SZKŁO. materiał nieorganiczny powstały wskutek stopienia a następnie ochłodzenia bez krystalizacji

Transkrypt

1 SZKŁO Co to jest szkło? materiał nieorganiczny powstały wskutek stopienia a następnie ochłodzenia bez krystalizacji Spełnia makroskopową definicję ciała stałego, chociaż może być też uważane za przechłodzoną ciecz. Nie jest plastyczne: może być odkształcone sprężyście lub pęknąć. 1

2 Co to jest szkło? o Uwaga: Historycznie rzecz biorąc, termin szkło jest zarezerwowane do materiałów amorficznych otrzymanych wskutek szybkiego ochłodzenia cieczy. Materiał amorficzny, natomiast, oznacza dowolne ciało stałe o nieperiodycznej sieci atomów. Jak otrzymać szkło: 2

3 Jak otrzymać szkło: o Szybkość chłodzenia: o Szkło metaliczne: > 10 6 K s -1 o Szkło sodowe ~ 10 K s -1 o SiO 2 ~ 0.1 K s -1 o B 2 O 3 - nie krystalizuje pod normalnym ciśnieniem. Historia o Początek był, być może, taki: w części Syrii (Phoenicia), blisko Judei, u podnóża góry Carmel i ujścia rzeki Bellus (koło Ptolemais) są mokradła. Piasek jest tam niezwykle czysty. Pewnego razu rozbił się tam statek kupiecki wiozący natron używany wówczas w procesie mumifikacji [ jest to węglan sodu]. 3

4 Historia o Kupcy znaleźli się na brzegu i aby ugotować posiłek użyli kawałków natronu ze statku (nie było w pobliżu kamieni i aby postawić garnek na ognisku, użyli kawałków natronu). Piasek na brzegu mieszał się z palącym się natronem (dodatek związku sodu do krzemionki powoduje obniżenie temperatury topnienia) i strumienie przezroczystej cieczy zaczęły wypływać z ogniska: był to początek technologii szkła. o (Isidore of Seville, Etymologies XVI.16. Translation by Charles Witke.) Historia o Technologia szkła została odkryta najprawdopodobniej w Mezopotamii, w rejonie obecnie znanym jako Irak i Syria. o Około 3300 lat temu, tajemne "instrukcje" jak budować piece i jak wytapiać szkło zostały zapisane na glinianych tabliczkach pismem obrazkowym. Instrukcje te były później kopiowane przez całe wieki. 4

5 Historia ~ 3000 pne Wytwarzanie szkła na Kaukazie, początki barwienia szkła ~ 1480 pne Pojawienie się szkła w Egipcie Barwienie za pomocą domieszek takich jak Cu, Fe, Mn, Al ~ 630 pne Pierwszy podręcznik wytwarzania szkła (Asyria) ~ 900 pne Wprowadzenie przemysłu szklarskiego do Syrii i Mezopotamii ~ 250 pne Odkrycie technologii dmuchania szkła (Fenicjanie) Historia 50 ne (czasy Juliusza Cezara): Rozwinięcie technologii wydmuchiwania szkła (waza z 3-4 wieku naszej ery) ~70 Rzymianie wprowadzają produkcję szkła do Europy (Hiszpania, Francja, Italia) 79 Pliniusz opisuje produkcję szkła oraz legendy jego odkrycia 100 odlewanie szkła w formach 591 Pierwsze wzmianki o szybach okiennych (w kościołach) 1180 Pierwsze szyby w domach mieszkalnych. 5

6 Historia 1453 Tajemnice produkcji szkła docierają z Bizancjum do Wenecji 1834 Pierwsze teorie dotyczące szkła kwarcowego (Leng) 1859 Pierwsza półautomatyczna maszyna do produkcji butelek 1925 Metoda "Pittsburgh" wytwarzania szyb 1967 Metoda odlewania szyb na stopionej cynie 1970 Produkcja włókien optycznych 1983 Technologia sol-gel Inżynieria materiałowa szkła o Czynniki, które decydują o właściwościach szkła (i które można zmieniać tworząc nowe produkty): Skład szkła; Struktura; Powierzchnia; Cienkie warstwy nanoszone na powierzchnię szkła; o Dodatkowym czynnikiem umożliwiającym tworzenie nowoczesnych produktów jest możliwość konstruowania złożonych układów bazujących na szkle. 6

