příprava vrstev metodou sol - gel
DESCRIPTION
VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Ústav skla a keramiky. Příprava vrstev metodou sol - gel. Základní pojmy. Sol - koloidní suspenze, ve které jsou homogenně dispergované pevné částice s koloidními rozměry (1 – 1000 nm) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Příprava vrstev metodou sol - gelPříprava vrstev
metodou sol - gel
VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE
Ústav skla a keramiky
Základní pojmyZákladní pojmy
SolSol - koloidní suspenze, ve které jsou homogenně
dispergované pevné částice s koloidními
rozměry (1 – 1000 nm)
GelGel - koloidní systém charakteru pevné fáze, v které
dispergovaná pevná fáze tvoří souvislou
3-rozměrnou síť
GelaceGelace - vznik vazeb mezi molekulami látek
Procesy přechodu: roztok - sol - gelProcesy přechodu: roztok - sol - gel
Výchozí roztokVýchozí roztok - alkoxidy se rozpustí v organických rozpouštědlech (nejčastěji alkoholech) HydrolýzaHydrolýza - rozklad látek (alkoxidů) pomocí vody – vznik solu: M(OR)4 + H2O → M(OR)3OH + ROH
- výměna alkoxidické skupiny za hydroxylovou KondenzaceKondenzace - reakce dvou částečně hydrolyzovaných molekul za
uvolnění: vody: (OR)3M - OH + HO - M(OR)3 → (OR)3M - O - M(OR)3 + H2O alkoholu: (OR)3M - OR + HO - M(OR)3 → (OR)3M - O - M(OR)3 + ROH
Postupně reagují i další alkoxidové skupiny a dochází k prodlužování řetězce s opakující se vazbou
Během síťování dochází ke vzniku gelu
Vliv pH na strukturu geluVliv pH na strukturu gelu při reakci v kyselém prostředí vznikají dlouhé řetězce,při reakci v kyselém prostředí vznikají dlouhé řetězce,
jejichž spojování a vzájemné propletání řetězců vede kejejichž spojování a vzájemné propletání řetězců vede ke
vzniku geluvzniku gelu
v zásaditém prostředí vznikají větvené krátké řetězce, v zásaditém prostředí vznikají větvené krátké řetězce,
které se shlukují do tzv. clusterů. Spojováním těchtokteré se shlukují do tzv. clusterů. Spojováním těchto
clusterů dochází ke gelaci.clusterů dochází ke gelaci.
pH > 7pH < 7
Metoda sol - gelMetoda sol - gel
Příprava vrstev metodou sol-gel Příprava vrstev metodou sol-gel
Aplikace metody sol-gel: například příprava tenkých vrstev na různých Aplikace metody sol-gel: například příprava tenkých vrstev na různých substrátechsubstrátech Tyto vrstvy zlepšují jejich optické, mechanické nebo elektrickéTyto vrstvy zlepšují jejich optické, mechanické nebo elektrické vlastnostivlastnosti
Použití některých vrstev připravených metodou sol-gel:Použití některých vrstev připravených metodou sol-gel:
VlastnostiVlastnosti Funkce filmu Složení vrstvy Funkce filmu Složení vrstvy
Optické Absorpční, reflexní TiOOptické Absorpční, reflexní TiO22 - SiO - SiO22, TiO, TiO22, SiO, SiO22, ZrO, ZrO22
Elektrické Vodivá, polovodivá Oxidy In, Sn, V, SiOElektrické Vodivá, polovodivá Oxidy In, Sn, V, SiO22
Ochranné Korozní odolnost SiOOchranné Korozní odolnost SiO22, TiO, TiO22, ZrO, ZrO22
Alkalivzdornost MgO - AlAlkalivzdornost MgO - Al22OO33 - SiO - SiO22 - P - P22OO55
Bioaktivní Hydroxyapatit - CaBioaktivní Hydroxyapatit - Ca1010(PO(PO44))66(OH)(OH)22
