Изучение влияния количества ТЭОС и кислоты (рН среды) на свойства плёнкообразующего раствора Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 543.27.08.068.2

Абдурахманов И.Э.1, Бегматов Р.Х.2, Кабулов Б.Д.3 ©

1Преподаватель Самаркандского сельскохозяйственного института; 2Преподаватель лицея Самаркандского госуниверситета; Зд.х.н., зав. лаборатории. Государственное унитарное

предприятие «Фан ва тараккиёт». Г. Ташкент

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТЭОС И КИСЛОТЫ (рН СРЕДЫ) НА СВОЙСТВА ПЛЁНКООБРАЗУЮЩЕГО РАСТВОРА

Аннотация

Изучено влияние содержание ТЭОС в растворе и рН среды на процесс гидролитической поликонденсации ТЭОС. При значениях ТЭОС/ НС1>20,0 гидролиз разбавленных растворов ТЭОС протекают в течение достаточно длительного времени.

Ключевые слова: устойчивость раствора кислота, газочувствительной пленок, сенсор.

На сегодняшний день достоверно известн ио, что чувствительность и селективность полупроводниковых металлооксидных пленок может изменяться в зависимости от состава исходного гидролизата[1]. Нами изучено влияние состава и соотношение компонентов на вязкость, плотность и устойчивость пленкообразующего раствора, чувствительность и селективность полупроводниковых пленок. Результаты исследований, будут положены в основу оптимизации процесса формирования композиционных газочувствительных материалов. При синтезе газочувствительных пленок в качестве прикурсора использован этиловый эфир ортокремневой кислоты-тетраэтоксисилан. Если предположить, что реакция гидролиза тетраэтоксисилана идет до конца, ее можно представить следующим оброзом: (C2H5O)4Si+4H2O^H4SiO4+4C2H5OH. Константа равновесия этой реакции:

K=[H4SiO4][C2H5OH]4/[(C2H5O)4Si][H2O]4 .

По мере протекания гидролиза ТЭОС равновесие сильно смещается вправо. Следовательно, количество ТЭОС в гидролизате оказывает существенное влияние на устойчивость раствора золя. В работе влияние содержания ТЭОС в гидролизате на устойчивость пленкообразующего золя изучали в интервале его содержания в растворе от 1 до 4 моль. В опытах сохраняли постоянство содержания компонентов гидролизата, соответствующие одному молю ТЭОС, которые были равны: растворитель (этиловый спирт)-30 моль; Н2О-20 моль и НС 1-0,05 моль. Значение устойчивости растворов контролировали определением их вязкости. Результаты изучения влияния количества ТЭОС в растворе на срок стабильности золя приведены в таблица 1.

Таблица 1

Результаты изучения влияния количества ТЭОС в пленкообразующим растворе (ТЭОС-Н2О-НС1- i-бутанол) на его плотность, электропроводность, вязкость и срок стабильность

№ п/п Состав раствора, в моль Свойства раствора

ТЭОС Н2О этанол НС1 Плотность, г/см3 Электропро- водность, мСм. Вязкость, сПа Устойчивость, сутки

1 1,0 20 30 0,05 0,8564 15,0 2,4 18,5

2 1,5 20 30 0,05 0,8596 14,5 2,5 16,5

3 2,0 20 30 0,05 0,8639 14,0 2,6 15,0

4 2,5 20 30 0,05 0,8702 13,5 2,6 13,0

5 3,0 20 30 0,05 0,8745 13,0 2,6 11,0

6 3,5 20 30 0,05 0,8793 11,8 2,7 9,0

© Абдурахманов И.Э., Бегматов Р.Х., Кабулов Б.Д., 2015 г.

7 4,0 20 30 0,05 0,8833 10,7 2,7 6,5

Как следует из данных таблицы 1, увеличение содержания ТЭОС в реакционных системах от 1 до 4 моль сопровождается увеличением вязкости (от 2,4 до 2,7 сПа) и плотности (от 0,8564 до 0,8833 г/см ) раствора. Заметное изменение вязкости наблюдается при содержании ТЭОС в раствор до 2 моля. Следует отметить, что в изученном диапазоне концентраций ТЭОС с ростом содержание его в растворе срок стабильности золя резко уменьшается (от 18,5 суток до 6,5 суток т.е. на 2,85 раза). Такая закономерность особенно наблюдается при значениях количества ТЭОС в золе от >2 моля. Аналогично изменяется электропроводность раствора. Динамика изменение вязкости от продолжительности опыта для различных содержаний ТЭОС в растворе представлены на рис. 1.