7 Skład szkła o Głównym składnikiem szkła ( zwykłego) jest SiO 2 Si 4+ O 2- Nie tylko SiO 2 tworzy szkło: o Pierwiastki szkłotwórcze : te, które w związkach z tlenem tworzą sieć wielościanów; mają liczbę koordynacyjną 3 lub 4 (Si, B, P, Ge; As.). Szkło tworzą również inne tlenki, jak Bi 2 O 3, CuO. 7

8 Typ szkła Przybliżony skład szkła (% masowe) SiO 2 Na 2 O CaO B 2 O 3 Al 2 O 3 K 2 O PbO sodowe Butelki, szyby borokrzemianowe Szkło laboratoryjne, żaroodporne glinokrzemianowe fiberglass, top-of-stove ware excellent resistance to heat and chemicals ołowiowe "crystal", art glass, TV tubes easy to form, cut, engrave, stops radiation kwarcowe special uses high heat (1500 C) resistance, UV-transparency Znaczenie składu szkła: przykład o Wata szklana to włókna szkła glinokrzemianowego o długości kilku milimetrów i średnicy kilku mikrometrów. Podobne rozmiary mają włókna krystalicznego glinokrzemianu, czyli azbestu. Azbest nie rozpuszcza się w środowisku panującym w płucach (30 lat), przez co jest rakotwórczy; Wata szklana stosowana przez lata rozpuszcza się po około kilku miesiącach; Modyfikacja składu szkła (zmniejszenie zawartości Al 2 O 3 z 3.4 do 2.2%, Na 2 O z do 15.5% i zwiększenie MgO z 3.0 do 3.4%) spowodowała, że szkło stało się biorozpuszczalne w przeciągu kilku tygodni a nawet dni. 8

9 Struktura szkła o Zbadanie, opisanie i zrozumienie struktury szkła jest skomplikowanym (i wciąż otwartym) zagadnieniem. Przykładowe zagadnienia: Na czym polega nieuporządkowanie struktury? Na czym polega (i czy jest) uporządkowanie bliskiego zasięgu? Czy skład jest jednorodny (w skali bliskiej i dalekiej)? Model struktury szkła tlenkowego o W ramach modelu Zachariesena (1933) szkło jest zbudowane jak ciągła przypadkowa sieć, w której atomy są rozłożone tak jak w cieczy. Spełnione są zazwyczaj następujące cztery reguły: 1 ) atom tlenu może być połączony z najwyżej dwoma innymi atomami; 2 ) liczba koordynacyjna innych atomów jest zazwyczaj mała ( 4); 3 ) wielościany koordynacyjne Si-O (lub inne) połączone są między sobą narożami; 4 ) wielościany tworzą trójwymiarową strukturę (ciągłą). 9

10 Model struktury szkła krzemianowego o Elementem podstawowym szkła kwarcowego (podobnie jak krystalicznego kwarcu) jest czworościan SiO 4-4 o Liczba koordynacyjna krzemu wynosi 4, zgodnie z 2 regułą Zachariesena; o Czworościany są ze sobą połączone narożami; Si4+ O2- Model struktury szkła krzemianowego: porównanie z krystalicznym kwarcem Uporządkowanie daleko-zasięgowe Te same jednostki strukturalne Uporządkowanie krótko-zasięgowe 10

11 Inne pierwiastki w strukturze szkła o Modyfikatory: te, które przerywają sieć wielościanów (Na, Ca, Ba, K.) z liczbą koordynacyjną 6 o Stabilizatory sieci: te, które ani nie tworzą ani nie przerywają sieci (Al, Li, Zn, Mg, Pb..) liczba koordynacyjna 4 i 6 Przykład: szkło krzemianowe z dodatkiem sodu i wapnia Na + Si 4+ O 2-11

12 Inne aspekty struktury szkła: (nie)jednorodność o W odpowiednich warunkach (wygrzewanie, oświetlenie,..) mogą w strukturze szkła powstawać lokalne niejednorodności. Np. klastry srebra (szkło fotochromatyczne), klastry złota (czerwone szkło z Murano). Inne aspekty struktury szkła: (nie)jednorodność o W ostatnich latach rozwinęła się technika wytwarzania trójwymiarowych obiektów wewnątrz szkła. Pikosekundowe impulsy światła laserowego ogniskowane na kolejnych punktach wewnątrz szkła powodują lokalne zmiany struktury (mikrokrystality, mikropory, zmiany składu - nie wiadomo dokładnie). Obecnie stosowane tylko w celach dekoracyjnych, ale w przyszłości.. 12

