Ćwiczenie 1

Otrzymywanie nanoproszków typu C/SiC przy użyciu metod aerozolowych.

Metody otrzymywania nanocząstek

Mokra synteza chemiczna

(chemia koloidów, procesy hydrotermalne, techniki zol-żel)

Roztwory różnych jonów miesza się w ściśle określonych proporcjach i w kontrolowanych warunkach temperatury i ciśnienia, aby otrzymać związki, wytrącające się z roztworu w postaci osadu. Osad jest następnie filtrowany

i suszony.

Zaleta: stosunkowo tani sposób otrzymywania szerokiej gamy produktów organicznych i nieorganicznych oraz możliwość kontrolowania wielkości cząstek.

Ograniczenia: obecne cząsteczki wody mogą utrudniać syntezę, a w metodzie zol-żel - mała wydajność produktu.

Metody mechaniczne

(rozdrabnianie, mielenie i mechaniczne wytwarzanie proszków stopów).

Zalety: prostota metody i niekosztowna aparatura.

Wady: możliwość aglomeracji proszków, duży rozrzut wielkości cząstek, zanieczyszczenia proszków materiałem budulcowym aparatury, problemy z uzyskaniem drobnych proszków.

Zastosowanie: do otrzymywania materiałów nieorganicznych i metali.

Metody osadzania

(litografia, osadzanie w próżni, wytwarzanie powłok natryskowych.

Przydatne głównie do wytwarzania nanowarstw i powłok, ale mogą być używane do otrzymywania nanocząstek poprzez zeskrobywanie depozytów z powierzchni odbieralnika. Są mało wydajne.

Synteza z fazy gazowej

(piroliza płomieniowa, ablacja laserowa, odparowanie wysokotemperaturowe, techniki syntezy plazmowej).

Z uwagi na czystość źródła ciepła, możliwość sterowania oraz wysokie temperatury w plazmie, ta technika może być wykorzystywana do otrzymywania nawet najodporniejszych materiałów, oprócz organicznych.

Metody aerozolowe

Cechy procesów aerozolowych

Procesy aerozolowe, z uwagi na swoją specyfikę oraz stosowane substraty pozwalają na otrzymywanie produktów o wysokiej czystości. W zależności od zastosowanych warunków procesu można otrzymać zarówno produkty niespieczone, jak i spieczone aglomeraty, w postaci lekkich „pustych” sfer lub materiałów o dużej gęstości. Istnieje także możliwość otrzymywania tą metodą materiałów wieloskładnikowych. Ponadto w metodzie tej możliwa jest kontrola rozrzutu wielkości otrzymywanych cząstek w zakresie od poniżej 1 nm do 100 μm

Wśród zalet metod aerozolowych można wymienić wydajność energetyczną, możliwość prowadzenia procesu w sposób ciągły, nieskomplikowaną aparaturę oraz to, że procesy otrzymywania cząstek mogą przebiegać zarówno w niskich, jak i w wysokich temperaturach.

Do wad procesów aerozolowych można zaliczyć mogące się pojawiać w pewnych przypadkach zanieczyszczenia pochodzące z rozpuszczalników, duże ilości gazów w odniesieniu do ilości produktu, czy też utrudnioną kontrolę stechiometrii w sytuacjach kiedy występują produkty pośrednie. W pewnych przypadkach do wad zalicza się także możliwość otrzymywania cząstek sferoidalnych, czy też porowatych.

Źródło: T.T. Kodas, M. Hampden-Smith, “Processing of Materials”, Wiley-VCH 1999

Schemat aparatury do otrzymywania cząstek metodą aerozolową.

Wykonanie ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z aerozolową metodą otrzymania materiałów z prekursorów otrzymanych od prowadzącego. W ramach ćwiczenia należy wyznaczyć uzysk proszku w odniesieniu do masy wyjściowego prekursora (odczynnika), lub w odniesieniu do czasu prowadzonego procesu (ustala prowadzący zajęcia) i zbadać metodą spektroskopii w podczerwieni (FT-IR) skład jakościowy lotnych produktów rozkładu.

Podczas pracy z odczynnikami i otrzymywanymi proszkami należy używać rękawiczki ochronne.

Uwaga !

Zabrania się samodzielnej obsługi aparatury, zwłaszcza regulowania i programowania temperatury pieca. Reaktor jest rozgrzewany do zadanej temperatury przed rozpoczęciem zajęć i nie ma potrzeby ingerencji w jego pracę.

Ponieważ podczas pracy reaktor jest ogrzany do wysokiej temperatury, zabronione jest dotykanie jego części wystających z pieca. Nie dotyczy to oczywiście głowicy chłodzonej wodą w momencie jej łączenia z przewodem odprowadzającym proszek do filtra.

Każdą zauważoną usterkę bezwzględnie należy zgłosić prowadzącym zajęcia.

1. Przed wykonaniem ćwiczenia należy sprawdzić stan połączeń przewodów gazowych aparatu, sprawdzić czy wentylatory chłodzące głowice reaktora są włączone oraz czy przez głowice przepływa woda chłodząca, w razie potrzeby skonsultować to z prowadzącymi ćwiczenia.

2. Skontrolować temperaturę panującą w piecu.

3. Przygotować do pracy generator aerozolu.

Postępowanie różni się w zależności od zastosowanego generatora.

