Metoda sol-gel verze 2013

Podobné dokumenty
Katedra chemie FP TUL Chemické metody přípravy vrstev

Příprava vrstev metodou sol - gel

Nauka o materiálu. Přednáška č.12 Keramické materiály a anorganická nekovová skla

Chemie povrchů verze 2013

Glass temperature history

Chemické metody přípravy tenkých vrstev

J. Kubíček FSI Brno 2018

Alexandra Kloužková 1 Martina Mrázová 2 Martina Kohoutková 2 Vladimír Šatava 2

ztuhnutím pyrosolu taveniny, v níž je dispergován plyn, kapalina nebo tuhá látka fotochemickým rozkladem krystalů některých solí

Nauka o materiálu. Přednáška č.14 Kompozity

ÚPRAVA VODY V ENERGETICE. Ing. Jiří Tomčala

Uhlíkové struktury vázající ionty těžkých kovů

Vakuová technika. Výroba tenkých vrstev vakuové naprašování

Mesoporézní vs. ploché elektrody

Koroze kovů. Koroze lat. corode = rozhlodávat

Kontaktní úhel. γ sv. γsl. saturovaný plyn. θ kapalina. pevná látka. γ sv π e. γ sv = γ s - π e. γ s

J.Kubíček 2018 FSI Brno

H H C C C C C C H CH 3 H C C H H H H H H

Vodík jako alternativní ekologické palivo. palivové články a vodíkové hospodářství

Předmět: CHEMIE Ročník: 8. ŠVP Základní škola Brno, Hroznová 1. Výstupy předmětu

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

Třídění látek. Chemie 1.KŠPA

Superkritická fluidní extrakce (SFE) Superkritická fluidní extrakce

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

Zařazení polokovů v periodické tabulce [1]

Pevné lékové formy. Vlastnosti pevných látek. Charakterizace pevných látek ke zlepšení vlastností je vhodné využít materiálové inženýrství

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.8. Laserové zpracování materiálu. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Katedra materiálu.

Číslo a název klíčové aktivity: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Nanokrystalické tenké filmy oxidu železitého pro solární štěpení vody

KRYSTALY PRO VĚDU, VÝZKUM A ŠPIČKOVÉ TECHNOLOGIE

Nano a mikrotechnologie v chemickém inženýrství. Hi-tech VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE ÚSTAV CHEMICKÉHO INŽENÝRSTVÍ

Úvod. Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství.

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

Ročník VIII. Chemie. Období Učivo téma Metody a formy práce- kurzívou. Kompetence Očekávané výstupy. Průřezová témata. Mezipřed.

Netkané textilie. Materiály 2

Spin coating. Jiří Frydrych. Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Směsi a čisté látky, metody dělení

SHRNUTÍ A ZÁKLADNÍ POJMY chemie 8.ročník ZŠ

Adhezní síly v kompozitech

Keramika. Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI Doc. Ing. K. Daďourek 2008

Platinové kovy. Obecné vlastnosti. Ruthenium a osmium. Jméno: Jana Homolková UČO:

Projekt TA Hybridní nanokompozity 01/ /2014 SYNPO - 5M - UTB

Materiálový výzkum. Výzkumný program

Zvýšení chemické odolnosti textilií metodou SOL - GEL

Tlakové membránové procesy

Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru. Předmět: Vícefázové reaktory Jméno: Veronika Sedláková

EU peníze středním školám digitální učební materiál

EU peníze středním školám digitální učební materiál

Problematika filtrace odlitků. Petr Procházka, Keramtech s.r.o. Žacléř

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Otázky pro samotestování. Téma1 Sluneční záření

Co je litografie? - technologický proces sloužící pro vytváření jemných struktur (obzvláště mikrostruktur a nanostruktur)

Sklo chemické složení, vlastnosti, druhy skel a jejich použití

CMC kompozity s keramickou matricí

vodič u něho dochází k transportu el. nabitých částic, který je nevratný, dochází ke vzniku proudu a disipaci energie

Sol gel metody. Si O Si + H 2 O (2)

FOTOKATALYTICKÁ OXIDACE BIOLOGICKY OBTÍŽNĚ ODBOURATELNÝCH ORGANICKÝCH LÁTEK OBSAŽENÝCH V NADBILANČNÍCH VODÁCH ZE SKLÁDEK KOMUNÁLNÍHO ODPADU

Základní požadavky: mechanické a fyzikální vlastnosti materiálu

JČU-ZF, KATEDRA KRAJINNÉHO MANAGEMENTU STAVEBNÍ MATERIÁLY A KONSTRUKCE (STMK)