13 Powierzchnia szkła i warstwy nanoszone na powierzchnię o Powierzchnia jest najsłabszym elementem szkła Powierzchnia jest źródłem kruchości szkła: tam powstają i przemieszczają się pęknięcia; o Stąd poprawienie jakości powierzchni jest bardzo ważne. Stąd również wynikają prace nad warstwami nanoszonymi na powierzchnię. Szczegóły - później Właściwości fizyczne szkła T g T g : Temperatura przejścia do fazy szklistej ( temperatura zeszklenia ) jest to temperatura, w której ciało amorficzne wykazuje zmianę nachylenia zależności objętości właściwej od temperatury. 13

14 Przykłady: o Szkło o SiO 2 o GeO 2 o polistyren o Au 0.8 Si 2 o H 2 O o T g o 1430 K o 820 K o 370 K o 290 K o 140 K Lepkość szkła Powyżej tej lepkości szkło jest kruche Relaksują wewnętrzne naprężenia Szkło zachowuje kształt W tym zakresie szkło jest formowane Powyżej 10 2 szkło jest cieczą 14

15 Kolor szkła o Kolor szkła, ogólnie rzecz biorąc, wynika z obecności w nim jonów metali w postaci klasterów; o Drugim czynnikiem wpływającym na kolor jest wielkość klasterów metalu, co z kolei jest związane z obróbką termiczną i chemiczną szkła, a także z procesami utleniania, redukcji, dyfuzji zachodzącymi pod wpływem światła i innych czynników. Kolor szkła: rodzaj jonów metali kolor jon metalu czerwone Se lub Au żółte Ni 2+ lub Cd 2+ + S 2- zielone Cr 3+ lub Fe 3+ Niebiesko-zielone Cu 2+ lub Fe 2+ niebieskie Co 2+ purpurowe Mn 2+ czarne Cr 2 O 3 lub MnO 2 + NiO bursztynowe Fe 3+ + S 2- + C białe (opal) CaF 2 lub NaCl rozdyspergowane w szkle 15

16 Kolor szkła: wielkość klastrów metali o Przykład: rubinowe szkło weneckie (Murano) zawierało małe klastry złota. Obecna podróbka zawiera klastry Cu i CuO o wielkości rzędu nm. Kolor szkła: wielkość klastrów metali 16

17 Kolor szkła: wielkość klastrów metali o Źródłem koloru spowodowanego obecnością nanoklastrów metalu są powierzchniowe plazmony. Plazmon to rezonansowe drganie gazu elektronowego. Szkło fotochromatyczne o Szkło fotochromatyczne zawiera AgCl lub AgI lub inny podobny związek. Są one równomiernie rozłożone w objętości szkła. o Pod wpływem światła zachodzi redukcja Ag: o Cl -1 Cl + e- o Ag +1 + e Ag 17

18 Szkło fotochromatyczne o Atomy srebra aglomerują tworząc grupy, które absorbują światło i powodują pociemnienie szkła. o Stopień zaciemnienia zależy od intensywności światła. Proces ten jest bardzo szybki. Szkło fotochromatyczne o Aby proces foto-pociemnienia szkła był użyteczny, musi być odwracalny. Gdy oświetlenie zanika, wówczas następują procesy odwrotne: srebro jest utleniane Jest to możliwe, ponieważ żadne z atomów w trakcie fotoutleniania i fotoredukcji nie przemieszcza się na duże odległości. o Trwają prace nad innymi związkami metali (np. azotanem srebra). o Fotochromatyczne szkło otrzymuje się również poprzez naniesienie warstw na powierzchnię szkła. 18

19 Właściwości mechaniczne szkła o Szkło ma bardzo duży moduł Younga; o Główną wadą szkła jest jego kruchość. Właściwości mechaniczne szkła o Przyczyny kruchości szkła: Główną przyczyną kruchości szkła są mikropęknięcia na powierzchni. Mikropęknięcia przemieszczają się najpierw powoli, a następnie katastrofalnie szybko. Para wodna i woda dostając się do mikropęknięć przyspiesza ich propagację (przyspiesza zrywanie wiązań kowalencyjnych). 19

