2.3. Методи синтезу матеріалів і розчинів.

2.3.1.Золь-гель процес.

Золь-гель процес відомий вже близько 150 років. На противагу методу осадження (співосадження) золь-гель метод полягає у неперервному перетворенні розчину прекурсорів у тверді продукти – гідрогель, алкогель. Назва продукту пов’язана із складом (типом) використаного розчинника. Заміна розчинника повітрям перетворює гідрогель (алкогель) у гель – готовий пористий матеріал. Золь-гель процес (гелева технологія) – технологія отримання матеріалів з певними хімічними та фізико-механічними властивостями, що включає отримання золю і наступне переведення його в гель. Золь-гель процес використовують при виробництві неорганічних сорбентів, каталізаторів і носіїв каталізаторів, синтетичних цеолітів, в'яжучих неорганічних речовин, кераміки зі спеціальними теплофізичними, оптичними, магнітними і електричними властивостями, скла, склокераміки, волокон, керамічного ядерного палива та інших.

На першій стадії золь-гель процесу формується хімічний склад продукту (хімічна форма речовини і співвідношення компонентів), який отримують у вигляді високодисперсного колоїдного розчину – золю. Розмір часток дисперсної фази в стабільному золі 10^-9-10^-6 м.

Збільшення концентрації дисперсної фази призводить до появи коагуляційних контактів між частинками і початку структурування – гелеутворення (друга стадія золь-гель процесу).

Коагуляція – об'єднання часток дисперсної фази в агрегати внаслідок зчеплення (адгезії) часток при їх зіткненні. Зіткнення відбуваються в результаті броунівського руху, а також седиментації, переміщення частинок в електричному полі (електрокоагуляція), механічного впливу на систему (перемішування, вібрації) та ін.

Коагуляційні структури характеризуються низькою міцністю, яка визначається ван-дер-ваальсовими силами, при цьому взаємодія частинок здійснюється через рівноважний за товщиною прошарок дисперсного середовища. Для так званих коагуляційних структур далекої взаємодії сила взаємодії частинок складає 10^-11-10^-10 Н / контакт, а відстань між ними - 10^-8-10^-7 м. Такі структури характеризуються повним самовільним відновленням після механічного руйнування. Подальше підвищення об'ємної концентрації і поверхні дисперсної фази призводить до поступового зникнення здатності до відновлення, а в міру зниження вмісту дисперсного середовища втрачаються також еластичні і пластичні властивості.

При фіксації часток у структурі, що відповідає ближній коагуляції, міцність коагуляційних контактів зростає до 10^-9-10^-8 Н, а відстань між частинками знижується до 10^-9 м. На цій стадії можуть виникнути і атомні (точкові) контакти, що характеризуються міцністю 10^-8-10^-6 Н / контакт. На практиці частіше зустрічаються коагуляційні структури обох типів. Для підвищення стабільності структур і управління процесами структуроутворення, впливають на міцність контактів шляхом модифікації поверхні частинок добавками ПАР або шляхом створення в розчині просторової структури високомолекулярного органічного полімеру.

Коагуляційні сили здатні не тільки зберігати форму гелю, що важливо при формуванні виробів, але викликати поступове ущільнення гелю, що супроводжується виділенням дисперсної фази з пор гелю, зменшенням його об'єму, підвищенням щільності і міцності. Цей ефект використовується при формуванні структури гелю з певними об'ємним вмістом дисперсійного середовища і розміром пор, що важливо при виробництві сорбентів, у тому числі молекулярних сит, і каталізаторів.

При видаленні дисперсного середовища (третя стадія процесу) з'являються міцні фазові контакти, при цьому тиксотропні властивості втрачаються і механічні руйнування структури стають незворотними. Тиксотро́пія – здатність деяких структурованих дисперсних систем мимоволі відновлювати зруйновану механічною дією початкову структуру. При висушуванні гель перетворюється на тверде тонкопористих тіло (ксерогелі) з конденсаційно-кристалізаційною структурою. У процесі висушуння може відбуватися помітне ущільнення гелю і зміна його структури. Розроблено способи сушіння, що зменшують цей ефект і забезпечують отримання матеріалів з високою відкритою пористістю.

Для отримання золів застосовують дисперговані і конденсаційні методи. Диспергування – тонке подрібнення твердого тіла або рідини, в результаті якого утворюються дисперсні системи, порошки, суспензії, емульсії, аерозолі. Таким чином, диспергування включає механічні способи, в яких подолання міжмолекулярних сил і накопичення вільної поверхневої енергії відбувається при здійсненні зовнішньої механічної роботи над системою. У лабораторії і промислових умовах використовують кульові та вібромлини.

Конденсаційні методи отримання золю – це фізичні методи, що грунтуються на конденсації пари, заміні розчинника або зміні розчинності з температурою, і хімічні, які грунтуються на конденсації нової фази, що виникає при хімічної реакції. Для отримання золю необхідно, щоб одночасно виникло безліч центрів конденсації або зародків нової фази. При цьому швидкість утворення зародків повинна набагато перевершувати швидкість кристалів.

Високий розвиток отримали методи виробництва гелевих або капілярно-пористих матеріалів (силікагелі, алюмогелі і багато інших), в яких отримання золів і гелів здійснюють як єдиний процес з використанням конденсаційного хімічного зародження вільнодисперсних часток з наступним структуруванням в тому ж апараті або обсязі. Отриманий гель відокремлюють від початкового розчину, промивають і піддають термічній обробці. Іноді перед термічною обробкою матеріалу надають потрібну форму. Найбільш перспективні процеси, що забезпечують отримання гранульованих матеріалів у формі мікросфер.

Пірогенний синтез.????