جدول ‏۴‑۳: نتایج حاصل از آزمایش سنتز ژل در نسبت­های مختلف مولی آب به پیش­ماده ۵۳
جدول ‏۴‑۴: نتایح حاصل از هیدرولیز در دو دمای ۳۲ و ۶۰ درجه سانتیگراد ۵۵
جدول ‏۴‑۵: نتایج حاصل از هیدرولیز با غلظت­های مختلف پیش­ماده ۵۶
فهرست شکل ها
عنوان شماره صفحه
شکل ‏۱‑۱: نمای کلی روش سل- ژل ۲
شکل ‏۱‑۲ : نمای کلی از واکنش هیدرولیز ۵
شکل ‏۱‑۳ : تصویر مدل سه بعدی مربوط به واکنش تراکم ۷
شکل ‏۱‑۴ : نمای کلی مراحل مختلف واکنش سل- ژل ۸
شکل ‏۱‑۵ : نمودار فازی فشار- دما برای رسیدن به شرایط بحرانی ۱۱

شکل ‏۱‑۶ : ایروژل تهیه شده از ملامین با فرمالدهید ۱۵
شکل ‎۲‑۱: نمایش رفتار ژل آلومینا تحت تاثیرpH 31
شکل ‎۳‑۱: همزن مغناطیسی هیتر دار ۳۴
شکل ‎۳‑۲: نمای شماتیک دستگاه آزمایشگاهی خشک کن فوق بحرانی ۳۵
شکل ‎۳‑۳: نمائی از دستگاه آزمایشگاهی خشک کن فوق بحرانی ۳۶
شکل ‎۳‑۴: رآکتور ۳۶
شکل ‎۳‑۵: حمام پارافین ۳۷
شکل ‎۳‑۶: پمپ خلا ۳۸
شکل ‎۳‑۷: محلول بعد از اضافه کردن اسید ۴۱
شکل ‎۳‑۸: تشکیل میسل ۴۱
شکل ‎۳‑۹: سل تشکیل شده از میسل ها ۴۲
شکل ‎۳‑۱۰: تشکیل ژل و رسوب ژله­ای یا لخته از سل ۴۲
شکل ‎۳‑۱۱: لایه کاتیونی-آنیونی تشکیل شده اطراف میسل ۴۳
شکل ‏۴‑۱: سل آلومینا قبل از اضافه کردن اسید ۵۷
شکل ‏۴‑۲: سل آلومینا بعد از افزودن اسید a: نیتریک اسید b: استیک اسید ۵۷
شکل ‏۴‑۳: آنالیز SEM ژل آلومینا خشک شده در a) شرایط محیط b) شرایط فوق بحرانی ۶۰
شکل ‏۴‑۴: آنالیز SEM ژل آلومینا خشک شده در a) شرایط محیط b) شرایط فوق بحرانی ۶۱
شکل ‏پ۱‑۱: سل حاصل از حلال متانول ۶۸
شکل ‏پ۱‑۲: سل حاصل از حلال استن ۶۹
شکل ‏پ۱‑۳: سل حاصل از حلال اتانول ۶۹
فهرست نمودار ها
عنوان شماره صفحه
نمودار ‎۲‑۱: حجم نسبی ژل بر حسب نسبت مولی اسید به هیدروکسید ۲۴
نمودار ‎۲‑۲: تاثیر دمای کلسیناسیون روی مساحت ویژه ایروژل در سه چگالی مختلف ۲۷
نمودار ‏۴‑۱: زمان تشکیل ژل بر حسب حجم اسید در نسبت مولی آب به پیش­ماده برابر با ۲ و دمای ۳۲ درجه سانتیگراد ۵۱
نمودار ‏۴‑۲: جرم رسوب تشکیل شده بر حسب حجم اسید در نسبت مولی آب به پیش­ماده برابر با ۲ و دمای ۳۲ درجه سانتیگراد ۵۲
نمودار ‏۴‑۳: زمان تشکیل ژل بر حسب نسبت مولی آب به پیش­ماده در دمای ۳۲ درجه سانتی گراد و ۵/۰میلیلیتر اسید نیتریک ۵۴
نمودار ‏۴‑۴: جرم رسوب تشکیل یافته بر حسب نسبت مولی آب به پیش­ماده در دمای ۳۲ درجه سانتی گراد و ۵/۰میلی­لیتر اسید­نیتریک ۵۴
نمودار ‏۴‑۵: تغییرات دما و فشار راکتور بر حسب زمان خشک کردن ژل آلومینا ۵۸
فصل اول