20 Właściwości mechaniczne szkła o Jakość powierzchni szkła decyduje o jego kruchości. Ciekawostki: Jakość zewnętrznej powierzchni szkła decyduje o wytrzymałości butelki na wewnętrzne ciśnienie (szampan). Jakość wewnętrznej powierzchni butelki decyduje o wytrzymałości butelki na uderzenia (transport, proces napełniania butelek). Prawie idealną powierzchnię (a co za tym idzie - prawie idealną wytrzymałość) mają włókna szklane używane do wzmacniania kompozytów. Wytwarzanie szkła: ogólnie o czysty SiO 2 topi się powyżej 1700 O C o Zmieszany z sodą (tlenek lub węglan sodu) topi się w 900 O Cale jest rozpuszczalne w wodzie! o Zmieszany z CaO staje się nierozpuszczalne w wodzie. o Dlatego właśnie SiO 2, CaO i Na 2 O są głównymi składnikami zwykłego szkła. 20

21 Wczesna technologia o Rdzeń z błota i gliny o kształcie np. dzbana; o Po wysuszeniu owijano go półpłynnymi włóknami szkła; o Następnie znowu go ogrzewano i ceramicznym narzędziem wygładzano; o Na koniec wydobywano rdzeń ze środka. Wytwarzanie szkła: nieco później o Obecnie, przedmioty szklane są wytwarzane trzema głównymi metodami: Wydmuchiwanie szkła; Prasowanie; Wytwarzanie szyb; Wytwarzanie włókien; 21

22 Wydmuchiwanie szkła: dawniej A: tuba do wydmuchiwania szkła B: szczypce C: nożyce D: płaskie narzędzie pomocnicze służące do formowania wydmuchiwanych kształtów Softened glass Wydmuchiwanie szkła w wersji zautomatyzowanej: 22

23 Prasowanie Softened Gob Wytwarzanie szyb; Pitsburgh process : metoda Pitsburgh : Układ precyzyjnych wałków wyciąga warstwę szkła pionowo do góry. Po usunięciu roztopionej cieczy, wałki nadal się obracają i warstwa cała wędruje go góry, gdzie jest cięta na odpowiednie kawałki. 23

24 Wytwarzanie szyb na stopionej cynie (float) Stopione szkło o temperaturze 1500 o C, tworzy ciągłą warstwę, która wpływa na stopioną cynę. Warstwa szkła ma grubość od 2 do 19 mm. Temperatura szkła stopniowo maleje i warstwa przybiera kształt równoległo-ściennej wstęgi. Wytwarzanie szyb na stopionej cynie (float) 24

25 Przykłady różnych zwykłych i niezwykłych szkieł Kryształy o Proces cięcia szkła polega na dociskaniu szklanego przedmiotu do wirującego koła (kamienne lub stalowe). Koło wycina rowki o prostych, ostrych krawędziach. Dzięki temu szkło jest bardziej połyskujące (więcej powierzchni odbijających światło). o Najlepszy efekt otrzymuje się w szkle zawierającym dużo tlenku ołowiu. o wynalezione przez George a Ravenscrofta (Anglia, około 1676). 25

26 Butelki o Szklane butelki wytwarzano w czasach przed- Rzymskich, używając techniki owijania stopionego szkła wokół formy z gliny i trawy. o Rzymianie wynaleźli dmuchanie szkła i wytwarzali szklane butelki w wielkich ilościach. Butelki o Obecnie, butelki wytwarza się całkowicie automatycznie; 26

27 Szkło w bąbelki o Technika dekorowania szkła stosowana przez wielu wytwórców szkła. o Można bąbelki wprowadzać dodając do stopionego szkła związki chemiczne, które reagując wytwarzają bąble. o Pojedyncze bąble można wprowadzić za pomocą szpikulca. Szkło opalizujące o Szkło, które w tych miejscach, gdzie warstwa szkła jest gruba chłodzi się powoli, dzięki czemu zachodzi krystalizacja i szkło staje się matowe. 27

