جدیدتولید شیشه هایی با کارایی بالا به روش سل ژل
از روش سل-ژل می توان برای ایجاد مواد جامد مختلف با عملکرد بالا از جمله شیشه و سرامیک استفاده کرد. در زمینۀ تولید شیشه، تکنیک سل-ژل یک روش قابل اعتماد برای ذوب در دمای پایین است. علاوه بر این، فرآیندهای سل-ژل در مصرف انرژی صرفه جویی می کنند و می توانند برای تولید انبوه با طیف گسترده ای از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند. شیشه های تولید شده از طریق فرایندهای سل-ژل می توانند بسیار نسوز، بسیار سخت و مقاوم باشند و طیف وسیعی از خواص مفید دیگر را از خود نشان دهند. این مقاله به چگونگی توسعۀ فرآیند سل-ژل، نحوه کار و خصوصیات مختلف شیشه های تولید شده از این طریق می پردازد.
فرآیند سل-ژل چیست؟
فرایند سل-ژل یک تکنیک ساخت است که در آن محلولی از ذرات کوچک برای تولید مواد جامد بالک به کار می روند. این فرآیند با تهیۀ محلولی از مونومرهای غیر آلی مانند آلکوکسیدهای فلزی و استیل استونات ها (Acetylacetonates) آغاز می شود.
فرایند سل ژل با یک حلال (به عنوان مثال الکل) یک عامل هیدرولیز (به عنوان مثال آب) و یک کاتالیزور اسیدی یا بازی آغاز می شود.
مونومرهای محلول تحت واکنش های هیدرولیز و PolyCondensation قرار می گیرند تا یک سُل (SOL) ایجاد کنند. سل یک سوسپانسیون کلوئیدی از پلیمرها یا ذرات ریز است.
پیوندهای بین ذرات در اثر واکنش های بعدی تشکیل شده و آن ها را به یک ژل (GEL) مرطوب جامد که هنوز از آب و حلال ها تشکیل شده است، تبدیل می کند. حذف آب و حلال ها، ژل خشکی به جای می گذارد.
ژل باقیمانده یکی از آخرین محصولات احتمالی این فرآیند است. عملیات حرارتی بیشتر و خشک کردن، باعث از بین رفتن مایعات ماندگارتر و ایجاد واکنش متراکم سازی بیشتر می شود. در نهایت سرامیک یا شیشه های متراکم با ویژگی های جدید تولید می شوند.
توسعۀ تکنیک های سل-ژل
فرایندهای سل-ژل برای اولین بار در دهۀ 1960 به کار گرفته شدند. هدف اصلی در ابتدا تولید شیشه های بالک در دمای پایین و زیر 1000 درجۀ سلسیوس بود.
بدیهی است که این روش ها با روش های استاندارد ذوب که بسیار انرژی بر هستند، متفاوت است. اگرچه روش های عموم ذوب، دمایی بیش از 1400 درجه سلسیوس را در کوره ها تامین می کنند.
سال ها بعد، محبوبیت روزافزون الیاف نوری (Optical Fibers) باعث شد پژوهشی در زمینۀ تولید شیشۀ سیلیکا آغاز شود. این پژوهش با استفاده از روش سل-ژل انجام گرفت.
در ابتدا تولید شیشۀ سیلیکاتی به صورت بالک، به دلیل ایجاد ترک در طول فرایند خشک کردن، اغلب کار دشواری بود. با این حال، تا پایان دهۀ 1990، شیشه های سیلیکاتی بالک از طریق تعدادی از مسیرهای سل-ژل توانستند به طور موثر و کارآمد تولید شوند.
به موازات این تحقیقات، تلاش برای تولید شیشه های چندمصرفه، غیر متعارف و مبتکرانه تر مانند شیشه سیلیکون اکسی کربید از طریق مسیرهای سل-ژل موفقیت آمیز بود. بنابراین، امکان تولید ترکیبات شیشه ای جدیدی که با ذوب تولید نمی شدند، امکان پذیر شد.
امروزه با استفاده از تکنیک های سل-ژل، طیف وسیعی از شیشه های چند کاره و سرامیک های شیشه ای و همچنین شیشه های سیلیکات سنتی تولید می شود.
مزایا و خواص شیشه های Sol-Gel
ساختار و خصوصیات کلی شیشه های سل-ژل مشابه شیشه های ذوب شده با استفاده از تکنیک های سنتی است. به دلیل گران قیمت بودن مواد اولیه و خاص بودن فرایند سل ژل، این روش در تولید تجاری پانل های شیشه ای سیلیکاتی یا ظروف معمولی استفاده نمی شود.
در عوض، تکنیک های سل-ژل تولید محصولات شیشه ای ویژه ای را تسهیل می کنند که نمی توان با استفاده از تکنیک های استاندارد سنتی تولید کرد. یکی از مشخصه های تعیین کنندۀ روش سل-ژل، دمای پایین فرآیند است.
سل ژل با این وجود، طیف گسترده ای از مواد با عملکرد بالا را تولید می کند. اگرچه هزینه ها همچنان زیاد است، اما وقتی صحبت از تولید شیشه می شود، از مزایای روش سل-ژل نسبت به ذوب معمولی می توان به خلوص بهتر، همگنی بالا و تولید با انرژی کمتر اشاره کرد.
علاوه بر این، تکنیک های سل-ژل تولید مواد پیشرفتۀ جدید با خواصی فراتر از شیشه های سنتی را تسهیل می کند. بنابراین، به دلیل خواص الکترونیکی، مکانیکی، نوری، زیست‌پزشکی و حرارتی مطلوب، بر همگان ثابت شده که شیشه های های سل-ژل برای طیف گسترده ای از کاربردها مفید هستند.
کاربردهای شیشۀ Sol-Gel
الکترونیک
با استفاده از شیشه های های سل ژل می توان اجزای الکترونیکی مانند خازن ها و مبدل های پیزوالکتریک را تولید کرد.
اپتیک
شیشه های سل ژل می توانند طیف گسترده ای از ویژگی های نوری و فوتونیکی با عملکرد بالا را به نمایش بگذارند. غالباً یک مادۀ شیشه ای در یک فیلم نازک با استفاده از روش سل-ژل رسوب می کند در حوزه های نوری به کار گرفته می شود. کاربردهای شیشه های سل ژل از پوشش های رنگی برای شیشه های اتومبیل گرفته تا عناصر لیزر، فتوولتائیک (Photovoltaics) و حسگرهای نوری گسترش یافته است.
شیمی
تکنیک های سل-ژل برای کاربردهای کاتالیزی، جایی که سطوح متخلخل به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور عمل می کنند، مفید است. این فرآیند می تواند موادی با ساختارهای بسیار متخلخل و سطح داخلی قابل اندازه گیری تولید کند. سیلیس متخلخل که برای جداسازی کروماتوگرافی به کار می رود و کاتالیزورهای پایه سیلیکات که برای تولید H2 استفاده می شود، نمونه ای از این مواد است.
علوم زیستی
با توجه به سطح زیاد و توانایی کنترل اندازه و توزیع منافذ موجود در شیشه های سل ژل، گرفتار کردن مولکول های بیولوژیکی یا بافت های زنده در این شیشه ها با استفاده از تکنیک های سل-ژل امکان پذیر است. این مواد همگن با خلوص بالا، می توانند برای تحقیقات در علوم پزشکی استفاده شوند و برای توسعه تکنیک های مهندسی بافت و حسگرهای زیستی استفاده شوند.
منبع
دیدگاه کاربران