Методы получения наноразмерных частиц
Содержание
1.Краткое понятие о наноразмерных материалах……………………………2
2. Методы получения наноразмерных частиц…………………………………..3
3. Металлополимерные нанокомпозиты………………………..…………….
Список использованных источников…………………………………….…….20
- Краткое понятие о наноразмерных материалах
К числу «наноразмерных» относят объекты, имеющие «наноразмер», хотя бы в одном направлении – кристаллы, пленки, трубки.
В последнее время значительное внимание уделяется нанокристаллическим материалам, что вызвано, как минимум, двумя причинами. Во-первых, уменьшение размера кристаллитов – традиционный способ улучшения таких свойств материала, как каталитическая активность, активность в твердофазных реакциях, процессах спекания. Вторая причина – проявление веществом в нанокристаллическом состоянии особых свойств (магнитных, оптических и др.), не характерных для объемных материалов и обусловленных проявлением квантовых эффектов. Поэтому получение и исследование нанокристаллических материалов является важным этапом в создании техники нового поколения.
2. Методы получения наноразмерных частиц
Разработанные к настоящему времени методы получения нанопорошков весьма разнообразны.
Существует классификация методов по принципу изменения размера частиц в ходе синтеза:
- диспергационные методы (основаны на диспергировании исходных материалов).
Альтернативой является противоположный подход – конденсационные методы (основаны на получении наночастиц из систем, в которых вещества диспергированы на молекулярном (атомном) уровне).
Существует классификация методов по агрегатному состоянию исходных веществ:
- газофазные;
- жидкофазные;
- твердофазные.
В сложившейся практике выделяют следующие методы получения наноразмерных материалов:
1. Диспергационные методы.
Диспергационные методы получения наночастиц (нанопорошков) - методы получения наноразмерных структур диспергированием вещества (тонким измельчением твердых тел или жидкостей для получения нанопорошков, нанодисперсий).
К диспергационным методам относятся:
- Механическое дробление.
- Диспергирование макроскопических частиц в растворах.
- Механохимический синтез.
- Метод разложения.
- Метод синтеза наночастиц механическим дроблением.
а) Механическое дробление
Механическое воздействие приводит к появлению упругих напряжений в кристалле. Вследствие анизотропии кристаллической решетки, особенностей электронных и ионных свойств, различия в природе и энергии химических связей в структуре, релаксация упругих напряжений может осуществляться по различным механизмам. Такими механизмами могут быть колебательное возбуждение, электронное возбуждение и изменение степени ионности химических связей, разрыв связей, перегруппировки атомов, миграция атомов и ионов. Варьируя интенсивность и характер подводимых к твердому телу механических воздействий можно контролировать свойства материалов, полученных механической активацией.
Одним из наиболее часто встречающихся эффектов, сопровождающих
механическую активацию кристаллов, является разрушение макрокисталлов и макрокристаллитов, приводящее к измельчению частиц вещества.
Разрушению предшествуют процессы накопления, взаимодействия и концентрирования дефектов, образование трещин и их распространение по кристаллу. Однако прямое механическое измельчение твердого тела далеко не всегда позволяет получить наночастицы, так как механическая активация приводит к ускорению процессов массопереноса за счет образования метастабильных дефектов, что инициирует сброс избыточной поверхностной энергии. Кроме того, часть запасенной упругой энергии переходит в тепло и температура в зоне удара может заметно повышаться. Все это благоприятствует протеканию процессов рекристаллизации вещества и залечивания дефектов, что препятствует измельчению.
Метод механического дробления хорошо отработан для получения нанопорошков металлов и сплавов. Помол оксидных материалов также позволяет получить порошки с размером частиц десятки-сотни нм. Для получения более мелких частиц этих веществ используют другие методы.