28 Witraże Wytwarzanie witraży prawie się nie zmieniło od 12-go wieku. Witraż składa się z fragmentów kolorowego szkła połączonych w całość za pomocą ołowiu. Szczegóły dodatkowo się maluje, a następnie wypala. Witraże Figura namalowana na szkle (1340) Początkowo szczegóły twarzy, rąk, stroju i inne były malowane na szkle tylko czarną i brązową farbą. 28

29 Witraże XV wiek Około roku 1300 odkryto żółty barwnik. To umożliwiło barwienie białego szkła na kolor żółty, niebieskiego na zielony i było bardzo pomocne w barwieniu włosów, koron i aureol. Włókna optyczne o Włókno optyczne: cienkie i giętkie włókno zdolne do przewodzenia światła. Składa się z bardzo cienkiego rdzenia otoczonego koncentrycznymi warstwami szkła i innych materiałów. o Szkło musi być bardzo przezroczyste 29

30 Współczynnik załamania może się zmieniać w sposób skokowy bądź stopniowo: Przezroczystość szkła o Od 3000 pne Egipcjanie i Fenicjanie zaczęli poszukiwanie sposobów polepszenia przezroczystości szkła... Przed 1966 osiągnięto pewne plateau w rozwoju przezroczystości; 60 30

31 Przezroczystość szkła o o Dopiero prace prowadzone w latach (Bell Laboratories) spowodowały, że szkło stało się razy bardziej przezroczyste niż w Dzięki temu, włókno może mieć średnicę tylko 0.01 mm. 61 Wytwarzanie 2. Wyciąganie włókna: 1. wytwarzanie szkła i wstępna obróbka 31

32 Z kolei zmianę współczynnika załamania osiąga się dzięki: o Dodaniu germanu (też jako czterochlorek). German ma o 18 elektronów więcej niż Si jest domieszką, która zwiększa n, nie zmieniając współczynnika absorpcji. o Dodatek boru lub fluoru zmniejsza współczynnik załamania. Organiczne szkło fotochromatyczne o United States Patent o Abstract:The invention relates to organic photochromic materials consisting of a polymer matrix of optical quality and of at least one dye that imparts photochromic properties to the matrix, the dye being selected from spirooxazines, spiropyrans and chromenes. The polymer constituting the matrix is a copolymer of wt % ethoxylated bisphenol A dimethacrylate and 5-70 wt % of a polyurethane oligomer having terminal di- or triacrylic or di- or trimethacrylic functionality. Such photochromic materials are most suitable for the production of ophthalmic and sun protection lenses. 32

33 Powierzchnia szkła Modyfikacja powierzchni szkła może prowadzić do otrzymania materiału o niezwykle ciekawych właściwościach Wzmacnianie szkła o Wzmacnianie szkła polega na poprawieniu jakości powierzchni i takiej modyfikacji powierzchni, że pęknięć albo nie ma, albo nie mogą się przemieszczać. Hartowanie; Chemiczna modyfikacja powierzchni; Nanoszenie warstw, laminowanie szkła. 33

34 Hartowanie o Szkło wewnętrznie naprężone ma lepsze właściwości mechaniczne: zewnętrzna powierzchnia zostaje ściśnięta, wewnętrzna - rozciągnięta; Hartowanie o Jak to się robi: Szkło ogrzewa się do temperatury około Tg Ochładza się w powietrzu lub oleju Powierzchnia ochładza się szybciej niż części wewnętrzne Gdy wewnętrzne części się ochładzają do temperatury pokojowej, powierzchnia już jest zimna i sztywna. Rozmiary nie mogą się dopasować: wnętrze jest rozciągane przez powierzchnię, a powierzchnia ściskana przez wnętrze. 34

35 Hartowanie before cooling surface cooling cooler hot hot cooler further cooled compression tension compression Naprężenia hamują rozprzestrzenianie się pęknięcia Chemiczne hartowanie o Podobny efekt można uzyskać metodą chemiczną: Wymiana jonów Na + na K + na powierzchni. Większe K + rozpychają zewnętrzną powierzchnię. o Szkło umieszcza się w stopionej soli zawierającej jony K + (np. KNO 3 przez 12 godzin w 500 C). o Dyfuzja powoduje wymianę jonów sodu na K + 35

36 Hartowanie Obie metody hartowania prowadzą do 2-4 krotnego zwiększenia wytrzymałości szkła. Wzmacnianie szkła o Laminowanie szkła. Polega na umieszczeniu warstwy polimeru pomiędzy warstwami szkła (minimum dwie). 36

