Золь-гель метод

Введение

Золь-гель процесс, называющийся иначе гелевой технологией, - это способ получения разнообразных материалов с заданными физическими, механическими и химическими свойствами, включающий в себя получение золя и последующее превращение его в гель.
Термины-синонимы "золь-гель-система", "золь-гель-синтез", "золь-гель-технология" и, наконец, "золь-гель-наука" встречаются в настоящее время все чаще и чаще. Они являются заимствованными из англоязычной научной и технической литературы (sol-gel system, sol-gel synthesis, sol-gel processing, sol-gel science), но сейчас эти понятия широко применяются и в русскоязычной научной литературе, хотя ещё 50 лет назад данные термины массово не использовались, хотя, безусловно, исследования такого рода проводились. Просто используемые в золь-гель-технологиях растворы в литературе именовались полуколлоидными или коллоидными, а способы получения материалов никакими особенными терминами не обозначались. Одно время были распространены понятия "растворная керамика" и "коллоидная обработка", но такие формулировки в научной литературе сейчас практически не сохранились.
Обычную в настоящее время формулировку "золь-гель" стали использовать в конце 1980-х годов для описания способа получения материалов в результате перехода золя в гель, то есть, гелеобразования, и лежащих в основе подобных технологий процессов. Поэтому до более подробного изучения основ золь-гель-технологиеи стоит обозначить и определить понятия "золь" и "гель"[1-5].
 
Понятия "золь" и "гель"

Золь - это распределённые в жидкой фазе коллоидные твердые частицы. Коллоидами называют такие суспензии, в которых размер частиц дисперсной фазы такие маленькие (от 1 до 1000 нм), что гравитационными силами, возникающими между частицами, можно пренебречь, а доминирующими способами их взаимодействия принято считать силы отталкивания и притяжения между зарядами на поверхности частиц, а также силы Ван-дер-Ваальса, действующие на небольших расстояниях.
Довольно часто в настоящее время золи разделяют в литературе на полимерные и коллоидные. К коллоидным обычно относят золи, в которых твердая дисперсная фаза состоит из изолированных частиц макроскопических размеров, а к полимерным - золи, формирующиеся на основе разветвленных крупных молекул. Необходимо заметить, что полимерные и коллоидные гели образуются из различных золей при помощи разных механизмов гелеобразования[6-8].
Из полимерного золя гель формируется в процессе полимеризации мономеров и образовавшихся в золе небольших полимерных молекул: огромный кластер образуется из полимеризующихся разветвленных олигомеров. Когда такой кластер распространяется на весь объём золя, достигая макроскопических размеров, считается, что переход золь-гель произошёл. Гель состоит, с одной стороны, из распространяющейся в трёх измерениях твёрдой полимерной сетки, а с другой - из находящихся в полостях полимера молекул жидкой фазы.
Из коллоидного золя формирование геля происходит по совершенно другому механизму. Под действием дисперсионных сил притяжения мицеллы, то есть, частицы дисперсной фазы, в процессе взаимодействия образуют каркас из неорганического полимера.
Определить, что такое гель в общем смысле с точки зрения химических связей и взаимодействий, крайне затруднительно, потому что физические и химические процессы в каждой конкретной золь-гель системе существенно различаются в зависимости от вида золя. В частности, для гелей полимерного типа стандартным является присутствие ковалентных связей между образующими единый для системы каркас молекулами и фрагментами молекул. Гели коллоидного типа обычно существуют, как упоминалось выше, благодаря ван-дер-ваальсовым силам притяжения между отдельными агрегатами. В коллоидных системах эти связи, как очевидно, являются обратимыми, то есть, они способны разрушаться и восстанавливаться под действием различных факторов. В полимерных же системах ковалентные связи сохраняются, не разрушаясь, благодаря высокой прочности.
Образование геля, как считается в настоящее время, начинается с формирования фрактальной структуры золя, то есть, роста фрактальных агрегатов до таких размеров, пока они не начнут сцепляться между собой в результате их столкновениях[9-11].
Вблизи точки гелеобразования кластеры, располагающиеся рядом друг с другом и состоящие из агрегатов частиц или полимеров, соединяются и образуют единый каркас. Точкой гелеобразования называют момент, в который образуется тот самый единый кластер, расширяющийся по всему объему золя и притягивающий более мелкие кластеры. После прохождения системы через точку гелеобразования золь приобретает студенистую консистенцию, застывая и трансформируясь в так называемый "мокрый гель". Стоит заметить, что в точке гелеобразования формирование геля продолжается, а не завершается.
С течением времени гель подвергается "старению". Понятие "старение геля" служит для объяснения структурных изменений, происходящих во влажном геле после прохождения точки гелеобразования: происходит