Szkła specjalne Wykład 12 Metoda zol żel, aerożele Część 4 Cienkie warstwy hybrydowe wytwarzane metodą zol żel Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego
Metoda zol żel warstwy hybrydowe d dawna próbuje się łączyć materiały organiczne i nieorganiczne w celu uzyskania nowych właściwości użytkowych. Różnorakie kompozyty polimery + włókna szklane (w tym biomateriały). Powlekanie szkieł opakowaniowych powłokami organicznymi na zimno. Nie jest to jednak współistnienie w skali molekularnej. Świat polimerów organicznych i szkieł nieorganicznych to, jakby się mogło wydawać, dwa całkiem różne światy. To zróżnicowanie uwarunkowane jest głównie sposobem wytwarzania tych dwóch typów materiałów i ich termiczną odpornością.
Metoda zol żel warstwy hybrydowe Polimery organiczne zarówno pod względem sposobu wytwarzania, jak i warunków wytwarzania kojarzą się z niskimi temperaturami. Szkła nieorganiczne wytwarzane są z reguły w procesach wysokotemperaturowych i większość z nich z powodzeniem wytrzymuje obciążenia termiczne rzędu kilkuset stopni, a nawet wyższe (szkło kwarcowe). Mimo tych uwarunkowań, w ostatnich dziesięcioleciach zaczęto wytwarzać materiały hybrydowe na zasadzie współistnienia na skalę molekularną dwóch struktur: struktury nieorganicznej, utworzonej z reguły z czworościanów [Si4], połączonych wiązaniami mostkowymi Si Si; struktur organicznych, opartych na różnego rodzaju polimerach, bazujących na łańcuchu węglowym C C C.
Metoda zol żel warstwy hybrydowe Współistnienie struktur nieorganicznych i organicznych może opierać się na dwóch podstawowych zasadach: 1. Jeden ze składników hybrydy (cząsteczki, oligomery, polimery) uwięziony jest w sieci drugiego słabe oddziaływania pomiędzy siecią przestrzenną głównego składnika, a uwięzionymi cząsteczkami (wiązania Van der Waalsa, wiązania wodorowe). 2. Części organiczne i nieorganiczne powiązane są ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi lub jonowo kowalencyjnymi.
Metoda zol żel warstwy hybrydowe Współistnienie struktur nieorganicznych i organicznych może opierać się na dwóch podstawowych zasadach: 1. Jeden ze składników hybrydy (cząsteczki, oligomery, polimery) uwięziony jest w sieci drugiego słabe oddziaływania pomiędzy siecią przestrzenną głównego składnika, a uwięzionymi cząsteczkami (wiązania Van der Waalsa, wiązania wodorowe). 2. Części organiczne i nieorganiczne powiązane są ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi lub jonowo kowalencyjnymi.
prekursory 1) Prekursory sieci nieorganicznej Si Alkoholany krzemu: TES Si(C2H5)4 TMS Si(CH3)4 2) Modyfikatory sieci nieorganicznej Ti ; Al ; Zr i inne (alkoholany glinu (TBA Al tri sec butylate), tytanu (Ti isopropylate), cyrkonu (Zr butylate)) 3) Modyfikatory sieci nieorganicznej zawierające nieaktywne grupy organiczne Rx; związki typu RxSi(R)4 x 4) Modyfikatory sieci nieorganicznej posiadające reaktywne grupy organiczne Rxx (GPTMS [(CH3)3Si(CH2)3CH2CHCH]) umożliwiające sieciowanie. 5) Monomery organiczne, mogące brać udział w reakcjach sieciowania.
Metoda zol żel warstwy hybrydowe Sieciowanie organiczne w wyniku reakcji pomiędzy reaktywnymi grupami organicznymi Rxx tworzenie wiązań poprzecznych, reakcje polimeryzacji; procesy te mogą być stymulowane promieniowaniem UV lub termicznie Si CH 2 Si CH 2 CH 2 Si CH 2 Si Si CH 2 M Si CH 2 CH 2 C C C Sieć nieorganiczna modyfikowana reaktywnymi grupami organicznymi Rxx
podstawowe jednostki strukturalne Grupy funkcyjne R Modyfikatory sieci nieorganicznej Al., Ti, Zr Si (R) Si rganiczne polimery sieciujące Si Nieorganiczna sieć krzemionkowa Si
Metoda zol żel warstwy hybrydowe Postać materiałów hybrydowych stosowanych w praktyce najczęściej cienkie warstwy na różnorakich podłożach (polimery, ceramika, szkło, metal, papier, drewno itp.) Podstawowe właściwości warstw na szkle nieorganicznym to: bardzo dobra przyczepność do podłoża ze względu na tworzenie kowalencyjnych wiązań Si Si prostota technologii nanoszenia warstwy kontrolowana funkcjonalność Funkcjonalność powłok zależy od: rodzaju modyfikatorów nieorganicznych i organicznych podstawowej sieci krzemo tlenowej wzajemnych proporcji elementów tworzących strukturę tych materiałów
funkcjonalność powłoki ochronne na delikatne powierzchnie (ochrona przed zarysowaniem i ścieraniem) warstwy stanowiące barierę dla przenikania gazów, roztworów czy jonów warstwy chroniące przed korozja (wzrost odporności chemicznej) powłoki antyrefleksyjne powłoki hydrofilowe, hydrofobowe, oleofobowe (właściwości antyadhezyjne); sensory warstwy antystatyczne warstwy o właściwościach luminescencyjnych, laserowych, fotochromowych warstwy dekoracyjne
powłoki ochronne Komercyjna hybrydowa warstwa ochronna (RMSIL): połowa płytki ze szkła pokryta jest warstwą ABRASIL znakomicie zwiększającą odporność na zadrapania. C. Sanchez, B. Julian, P. Belleville, M. Popall, J. Mat. Chem., 2005, 15,3559-3592.