37 Wzmacnianie szkła o Laminowanie szkła. Są dwa sposoby wytwarzania szkła laminowanego: 1. Jak na zdjęciach, czyli umieszczenie polimeru pomiędzy warstwy szkła i sprasowanie całego układu; polimer (PVB ma zazwyczaj grubość 0.38 mm, w szybach samochodowych: 0.76 mm) 2. Wlanie ciekłego polimeru między szyby (1-1.5mm) Wzmacnianie szkła o o Szkło kuloodporne: składa się z wielu warstw różnych materiałów, połączonych ze sobą w wysokiej temperaturze. 37

38 Wzmacnianie szkła o o Szkło kuloodporne: Od grubości laminatu zależy kaliber pocisku, który może szyba wytrzymać Warstwy na szkle o Na powierzchnię szkła można nanosić warstwy zmieniające jego właściwości optyczne i termiczne; 38

39 Szkło metaliczne o Stop amorficzny dwu- lub wieloskładnikowy, w którym metal jest głównym składnikiem, otrzymany przez bardzo szybkie chłodzenie ( K/s) Produkuje się je najczęściej przez wylanie cienkiej warstwy stopu na szybko odprowadzające ciepło podłoże. Można też wylewać stop na wirującą tarczę (90 m/s). Po raz pierwszy szkło metaliczne otrzymano w 1960 roku Szkło metaliczne - własności 39

40 Szkło metaliczne o W 1990, naukowcy otrzymali szkło metaliczne już nie tylko w postaci cienkiej warstwy (nie mikrometry, tylko centymetry przy szybkościach chłodzenia K/s). Przykłady: Rodzina Zr-Ti-Cu-Ni-Be BMG otrzymana przez Johnsona i Pekera Vitreloy 1 : Zr 41.2 Ti 13.8 Cu 12.5 Ni 10.0 Be 22.5 Struktura szkła metalicznego (Vitreloy 1) o Zbudowane jest z atomów znacznie różniących się między sobą - zmniejsza to tendencją do krystalizacji. 100 Figure 1b. Topological atomic size comparsion of species in Vitreloy 1 bulk metallic glass 90 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be Atomic Compostition (at%) Atomic Radius (nm) 40

41 Właściwości o Granica odkształcenia sprężystego 2%! Image courtesy of Liquidmetal golf Amorficzny krzem o Niewysycone wiązania krzemu pasywuje się poprzez wygrzewanie w wodorze. o Amorficzny krzem wykorzystuje się w ogniwach fotowoltaicznych. 41

42 Tworzywa szklano-ceramiczne Szkło można skrystalizować, wygrzewając je, ale staje się ono wtedy kruche i pęka. Dodanie zarodków krystalizacji, takich jak Ag or TiO 2 powoduje, że krystalizowane szkło jest bardzo wytrzymałe i odporne na wysoka temperaturę Stosuje się w naczyniach kuchennych, konwerterach katalitycznych itd.. Organiczne szkło fotochromatyczne o United States Patent o Abstract:The invention relates to organic photochromic materials consisting of a polymer matrix of optical quality and of at least one dye that imparts photochromic properties to the matrix, the dye being selected from spirooxazines, spiropyrans and chromenes. The polymer constituting the matrix is a copolymer of wt % ethoxylated bisphenol A dimethacrylate and 5-70 wt % of a polyurethane oligomer having terminal di- or triacrylic or di- or trimethacrylic functionality. Such photochromic materials are most suitable for the production of ophthalmic and sun protection lenses. 42

43 Benzospiropyrans t increasing τ = 70 s Photochromic materials form color in a photostep and decolorize either via a thermal process or in a second photochemical step triggered by absorption of light at the wavelength of maximum absorption of the colored form of the compound. In the case of benzospiropyrans, the colored form is called a merocyanine. It is zwitterion and has different solubility characteristices than the benzospiropyran. Purple of spectacle lenses R N R 1 R 2 R 3 N O R 4 N R 1 R 2 R 3 N Usually used in combination with a spiropyran; the two compounds below are isomers; one opens and is easily reversed; the other is thermally stable. The naphthopyrans (below) add an orange tint to the blue of the oxazines (above) giving an overall brown O O - R 6 5 O 4 1 O R 4 43