Для помола используются шаровые, вибрационные, планетарные и другие мельницы. При совместном помоле порошков возможно образование механических сплавов (эффект механохимического сплавления компонетов, несмешивающихся в равновесных условиях). Размер частиц зависит от температуры плавления металла и времени помола (от нескольких часов до нескольких суток). Чем больше температура плавления металла и больше время помола, тем меньший размер частиц может быть достигнут. Например, при одинаковых условиях помола минимальный размер частиц алюминия (температура плавления 6600C) составил 20 нм, а вольфрама (температура плавления 33950C) – 6 нм.
Особенно мелкие частицы получаются при помоле металлических порошков в среде жидкого азота или аргона. Это связано с увеличением хрупкости металлов при понижении температуры.
Нанопорошки, полученные в среде жидкого азота, покрыты тонкой
поверхностной оксидно-нитридной пленкой, вследствие чего они обладают повышенной стойкостью к спеканию и сохраняют размер частиц при нагревании до 900-9500С.
Недостатком этого метода является загрязнение порошка материалом мелющих тел, длительность процесса и большая энергоемкость. Кроме того, в ходе помола возможно также образование неравновесных (γ-, δ-) и аморфных фаз, как это было обнаружено при помоле α-Al2O3.
б) Ультазвуковое диспергирование макроскопических частиц в растворах
Механическое диспергирование для получения наночастиц не получило достаточно широкого распространения из-за очень высокой энергоемкости.
Наночастицы можно получить путем
ультразвукового измельчения
особенно эффективен
для веществ слоистого
в) Механохимический синтез нанокомпозитов и наночастиц
Наиболее высокой
Механохимические процессы отвечают этим требованиям.
Эти процессы основаны на механической активации твердофазных реакций, протекающих в ходе помола в шаровых или планетарных мельницах. Важно, что подводимая механическая энергия, нередко индуцирует химическое взаимодействие.
На границах ионных кристаллов существуют двойные электрические слои, заряд и потенциал которых оказывает существенное влияние на протекание межфазного взаимодействия.
Механохимические процессы идут при относительно низких температурах, когда формирование совершенной кристаллической структуры затруднено, поэтому использование механохимии для синтеза метастабильных состояний, в частности наночастиц и нанокомпозитов, представляет большой интерес. В последние годы механохимические методы получения нанокристаллических материалов получили большое развитие.
Более перспективными для получения наночастиц являются процессы механической активации гетерогенных смесей. На первой стадии активации вещество, обладающее большей твердостью и (поверхностной энергией), действует в качестве измельчителя, что интенсифицирует процесс измельчения более мягкого компонента. На более глубоких стадиях может произойти более глубокое диспергирование, причиной которого может стать межфазное поверхностное взаимодействие между компонентами: мягкий компонент будет играть роль поверхностно-активного вещества и способствовать измельчению более жесткого компонента.
Поэтому наиболее эффективным методом получения нанокомпозитов являются механохимические реакции в гетерогенных смесях. В этом случае наночастицы новой фазы образуются на контакте реагирующих фаз или в результате распада метастабильных состояний, полученных при механической активации смеси. Уникальной особенностью механохимических процессов является возможность так называемого деформационного смешивания (или механического сплавления) компонентов смеси, т.е. перемешивания исходных компонентов на атомном уровне.
Деформационное смешивание происходит при низких температурах, когда диффузионные процессы и другие релаксационные заторможены, что позволяет стабилизировать различные метастабильные промежуточные продукты, в том числе наноразмерные частицы.
Механохимический синтез нанокомпозитов в металлических системах известен и достаточно хорошо изучен.
Основные типы механохимических реакций,
с помощью которых можно
1). Обычная механическая обработка композита, приводящая к переходу одного из компонентов в нанокристаллическое состояние.
2). Переход аморфной фазы в нанокристалл за счет релаксации части накопленной при наклепе энергии, например, получение нанокомпозитов из аморфных сплавов на основе Fe и Al.
3). Распад соединения интерметаллида с выделением одного из элементов в виде наночастиц.
