp sol-gel đƣợc trình bày trong Hình 1.20
Hình 1. 20. Các nhĩm sản phẩm phổ biến của phương pháp sol-gel
Các nhĩm sản phẩm chính từ phƣơng pháp sol-gel đƣợc mơ tả trong Hình 1.23
gồm:
Lớp phủ bảo vệ, các màng dày (thick film), màng mỏng (thin film) cĩ cấu trúc đồng đều với nhiều ứng dụng trong quang học, điện tử, pin mặt trời…
Luận Văn Thạc Sĩ 21 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh
HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm
Gel khối (monolithic gel) sử dụng chế tạo các đa oxide kim loại, các dụng cụ quang học gƣơng (mirror), thấu kính, bộ tách tia (beam splitter)…
Gel khí (aerogel) cĩ nhiều ứng dụng nhƣ hấp thu năng lƣợng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (aluminia aerogel pha tạp kim loại)…
Các hạt tinh thể micro, tinh thể nano, các hạt vơ định hình, với kích thƣớc khá đồng đều từ phƣơng pháp kết tủa trong quá trình thủy phân ngƣng tụ.
Sợi ceramic: sợi quang chất lƣợng cao và sợi ceramic cách nhiệt.
Các quá trình chính của phƣơng pháp sol – gel
Quá trình sol-gel là một phƣơng pháp hĩa học ƣớt tổng hợp các phần tử huyền phù dạng keo rắn trong chất lỏng và sau đĩ tạo thành nguyên liệu lƣỡng pha của bộ khung chất rắn, đƣợc chứa đầy dung mơi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếp sol- gel. [1]
Trong quá trình sol-gel các phần tử trung tâm trải qua 2 phản ứng hĩa học cơ bản: phản ứng thủy phân và phản ứng ngƣng tụ (dƣới xúc tác axit hoặc bazơ) để hình thành một mạng lƣới trong tồn dung dịch.
Một quá trình sol-gel bao gồm những giai đoạn chính nhƣ sau: [8]
Thủy phân: giai đoạn này xảy ra phản ứng thủy phân giữa các tiền chất alkoxide và nƣớc, thay thế nhĩm –OR bằng nhĩm hydroxyl –OH của nƣớc. (Hình 1.21)
Hình 1. 21. Phản ứng thuỷ phân
Một phân tử alkoxide cĩ thể phản ứng với một hay nhiều phân tử nƣớc:
M(OR)n + xH2O → M(OR)n-x(OH)x + xROH (1.14) Hydroxylalkoxide kim loại
Luận Văn Thạc Sĩ 22 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh
HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm
Ngưng tụ: giai đoạn này xảy ra phản ứng ngƣng tụ của các gốc hữu cơ, và tách loại nƣớc. Hai giai đoạn trên tạo dung dịch sol gồm các hạt oxide kim loại nhỏ (hạt keo) phân tán trong dung mơi. Từ dung dịch sol này ta cĩ thể dùng để phủ màng, hoặc chế tạo dạng bột mịn, các loại gel khối, gel khí…
Phản ứng ngƣng tụ tạo cầu nối kim loại - oxy giữa các phân tử hydroxyalkoxide kim loại Hình 1.22
Hình 1. 22. Phản ứng ngưng tụ
Phản ứng ngƣng tụ diễn ra theo hai kiểu: Ngƣng tụ rƣợu
M(OH)(OR)n-1 + M(OR)n → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + ROH (1.15) Ngƣng tụ nƣớc
M(OH)(OR)n-1 + M(OH)(OR)n-1 → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O (1.16)
Ƣu điểm và nhƣợc điểm của phƣơng pháp sol – gel
Ưu điểm:
Cĩ thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa vật liệu kim loại và màng.
Cĩ thể tạo ra màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn mịn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cĩ thể dễ dàng tạo hình các vật liệu cĩ hình dạng phức tạp.
Cĩ thể sản suất đƣợc những sản phẩm cĩ độ tinh khiết cao.
Khả năng thiêu kết ở nhiệt độ thấp, thƣờng là 200o – 600oC.
Luận Văn Thạc Sĩ 23 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh
HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm
Tạo đƣợc hợp chất với độ pha tạp lớn.
Độ khuyếch tán đồng đều cao.
Chế tạo nano thay đổi thành phần dễ.
Làm việc ở nhiệt độ thấp hiệu quả, kinh tế, đơn giản để sản xuất những màng cĩ chất lƣợng cao.
Ƣu điểm nổi trội nhất của phƣơng pháp sol-gel là khả năng chế tạo đƣợc những vật liệu mới cĩ cấu trúc đồng đều: vật liệu xốp…
Nhược điểm:
Sự liên kết trong màng yếu.
Cĩ độ thẩm thấu cao.
Dễ bị rạn nứt trong quá trình nung sấy.
Tiền chất sử dụng thƣờng đắt tiền và các dung mơi cĩ tính độc hại.
Hao hụt nhiều dung dịch trong quá trình tạo màng.
Độ co ngĩt của sản phẩm cao.
Khĩ kiểm sốt lỗ xốp, nhĩm hydroxyl (-OH) và carbon trong sản phẩm.
Phƣơng pháp phủ nhúng (dip coating)
Phƣơng pháp phủ nhúng cĩ thể đƣợc mơ tả nhƣ là một quá trình trong đĩ đế cần phủ đƣợc nhúng vào dung dịch lớp phủ và sau đĩ đƣợc kéo ra với một vận tốc thích hợp dƣới những điều kiện về nhiệt độ và áp suất phù hợp. Độ dày màng phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ kéo, lƣợng vật chất rắn và độ nhớt của dung dịch [1]. Độ dày màng phủ cĩ thể đƣợc tính theo cơng thức Landau - Levich:
(1.17) với h: độ dày lớp phủ. : độ nhớt dung dịch. : sức căng bề mặt lỏng - hơi. : tỉ trọng. g: lực hấp dẫn.
Luận Văn Thạc Sĩ 24 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh
HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm
Quá trình phủ nhúng gồm 3 giai đoạn (Hình 1.26)
1. Nhúng đế vào dung dịch lớp phủ.
2. Đế đƣợc kéo ra khỏi dung dịch lớp phủ với vận tốc thích hợp, hình thành lớp phủ ƣớt trên bề mặt đế.
3. Sự bay hơi dung mơi dẫn đến sự gel hĩa của dung dịch sol trên bề mặt đế, hình thành màng.
Hình 1. 23. Quá trình phủ nhúng
Tuy nhiên phƣơng pháp này cĩ một số nhƣợc điểm nhƣ: độ dày màng khơng đồng đều, việc khống chế độ dày màng phụ thuộc vào nhiều yếu tố (gĩc kéo, tốc độ kéo,…).
Luận Văn Thạc Sĩ 25 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm