exnar petr, zajícová veronika: příprava a vlastnosti tenkých hybridních nanokompozitních...

TECHNICKÁ UNIVERZITA LIBEREC

Fakulta přírodovědně - humanitní a pedagogická

Katedra chemie

Příprava a vlastnosti tenkých hybridních vrstev

na různých substrátech

Řešitel: Doc. Ing. Petr EXNAR, CSc.

Spoluřešitelé: Mgr. Veronika ZAJÍCOVÁ, Kateřina MÜLLEROVÁ

1

Cíle projektu

Optimalizace přípravy hybridních solů na bázi

TMSPM, TMSPM+TEOS a přípravy vrstev.

Testování vlastností připravených hybridních

materiálů (solů a vrstev).

Vývoj metodiky stanovení indexu lomu a tloušťky

hybridních vrstev.

2

Poznámka: zkrácená verze prezentace

Hybridní materiály

Počátek 90. let

Fraunhofer - Institut für Silicatforschung (ISC)

první vrstvy Ormocer

ORMOCER = ORganically MOdified CERamics

ORMOSIL = ORganically MOdified SILica

Základ anorganická síť Si – O – Si

+

organické funkční skupiny tvořící organickou síť

Nejsou to kompozity, ale organicko-anorganické polymery

3

Příprava hybridních materiálů4

Typy interakcí (vazeb), které se uplatňují v hybridních materiálech

Příklady struktur prekurzorů (Typ I.-IV.) používaných pro syntézy

čistě anorganických a hybridních materiálů

5Obecné schéma přípravy hybridní vrstvy

Schéma přípravy hybridních materiálů pomocí metody sol-gel

Experimenty a výsledky práce

Polymerizace methakrylskupiny radikálovým

katalyzátorem dibenzoylperoxidem BPO (80 a 90 °C)

nebo teplem (150 °C)

Iniciátor radikálové polymerizace BPO

O

O

O

O

6

3-(trimethoxysilyl)propyl methakrylát TMSPM

Sledování polymerizace solů IR spektroskopií

7

FTIR spektrum solu TMSPM

křivka a – 0 min, dosažení bodu varu solu, křivka b – 30 min, optimální stupeň předpolymerizace, křivka c – 60 min, za optimem kvality, křivka d – 240 min, oblast nástupu gelace).

Detail FTIR spektra solu TMSPM

(počátek varu solu)

křivka a – 0 min. křivka b – 30 min. křivka c – 60 min.

křivka d – 240 min.

Metody nanášení hybridních vrstevSpin-coating

Dip-coating

8

Modely vzniku hybridní vrstvy

Před tepelným zpracováním - sol

Po tepelném zpracování - vrstva

Organická část polymeru volná

Organická část polymeru zesítěná

9

AFM snímky hybridní vrstvy

vzorek 36A

TMSPM mikroskopické sklo

žádné výrazné nerovnosti povrchu, pozorovatelné póry

hodnota Ra z plochy 10x10 m 0,4 nm, výjimečně

do 0,9 nm

hladkost povrchu na atomární úrovni

10

Potvrzení poréznosti hybridní vrstvy 11

Metodou adsorpce dusíku při teplotě kapalného dusíku potvrzena přítomnost pórů v hybridním materiálu

Hybridní vrstva TMSPM na různých substrátech

Mikroskopické skloTvrzený polypropylen

Leštěná ocel

POP textilie

PES textilieMikroskopické sklo

12

Delší strana snímku 425µmoptický mikroskop

Index lomu a tloušťka hybridních vrstev 13

Závislost indexu lomu (λ = 500 nm) na obsahu TMSPM

v solech TMSPM – TEOS a na teplotě tepelného zpracování.

Hybridní vrstvy připravené ze solů

TMSPM - TEOS

Tloušťka připravených vrstev

Mechanická odolnost hybridních vrstev ELCOMETER 1720 Washability tester

Zatížení třecího segmentu 675 g

Definovaná rychlost 37cyklů/ 1 min

Testování na oceli a skle

Vrstvy tepelně zpracované při 90 °C

jednotky cyklů

Vrstvy tepelně zpracované při 150 °C

stovky cyklů

První rýhy ve vrstvě

Trhání vrstvy

Mikroskop Nikon EPIPHOT 200

TMSPM:TEOS + BPO, 90 °C/ 3 hod

TMSPM:TEOS + BPO, 150 °C/ 3 hod

14

Chemická odolnost hybridních vrstev

Vrstvy odolné v organických rozpouštědlech (na oceli i skle) HF a 30% NaOH vrstvu postupně rozrušují  96% H2SO4, HNO3 (1:1) a HCl (1:1) vrstva stálá na skle, ne na oceli

15

Závěry

Byla optimalizována příprava solů a vrstev na bázi

TMSPM a TEOS-TMSPM.

Připravené vrstvy byly hladké na atomární úrovni,

obsahovaly však póry s průměrem 3 až 30 nm.

Byla vyvinuta metodika měření tloušťky a indexu

lomu vrstev a byly proměřeny vlastnosti

připravených vrstev.

Připravené vrstvy jsou chemicky a mechanicky

odolné.

16

Děkuji vám za pozornost Děkuji vám za pozornost

24