Механической обработкой смесей различных металлов с графитом, кремнием и оловом могут быть получены наночастицы карбидов, силицидов и станнидов.
4. Метод разложения
Нанопорошки простых оксидов можно получить таким простым способом как разложение термически нестойких солей (нитратов, сульфатов, ацетатов, оксалатов) и гидроксидов. При разложении этих веществ выделяются газообразные продукты, что приводит к диспергированию твердого продукта реакции. Как правило, чем ниже температура проведения процесса, тем мельче частицы образующегося оксида. Поэтому наиболее мелкодисперсные оксиды получаются при разложении гидроксидов, т.к. температура их разложения, в ряде случаев, обычно ниже, чем солей.
Таким образом, этот простой метод, не требующий никакого оборудования, кроме печи, позволяет получать нанопорошки простых оксидов с размером частиц порядка единиц-десятков нанометров.
5. Метод синтеза
наночастиц механическим
Метод синтеза наночастиц механическим дроблением - метод получения (синтеза) наночастиц, основанный на диспергировании исходных веществ, используя планетарные, вибрационные, шаровые и другие мельницы.
- КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Конденсационные методы основаны на получении наночастиц из систем, в которых вещества уже диспергированы на атомном или молекулярном уровне, т.е. из растворов и газовой фазы.
1. Методы химического осаждения (соосаждения). Золь – гель метод.
Методы химического
осаждения заключаются в
Для осаждения гидроксидов в качестве исходных реагентов используются нитраты или ацетаты, а в качестве осадителя – растворы аммиака или щелочи.
Для осаждения оксалатов в качестве исходных реагентов используются нитраты или ацетаты, а в качестве осадителей – смеси щавелевая кислота – аммиак, щавелевая кислота – триэтиламин, либо избыток насыщенного раствора оксалата аммония при фиксированной кислотности раствора, либо водный раствор диметилоксалата.
Осаждение карбонатов аналогично
оксалатам. В качестве осадителя
при осаждении карбонатных
Осаждение проводят при
pH > 8, создаваемом добавлением
Золь – гель метод
Широкое распространение получили методы синтеза неорганических материалов из специально приготовленных коллоидных растворов на основе
оксидов или реже –
сульфидов металлов. Впервые этот
метод был использован Эбелмано
Преимущество коллоидного раствора перед истинным раствором, заключается, с одной стороны, в том, что в нем могут сосуществовать элементы, которые не сосуществуют вместе в истинных растворах, например бор или кремний (в виде боратов или силикатов) и переходные металлы. С другой стороны, в коллоидном растворе часто можно более свободно изменять соотношение компонентов; низкая растворимость больше не является препятствием, поскольку и само понятие «растворимость» к коллоидным системам, в строгом смысле, не применимо.
Кроме того, коллоидные системы состоят из очень мелких частиц (10 – 100Е), которые при высушивании по-разному распределяются в пространстве, и, таким образом, можно получить самые разнообразные по свойствам материалы. Например, если нанести слой коллоидного раствора оксида на тонкую органическую пленку, а затем высушить его и сжечь пленку в кислороде, то получаем пористую мембрану для очистки жидкостей (например, питьевой воды) фильтрацией. Пропуская коллоидный раствор через фильтры с заданным размером отверстий и при этом, высушивая его, можно приготовить волокна. Простое высушивание таких растворов дает мелкие, очень реакционно-способные порошки с большой площадью удельной поверхности, что используется для приготовления катализаторов или получения плотных (иногда даже прозрачных) керамических изделий или стекол. Собирательное название этих методов – золь – гель – технология – подчеркивает, что в основе происходящих процессов лежит переход от коллоидного раствора (золя) к коллоидному осадку (гелю).
Гелеобразование может быть организовано различными способами и может приводить либо к мицеллярным, либо к полимерным гелям.
В полимерных системах гель построен из длинноцепных молекул, которые и далее постепенно сшиваются друг с другом, давая плотные сетки.
