of 34 /34
Malzeme Proses Laboratuvarı SOL JEL TEKNOLOJİSİ Prof.Dr.Figen KAYA

Malzeme Proses Laboratuvarı

  • Author
    poppy

  • View
    323

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Malzeme Proses Laboratuvarı. SOL JEL TEKNOLOJİSİ Prof .Dr.Figen KAYA. SOL JEL TEKNİĞİ. Sol jel yöntemi seramik üretiminde kullanılan kimyasal bir prosestir. Sol jel yöntemi bir süspansiyonun jelleşebildiği tüm sistemleri içerir . - PowerPoint PPT Presentation

Text of Malzeme Proses Laboratuvarı

PowerPoint Sunusu

Malzeme Proses Laboratuvar

SOL JEL TEKNOLOJSProf.Dr.Figen KAYASOL JEL TEKNSol jel yntemi seramik retiminde kullanlan kimyasal bir prosestir. Sol jel yntemi bir sspansiyonun jelleebildii tm sistemleri ierir. leri teknoloji seramik retiminde kullanlan hammaddelerin mikron alt boyutta, saf, reaktif ve dk scaklklarda sinterlenebilir zelliklerde olmas gerekir. Sol jel yntemi ile nano boyutlarda; seramik tozu sentezi, ince film seramik kaplamalar, seramik esasl malzemeler ve fiberler retilebilir. SOL JEL RNLER

SOL JEL RNLERSol Jel Nedir?

Sol jel terimi sv ierisinde dalm nanoboyutlu kat partikllerin (sol) aglomerasyonu sonrasnda sv ierisinde boyutlu ve srekli bir a yaps oluturmas (jel) prosesini tanmlar. Kolloid Nedir?Kolloid en az iki farkl fazn (kat, sv veya gaz) nano boyutlarda kartrlm halidir. Kolloid srekli bir fazdan ve bu srekli fazn ierisinde dalm olan dispersiyon fazlarndan oluur. Homojen solsyonlardan farkl olarak kolloidlerde sv ierisine eklenen ikinci faz znmez ve iki faz arasnda kesin bir ayrm sz konusudur. kinci faz, nanopartikllerden ve makro molekllerden oluabilir. Dispersiyon faznn boyutlar, nanometreden mikrometreye kadar deiebilir.

Kolloid oluturan srekli ve disperse olmu faz kombinasyonlar:Gaz fazda dalm sv faz: Aerosol olarak da adlandrlr. rnek: SisGaz fazda dalm kat faz: rnek: sli veya dumanl havaSv fazda dalm Gaz faz: Kpkler. rnek: Tra kp, krem antiSv Fazda dalm sv faz: Emlsiyon olarak adlandrlrlar. rnek: BoyalarSv fazda dalm kat faz: Sol olarak adlandrlr. rnek:BoyalarKat fazda dalm gaz faz: Kat kpkler olarak adlandrlr. Pomice ta, polistiren kpkKat fazda dalm sv faz: Jel olarak adlandrlr. Jelatin, jleKat fazda dalm kat faz: Kat sol olarak adlandrlr. rnek: Renkli Cam

Sol Nedir?

Sol, srekli faz svdan, disperse olmu faz ise katdan oluan yapdr. Sv faz ierisinde disperse olmu nano boyutlu kat paracklar eer annda kelmiyorsa, yap sol olarak tanmlanr. Sol ieride disperse olmu kat faz santrifj gibi d kuvvetlerle homojen bir ekilde datmak mmkndr.

Jel Nedir?

Jel, ierisinde kat a yapsn oluturan nanoparacklarn boyutlu olarak yerletii katya benzer ve slak yapdr. Jel ierisindeki srekli faz; nanoparacklarn oluturduu kat a yaps, disperse olmu faz ise sv fazdr. Jellerin hem kat hem de sv zellikler gsterirler. Younluklar svlara yaknken atomlar arasnda katlarda olduu gibi belirli ilikiler mevcuttur.

Sol retimi:

Sv ierisinde nanopartikllerin dorudan oluturulmas: Sv ierisinde znm olan molekller svlarn kartrlmas sonunda daha byk boyutlu molekllere dnrler. Oluan makromolekller, daha sonra, nanoboyutlarda kat partiklleri haline gelirler.

Nanopartikllerin sv fazda sspansiyonu:Karbon nanotpler ve kuvantum noktalar gibi nanoparacklar zel retim yntemleri kullanlarak oluturulurlar. Daha sonra nanopartikller, sv faz ierisinde datlr. Homojen dalmn salanmas iin surfektant ad verilen yzey modifiye ediciler (polimerler, sabunlar vb) kullanlr.