مقدمه

سل- ژل

فرایند سل- ژل^[۱] یک روش شیمیایی تر^[۲] برای سنتز انواع نانوساختار­ها به ویژه نانوذرات اکسید فلزی می باشد. در این روش پیش ماده مولکولی (معموﻻً آلکوکسید فلزی) در آب یا آلکل حل شده و با حرارت و همزدن در اثر هیدرولیز/الکلیز به ژل تبدیل می­ شود. شکل ۱-۱ نمای کلی از فرایند سل- ژل را نشان می­دهد (Niederberger and Pinna, 2009).
شکل۱-۱: نمای کلی روش سل- ژل (Niederberger and Pinna, 2009)

تاریخچه فرایند سل- ژل

برای نخستین بار در سال ۱۸۴۵ ابلمن^[۳] به طور اتفاقی مشاهده کرد که تتراکلرید سیلیکون (SiCl₄) که در ظرفی رها شده بود، ابتدا هیدرولیز و سپس به ژل تبدیل شد. حدود یک قرن روش سل- ژل فقط مورد توجه شیمیدان­ها بود اما در سال ۱۹۳۰ شرکت شات از روش سل- ژل برای پوشش شیشه های صنعتی از لایه­ های اکسید با بهره گرفتن از ترکیبات فلز به عنوان پیش ماده استفاده کرد. در سال ۱۹۵۰ مطالعات گسترده­ای در زمینه سنتز سرامیک­ها و ساختارهای شیشه ای با بهره گرفتن از این روش آغاز شد. روی و همکارش^[۴] یک روش برای سنتز ترکیبات اکسید سرامیک با بهره گرفتن از فرایند سل- ژل پیشنهاد کردند که محصول نهایی نسبت به روش­های دیگر همگن­تر بود.
ژل­های معدنی از نمک­های چند آبه برای مدت زمان زیادی مورد مطالعه قرار گرفت. گراهام نشان داد آب داخل سیلیکا ژل می ­تواند با حلال­های آلی جایگزین شود که تئوری ساختار متخلخل شبکه­ جامد ژل را تائید می­کرد. در حالی که تئوری­های دیگر ساختار ژل را به عنوان یک سل لخته شده که ذرات آن با یک لایه آب احاطه شده است یا یک امولسین در نظر می­گرفتند. در دهه­ ۱۹۳۰ ساختار شبکه­ ای و متخلخل ژل به طور گسترده­ای مورد قبول قرار گرفت که حاصل تلاش زیاد هارد بود. سنتز ایروژل به کمک خشک کردن ژل با بهره گرفتن از سیال فوق بحرانی توسط کیسلر^[۵] در سال ۱۹۳۲ نیز مهر تائیدی بر ساختار شبکه­ ای ژل بود. همزمان تولید پودر همگن از ژل و سل برای مطالعه در زمینه تعادل فازی مورد توجه بسیاری قرار گرفت. شایان ذکر است که با این روش، بسیاری از اکسیدهای غیرآلی مانند TiO₂، SiO₂، ZrO₂ سنتز شدند(Brinker and Schere,1990).

مراحل فرایند سل ژل

برای تولید محصول به روش سل- ژل ﻻزم است ابتدا مقدمات و شرایط ﻻزم برای واکنش­ها فراهم شود.
تهیه محلول همگن^[۶]: ﻻزم است تا در ابتدا یک محلول همگن شامل حلال و پیش ماده­هایی که قرار است در طول فرایند، محصول نهایی را شکل دهند آماده گردد. برای این کار ابتدا حلال (آب، الکل، حلال­های آلی یا نسبتی از آنها) و پیش ماده در یک ظرف مخلوط می­شوند تا محلول همگن حاصل شود. گاهی ﻻزم است تا از ترکیب دو حلال با نسبت­های معین استفاده شود تا پیش ماده­ها به طور کامل در آن حل و محلول همگن حاصل شود. به عنوان مثال برخی از پیش ماده­های آلی فلزی ابتدا باید در یک حلال آلی قابل حل در آب حل و سپس محلول حاصل در آب حل شود. اما در مواردی که پیش ماده مورد نظر نمک فلزی باشد به طور مستقیم در آب قابل حل بوده و نیازی به حلال آلی وجود ندارد. پیش ماده­های آلکوکسیدی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند اما می تواند به طریق دیگری غیر از مسیر الکوکسیدی نیز روش سل – ژل پیش برود که به آن مسیر کلوئیدی گفته می شود (Niederberger and Pinna, 2009).