طريقة اصطناع محلول-هلام Sol-Gel Process

الرئيسية » الكيمياء الصناعية والنسيجية » طريقة اصطناع محلول-هلام Sol-Gel Process

إعداد: ميشيل رحال، الكيمياء العربي


على الرغم من اكتشافها هذه الطريقة منذ حوالي 200 سنة، فقد أخذت هذه الطريقة موضعها في الصناعة منذ ستينيات القرن الماضي، وقد تزايد استخدامها في السنوات الأخيرة لما تقدمه من ميزات لا تملكها طرق الاصطناع التقليدية وخصوصاً الحرارية منها.

تعتبر هذه الطريقة موجهة لتشكيل الأكاسيد اللاعضوية، ذات البنى الهلامية، والتي يتم تحويلها لبنى زجاجية (لا بلورية) صلبة عند درجات حرارة منخفضة، ويمكن تعريفها من وجهة نظر تيرموديناميكية على أنها تشكيل طور صلب مستقر نسبياً عند درجة حرارة معينة، بدءاً من الطور السائل (المحلول).

يمكن بهذه الطريقة الحصول على مواد معينة بخواص متجانسة ومطلوبة تطبيقياً، مثل القساوة الميكانيكية، النفوذية الضوئية، الاستقرار الكيميائي، المسامية بالأبعاد المطلوبة (يمكن التحكم بها حسب الطلب) وغيرها. وكي ندخل إلى هذا العلم، علينا أولاً تعريف أنواع المحاليل بحسب أبعاد المواد المنحلة فيها:

  • المحلول الحقيقي Real Solution: غالباً ما تكون أبعاد المادة المنحلة من أبعاد الجزيئات صغيرة الحجم، مثل السكريات البسيطة، الحموض والأسس البسيطة ذوات الوزن الجزيئي المنخفض (وليست ذات أبعاد كبيرة)، بحيث لا يمكن ملاحظة سطوح فصل بين المادة المحلة والمادة المنحلة ويكون المحلول متجانساً وشفافاً.
  • المحلول المعلقSuspension Solution: أبعاد الجسيمات أكبر من 1000 آنغستروم، مثل محلول الأملاح غير المنحلة في الماء.
  • المحلول الغروي  Colloidal Solution: تكون المادة المنحلة عبارة عن جزيئات ضخمة أبعادها ما بين 10-1000 آنغستروم، مثل البوليميرات الحيوية والصنعية، بعض أملاح الحموض اللاعضوية، من ميزات هذا المحلول بعثرته للضوء المرئي، واسمه المتعارف عليه بالـ Sol، و هو ما يهمنا دراسته هنا.
أنواع المحاليل

أنواع المحاليل

يمكن وصف طريقة اصطناع محلول-هلام على أنها:

“تشكيل شبكة أوكسيدية من خلال تفاعلات التماثر (البلمرة – Polymerization) بالتكاثف من بادئ جزيئي ضمن المحلول”

المحلول Sol هو جسيمات غروية مبعثرة و مستقرة أو بوليميرات ضمن مذيب. وقد تكون الجسيمات متبلورة أو عديمة الشكل.

لا تكون الجسيمات منحلة، لكنها بالمقابل لا تتكتل أو تترسب، حيث تمنع أوزانها الضئيلة بالنسبة لقوى الثقالة أن تتأثر بها.

بشكل عام، قد تتأثر جسيمات المحلول عن طريق قوى فاندرفالس أو الروابط الهيدروجينية. أو يمكن أن يتشكل الهلام عن طريق ارتباط السلاسل البوليمرية. وتكون التأثيرات معظم النظم الهلامية المستخدمة في مجال اصطناع المواد ناتجة من الطبيعة المشتركة وتكون عملية اصطناع الهلام غير عكوسة. وقد تكون عملية التجلتن (تشكل الهلام) عكوسة في حال كانت طبيعة التأثيرات من أشكال أخرى.

يتألف الهلام Gel  من شبكة مستمرة ثلاثية الأبعاد، موجودة ضمن الطور السائل، ضمن هلام غروي، وتتشكل الشبكة من تكتل الجسيمات الغروية. في حالة البوليميرات الغروية للجسيمات بنية التحتية بوليميرية، متشكلة من تجمعات لجسيمات غروية.

يمكن تحضير المركبات متعددة التكوين بنسب ستيكومترية من خلال مزج الصولات لمركبات مختلفة. وتمنع هذه الطريقة في الاصطناع مشاكل تحدث عادة مثل الترسيب المشترك والذي قد يكون غير متجانس، كتفاعل التجلتن.

ينتج لدينا جسيمات صغيرة، والتي يمكن تلبيدها Sintering بسهولة (جعل الجسيمات تتجمع ضمن كتلة واحدة) أو تجفيفها من المذيب السائل، وذلك ضمن المجال 200-600 0C.

المواد البادئة: ألكوكسيدات وكلوريدات المعادن، التي تتحلمه بسهولة (الحلمهة هي تفكك المادة البادئة لقسيمتين، بتفاعلها مع جزيئة الماء، ويعود ذلك لخاصية التفكك الذاتي للماء).

