Amorf Malzeme

SOL-JEL YÖNTEMİ İLE AMORF MALZEME ÜRETİMİ

HAZIRLAYAN:BARIŞ TAN 060108051


Sol-jel teknolojisi, çözelti formundan yola çıkılarak farklı uygulama alanlarına yönelik olarak seramik, cam ve kompozit malzemeler üretim tekniğine verilen genel isimdir.


Sol; sıvı içerisinde kolloidal katı taneciklerinin kararlı bir süspansiyonudur.Bu katı tanecikleri, yerçekiminden daha büyük dispersiyon kuvvetlerinden sorumlu olduğundan yeterince küçük olmalıdır. Gerçekte bu tanecikler ne kadar küçük ise, çözeltideki molekülleri konuşmak daha doğru olacaktır.Kolloid; Kolloid olarak tanımlanan tanecikler gözle görülemeyecek kadar küçük 500 nm(1 nm= 10-9 m) ve daha altındaki boyutlara sahip taneciklerdir. Bu tanecikler normal optik mikroskopla görülemezler. Çünkü maksimum boyutları ışığın dalga boyuna eşittir.Jel; Koloidal parçacıkların çöktürülmesiyle elde edilen ve bol miktarda su içeren çökeleklere denir. Jel, katı ve sıvı faz arasında bir ara fazdır.


SOL-JEL YÖNTEMİNİN BASAMAKLARI

1. Alkoksit Hidrolizi2. Peptidleşme veya polimerizasyon3. Jel eldesi4. Kalsinasyon/ Sinterleme


ALKOKSİT HİDROLİZİAlkoksitler sol oluşturmak için başlangıç maddesi olarak

kullanılırlar. Genel gösterimi M(OR)n formülü ile ifade edilirler.

•M; kaplanacak metal malzemeyi,•R; CH3 (metil), C2H5 (etil) gibi alkil grubunu,•n; metalin değerine göre değişen değerliğini gösterir.

İçerdikleri yüksek elektro negatif OR grubu sebebiyle metal oksitlerin reaksiyona katılımları yüksektir.

OR’ deki alkil grupları değiştirmek ile fiziksel özelliklerinde farklılık sağlanır


HİDROLİZ HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLERSu miktarı, katalizör tipi, çözücü derişimi ve sıcaklıktır.Normal olarak alkoksitler alkolde çözünür ve

asidik/bazik yada nötr şartlarda su ile hidroliz olur. Optimum molar su/alkoksit oranı 100 dür. Böylece alkoksit tanecikleri bol su içinde birbirleri arasındaki mesafeyi açabilirler.

Asit katalizörler polimerleri hafif bir bağ ile bağlarken baz katalizörleri ise polimerleri çok kuvvetli bağlar ile bağlarlar. Distile su ile sıcak ortamda çalışıldığında (>80oC)) daha kararlı bir kolloid yapı oluştuğunu görüyoruz.


Hidroliz reaksiyonu şu basamaklardan oluşur

M(OR)n + H20 ↔ HO-M(OR)n-1 + R-OH

HO-M(OR)n-1 + H20 ↔ (HO)2

–M- (OR)n-2 + R-OH

(HO)2 –M-(OR)n-2 ↔ (HO)n-M

Bu basamaklar hidroliz reaksiyon basamaklarıdır.


Kondenzasyon reaksiyonu ise şu 3 basamak ile gerçekleşir;

M-OR + H20 ↔ M-OH + R-OH

M-OH + HO-M ↔ M-O-M + H20

M-OH + RO-M ↔ M-O-M + RO-H


PEPTİDLEŞME

Peptidleşme çökeltilerin bir çözücü etkisi ile dağıtılmasıdır. Bu çökeltirlerin dağıtılması ile bir sol meydana gelmiş olur.

Peptidleşme de kullanılanılan en uygun maddeler elektrolitlerdir. Elektrolitler taneciklere belirli bir miktarda yük sağlar. Yüklemenin gerekçesi ise koloidal taneciklerin ancak yüklü olduğu zamanlarda kararlı hale geçebilmeleri ve bu hallerini koruyabilmeleridir.


Bir çözelti negatif yüklü bir koloidal çözelti oluşturuyor ise OH- iyonları ile (bazik) pozitif yüklü bir koloidal çözelti oluşturuyorsa H+ iyonları ile (asitler) peptidleşirler. Bu durumda eklenecek asit miktarı ortamın PH değeri ile ayarlanabilmektedir.