powłoki hydrofilowe W powłoce część grup o charakterze jonowym SiH zastąpiona jest grupami CH; ogranicza to zdolność przyłączania molekuł organicznych, które ograniczają hydrofilowe własności powierzchni; taka warstwa zachowuje swoje własności hydrofilowe przez długi okres czasu. Na powierzchni nie tworzą się kropelki wody. Typowe zastosowania: przyrządy optyczne, lustra, szyby okienne.
powłoki superhydrofobowe (a) Procedure to prepare the silica particles and super hydrophobic fabrics; (b) the picture of water droplet (10 μl each) on the untreated polyester fabrics; (c) the picture of water droplet on treated polyester fabrics; (d) SEM image of pure polyester fabric; and (e) SEM image of silica/pdms/fas treated fabric.
powłoki antykorozyjne Nawet cienkie warstwy pokryć są w stanie zmniejszyć korozję chemiczną i elektrochemiczną o kilka rzędów wielkości.
melting gels Tak naprawdę się nie topią, tylko wykazują przejście szkliste w niskiej temperaturze. Zachowanie termiczne: sztywne w temperaturze pokojowej; płyną w temperaturze T1; zestalają się w temperaturze T (T >T ), 2 2 1 gdy sieciowanie jest kompletne; proces mięknięcie zestalenie mięknięcie może być powtarzany wiele razy, o ile nie przekroczy się temperatury T2. L. C. Klein and A. Jitianu, rganicinorganic Hybrid Melting Gels, J. Sol-Gel Science & Tech., 55, 2010, 86
powłoki ozdobne Spośród różnego typu pokryć hybrydowych, dużym zainteresowaniem cieszą się powłoki dekoracyjne nakładane na elementy szkła płaskiego oraz na wyroby szkła opakowaniowego i gospodarczego. Warstwy takie, obok intensywnych i różnorodnych barw, charakteryzują się bardzo dobrą przyczepnością do podłoża, trwałością barwy, dobrą odpornością na ścieranie i działanie czynników chemicznych.
powłoki na rozmaitych materiałach metals polymers ormocer Sol gel waveguides on a flexible foil textiles self cleaning clothes
przyszłość?... Szkliste, porowate filmy z domieszką molekuł zmieniających ich właściwości optyczne pod wpływem temperatury, ciśnienia, substancji chemicznych czy bakterii, wykorzystać można jako czujniki optyczne (optody). W wielu przypadkach mogą lepiej spełniać swoje zadanie niż tradycyjne czujniki elektryczne. Na przykład, czujnik amoniaku wykorzystywany w ochronie środowiska, czy czujnik temperatury ciała pacjenta, w którym zmiana temperatury sygnalizowana byłaby zmianą intensywności luminescencji odpowiednio dobranego barwnika. Cienkie warstwy wytwarzane metodą zol-żel Beata Riegel
przyszłość?... Bakteriobójcze i antyalergiczne tekstylia pokryte impregnacyjną warstwą zawierającą srebro, powłoki na szyby zapobiegające ich brudzeniu się, rysowaniu czy poceniu, materiały wykrywające skażenie bakteriologiczne to tylko niektóre z możliwych zastosowań... Nowa metoda otrzymywania cienkich warstw nanokrystalicznego dwutlenku tytanu pozwala na produkcję bawełny, modyfikowanej tą substancją. Taka bawełna, poddana działaniu światła ultrafioletowego (UV), wykazuje właściwości antybakteryjne oraz samoczyszczące (znikają plamy po kawie i czerwonym winie) informuje "Journal of Materials Chemistry". Cienkie warstwy wytwarzane metodą zol-żel Beata Riegel