CC BY
56
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №10/2015 ISSN 2410-700Х_
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 543.27.08.068.2
Бегматов Р.Х.,
преподаватель лицея при Самаркандского госуниверситета.
г.Самарканд.
Абдурахманов Илхом Эргашбоевич, преподаватель Самаркандского сельскохозяйственного института.
Г.Самарканд. ergash50@yandex.ru Кабулов Бахадир Джабарович, Зав. лаборатории Государственное унитарное предприятие «Фан ва таравдиёт».
Г. Ташкент.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВОДЫ НА СВОЙСТВА ПЛЕНКООБРАЗУЮЩЕГО ЗОЛЯ
Аннотация.
Изучено влияние воды на процесс гидролитической поликонденсации ТЭОС. Установлено, что наиболее оптимальным являются ШО/ТЭОС=20 при котором обеспечивается достаточно высокая устойчивость раствора и однородность растворов с допантом.
Ключевые слова
золь-гель метод, вода, процесс поликонденсация, тетроэтоксисилан, устойчивость раствора,
газочувствительной пленок, сенсор
Получение газочувствительных пленок золь-гель методом, является, на сегодняшний день, наиболее перспективным направлением получения материла чувствительных элементов полупроводниковых газовых сенсоров. Этот метод в сочетании с последующей термообработкой продуктов реакции широко применяется для получения всевозможных оксидных композиционных материалов. В последнее годы в качестве материалов газовых сенсоров, особенно для определения малых концентраций газов, стали применятся полупроводники с электронной проводимостью на основе оксидов металлов [1,2].
Нами в качестве материала чувствительного элемента сенсора токсичных и взрывоопасных газов использованы полупроводниковые оксиды титана, цинка и ванадия. На концентрации полупроводникового оксида в газочувствительном материале сушественной влияние оказывают растворимость допанта (например, соли металлов) и количество воды в исходном растворе. Кроме содержание воды в гелеобразующим растворе оказывают влияние на кинетику протекания процессов гелеобразования и свойства газочувствительных пленок.
Растворы алкоксисоединений в органических растворителях, воде и кислоте, называемые гидролизатом, приобретают пленкообразующие свойства в течение некоторого времени, которое колеблется от нескольких часов до нескольких месяцев в зависимости от состава растворов. В процессе хранения гидролизата реакция гидролитической поликонденсации углубляется, происходит образование полимерных продуктов возрастающей степени конденсации. Соотношение основных компонентов в золях может варьироваться в широких пределах.
Важнейшим свойством эфиров ортокремневой кислоты являются их способность отщеплять алкоксельную группу при действии воды.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №10/2015 ISSN 2410-700Х_
Источником кислорода в процессе гидролитической поликонденсации эфиров ортокремневой кислоты является кислород воды. В первой части гидролиза происходит образование гидроксил-производных кремнийорганических соединений, в которых гидроксил связан непосредственно с кремнием. Эти соединения в дальнейшем претерпевают поликонденсацию и образуют главную цепь полимерной молекулы, построенную из атомов кремния и кислорода. Одним из факторов, влияющих на устойчивость пленкообразующего раствора и газочувствительного свойства полупроводниковой пленки является количество воды в исходном гидролизате. Механизм гидролиза и состав образующихся продуктов тесно связаны со строением и концентрацией исходных мономеров, количеством воды в исходном растворе.
При введении незначительного количества воды происходит, в сновном, образование линейных полимеров, например при введении в реакцию 0,5 моль воды на 1 моль ТЭОСа в качестве основного продукта реакции получается гексаэтоксидисилоксан. В дальнейшим, вероятно, происходит гидролиз боковых алкоксигрупп с образованием развитевленных молекул. При введении воды в количестве близком к 1 молю на 1 моль ТЭОС формула перестает быть справедливой вследствие образования трехмерных молекул и значительного увеличения скоростей реакции.
Влияние воды на устойчивость, электропроводность, плотность и вязкость золя в процессе синтеза газочувствительных пленок проводили на примере этанольного раствора при соотношении ТЭОС:ШО от 1:1 до 1:40 (моль). Результаты определение влияния воды в растворе на его плотность, вязкость, и электропроводность приведены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние количества воды в растворе на его плотность, вязкость и срок стабильности (ТЭОС -Н2О-НС1-
этанол).