Мицеллярные гели состоят из отдельных коллоидных частиц, образующих за счет водородных связей или электростатического взаимодействия разветвленные цепи.
Мицеллярные растворы, как
правило, готовят гидролизом растворов
неорганических солей в присутствии
оснований с последующей
Al(NO3)3 + 3NH3 + 3H2O → Al(OH)3↓ + 3NH4NO3
В случае получения сложного оксида проводят совместное осаждение гидроксидов нескольких металлов.
Для получения полимерных гелей необходимо избегать присутствия в растворе электролитов, так как адсорбция ионов на поверхности частиц создает двойной электрический слой и способствует формированию и стабилизации мицелл. Наиболее часто для этой цели используют реакцию гидролиза алкоголятов металлов M(OR)n (где R – алкильный радикал), поскольку единственными побочными продуктами в этих реакциях являются весьма слабые электролиты – спирты R-OH. Процесс гелеобразования в этом случае проходит через следующие стадии.
(1) Гидролиз алкоголятов:
M(OR)n + H2O → M(OH)(OR)n-1 + R OH
На гидролиз влияет ряд факторов: природа алкильной группы, природа
растворителя, концентрация алкоголятов в растворе, температура,
присутствие кислот и оснований, катализирующих процесс.
(2) Конденсация.
В ходе этого процесса удаляются молекулы воды или спирта и образуются металл-кислородные связи, при моноядерный комплекс, содержащий один атом металла, превращается в двухъядерный, содержащий два атома металла, соединенные через кислородный мостик:
(OR)n-1M – OH + HO – M(OR)n-1 → (OR)n-1M – O – M(OR)n-1 + H2O
или
(OR)n-1M – OH + RO – M(OR)n-2(OH) → (OR)n-1M – O – M(OR)n-2 + ROH
При этом атомы металла могут быть одинаковыми (если синтезируют простой оксид) и разными (в случае синтеза сложного оксида). Образующие полимерный гель неорганические молекулы проявляют очень высокую химическую активность. Если процесс вести в присутствии кислот и щелочей в качестве катализаторов, то возможно сшивание полимерных цепей с образованием пространственной трехмерной сетки.
Для того чтобы гель превратился, наконец, в оксидный материал, он должен пройти несколько этапов обработки. Первый из них – “старение”, то есть превращение, происходящее во времени. Оно неизбежно, так как коллоидный осадок – гель – система неравновесная. Далее следует формование, высушивание, термообработка. Важно, что в зависимости от того, как проводятся эти процессы, можно получить наноматериал в виде порошка, волокон, пленок и брикетов.
Таким образом, схему метода можно представить следующим образом :
Схема золь-гель метода.
Данным методом получены не только простые, но и сложные оксиды, например, PbTiO3, PbZrO3, LiNbO3 с размером зерен менее 1 мкм, молибдаты редкоземельных металлов с размером зерен 10 -100 нм.
2. Гидротермальный метод. Метод комплексонатной гомогенизации.
В последние годы для получения нанокристаллических оксидных материалов все более широкое применение находит гидротермальный метод, который позволяет управлять морфологией дисперсного продукта за счет варьирования параметров проведения процесса (температуры, концентрации раствора, продолжительности процесса и так далее).
Сущность гидротермальный метод заключается в нагревания солей, оксидов или гидроксидов металлов в виде раствора или суспензии при повышенной температуре (обычно до 3000С) и давлении (около 100МПа).
При этом в растворе или коллоидной системе происходят химические реакции, приводящие к образованию продукта реакции – простого или сложного оксида.