Çözeltiye verilen elektrolit gereğinden az ya da fazla olursa Peptidleşme meydana gelmeyecektir. Yüksek derişime sahip elektrolit taneleri yüksüz bırakacak ve Peptidleşme engellenmiş olacaktır. Az miktarda kullanıldığı zaman ise verdiği yükte yeterli olmayacaktır ve çökeltide bir değişim olmadan yoluna devam edecektir.


Sol-jel yönteminde polimerizasyon 3 adımda gerçekleşir;

1)Monomerlerin polimerizasyonu ile tanelerin oluşması

2)Tanelerin büyümesi3)Tanelerin bir zincir içerisinde birleşmesi ve

sonra sıvı içerisinde ağ yapısı oluşması yoluyla kalınlaşıp jel hale gelmesi


Polimerizasyonun oluşmasındaki etkili faktörler ise şunlardır;

1)PH2)Sıcaklık3)Reaksiyon süresi4)Konsantrasyon5)Katalizör6)Katalizör miktarı7)Yaşlandırma süresi8)Yaşlandırma sıcaklığı


JEL ELDE EDİLMESİ

Polimerlerin kümeleşerek yoğunlaşması ile jel salkımlarının büyümelerine jelleşme olayı denir. Jeller zayıf ve kuvvetli bağlardan oluşmaktadır. Düşük sıcaklıklarda gerçekleşen sol ün jele dönüşmesi sonucunda;

1)Fiber2)Kaplama3)Hacimli şekiller

elde edilebilmektedir. Jel genel olarak 2 bileşenden meydana gelmektir. Bunlar katı ve sıvı bileşenlerdir.


Jel sıvısı çok olan katı ve sıvı fazlar arası bir sistemden meydana gelmektedir. Jelleşme olayı kollodial tanecikler ile ilgilidir. Jel oluşumunun en önemli adımı bu jelin yapıda çatlak oluşturmasına izin vermeden kurutulmasının sağlanmasıdır. Bu durumu sağlamak içinde çok yavaş bir soğutma mekanizması gerekmedir. Böylece gerilimler giderilmiş olacaktır.

Jelleşme mekanizması aşağıdaki şekil ile aktarılmıştır.


FAZ DÖNÜŞÜMLERİİlk olarak jel, kurutmadan daha yüksek

sıcaklıklara ısıtılır ve böylece daha kararlı fazlara dönüşüm sağlanabilir. Birçok durumda ise bu ilk kimyasal bir değişim evresi olarak belirir ve her zaman istenen teknik seramikler aynı kimyasal bileşime sahip değildirler.

Al2O

3 sisteminin sol-jel ile üretim prosesi

aşamasında başlangıç maddeleri olarak alkoksitler ve alhidratlar kullanılmaktadır.


AIOOH y-Al2O3 δ-Al2O3 θ-Al2O3 α -Al2O3

Yukarıda verilen reaksiyon sonucu faz dönüşümü gösterilmiştir. Bu şekilde fazlar arası geçiş mevcuttur.

Al2O3’nın sinterlenebilmesi için öncelikle α ya dönüşümün meydana gelmesi gerekmektedir. Dönüşüm sistemin sıcaklığını düşürmekte ve buna bağlı olarak sistemimizin düşük sıcaklıklarda sinterlenme ihtimalini arttırmıştır. Bu işlemler sonucunda 1200 oC gibi bir sıcaklıkta sinterlenmiş ve teorik olarak istenilen yoğunluğa yaklaşmış malzeme elde edilebilir.


SOL-JEL YÖNTEMİNİN UYGULAMA ALANLARI

1)Fiber optik üretimi 2)Elektronik ve manyetik malzeme üretimi (V2O5 , WO3)3)Yüksek mukavemete sahip fiber üretimi (Na2O-Zr20-

SiO2 fiberleri)4)Aşınma dayanımı yüksek olan kaplama üretimi5)Optik amaçlı kaplamalar (TiO2-SiO2)

Bu alanlarda sol-jel prosesi ile üretim sağlanmaktadır. Elde edilen yapılar sol-jel yönteminin kullanım üstünlüklerini taşımaktadır. Bu durumlara göre yöntemin avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Her ürettiğimiz malzemeyi her şartta kullanamayız.