W przypadku stosowania generatora ATM 220 należy odłączyć szklany pojemnik od generatora aerozolu, wlać do niego określoną objętość prekursora (ilość ustala prowadzący), zważyć i ponownie połączyć pojemnik z generatorem. Wszystkie stosowane w tym ćwiczeniu odczynniki studenci otrzymują od prowadzącego zajęcia.

4. Przygotować filtr.

W tym celu należy odkręcić i zdjąć górną część obudowy filtra (trzy śruby mocujące), po czym umieścić w obudowie uprzednio zważony nylonowy wkład filtra. Podczas manipulacji wkładem filtracyjnym zachować szczególną uwagę i zwracać uwagę, aby nie złamać go (jest bardzo kruchy). Po dopasowaniu górnej części filtra do wkładu i do dolnej części założyć w kolejności odwrotnej śruby mocujące i równomiernie dokręcić.

5. Skontrolować na rotametrze natężenie przepływającego gazu rozrzedzajacego. Powinno wynosić poniżej 1 l/min. Jeżeli natężenie przepływu jest większe, należy je zmniejszyć.

6. Połączyć wylot reaktora z filtrem przy pomocy rurki polipropylenowej zaopatrzonej na obu końcach w złączki śrubowe Swagelok.

7. Ponownie skontrolować przepływ gazu przez reaktor, a następnie wyregulować (do wartości ustalonej przez prowadzącego zajęcia) przepływ gazu przez generator i przepływ gazu rozrzedzającego.

8. Zapisać wszystkie parametry procesu.

Po ustaleniu przepływów gazu rozpoczyna się generacja aerozolu i jego termoliza w reaktorze.

9. Po upływie 30 minut od rozpoczęcia procesu należy przeprowadzić analizę FT-IR gazowych produktów rozkładu. W tym celu należy z układu wylotowego reaktora, za filtrem pobrać próbkę gazową do specjalnej kuwety gazowej, którą wcześniej odpompowano przy pomocy układu próżniowego. Odpompowanie należy przeprowadzić w ciągu 20 minut, tuż po rozpoczęciu generacji aerozolu

10. Po odpompowaniu kuwetę włożyć do spektrometru i zmierzyć sygnał tła.

11. Wyjąć kuwetę ze spektrometru i podłączyć do układu wylotowego reaktora w celu pobrania próbki gazów, a następnie kuwetę z próbką gazową niezwłocznie przenieść do spektrometru i dokonać pomiaru widma próbki.

12. Pomiar spektroskopowy FT-IR prowadzimy dwukrotnie w ciągu ćwiczeń, z odstępem czasowym 40 minut, postępując analogicznie jak w punkcie 9.

13. Po skończeniu generacji proszków należy zamknąć dopływ gazu do generatora aerozolu oraz zmniejszyć przepływ gazu rozrzedzającego do wartości poniżej 1 l/min.

14. Odłączyć rurkę łączącą filtr z wylotem generatora, po czym ostrożnie odkręcić trzy śruby łączące pokrywę filtra z jego podstawą i zachowując ostrożność, zdjąć pokrywę filtra.

15. Wkład nylonowy filtra z proszkiem ostrożnie przenieść na wytarowaną tackę i zważyć, a uzyskany proszek ostrożnie zeskrobać z wkładu przy pomocy metalowej szpatułki i przenieść do opisanego pojemnika. Proszek należy zachować do dalszych badań.

16. Szklany pojemnik odłączyć od generatora aerozolu i zważyć niewykorzystany odczynnik.

Na podstawie wyników ważenia obliczyć uzysk otrzymanego proszku w odniesieniu do masy zużytego odczynnika (prekursora). Wynik wyrazić w procentach masowych. Na podstawie wyników pomiarów spektroskopowych określić przybliżony skład gazów poreakcyjnych, posługując się dostępnymi bazami danych (np. http://webbook.nist.gov/chemistry/form-ser.html)

6

manometr

generator

aerozol

wylot

gazów

filtr

piec

reaktor

Źródło: T.T. Kodas, M. Hampden-Smith, “Processing of Materials”, Wiley-VCH 1999

Morfologia pośrednia

Morfologia cząstki finalnej

bez zmian

pękanie

wysychanie

rozrywanie

sztywna, nieporowata; temp. powyżej punktu wrzenia

podatna

sztywna i nieporowata

sztywna i porowata

plastyczna, nieporowata; temp. powyżej punktu wrzenia

kropla

wypełnianie gazami

Morfologia cząstek otrzymywanych metodami aerozolowymi

reakcja wewnątrz cząstek

dalsze wytrącanie i odparowanie rozpuszczalnika

kropla

Etapy otrzymywania produktów stałych w metodzie aerozolowej

bimodalny rozkład wielkości cząstek

cząstka stała

zagęszczanie

zagęszczanie

zagęszczanie

reakcja wewnątrz cząstek

cząstka porowata i pusta

cząstka porowata

sucha cząstka

reakcja

rozrywanie

sucha cząstka

tworzenie stałych cząstek

tworzenie skorupy

dalsze wytrącanie i odparowanie rozpuszczalnika

odparowanie rozpuszczalnika i wytrącanie

---