№ п/п Состав раствора, в моль Свойства раствора
ТЭОС Н2О НС1 Изо-бутанол Плотность, г/см3 Электропро-водность, мСм Вязкость, сПа
1 1 1 0,05 30 0,8248 9,6 1,7
2 1 2 0,05 30 0,8272 9,7 1,7
3 1 4 0,05 30 0,8295 10,0 1,8
4 1 6 0,05 30 0,8341 10,2 1,9
5 1 10 0,05 30 0,8365 10,4 2,1
6 1 15 0,05 30 0,8482 12,5 2,2
7 1 20 0,05 30 0,8578 16,5 2,3
8 1 25 0,05 30 0,8584 17,3 2,4
9 1 30 0,05 30 0,8631 18,5 2,4
10 1 35 0,05 30 0,8663 19,1 2,5
11 1 40 0,05 30 0,8684 20,0 2,6
Как видно из данных приведенных в таблице 1 с увеличением содержания воды в растворе увеличивается его плотность (от 0,8248 до 0,8684 г/см3) и вязкость (от 1,7 до 2,6 сПа). Электропроводность раствора при соотношениях Н2О/ТЭОС от 1 до 10 увеличивается лишь на 8,0 % (0,8 мСм). Дальнейшей повышение Н2О/ ТЭОС до 40 электропроводность раствора увеличивается до 20,0 мСм (т.е.на 96 %)
Поскольку вода является побочным продуктом реакции конденсации, то по теоретическим расчетам Н20/ТЭ0С=4 вполне достаточно для полного завершения гидролиза и конденсации. Как следует из данных приведенных в таблице 1, с увеличением числа молей Н2О в растворе наблюдается рост значения вязкости раствора. В диапазоне содержания воды в растворе 1 -40 моль, увеличение Н2О/ТЭОС до 40 способствуют увеличение вязкости на 1,53 раза.
График зависимости вязкости от продолжительности опыта для различных соотношениях Н2О/ ТЭОС представлено на рисунке 1.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №10/2015 ISSN 2410-700Х
Продолжительность опыта, час
Рисунок 1 - График зависимости вязкости от продолжительности опыта для различных соотношениях Н2О/ТЭОС в растворе: ТЭОС:ШО:этанол: НС1. (Содержание в растворе: ТЭОС-1 моль; этанол-30 моль;
НС1-0,05 моль)
Как следует из рис. 1. Максимальной срок стабильности раствора составляет 445 ч, которой соответствуют значение ШО/ТЭОС=20. При содержании воды в растворе ниже стехиометрического (до 2 молей) наблюдается уменьшение срока созревания раствора до 120 чиса. При значениях количества воды в золе от >25 моля наблюдается увеличение скорости гидролиза, что приводит уменьшению срока стабильности раствора. При Н2О/ТЭОС = 40 устойчивость раствора уменьшается от 18,5 суток до 17,5 суток (т.е. на 24 час). На основании полученных результатов с учетом устойчивости раствора и растворимости пленкообразующих и легирующих добавок (солей металлов: Т1, 2п, W и др. ) в качестве оптимального было выбрано количество воды в составе гидролизата равное ШО/ТЭОС=20, которое позволяет осуществление синтеза газочувствительных пленок.
Из результатов проведенных экспериментов (рис.1) следует, что при Н2О/ТЭОС = 20 стабильной значение вязкости (2,1-2,2 сПа) пленкообразующего раствора сохраняются в течение 445 часа. Следовательно, данного раствора (Н2О/ТЭОС = 20) можно использовать для изготовления газочувствительной пленок в течение 445 часов.
Таким образом, при содержании воды больше стехиометрического значения скорость гидролиза превышает скорость поликонденсации. В свою очередь, увеличение скорости гидролиза приводит к образованию мелких частиц, которые при сушке легко агрегируют, образуя агломераты с размером > 100 нм. Продукты реакции, полученные в кислых условиях и при избытке воды, характеризуются более высокой степенью разветвленности, что может быть связано с ускорением стадии гидролиза процесса.
Изменяя содержание воды в растворе, можно регулировать время застудневания гидролизата от 5 до 18,5 суток, что позволяет регулировать дисперсность золя и значительную глубину полимеризации ТЭОС. Наиболее оптимальным являются Н2О/ТЭОС=20 при котором обеспечивается достаточно высокая устойчивость раствора и однородность растворов с допантом.
Список использованной литературы
1.Брусенцов Ю. А., Минаев А. М. Основы физики и технологии оксидных полупроводников: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. 80 с.
2. Максимов А.И., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Шилова О. А. О 81. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов: Монография. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007. 156 с.
© Р.Х.Бегматов, И.Э. Абдурахманов, Б.Д.Кабулов, 2015