Antibakteriální Ag - SiOAntibakteriální Ag - SiO22, Ag - Al, Ag - Al22OO33 - SiO - SiO22
Povlakování:Povlakování: dip - coating, spin - coatingdip - coating, spin - coating
Povlakování metodou Dip-coatingPovlakování metodou Dip-coating
Ponoření do solu: tvorba vazeb: substrát - molekuly solu
Vytahování - kontakt vrstvy solu se vzduchem - odpaření
přebytečného rozpouštědla - začína gelatinizace
Sušení
Výpal -přeměna gelu na skelnou nebo keramickou vrstvu
Tloušťka nanesené vrstvy:Tloušťka nanesené vrstvy:- od desítek nanometrů- do desítek mikrometrů
Použití metody sol – gel v restaurováníPoužití metody sol – gel v restaurování
Pro účely preventivní konzervace povrchu skla:Pro účely preventivní konzervace povrchu skla: - zlepšení chemické odolnosti povrchu - zlepšení chemické odolnosti povrchu - mechanická fixace odlupujících se korozních vrstev- mechanická fixace odlupujících se korozních vrstev
Archeologické sklo - zatím není obecně používaná Archeologické sklo - zatím není obecně používaná - možnost vylepšit antibakteriální vlastnosti- možnost vylepšit antibakteriální vlastnosti uloženého skla (přídavkem Ag+ iontu)uloženého skla (přídavkem Ag+ iontu)
Vitráže - sklo neustále vystavené povětrnostním podmínkám Vitráže - sklo neustále vystavené povětrnostním podmínkám - vylepšení samočistících schopností (přídavek TiO- vylepšení samočistících schopností (přídavek TiO22))
Poslední soud na katedrále sv. Víta (1368), P. Parléř Poslední soud na katedrále sv. Víta (1368), P. Parléř (restaurované metodou sol gel, r. 2000)(restaurované metodou sol gel, r. 2000)
Mozaikové kameny vyrobeny v celé EvropěMozaikové kameny vyrobeny v celé Evropě
Stříbro ve skleStříbro ve skle Skla obsahující stříbro byla tavena již ve starověku
Stříbro se přidává přímo do sklářského kmene, případně se do skla
vnáší výměnnou difúzí s alkalickými ionty
SSoučasnostoučasnost - skla obsahující částice stříbra jsou předmětem výzkumu
v souvislosti s jejich využitím pro přípravu lazur, optických vlnovodů,
polovodičů, různých fotosenzitivních nebo antibakteriálních skel
LazurováníLazurování - tradiční způsob výroby žlutě zbarveného skla
PrincipPrincip: nanesení směsi okrového pigmentu a stříbrné soli na sklo,
kde za zvýšené teploty nastává výměnná reakce mezi sodnými ionty
přítomnými ve skle a stříbrnými ionty z lazury
Iontovou výměnou lze připravit i červeně zbarvená skla, která
obsahují stříbro
Barevné vrstvy na skleBarevné vrstvy na skle
Metoda sol - gel - umožňuje velmi dobře měnit složení sklaMetoda sol - gel - umožňuje velmi dobře měnit složení skla v povrchové vrstvě, tloušťku nanesené vrstvy a samozřejmě iv povrchové vrstvě, tloušťku nanesené vrstvy a samozřejmě i intenzitu zabarveníintenzitu zabarvení Nejčastěji používaným prekurzorem Nejčastěji používaným prekurzorem -- tetraethoxysilan (TEOS) tetraethoxysilan (TEOS) - - je rozpuštěn v organickém rozpouštědle (ethanol) a vodě je rozpuštěn v organickém rozpouštědle (ethanol) a vodě
ZZdroj stříbra droj stříbra - - dusičnan stříbrný, který je na rozdíl od většinydusičnan stříbrný, který je na rozdíl od většiny stříbrných solí velmi dobře rozpustný ve vodě stříbrných solí velmi dobře rozpustný ve vodě
