فرآیند سُل- ژل (sol-gel) یک روش شیمیایی تر برای ساخت مواد (مثلاً از یک اکسید فلزی) می باشد، که از یک محلول شیمیایی (sol مخفف solution) و یا ذرات کلوئیدی (sol برای نانو ذرات) برای تولید یک شبکه کامل شده، استفاده می شود. پیش سازها و شروع کننده ها اکسیدهای فلزی و کلریدهای فلزی هستند که تحت واکنش های هیدرولیز شدن و تراکم پذیری (Poly condensation ) یک کلوئید را تشکیل می دهند که یک سیستم ترکیب شده از ذرات جامد پراکنده شده (با سایز یک نانومتر تا یک میکرون) در یک حلال می باشد. با پراکنده شدن ذرات جامد در حلال، سُل باز می شود و سپس به سمت تشکیل یک شبکه پیوسته معدنی حاوی یک فاز مایع (ژل) پیش می رود.
اکسیدهای فلزی از مهم ترین نانو ذراتی هستند که معمولاً در پوششها از آنها استفاده می شود و معروف ترین آنها عبارتند از : سیلیکا (2 SiO )، تیتان (2 TiO )، آلومینا ( Al2O3 )، زیرکونیوم (ZrO )، سریا (CeO2 )، زیرکونیا ( ZrO2 )،ّ Fe2O3 ، ّFe3O4 . (نانو ذرات موادی می باشند که اندازه آنها در محدوده 1 تا 100 نانومتر باشد و معمولاً به شکل پودر یا مایع دیسپرس شده می توانند برای تهیه انواع پوشش ها یا محصولات مختلف دیگر استفاده شوند.)
تشکیل یک اکسید فلزی ارتباط مراکز فلزی را با M-O-M)OXO ) یا پل های هیدروکسی (M-OH-M ) درگیر می کند، بنابراین پلیمرهای OXO فلزی یا هیدروکسی فلزی را در محل تولید می کند. فرآیند خشک شدن به انتقال فاز مایع از ژل با تشکیل مواد متخلخل کمک می کند، سپس یک عملیات حرارتی (firing ) ممکن است در جهت پیش بردن تراکم پذیری مرکب (Poly condensation ) و در نتیجه بهبود خواص مکانیکی انجام شود.
مراحل فرآیند سیستم سل- ژل شامل مراحل زیر می باشد: (این مراحل کلی بدون در نظر گرفتن مواد شروع کننده می باشد)
1) مخلوط کردن
2) ژل شدن: تعریف تجربی یعنی زمانی که محلول جریان نمی پذیرد.
3) تشکیل ماده: بصورت فیلم نازک، لیف یا توده می باشد.
4) خشک کردن
5) تغلیظ و متراکم شدن
فواید فرآیند سل- ژل
1) سادگی روش
2) انعطاف پذیر بودن
3) دمای پایین واکنش
4) سرمایه گذاری کم
پیش ساز ژل می تواند رو یک سطح برای تشکیل فیلم (به عنوان مثال به روش فروبری یا چرخشی) ته نشن و اعمال شود و یا می تواند به صورت توده مناسب با شکل مورد نظر (به عنوان مثال برای به دست آوردن سرامیک های یک پارچه، شیشه ها، الیاف، پوسته ها یا ورقه ها و یا ژل های مجزا) باشد و یا به صورت ترکیب پودر (مثل کره های نانو و میکرو) استفاده شود. روش سل- ژل روش ارزانی می باشد و روشی است که به دلیل دمای پایین واکنش می توان کنترل مناسبی بر ترکیب شیمیایی محصولات داشت و این کنترل باعث می شود که مقادیر کوچک ترکیب شده در هم مانند رنگینه های آلی و فلزات خاکی نادر مطرح شوند و در نهایت در محصول نهایی دیسپرس پایان پذیرید.سل- ژل می تواند در فرآیند ساخت سرامیک ها به عنوان مواد در قالب استفاده شود یا به عنوان حد واسط فیلم های خیلی نازک اکسیدهای فلزی برای فرآیندهای مختلف استفاده شود. مواد ناشی از سیستم سل- ژل می تواند در کاربردهای متفاوت نوری (اپتیک)، الکترونیک، انرژی، سطح، سنسورهای بیو (Bio )، دارویی و تکنولوژی جداسازی (مثل کروماتوگرافی) به کار برده شود. تاریخچه استفاده از فرآیند سل- ژل به سال 1880 میلادی بر می گردد که هیدرولیز تترا اتیل اورتوسیلیکات (TEOS ) تحت حالت اسیدی باعث تشکیل SiO2 به شکل الیاف و ورقه های یکپارچه شد. رشد تحقیق و پژوهش سل- ژل در سال 1990 میلادی به حدی شد که در حدود بیشتر از 50000 مقاله در سرتاسر دنیا در مورد فرآیند آن به چاپ رسید.