44 SYNTEZA SOL-ŻEL Inna, niezwykła metoda wytwarzania szkła SYNTEZA SOL-ŻEL o Powstawanie aerożelu przebiega w dwóch głównych etapach: tworzenie mokrego żelu suszenie 44

45 SYNTEZA SOL-ŻEL Większość krzemowych aerożeli wytwarza się z Si(OCH 3 ) 4 lub Si(OCH 2 CH 3 ) 4. Typowa reakcja: Si(OCH 2 CH 3 ) 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4HOCH 2 CH 3 Ta reakcja najczęściej przebiega w etanolu i w obecności katalizatora (np. HCl). SYNTEZA SOL-ŻEL o W rezultacie reakcji hydrolizy powstaje SOL. Jest to układ rozdyspergowanych koloidalnych cząstek w cieczy (koloid : cząstki o rozmiarze nm, tzn atomów) 45

46 SYNTEZA SOL-ŻEL W miarę postępowania reakcji polimeryzacji SiO 2 (kondensacja) SOL przekształca się w sztywny ŻEL. W tym stanie, żel jest wyjmowany z formy. SYNTEZA SOL-ŻEL o Ostatnim, najważniejszym etapem wytwarzania aerożelu jest jego suszenie w warunkach nadkrytycznych. 46

47 WŁAŚCIWOŚCI AEROŻELI o Większość właściwości aerożeli wynika z ich z bardzo dużej porowatości. Aerożele składają się w około 95% z powietrza (od 85% do 99.87%). o Średnia średnica porów: 20 nm, wielkość cząsteczek: 2-5 nm. WŁAŚCIWOŚCI AEROŻELI o Mała gęstość g/cm 3, średnio gęstość jest około 0.1 g/cm 3. Dla porównania zwykłe szkło ma gęstość g/cm 3. o Porowatość wiąże się również z ogromną powierzchnią wewnętrzną ( m 2 /g). 47

48 WŁAŚCIWOŚCI DIELEKTRYCZNE o Współczynnik załamania światła: ; o Stała dielektryczna: 1.1 o Obie wielkości są niezwykle małe jak na ciało stałe. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE o Moduł Younga N/m 2 o Wytrzymałość na rozciąganie 16 kpa o Prędkość dźwięku w aerożelu: 100m/s o Wszystkie 3 wielkości są niezwykle małe w porównaniu ze zwykłym szkłem (np. E jest 10 4 razy mniejsze). 48

49 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE o Wbrew pozorom aerożele mają interesujące właściwości mechaniczne jako materiały absorbujące energię uderzeniową. Stosuje się je w kaskach. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE o W czasie uderzenia zostają zrywane wiązania jedno po drugim. Wewnątrz aerożelu ten proces trwa dość długo (i o to chodzi).dodatkowo część energii jest zużywana na sprężenie powietrza z porów. polistyren 49

50 WŁAŚCIWOŚCI TERMICZNE o Zachowują swoje właściwości do temperatury 500ºC; o Temperatura topnienia 1200ºC; o Typowy aerożel ma przewodność cieplną ~0.017 W/mK (bardzo małą). Zastosowania o Do aerożeli można dodawać różne inne pierwiastki otrzymując w ten sposób np. różne kolory. Cu Fe 2 O 3 C Ni 50

51 Zastosowania w medycynie o Kapsułki aerożelu zawierające substancje aktywne stopniowo je uwalniają jednocześnie zabezpieczając przed zbyt dużym kontaktem z tkankami. Zastosowania: pył kosmiczny o Sonda Stardust wykorzysta aerożel do zbierania pyłu kosmicznego. o Gdy cząstka pyłu uderza w aerożel, zagłębia się w nim, stopniowo zwalniając, i pozostawia podłużny ślad mniej więcej 200 razy dłuższy niż średnica cząstki. 51

52 Zastosowania o Dodając drobiny ferromagnetyka otrzymujemy materiał magnetyczny (tutaj jest to tlenek żelaza). Podobnie można otrzymać aerożel ferroelektryczny. Zastosowania o Naukowcy otrzymali super lekkie magnesy zbudowane z aerożeli, do których dodano bardzo małe cząstki magnetyczne (Nd 2 Fe 14 B). Nano-drobiny magnetyczne były w czasie syntezy orientowane w polu magnetycznym. Magnesy te są przezroczyste. 52