HidrolizPolimerizasyonSOLJEL

Sol Jel Deiimi:

Soln, jele dnm iin, sol ierisinde dalm olan kat nanoparacklarn biraraya gelerek a yaps oluturmalar gerekir. A yapsnn oluabilmesi iin yapda bulunan kat paracklarn sv iersinde Brownian Motion ad verilen ve molekllerin scaklk etkisiyle rastlantsal olarak hareketleri sonucunda arpmalar ve arpma sonunda yapmalar gereklidir. Yapma ilemi yzeylerinde reaktif gruplar bulunan kat partikller iin ok daha kolaydr. nk arpma sonrasnda reaktif gruplar biraraya gelerek ba oluturabilirler

Sol Jel Deiimi:

Yzeylerinde reaktif grup bulunmayan kat paracklar iin yapma gereklemeyecei iin bu tr nanoparacklarn yzeylerinin katk malzemesiyle (Additive) veya yzeyin soyularak reaktif hale getirilmesi ilemlerinden gemesi gerekmektedir. Sonu olarak yzey reaktif olmayan paracklar, arpma sonunda oluacak ba yaps veya elektrostatik kuvvetlerle biraraya gelecek (reaktif) hale getirilirler.

Sol Jel Deiimi:

Sol jele dnrken, yapnn viskozitesi artar ve jelleme noktasnda yap akamayacak hale gelir.

Jelleme noktasnda paracklarn oluturduu as yap svnn tm hacmi ierisinde yaylm olduundan svnn akma kaabiliyeti son bulmutur.

Soln iine jelletiricinin kartrlmasndan sonra gel oluumu sonuna kadar geen sreye jelleme sresi ad verilir

Sol Jel kimyasn etkileyen Faktrler:

Sol jel kimyas aada verilen parametrelerden etkilenir;pH: Suyun rol ald kolloid sistemlerde pH ok nemlidir. Silika jellerin oluumda, silikann hidrolizi sonucunda silanol (Si-O-Si) gruplar oluur. Silanol gruplarnn oluumu pH dan etkilenir. Silanol gruplar daha sonra silica nanaparacklarnn oluumunu ve ayapnn gelimesini salar.

zc sv (solvent): Yapdaki molekllerin biraraya gelerek nanoparacklar oluturmas esnasnda nanoparacklarn kelmemesi ok zemlidir. Bu sebeple solventin nanoparacklar zebilecek zellikte olmas gereklidir. Ayrca zc sv nanoparacklarn a yapsn oluturmasna da yardmc olarak jellemeyi garantiler.

Sol Jel kimyasn etkileyen Faktrler:

Scaklk: Nanoparacklarn olumas ve a yapsn oluturmas srelerinin kinetii scaklk tarafndan aktive edilir. Scakln ok dk olmas jelleme sresini artrrken ok yksek olmas nanoparacklarn aglomere olarak ar bymesine ve a yapsn oluturamadan kelmelerine sebep olur.

Reaksiyonun Oluturduu Is: Sol ierisinde nanoparacklarn oluumu ve a yapsnn meydana gelmesi kimyasal reaksiyonlar srasnda aa kan s, reaksiyonlarn daha hzlanmasna sebep olur.

Zaman: retilen jelin tipine bal olarak jelleme basamaklar farkl zamanlarda meydana gelir. Daha yava oluan sol jel reaksiyonu sonucunda meydana gelen rnn zellikleri daha stndr. zellikle jelleme aamasnda reaksiyon ne kadar yava ise oluan jelin i yaps daha uniformdur. Bu da daha yksek mukavemetli ve (eer o zellikte olumas isteniyorsa) daha fazla kgeirgen (transparant) zellikte jelin eldesine imkan salar. Daha saydam jel yaps daha az Rayleigh salmasna sebep olduu iin daha az mavimsi grnr.

Katalizr: Sol jel tekniinde asit (H+) ve bazlar (OH-) katalizr olarak kullanlrlar. Katalik etki asitler ve bazlar iin farkl mekanizmalar aracl ile salandndan, sol jel metodu pHa kar duyarldr. Katalizr malzeme ok az miktarda kullanlmasna karn (mg/mL), jelleme sresini haftalardan dakikalara eker.