VY_32_INOVACE_6/15_ČLOVĚK A PŘÍRODA. Předmět: Fyzika Ročník: 6. Poznámka: Vodiče a izolanty Vypracoval: Pták

iglidur H2 Nízká cena iglidur H2 Může být použit pod vodou Cenově výhodné Vysoká chemická odolnost Pro vysoké teploty

Plazmové depozice povlaků. Plazmový nástřik Plasma Spraying

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Metody gravimetrické

Sekundární elektrochemické články

POVRCHY A JEJICH DEGRADACE

Studium tenkých mazacích filmů spektroskopickou reflektometrií

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

METALOGRAFIE I. 1. Úvod

Sloučeniny uhlíku a křemíku

Adhezní síly. Technická univerzita v Liberci Kompozitní materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE

Adhezní síly v kompozitních materiálech

Základní typy článků:

Základy materiálového inženýrství. Křehké materiály Katedra materiálu, Strojní fakulta Technická univerzita v Liberci Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

P2 prvky - IV.A skupina - otázka z chemie

Kompozitní materiály. přehled

LABORATOŘ KOVŮ A KOROZE VZDĚLÁVÁNÍ ODBORNÉ KURZY A SEMINÁŘE

Sekunda (2 hodiny týdně) Chemické látky a jejich vlastnosti Směsi a jejich dělení Voda, vzduch

Směsi, roztoky. Disperzní soustavy, roztoky, koncentrace

Prospekt s instrukcemi o výrobku BINAL. Aditivum pro hliníkovou taveninu. e b. Dr. Bilger Umweltconsulting GmbH

VÝUKOVÝ MODUL MEMBRÁNOVÝCH PROCESŮ TÉMATA PŘEDNÁŠEK

Keramická technologie

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

Otázky pro samotestování. Téma1 Sluneční záření

Lepení materiálů. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.

ZESILOVÁNÍ A STATICKÉ ZAJIŠTĚNÍ KONSTRUKCÍ KOMPOZITNÍ MATERIÁLY

Druhy vláken. Nanokompozity

ZÁKLADNÍ MODELY TOKU PORÉZNÍ MEMBRÁNOU

14. ELEKTRICKÉ TEPLO. Doc. Ing. Stanislav Kocman, Ph.D , Ostrava

Rentgenová difrakce a spektrometrie

ČIŠTĚNÍ A PŘEDÚPRAVA PROCESNÍCH A ODPADNÍCH VOD Z VÝROBY PAPÍRU ELEKTROCHEMICKÝM - FENTONOVÝM PROCESEM

Sklo definice, vlastnosti, výroba. LF MU Brno Brýlová technologie

PÁJENÍ. Nerozebiratelné spojení

Ochrana obalem před změnami teploty a úloha obalu při tepelných procesech v technologii potravin. Sdílení tepla sáláním. Balení pro mikrovlnný ohřev

Druhy vláken. Technická univerzita v Liberci Kompozitní materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

Fotokatalytická oxidace acetonu

Transkript:

Metoda sol-gel verze 2013

Historie nejstarší příprava silikagelu 1939 patent na výrobu antireflexních vrstev na fotografické čočky 60. léta studium vrstev SiO 2 a TiO 2 70. léta výroba plochých skel s vrstvami 90. léta rychlý rozvoj

Pod pojmem metoda sol-gel rozumíme skupinu postupů přípravy oxidických a příbuzných materiálů, jejichž společnými znaky jsou homogenizace výchozích složek ve formě roztoku, jejich převod na sol a následně na gel při zachování jejich homogenity.

Sol Nepříliš koncentrovaný koloidní roztok, za daných podmínek relativně stabilní Nutno stabilizovat elektrická dvojvrstva solvatace povrchu

Elektrická dvojvrstva a solvatace omezují kontakt koloidních částic mezi sebou a tím je stabilizují velmi silně závisí na konkrétních podmínkách v solu, hlavně na přítomnosti iontů (včetně iontů H 3 O + a OH -, tedy na ph prostředí) a přítomnosti povrchově aktivních látek (látek ovlivňujících povrchové napětí rozpouštědla)

Gel Mezi částicemi disperzního podílu dochází buď v závislosti na změně podmínek nebo i samovolně k vzájemným interakcím, jejichž důsledkem je prostorové propojení. Tento proces se nazývá gelace (želatinace) a projevuje se růstem viskozity, až sol prakticky ztuhne.