التفاعلات الرئيسة في اصطناع محلول – هلام

يلاحظ في الحلمهة والتكاثف:

  • في حال تم تجفيف الهلام بالتبخير، سوف تؤثر القوى الشعرية على تقلص المواد الناتجة، بالتالي تتجمع شبكة الهلام ويتشكل الهلام الجاف.
  • في حال تم التبخير تحت شروط فوق حرجة، سوف تحافظ البنية الشبكية على شكلها ويتشكل هلام بمسامات كبيرة مشكلة ما يسمى بالتجمع Aerogel بكثافة منخفضة جداً، أقل من 0.005 g/cm3.

يتألف المحلول الغروي Sol من سائل يحوي على جسيمات غروية غير حلولة، لكنها غير متكتلة أو مترسبة. وقد تتكتل جسيمات صغيرة بسبب قوى فاندرفالس والميل لتصغير طاقة السطح الحرة الكلية. مع الأخذ بعين الاعتبار أنّ قوى فاندرفالس ضعيفة وتمتد لمجال صغير أي لعدة نانومترات.

1. مرحلة الحلمهة Hydrolysis

تستخدم الحموض والقلويات القوية كحفازات في هذه المرحلة، كونها تعتمد على pH الوسط، إذ تؤثر الحموض والقلويات القوية على سرعة التفاعل بشكل كبير، مثل استخدام الحموض المعدنية (حمض كلور الماء) أو القلويات الترابية (هيدروكسيد البوتاسيوم)، وكلما زاد تركيز الحفاز زادت سرعة الحلمهة.

2. مرحلة التكاثف Condensation

يحدث في هذه المرحلة تكاثف (ارتباط) الجزيئات الناتجة عن الحلمهة مع بعضها لتشكيل جسيمات، من ثم تتكتل الجسيمات على بعضها، وارتباط الجسيمات لتشكيل شبكات مستمرة، بحيث تمتد الشبكات لتشكل بنية هلامية.

تعتمد هذه المرحلة على بلمرة الجزيئات بالتكاثف مع بعضها لتشكيل الشبكة الأوكسيدية. وعلى عدة بارامترات:

  • طبيعة المادة البادئة.
  • نسبة الألكوكسيد والماء.
  • طبيعة الحفاز المستخدم.
  • درجة الحرارة.
  • pH الوسط.
  • التراكيز النسبية والمطلقة للمتفاعلات.

ويتأثر استقرار وتفاعل ألكوكسيدات السيليكون بالعامل الفراغي.

التفاعلات الرئيسية في اصطناع محلول-هلام، يلاحظ الحلمهة والتكاثف.

التفاعلات الرئيسية في اصطناع محلول-هلام، يلاحظ الحلمهة والتكاثف.

3. التجفيف

تعتمد هذه المرحلة على إزالة المذيب عن الناتج، ومن هذه المرحلة يمكن تحديد بنية الناتج المراد، فكما مر يمكن أن يكون على شكل مادة مسامية منخفضة الكثافة، أو فيلم رقيق على سطح معين، أو ليف يتم سحبه من بعد التجفيف كما هو الحال عند الغزل التقليدي للألياف.

التطبيقات:

يعتبر هذا النوع من الاصطناع مرغوباً جداً وعلى المستوى الصناعي، كونه منخفض التكلفة مقارنة بطرق الاصطناع الحراري، ويمكن التحكم بالتركيب الكيميائي للنواتج، بالإضافة للنقاوة العالية للنواتج.

يعتبر اصطناع هلام السيليكا Silica-gel المثال الأشهر، من أحد أهم تطبيقاته استخدامه في الطور الساكن لأعمدة أجهزة الكروماتوغرافيا، حيث يتنوع الهلام بأشكال كثيرة وذلك بحسب طبيعة الزمرة العضوية المرتبطة بذرة السيليسيوم.

بعض التطبيقات: تشكيل المواد (عادة سيراميكية وزجاجية) عند درجات حرارة منخفضة ببنى مسامية، ألياف رقيقة، مساحيق كثيفة، وتشكيل الألياف الزجاجية البصرية.

تطبيقات محلول-هلام.

تطبيقات محلول-هلام.

المصادر:

Sol-Gel Chemistry. (n.d.). Mauritz – Sol Gel Research. Retrieved June 11, 2014, from http://web.cc.ncu.edu.tw/~stchiang/ch848/related/set1/The%20Sol-gel%20Gateway%20%20Educational%20materials.files/solgel.htm

Solgel treatment. (n.d.). Centexbel. Retrieved June 11, 2014, from http://www.centexbel.be/solgel-treatment

Solutions, Suspensions, Colloids — Summary Table. (n.d.). Solutions, Suspensions, Colloids — Summary Table. Retrieved June 11, 2014, from http://www.edinformatics.com/math_science/solutions_suspensions_colloids.htm

 

شارك هذه المادة!

المساهمون:

طالب ماجستير علم وهندسة المواد/اختصاص: بوليميرات في المعهد العالي للعلوم التطبيقية والتكنولوجيا الاهتمامات: المواد المركبة، المواد النانومترية، البوليميرات الناقلة والضوئية