Sol Jel kimyasn etkileyen Faktrler:

Sol Jel kimyasn etkileyen Faktrler:

Kartrma: Sol jel tekniinde soln kartrlmas, kimyasal reaksiyonun uniform bir ekilde olumas ve sol ierisindeki herbir molekln reaksiyon iin gerekli kimyasala eriebilmesi asndan nemlidir. Bununla birlikte jelleme aamas baladktan sonra kartrmann devam etmesi mikro ve makro seviyelerde yar jellemi an paralanmasna sebep olabilir. Tm yapnn jellemesi sonunda gereklese bile jelleme sresi uzam olur.

Sol Jel Ynteminin Basamaklar

Alkositlerin hidroliziPolimerizasyon (Peptidleme)Kaplama, fiber ekme vb.*Jel eldesiKalsinasyon ve sinterleme*

Sol Jel Ynteminin Basamaklar

Alkoksit Hidrolizi

Alkoksitler, sol oluturmak iin balang maddesi olarak kullanlr. M(OR)n forml ile gsterilirler. M; kaplanacak metal malzemeyi,R; CH3 (metil), C2H5 (etil) gibi alkil grubunu,n; metalin deerine gre deien deerliini gsterir.

erdikleri yksek elektronegatif OR grubu sebebiyle, metal alkoksitler yksek reaktif zellik gsterir. ORdeki alkil gruplar deitirmekle fiziksel zelliklerin kontrol salanr.Alkoksit HidroliziSu miktar,Katalizr tipi,zc deriimi, Scaklk gibi deikenler hidroliz hzn etkiler. Normal olarak alkoksitler alkolde znr ve asidik, bazik ya da ntr artlarda su ile hidrolize urar. Optimum molar su/alkoksit oran % 100dr. Bu oran elde edildiinde alkoksit ile su moleklleri arasndaki mesafe artar. Asit katalizrler, polimerleri hafif balarla balarken, baz (alkali) katalizrler kuvvetli balarla balarlar. Distile su ile scak ortamda (>80 0C) alldnda daha kararl bir kolloid yap oluur. Alkoksit Hidrolizi

Hidroliz reaksiyonu srasnda, sudaki OH- iyonu ile alkoksitteki OR- iyonu yer deitirler (Reaksiyon 1).

Polimerizasyon (peptitleme)

Polimerizasyon aamasnda hidrolize olmu Si-OH moleklleri iki farkl reaksiyonla Si-O-Si (siloksan monomeri) balarn oluturur (Reaksiyon 2a ve 2b).

Bu srada oluan ilem kondenzasyon olarak tanmlanr. Kondenzasyon ilemi, su kondenzasyonu ve alkol kondenzasyonu olmak zere iki ekilde gerekleebilir. Su kondenzasyonunda Si-OH molekllerinin, Si-O-Si molekllerine dnm srasnda su aa karken (Reaksiyon 2a),Alkol kondenzasyonunda ise alkol aa kar (Reaksiyon 2b).

Polimerizasyon (peptitleme)

Hidroliz ve kondenzasyon reaksiyonlar ile polimerik oksit yaps oluur. zeltideki polimerler kondenzasyon reaksiyonu ile byrler. Bu solden jele gei noktasdr ve zeltinin viskozitesindeki art ile belli olur.Bir zelti, negatif ykl bir kolloidal zelti oluturuyorsa, OH- iyonlar ile (bazlarla), pozitif ykl bir kolloidal zelti oluturuyorsa, H+ iyonlar ile (asitlerle) polimerletirilir.

zeltiye verilen elektrolit gereinden az veya ok olursa, polimerleme meydana gelmez. Yksek deriimdeki elektrolit, taneleri yksz brakarak polimerlemeyi nler. Az miktarda kullanldnda ise verdii yk yeterli olmayacandan kelti durumu devam eder. Seilen asit cinsi peptidlemeyi etkileyen nemli faktrlerden biridir. Asit konsantrasyonu ok dk olduunda, elektrik yk etkisinin salanamaz. Bu art birka kuvvetli asidin dnda hemen hemen tm dier organik asitlerin sol jel prosesinde kullanmn imkansz klar.

TYNDALL ETKS

Jelleme

Sol ierisinde polimerizasyon ile oluturulan monomerler (Si-O-Si) bir araya gelerek nanoparacklar oluturmaya balar. Jelleme olay, kolloidal taneciklerin ekilleri ile yakndan ilgilidir. Jeli oluturan molekller birbirine zayf veya kuvvetli balarla balanarak, aralarndaki boluklarda sv bulunan iskelet eklinde dokular olutururlar. Bu dokular jel yapsn meydana getirir. Jel oluumu, hazrlanm olan solsyonun iin yeterli kklkte sol tanelerini oluturur. Bu tanecikler yzey yklerinin elektrokimyasal etkileimi ile aglomera (topaklanma) olarak ya da bir as yap meydana getirerek, ktrlm kat tanecikleri jel oluumunu teekkl eder. Daha sonra bu as yapdaki jeller btn yapda gitgide yaylarak ve hacimde boyuta dalarak, jel oluumu tamamlam olur.Jelleme