Xerogel opatrným odpařením rozpouštědla se struktura gelu zpevní a v pórech bude místo rozpouštědla vzduch Vlastnosti: vysoce porézní struktura velký měrný povrch silikagel

Rozdělení podle výchozích surovin postupy vycházející z alkoxidů postupy vycházející ze stabilizovaných vodných solů oxidů Obě skupiny se liší jak výchozími surovinami, tak i probíhajícími reakcemi. Při některých postupech první skupiny se však přechází do klasických postupů druhé skupiny, ne naopak.

Alkoxidy sloučeniny odvozené od alkoholů náhradou slabě kyselého vodíku ve skupině C O H atomem kovu (Si, Ti, Al, Zr, Na...) nebo nekovu (B, P,..) právě vazba C O (Si, Ti, Al, P...) je velmi důležitá, protože na ní probíhají primární hydrolyzační reakce

a) b) CH 3 O CH 2 CH 3 CH 3 O CH CH 3 CH 3 CH 2 O Si O CH 2 CH 3 CH 3 CH O Ti O CH CH 3 O CH 2 CH 3 CH 3 CH O CH 3 CH 3 Struktura molekul tetraethoxysilanu (a) a tetraisopropyl titanátu (b)

Vlastnosti alkoxidů teplotně stabilní kapalné nebo pevné látky poměrně dobře rozpustné v alkoholech na pravé roztoky velmi snadno reagují i se stopami vody za rozkladu různá reaktivita vůči stopám vlhkosti tetraethoxysilan běžné podmínky tetraisopropyl titanát alkoxidy hliníku speciální úpravy suchý box

Alkylalkoxysilany dva typy vazeb mezi uhlíkem a křemíkem vazby C O Si vazby C Si hydrolyzovatelné nehydrolyzovatelné kovalentní vazby Si C jsou odolné vůči hydrolýze a proto jsou při opatrném tepelném zpracování zachovány i ve výsledném produktu, důsledkem vznik hybridních anorganicko-organických polymerů

a) b) CH 3 O CH 2 CH 3 CH 3 O Si O CH 3 CH 3 CH 2 O Si CH = CH 2 CH 3 O CH 2 CH 3 Struktura molekul dimethyldimethoxysilanu (a) a vinyltriethoxysilanu (b)

Stabilizované soly vodné prostředí, oxidy nebo hydroxidy nejznámější roztok vodního skla výroba rozpouštěním utaveného skla o složení Na 2 O. 3,5 SiO 2 ve vodě, ph 11 roztok obsahuje polymerní částice vzniklé polykondenzací kyseliny tetrahydrogenkřemičité a hydroxid sodný použití jako lepidla je založeno na destabilizaci solu současnou dehydratací a působením atmosférického oxidu uhličitého za vzniku gelu

Stabilizované soly Komerčně se dodává i kysele stabilizovaný sol oxidu křemičitého s obchodním názvem Tosil nebo zahraniční Ludox využití je založeno na destabilizaci solu a vzniku gelu (zpevňování pískových forem ve slévárenství)

Reakce hydrolýza polykondenzace velmi důležitý poměr vody a alkoxidu k = [H 2 O]/[Si(OR) 4 ]

O R O R R O Si O R + H 2 O R O Si O H + ROH O R Hydrolýza O R O R O R O R O R R O Si O R Polykondenzace + H O Si O R R O Si O Si O R + ROH O R O R O R O R O R O R O R O R R O Si O H + H O Si O H R O Si O Si O H + H 2 O O R O R O R O R

katalyzátor kyselina Podmínky reakce přednostní růst na konci makromolekul zásada polymerní soly větvení makromolekul a vznik kulových částic partikulární soly

Polymerní částice postupně rostoucí makromolekuly převážně lineárního charakteru vrstvy, nanovlákna

Partikulární částice přibližně kulové částice a shluky trojrozměrných makromolekul růst spojováním kulovitých částic prášky, monolitické vzorky

Přeměna solu v gel polykondenzace se nezastaví, soly jsou podle složení a podmínek stabilní hodiny až roky stále mírně roste viskozita, až začne prudce stoupat propojování makromolekul mezi sebou, vznik gelu, bod gelace

viskozita (mpa.s) Sol SiO 2 1000000 100000 10000 1000 100 k = 2,04 k = 2,21 k = 2,35 k = 2,50 10 0 200 400 600 800 1000 1200 čas (hod)

Stárnutí gelu v gelu ještě dobíhají polykondenzační reakce až do úplného zreagování Synereze samovolné zmenšování objemu gelu za současného vytlačování kapaliny z gelu nebezpečné z důvodu popraskání