Sol-jel Yönteminin Avantajları

1)Hava kirliliğine neden olmaz2)Yeni malzemeler elde edilir3)Yeni üstün özellikler elde edilir4)İnce film gibi özel yapılara müsaittir5)Toz boyutu mikron altı elde edilir6)Üretim sıcaklığı düşüktür7)Hammaddeler ile karşılaştırıldığında daha iyi

homojenlik sağlar8)Yöntemin kimyasal bölümü kontrol altında olabilir

Yöntemin üretim aşamasında yukarıdaki maddelerdeki gibi avantajları vardır. Ancak dezavantajlarda mevcuttur.


Sol-jel Yönteminin Dezavantajları

1)İşlemin gerçekleşme süresi uzundur2)Yapıda kalıntı olarak karbon yer alabilir3)Organik çözeltileri sağlığa zarar verebilir4)İnce bir şekilde gözenekler yapıda bulunabilir5)Yapıda kalıntı hidroksil grubu kalabilir6)Üretimi yapılan tozların maliyetleri yüksektir6Üretim sonrası proses aşamasında büzülme meydana

gelebilmektedir.

Bu dezavantajları bazı üretim proseslerinde bazı sınırlamalar ya da dikkat edilmesi gereken hususları da beraberinde getirmektedir.


SOL-JEL YÖNTEMİ İLE CAM-SERAMİK ÜRETİMİ

Bu yöntemin geleneksel cam üretiminden farkı yüksek sıcaklıklarda eriyikten değil, oda sıcaklığında çözeltilerden yola çıkılmasıdır. Başlangıç malzemeleri genelde alkoksitler ve metal tuzlarıdır. Su, asit veya alkol ile karıştırılarak hazırlanan çözeltiler hidroliz ve yoğunlaşma reaksiyonları sonucu jel haline dönüştürülür. Daha sonra jeller ısıl işleme tabi tutularak cam haline sokulur. Bu yöntem ile büyük boyutlu camların elde edilmesinde zorluklar vardır. Hidroliz ürünlerinin ve organik kalıntıların kurutma ile uzaklaştırılması sırasında numunede çatlaklar oluşabilir.


Sol-jel yöntemiyle elde edilen amorf tozların preslenip sinterlenmesiyle cam-seramik üretilir. Sol jel ile üretilen cam tozlarından cam-seramik üretiminde, yukarıda bahsedilen presleme + sinterleme + ısıl işlem, presleme + sinterleme veya sıcak presleme yollarından birisi izlenir.

Sol-jel tekniğinin geleneksel klasik cam üretimine karşı en önemli avantajları; başlangıç malzemelerinin çok temiz olmasının yanı sıra molekül bazında karıştırılmasından dolayı çok saf ve temiz camların elde edilebilmesi ve çok daha düşük sıcaklıklarda camların üretilebilmesidir.


CAM-SERAMİK SİSTEMLERİ VE UYGULAMA ALANLARI

Cam-seramiklerSertlikAşınma direnciOksidasyona, korozyona ve yüksek sıcaklıklara dayanımBoyutsal kararlılıkOptik ve diğer geçirim karakterleriElektriksel özellikler

gibi bir takım özel uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu şekilde farklı sistemler meydana getirilebilir ve üretim proseslerinde kolaylık sağlamasının yanı sıra üretilmiş prosesin istenilen en yüksek özelliklere sahip olmasını sağlar. Ürün gelişimi içinde önemli yer tutmaktadır.


Toprak saksı üzerine Cam – seramik Cam – seramik ocakCam - Seramik fritöz kapağı


SOL-JEL KAPLAMA PROSESİ

Sol-jel yöntemi, cam, seramik, metal ve plastik altlıkların kaplanarak yüzey özelliklerini iyileştirmek, yeni özellikler kazandırmak (optik, elektronik, kimyasal ve mekanik gibi) amacıyla uygulanan bir kaplama tekniğidir.

Sol-jel kaplama teknikleri;

Daldırmalı kaplama tekniği (Dip Coating)Püskürtme kaplama tekniği (Spray Coating)Akış kaplama tekniği (Flow Coating)Döndürme kaplama tekniği (Spin Coating)Laminer kaplama yöntemi (Laminar Coating)Merdaneli kaplama yöntemi (Roll Coating)Baskı kaplama yöntemi (Printing)


DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKÜRLER

Amorf Malzeme

Education

Transcript of Amorf Malzeme