Гидротермальный синтез проводят в автоклавах, чаще футерованных тефлоном, объемом 50-300 мл. Продолжительность обработки варьируется от 10 мин до 24 час. Высокое давление увеличивает температуру кипения, поэтому процесс можно проводить при более высокой температуре, чем в водных растворах при атмосферном давлении. С увеличением температуры увеличивается растворимость веществ, осаждение продукта реакции происходит медленнее, кристаллы продукта получаются более мелкими, чем при осаждении в обычных условиях. Гидротермальный синтез проводят в двух режимах:
1) для синтеза оксидных порошков
методом высокотемпературного
После автоклавирования реакционный сосуд охлаждают до комнатной температуры. Продукт гидротермального синтеза отделяют от маточного раствора фильтрованием на стеклянном фильтре и центрифугированием, после чего промывают несколько раз дистиллированной водой и высушивают при 80-1000С.
Метод комплексонатной гомогенизации
Данный метод является одним из наиболее эффективных и простых методов получения однородных смесей исходных компонентов входящих в состав синтезируемого продукта. При использовании приема гомогенизации компонентов на молекулярном уровне, то есть в растворах, очень важен выбор химического реагента, позволяющего находиться в растворимом состоянии всем металлическим составляющим керамики. Для металлов с ярко-выраженными катионобразующими функциями это могут быть растворы нитратов соответствующих металлов. В случае, когда в состав керамики входит металл с анионобразующими функциями (Ti, Zr, Nb и так далее), для переведения в раствор и удержания в растворе необходимы специальные методы с учетом особенностей химии переходных металлов.
Наиболее распространенным способом в данном случае является применение комплексообразователей различной природы (как неорганических, так и органических).
3. Метод замены растворителя. Синтез под действием микроволнового излучения.
Метод замены растворителя основан на эффекте высаливания – резком уменьшении растворимости солей в водно – органических смесях по сравнению с чистой водой. Его удобнее всего применять к солям, которые обладают высокой растворимостью в воде и практически нулевой растворимостью в водно – органических смесях с малым содержанием органического компонента. Органические вещества, используемые в качестве высаливающего агента, должны обладать неограниченной растворимостью в воде и относительно высоким давлением паров при комнатной температуре.
Этим критериям в полной мере отвечает ацетон, который чаще всего используют для гомогенизации солевых компонентов методом замены растворителя (можно использовать также этиловый, изопропиловый спирты и другие).
Синтез под действием микроволнового излучения
Синтез нанопорошков под действием микроволного излучения – новый и очень быстро развивающийся перспективный метод. Как и во всех растворных методах, здесь проводят реакцию осаждения продукта реакции из раствора исходных веществ, но на этот процесс воздействуют микроволновым излученем микроволнового источника, используемого в бытовой микорволновой печи.
Энергия микроволн переходит к исходному материалу, что приводит к его быстрому нагреванию, в результате чего инициируется химическое взаимодействие. Механизм воздействия микроволн на наносинтез пока практически не ясен.
4. Метод быстрого термического разложения прекурсоров в растворе (RTDS), быстрого расширения сверхкритических флюидных растворов (RESS).
Метод основан на быстром охлаждении сверхкритических флюидных (обычно водных) растворов, в результате чего из пересыщенного раствора выкристаллизовывается осадок с частицами наноразмера. Сверхкритические растворы получают растворением солей (обычно нитратов) металлов в воде с последующем их нагреванием под давлением в автоклаве. Температура проведения процесса 3500С, давление - 3,0-100 МПа, время – всего 4 - 6 с.
После автоклавирования сверхкритический
раствор фиксируется в
Метод быстрого расширения сверхкритических флюидных растворов (RESS)
Сущность метода быстрого расширения сверхкритических флюидных растворов заключается в следующем. Сверхкритический флюидный раствор очень быстро (за 10-5 - 10-7 сек) расширяется в приемную камеру с пониженным давлением газа (0,03 МПа). Высокие значения температуры (>5000С) и давления (>100 МПа) сверхкритического раствора обуславливают мгновенный переход растворителя при расширении в газообразное состояние, при этом растворенное вещество (или вещества) частично реагируют, и образуется высокодисперсный сухой порошок, который собирается на фильтре.
5. Метод распылительной сушк. Криохимический метод.