Jelleme olay, kolloidal taneciklerin ekilleri ile yakndan ilgilidir. Jeli oluturan molekller birbirine zayf veya kuvvetli balarla balanarak, aralarndaki boluklarda sv bulunan iskelet eklinde dokular olutururlar. Daha sonra bu as yapdaki jeller btn yapda gitgide yaylarak ve hacimde boyuta dalarak, jel oluumu tamamlam olur.

Kalsinasyon ve Sinterleme

Jel kurutulduktan sonra, youn seramik malzemesi eldesi iin sl ilemden geirilir. Jelin yapsna ve oluum artlarna gre, sl ilem esnasnda u reaksiyonlar meydana gelir;Tuzlarn dekompozisyonu,Karbonizasyon veya atk organik yanmas,Kimyasal suyun uzaklamas,Mikro gzeneklerin kaybolmas,Younlama.Jelleen yap her malzeme grubuna gre ergime olmakszn belli scaklkta stlarak kalsine edilir. Malzemede taneler aras boluklar azalr. Kalsinasyon ve sinterleme ile malzemenin mekanik zellikleri de artm olur.

Sol Jel Ynteminin Avantajlar ve Dezavantajlar

Sol Jel ynteminin avantajlar;Yksek yzey alan ve serbest enerjiye sahip katlarn daha dk scaklkta sinterlenmesi salanr.Metal-alkoksit solsyonlarnn kullanm ile fiber retimi salanr ( SiO2, ZrO2-SiO2, Na2OZr-SiO2 ).Sv fazdan soutma ile elde edilemeyen amorf yapdaki kat cam malzemelerin retimine imkan salar ( CaO-SiO2, SrO-SiO2, SiO2-TiO2, SiO2-Al2O3 ).Cam zerinde ince SiO2 ve TiO2( 1) kaplamalarn retimine imkan vermektedir. Kaplanan yzeylerin, kimyasal, elektrik ve optik zelliklerinin iyiletirilmesi sol-jel yntemi ile salanr.Kontrol edilebilir ekil ve boyutlarda toz retimi salanr.kinci fazlarn ana faz iinde homojen dalmas salanabilir ( %0,3 TiO2-SnO2 )

Sol - Jel Ynteminin Avantajlar ve DezavantajlarDezavantajlar;retilen tozlarn maliyeti yksektir.Sre uzundur ve ilem esnasnda bzlme miktar yksektir.nce gzenekler yapda yer alabilir.Yapda kalnt hidroksit, kalnt karbon oluabilir.

Daldrma Kaplama (Dip Coating)

Daldrma yntemi ile kaplama, alt malzemenin kaplanabilmesi iin bir solsyon ierisine alt malzemenin daldrlmas ve sabit hzda, kontroll scaklkta veatmosferik koullarda geri ekilmesi ilemidir.Kaplama kalnl;Alt malzemeyi geri ekme hznaAlt malzemenin yzey gerilimineSolsyonun younluuna ve viskozitesine baldr. Daldrma Kaplama (Dip Coating)

Daldrma yntemi ile kaplamann aamalar;Altln solsyona daldrlmasAltln solsyondan karlmasAltln yzeyindeki solsyondan zcnn buharlatrlmas

Dndrme Kaplama (Spin Coating)

Dndrme Kaplama ince filmlerin retiminde kullanlmaktadr. Tipik olarak proses bir solsyon damlasnn bir altln merkezine damlatlmas ve sonra altln yksek dnme hzlarnda (tipik olarak 3000 dev/dak) dndrlmesi esasna dayanr. Merkezi hzlandrma fazla solsyonun uzaklatrlmasna ve kalan solsyonun ise altlk yzeyine ince film eklinde yaylmasna neden olur.Nihai film kalnl ve kaplamann kalitesi:Solsyon zellikleri:viskozitesine, kuruma hzna, kat oranna ve yzey gerilimleri ile lem artlarna: devir, hzlandrma vb. baldr.

Dndrme Kaplama (Spin Coating)

Tipik olarak kaplama ilemi admdan oluur. Hazrlanan altlk zerine zelti damlatlmas Yksek hzl dndrme ile fazla zcnn uzaklamas ve yaylmas ve Kurutma ile zeltinin buharlatrma ile jelletirme ile kaplama ilemi tamamlanr.