Рис. 1. График зависимости вязкости от продолжительности опыта для различных содержаниях ТЭОС в растворе: ТЭОС:Н2О:этанол:НС1. (Содержание в растворе: Н2О-20 моль;

этанол-30 моль; НС1-0,05 моль)

Как видно из данных рис.1, наиболее высокой стабильностью характеризуются раствор приготовленной при соотношение компонентов (в моль): 1-ТЭОС : 20-Н2О:30-спирт:0,05-НС1

Полученные результаты показали снижение периода гелеобразования с ростом концентрации ТЭОС в растворе. В процессе гидролиза ТЭОС важнейшим фактором, является величина рН среды. Влияние кислотности на устойчивость, плотность, электропроводность, вязкость и степень гидролиза раствора изучали в диапазоне ТЭОС:НС1 равной от 1:0,01моль до 1:0,30 моль. Полученные при этом данные приведены в таблице 2.

Таблица 2

Зависимость свойства раствора от содержания НС1 в смеси: ТЭОС:Н2О: спирт: НС1 (содерж. в гидролизате ТЭОС-1моль, Н2О-20 моль, изо-бутанол-30 моль)

№ п/п Состав раствора Свойства раствора

Л о О О О Н Л о o' <N К Л о К О in К (N и НС1 в молях на 1 моль ТЭОС НС1 в молях на 1 л раствора Плотнос ть, г/см3 Вязкос ть, сПа Устойчив ость, суток Степень гидроли за , % Степень конденсац ии, %

1 1 20 30 0,01 0,0029 0,8544 2,4 17,5 96 100

2 1 20 30 0,05 0,0146 0,8571 2,4 20,5 96 100

3 1 20 30 0,10 0,0293 0,8601 2,5 8,0 98 97

4 1 20 30 0,20 0,0586 0,8642 2,5 7,0 97 82

5 1 20 30 0,30 0,0878 0,8671 2,6 6,0 98 72

Как следует из данных таблице 2, гелеобразование протекает с минимальной скоростью (в течение 17,5-20,5 суток) при значение содержания НС1 в растворе 0,01-0,05 моль на 1 моль ТЭОС. Минимальная устойчивость раствора (6 суток табл.2.) приходится на область значений концентрации НС1 0,3 моль НС1 на 1 моль ТЭОС. В изученном диапазоне концентраций с повышением концентрации кислоты в растворе увеличивается его плотность от 0,8544 до 0,8671 г/см . Аналогично изменение вязкости раствора. Из результатов опытов следует, что с увеличением концентрации кислоты в растворе уменьшается устойчивость раствора. При ТЭОС:НС1 =1:0,30 срок стабильности раствора составляет всего 96 часов (см. график 4, рис.2).

Наиболее оптимальным для получения газочувствительных пленок является соотношение ТЭОС:НС1=0,05 (см. график 2, рисунка 2.) в данных условиях обеспечивается 450часовой высокой устойчивость раствора.

Рис. 2. График зависимости вязкости от продолжительности опыта для различных содержаниях НС1 в растворе: ТЭОС:Н2О:этанол:НС1. (Содержание в растворе: ТЭОС-1 Н2О-20

моль; этанол-30 моль)

Таким образом, наиболее важным параметром золь-гель синтеза газочувствительных пленок, является содержание ТЭОС в растворе и рН среды. При значениях ТЭОС/НС1>20,0 гидролиз разбавленных растворов ТЭОС в спиртовой среде при комнатной температуре (20 оС) протекают в течение достаточно длительного времени. Следовательно, устойчивые золи легче всего получить при проведении процесса при низких концентрациях НС1 и в разбавленных растворах, так как в таких системах незначительны скорость возникновения частиц и их рост.

Литература

1. Слепнева М. А. Газовые сенсоры на основе пленок SnO2_x для «электронного носа»//Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 2005. 23 с.