کاربردها:
محققان از سیستم سل- ژل برای تولید سبک ترین مواد دنیا که زیر دستی که مانند سرامیک داشته باشد، استفاده می کنند. با استفاده از سل- ژل مواد بسیار زیادی را می توان تولید کرد. یکی از بیشترین کاربردهای سل- ژل در تهیه فیلم های نازک است که می تواند توسط روش پوشش دادن پرخشی یا غوطه وری بر روی سطح ایجاد شود. روش های دیگر شامل اسپری کردن، الکتروفورز، چاپ جوهری یا پوشش های رولی می باشد. پوشش های نوری، رنگ های حفاظتی و تزیینی و ترکیبات الکترو اپتیک می توانند روی شیشه، فلز و دیگر انواع سطوح با این روش استفاده شوند.
با ریختن در قالب و سپس خشک کردن و عملیات حرارتی سرامیک متراکم یا کارهای هنری شیشه ای با خواص جدید می تواند ایجاد شود که با روش های دیگر امکان انجام آن میسر نمی باشد. اجزای نوری میکروسکوپ و ترکیبات نوری فعال به خوبی یک سطح آینه ای داغ بزرگ، آینه ای سرد، لنزها و *****های نوری با هندسه نوری می تواند سریع و با قیمت ارزان با سیستم سل- ژل تهیه شود.
با یک ویسکوزیته سل تنظیم شده برای محدوده مناسب، هم الیاف نوری و هم الیاف سرامیکی سخت می توانند طوری تهیه شوند که برای سنسورهای فیبر نوری و عایق های حرارتی استفاده شوند.
پودر های سرامیکی بسیار نرم و یک پارچه می توانند توسط روش ته نشینی و رسوب تشکیل شوند. این پودرهای یک جزئی یا ترکیبات چند جزئی می توانند در اندازه ذرات زیر میکرومتر، برای کاربردهای دندان پزشکی و دارویی استفاده شوند. پودرهای ترکیبی به عنوان کود شیمیایی و سم استفاده می شوند. هم چنین ساینده های پودری که در عملکرد تکمیلی مختلف استفاده می شوند با فرآیند سل- ژل درست شده اند.
یکی از کاربردهای مهم این فرآیند، انجام سنتز زئولیت (سیلیکات آبدار) می باشد. عوامل دیگر (فلزات و اکسیدهای فلزی) می توانند به راحتی داخل محصول نهایی ترکیب شوند وسل سیلیکاتی تشکیل شده به این روش بسیار پایدار است. دیگر محصولات ساخته شده با این روش شامل پوسته غشایی سرامیکی مختلف برای میکرو*****اسیون، اولترا*****اسیون، نانو *****اسیون و اسمز معکوس می باشد. اگر مایع در یک ژل مرطوب، تحت حالت فوق بحرانی جا به جا شود، موادی با حفره های بزرگ ( بسیار متخلخل) و دانسیته به شدت پایین که Aerogel نامیده می شود. تشکیل می دهد. خشک شدن ژل توسط عملیات حرارتی با دمای میانگین پایین (25-100 درجه سانتی گراد) صورت می گیرد و ممکن است که مواد جامد متخلخل که Xerogel نامیده می شوند، به دست آید. در انتها، فرآیند سل- ژل درسال 1950 برای تولید پودرهای رادیواکتیو Uo2 و ThO2 برای سوخت هسته ای بدون تولید ذرات با اندازه های بزرگ گسترش یافته بود.
منبع: نشریه PET