Stárnutí gelu 4 min 15 min 45 min

Vysušení gelu na xerogel

gel xerogel xerogel nevhodně vysušený

Slinování transport hmoty probíhá tak, aby se zmenšil měrný povrch postupně se zalévají přítomné póry a to nejdříve ty s nejmenším průměrem v případě široké distribuce velikosti pórů nebezpečí uzavřené pórovitosti v reálných případech je dokonalé odstranění pórů velmi obtížné, zvláště u masivních vzorků

Princip slinování R r

Oxid křemičitý vznik křemenného skla metoda sol-gel tenké vrstvy a vlákna již kolem 600 C monolitické vzorky kolem 1000 C tavení z drceného křemene ve vakuu při teplotě kolem 2000 C

Nanokompozity Rozptýlení předem připravených nanočástic v solu Vznik nanočástic během přípravy materiálu

Rozptyl předem připravených nanočástic Řada problémů Tvorba nežádoucích agregátů nanočástic a nepravidelné rozptýlení nanočástic ve hmotě Ani použití ultrazvuku a povrchově aktivních látek neposkytuje vždy uspokojivé výsledky

Vznik nanočástic během přípravy materiálu sloučeniny prvků tvořících budoucí nanočástice (alkoxidy, organické komplexy kovů apod.) se rozpustí v roztoku a nanočástice vzniknou během přípravy

Oxid železitý v organické matrici

PbTiO 3 nebo BaTiO 3 v organickém polymeru CdS a CdTe o velikosti 2 až 20 nm v oxidu křemičitém PbS obdobné velikosti v oxidu zirkoničitém nanočástice stříbra o velikosti kolem 5 nm v oxidu křemičitém Materiály tohoto typu jsou jinými technologiemi pravděpodobně velmi obtížně připravitelné

Přírodní xerogel - opál

Přírodní xerogel - opál

Příprava vrstev

Způsoby nanášení pro výzkum i výrobu vytahování (dip-coating) odstřeďování (spin-coating) ostatní techniky jsou určeny hlavně pro výrobu

Technika dip-coating (vytahování)

Technika spin-coating (odstřeďování)

Technika spray-coating (sprejování) výhody rychlost tvorby vrstvy menší množství odpadního materiálu možnost kontinuální výroby nevýhody nepravidelnost tloušťky v rozmezí 5 až 10 %

Charakteristické vlastnosti vrstev

Porozita póry uzavřené nemají vliv na měrný povrch póry otevřené dominantní vliv na měrný povrch velikost a distribuce velikosti pórů

Xerogely a porozita velký měrný povrch (až 800 m 2 g -1 ) adsorpce (silikagel) nosiče katalyzátorů chromatografie mezivrstvy pro lepší adhezi vliv na index lomu

Fresnellův vztah Odraz záření n 1 je index lomu prostředí, kam dopadá n 2 je index lomu prostředí, ze kterého dopadá tlusté vrstvy (nad 3 µm)

Tenké vrstvy interferenční jevy zeslabení a zesílení odrazu interferenční barva vrstvy je silně závislá na její tloušťce a kvalitě

činitel prostupu činitel prostupu činitel prostupu činitel prostupu TiO 2 (n D = 2,20) tloušťka 80 nm tloušťka 120 nm 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 400 500 600 700 800 vlnová délka (nm) 0,6 400 500 600 700 800 vlnová délka (nm) 1,0 tloušťka 200 nm 1,0 tloušťka 500 nm 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 400 500 600 700 800 vlnová délka (nm) 0,6 400 500 600 700 800 vlnová délka (nm)

Aplikace vrstev vrstvy s optickými funkcemi vrstvy ochranné vrstvy s elektrickými funkcemi vrstvy katalytické vrstvy se speciálními funkcemi

Vrstvy s optickými funkcemi největší komodita vyráběná metodou sol-gel reflexní a antireflexní vrstvy na ploché stavební sklo Schott Mainz, Německo princip absorpce nebo interference záření

Reflexní vrstvy Schott IROX nebo Calorex ITO oxid titaničitý dopovaný paladiem In 2 O 3 SnO 2 (dnes displeje) interferenční vrstvy střídavé vrstvy TiO 2 - SiO 2 - TiO 2 SiO 2 (n D = 1,46) a TiO 2 (n D = 2,2)

Antireflexní vrstvy interferenční základ střídavé vrstvy SiO 2 - TiO 2 - SiO 2 prostup 97 až 98 %, odraz 1 až 2 % (0,5 %) normální sklo 92 % prostup, 8 % odraz porézní vrstvy vysoce porézní SiO 2 použití výlohy, galerie, solární panely