Polykondenzační reakce Polykondenzační reakce -- katalyzovány kyselinou dusičnou katalyzovány kyselinou dusičnou - - použití jiné kyseliny použití jiné kyseliny -- vznik vznik nerozpustných stříbrných solínerozpustných stříbrných solí
Intenzita zabarvení Intenzita zabarvení - - roste s rostoucí teplotou výpalu, dobouroste s rostoucí teplotou výpalu, dobou výpalu a koncentrací redukčního činidlavýpalu a koncentrací redukčního činidla
Experimentální část 1:Příprava vrstev obsahujících
částice stříbra metodou sol-gel
Experimentální část 1:Příprava vrstev obsahujících
částice stříbra metodou sol-gel
SubstrátSubstrát - mikroskopické sklíčko umýt detergentem- mikroskopické sklíčko umýt detergentem - opláchnout proudem tekoucí vody - opláchnout proudem tekoucí vody - umýt destilovanou vodou a etanolem - umýt destilovanou vodou a etanolem - nechat sušit v sušárně při 60 °C po dobu 30 min- nechat sušit v sušárně při 60 °C po dobu 30 min
Výchozí solVýchozí sol - roztok I. - 10 ml TEOSu- roztok I. - 10 ml TEOSu 30 ml etanolu30 ml etanolu 2 ml destilované vody 2 ml destilované vody 2 ml 1M kyseliny dusičné (HNO2 ml 1M kyseliny dusičné (HNO33))
- roztok II. - 0.5 g dusičnanu stříbrného (AgNO- roztok II. - 0.5 g dusičnanu stříbrného (AgNO33))
3 ml destilované vody3 ml destilované vody - přilít roztok II. do roztoku I. a nechat 1 hod míchat- přilít roztok II. do roztoku I. a nechat 1 hod míchat
Nanášení soluNanášení solu - technikou dip-coating - technikou dip-coating
Zařízení na potahování substrátuZařízení na potahování substrátu - dip - coater (obrázek)- dip - coater (obrázek)
Podmínky potahováníPodmínky potahování - rychlost ponořování do solu: 20 cm/min. - rychlost ponořování do solu: 20 cm/min. - doba výdrže v solu: 60 s - doba výdrže v solu: 60 s - rychlost vytahování ze solu: 6 cm/min.- rychlost vytahování ze solu: 6 cm/min.
Držák substrátu
PET nádobkase solem
regulace rychlosti vytahování substrátu ze solu
Sušení vrstev Sušení vrstev - 60°C po dobu 30 min- 60°C po dobu 30 min
Výpal vrstevVýpal vrstev - 500°C, resp. 550°C - 500°C, resp. 550°C po dobu 30 s - 2 hodpo dobu 30 s - 2 hod
Absorpční spektrofotometrieAbsorpční spektrofotometrie
- měření absorpce elektromagnetického záření substrátu s nanesenou vrstvou - molekuly pohlcují elektromagnetické záření určitých vlnových délek - pokud se vlnová délka absorbovaného záření pohybuje v rozmezí viditelné oblasti, jeví se vzorek jako barevný
K měření bude použit UV/VIS spektrofotometr Shimadzu UV-1201 Absorbance bude měřena v rozmezí vlnových délek 300 – 700 nm
Data budou zpracována pomocí počítačového softwaru Bude sledován vliv teploty výpalu na jejich barevnost
Experimentální část 2:Charakterizace vypálených vrstev
Experimentální část 2:Charakterizace vypálených vrstev
ZDROJEZDROJE
Brinker C.J., Scherer G.W.: Sol gel science:The physics and chemistry of sol-gel
processing, Academic press, London, 1990
Plško A., ExnarP.: Použitie metódy sól-gel pre prípravu špeciálnych materiálov,
najmä skiel, Silikáty, 33, 69-84, 1989
Novotný M.: Sol-gel vrstvy s obsahem stříbra, Diplomová práce, VŠCHT, 1998
www.vscht.cz
www.solgel.com
www.getty.edu