Распылительная сушка - это наиболее крупномасштабный путь получения активных мелкодисперсных порошков. Суть метода состоит в том, что смесь растворов солей, переведенная посредством ультразвукового распылителя в состояние аэрозоля с размером частиц 0,5 – 0,8 мкм, переносится газом – носителем в горячую камеру или плазменную струю, где происходит мгновенное (полное или частичное) разложение частиц; образовавшийся оксидно-солевой продукт собирают на фильтре.
Криохимический метод заключается в распылении растворов солевых компонентов в жидкий не смешивающийся с растворителем хладагент. Быстрое замораживание отдельных капель раствора позволяет получить собственно криохимический продукт, представляющий собой мелкие криогранулы, имеющие, как правило, сферическую форму с равномерным распределением исходных солевых компонентов по их объему. Удаление растворителя из замороженного продукта проводят методом сублимации (сушки) при низких давлениях и температурах, не превышающих температуры плавления криогранул. При удалении растворителя происходит химическое превращение растворенных веществ, результатом которого является образование наночастиц продукта. Несмотря на определенные преимущества, криохимический метод имеет недостатки. Так, при быстром замораживании растворов кристаллизация нитратных солей протекает лишь частично, и в криогранулах сохраняется значительное количество аморфных фаз, что может приводить к плавлению материала при сублимационной сушке и, следовательно, способствует сегрегации отдельных компонентов и нарушению гомогенности смешения, достигнутой при быстром замораживании.
6. Методы сжигания: глицин-нитратный метод, метод Печини, целлюлозная (тканевая, бумажная) технология.
Методы сжигания нитрат-органических перкурсоров
Методы основаны на термообработке смесей необходимых исходных компонентов, взятых в легко-восстановительной форме и «горючего», в качестве которого обычно используют такие органические соединения, которые легко окисляются и не вносят загрязнений в получаемый продукт (глицин, лимонная кислота, мочевина и др). В процессе сжигания происходит выделение большого количества газообразных продуктов, которые разрыхляют исходные компоненты, позволяя получить керамику в мелкодисперсном состоянии.
Глицин-нитратный метод
В данном методе роль органического топлива играет глицин (аминоуксусная кислота). Она же выступает в роли бидентантного лиганда, с которым большинство двух – и трехвалентных d-металлов способны образовывать более или менее устойчивые комплексы. Синтез сложного оксида по глицин-нитратной технологии проводят следующим образом.
Растворы нитратов металлов,
взятые в стехиометрических
При дальнейшем нагревании смесь самовоспламеняется, в процессе горения происходит формирование частиц оксида. Самовоспламенение происходит при температурах Тс от 150 до 9000С, при этом значение Тс зависит от состава синтезируемого оксида. Реакция протекает быстро и очень бурно. Процесс идет в самоподдерживающемся режиме и завершается, когда топливо полностью заканчивается. Температура пламени варьируется между 1100 и 14500С в зависимости от глицин-нитратного соотношения. Полученный рыхлый и очень легкий «пепел» содержит продукт реакции, не прореагировавшие простые оксиды, сажу. Газообразными продуктами реакции являются углекислый газ, азот и пары воды.
Метод Печини
В начале 90-х г.г.XX в. Печини предложил использовать для синтеза неорганических веществ метод, включающий предварительную стадию взаимодействия исходных компонентов в растворе. Как а и в глициннитратном методе, исходными веществами для синтеза сложного оксида служили нитраты металлов, водные растворы которых смешивали в стехиометрических количествах, и добавляли в полученный раствор органическое вещество, которое должно удовлетворять двум условиям: 1) образовывать комплексные соединения с искомыми металлами; 2) являться органическим топливом. Этим требованиям хорошо удовлетворяет лимонная кислота, винная кислота, глицин. Таким образом, глицин-нитратный метод является фактически частным случаем метода Печини. В классическом случае в синтезе Печини использовалась лимонная кислота.