Antireflexní vrstvy Amiran, Conturan (firma Schott) systém vrstev SiO 2 a TiO 2 s přesnou tloušťkou (50 až 100 nm)

Vrstvy ochranné chemická nebo mechanická ochrana substrátu kovy sklo, keramika ochrana elektronických součástek

Antikorozní ochrana kovů hliník a ocel nanášení různými technikami zhutnění teplem nebo polymerací adheze zajištěna vazbou kov O Si tloušťka 20 nm až 1 µm (u anorganicko-organických vrstev až desítky µm)

Antikorozní ochrana kovů SiO 2 omezuje nebo zabraňuje oxidaci a zvyšuje odolnost proti kyselinám a kyselým plynům ZrO 2 nebo SiO 2 - ZrO 2 zvyšuje odolnost v alkalickém prostředí ocel SiO 2, ZrO 2 CeO 2, Al 2 O 3, ORMOCER hliník SiO 2 a hlavně ORMOCER

Motiv z vrstvy TiO 2 SiO 2 by nebyl vidět

Vrstva SiO2 na sitalu

Vrstvy katalytické vrstvy SiO 2, Al 2 O 3 nebo TiO 2 s kovovými částicemi Pt, Pd, Ni, Co nebo Fe pro různé katalyzované reakce organických i anorganických sloučenin vrstvy TiO 2 na skle potaženém vodivou vrstvou ITO pro fotoelektrochemický katalytický rozklad vody na vodík

Vrstvy SiO 2 na polyamidu

Speciální tvary

Další použití Vlákna Monolitické vzorky Prášky

Vlákna Sol musí být zvláknitelný kyselá katalýza SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 2, TiO 2 čisté a kombinace chemicky a tepelně odolná vlákna, filtrační materiály, nosiče katalyzátorů extrém ZrO 2 (bod tání 2700 C)

Nanovlákna SiO2

Monolitické vzorky desky a čočky o velikosti až 20 cm a tloušťce několik centimetrů velmi obtížné a pomalé sušení (déle než rok), aby nepopraskaly použití optika s gradientem indexu lomu preformy pro optická vlákna

Hot pressing izostatické lisování z prášků drobné tvarové výrobky

Xerogely jako výrobky Vysoce porézní materiály pro filtraci, chromatografii, optiku, katalýzu a tepelně izolační techniku

Superkritické sušení odstranění rozpouštědla nad jeho kritickými hodnotami teploty a tlaku, kdy se ztrácí rozdíl mezi kapalnou a plynnou fází voda t kr = 374 C, p kr = 22 MPa izopropylalkohol t kr = 236 C, p kr = 5,4 MPa

Aerogel

Vlastnosti aerogelů mimořádné vlastnosti specifický povrch až 1000 m 2.g -1 tepelná vodivost pouze 0,02 W.m -1.K -1 relativní permitivita r 1,008 hustota 0,008 g.cm -3 Použití aerogelů nízkoteplotní tepelné izolace, izolační materiály v elektronice a elektrotechnice nosiče katalyzátorů pro organické syntézy

Anorganicko-organické materiály typu ORMOSIL kontaktní oční čočky výplně zubů mikroelektronika materiálové inženýrství 3D fotolitografie (laser)

3D fotolitografie

Prášky velmi jemné monodisperzní prášky oxidů určené jako plnivo nebo jako vstupní surovina pro přípravu speciální keramiky velikost částic od desítek nanometrů do mikrometrů s velmi úzkou distribucí velikosti částic

Oxid titaničitý Metoda sol-gel prášek slinoval na kompaktní materiál s hustotou nad 99 % teoretické hustoty pod 900 C Běžný prášek k dosažení 96 % teoretické hustoty byla potřeba teplota 1230 C

Další prášky vícesložkové keramické materiály mullit, BaTiO 3, SrTiO 3 a PLZT prášky TiO 2 s fotokatalytickými vlastnostmi kulovité částice částice s povlakem

Výhody metody sol-gel Vysoká homogenita připravených materiálů Dosažení vysoké čistoty a přesného složení materiálů Možnost přípravy nových typů materiálů

Výhody metody sol-gel Možnost přímé přípravy vrstev a vláken Možnost přípravy speciálních kompozitních materiálů Malá investiční a energetická náročnost

Nevýhody metody sol-gel Vysoká cena vstupních surovin Vyšší technologická náročnost Přítomnost zbytkového uhlíku a OH skupin