Aktualne wydanie

2019 07 okladka

 

       7-8/2019

 

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

 LiSEC SS Konfig 480x120

  

VITRUM Swiat Szkla Web

 

ift 480x105px RFT19 engl 

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

 

Powłoki żelowe na szkle. Część 2
Data dodania: 12.12.08

Jednym ze sposobów modyfikacji powierzchni szkła w celu poprawy własności wyrobów szklanych oraz rozszerzenia ich funkcjonalności jest naniesienie na powierzchnię cienkich warstw o różnych składach i własnościach metodą zol-żel. W poprzedniej części artykułu opisano cechy charakterystyczne tej metody i nakładane z jej pomocą powłoki nieorganiczne na szkło.

Rodzaje powłok żelowych i ich zastosowanie
Powłoki hybrydowe organiczno-nieorganiczne [3, 5]

    Świat polimerów organicznych i szkieł nieorganicznych to, jakby się mogło wydawać, całkiem różne światy. To zróżnicowanie uwarunkowane jest głównie sposobem wytwarzania tych dwóch typów materiałów i ich termiczną odpornością. 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 [SiO4], połączonych wiązaniami mostkowymi Si-O-Si;
● struktur organicznych, opartych na różnego rodzaju polimerach, bazujących na łańcuchu węglowym C-C-C-.

    Współistnienie struktur nieorganicznych i organicznych może opierać się na dwóch podstawowych zasadach:
● jeden ze składników hybrydy (cząsteczki, oligomery, polimery) uwięziony jest w sieci innego składnika; w takim przypadku pomiędzy siecią przestrzenną głównego składnika a uwięzionymi cząsteczkami występują słabe oddziaływania typu wiązań Van der Walls’a, wiązania wodorowe czy oddziaływania elektrostatyczne;
● części organiczne i nieorganiczne powiązane są ze sobą wiązaniami o charakterze kowalencyjno-jonowym.

    Materiały hybrydowe, w których struktury organiczne i nieorganiczne współistnieją na skalę molekularną określa się jako nano-kompozyty lub kompozyty w skali molekularnej [23]. Przedstawicielem tego typu hybryd są popularne już dziś i dostępne na rynku materiały typu ORMOCER [24, 25] (organicznie modyfikowana ceramika), wytwarzane najczęściej w postaci cienkich powłok na różnych podłożach. Budowę wewnętrzną tych materiałów przedstawiono schematycznie na rys. 4.
    Materiały ORMOCER można traktować jako materiały pośrednie pod względem budowy wewnętrznej i właściwości (rys. 5) pomiędzy:
● ceramiką,
● polimerami organicznymi,
● silikonami.

    Idea wytworzenia tego typu materiałów polegała głównie na tym, aby przy zachowaniu, przynajmniej częściowo, takich cech ceramiki, jak twardość, odporność chemiczna i termiczna, przejąć z silikonów i polimerów pewną elastyczność struktury i plastyczność, co w znacznej mierze zmniejszałoby kruchość takich materiałów w porównaniu ze szkłem, czy wyrobami z ceramiki. Nie bez znaczenia jest również w tym przypadku wykorzystanie rozszerzonej, w stosunku do związków nieorganicznych, funkcjonalności związków organicznych. Najczęściej wykorzystywane w powłokach typu ORMOCER właściwości związków organicznych to ich barwa, właściwości luminescencyjne, właściwości laserowe, fotochromowe. I tak, dzięki wykorzystaniu barwników organicznych można otrzymać intensywnie i różnorodnie zabarwione powłoki na szkle i ceramice [26]; zastosowanie barwników organicznych laserowych pozwala wytworzyć lasery o dużej wydajności, emitujące światło w zakresie widzialnym [27]; szersze są również możliwości pozyskania nowych materiałów fotochromowych (soczewki, fotochromowe ciekle kryształy, fotochromowe plastiki) [28, 29]. Poprzez odpowiedni dobór nieorganicznych i organicznych składowych materiału hybrydowego, można wytworzyć powłoki ORMOCER o różnych własnościach i zastosowaniu. Jako przykład mogą posłużyć tu [4]:
● powłoki ochronne na delikatne powierzchnie;
● warstwy chroniące przed korozją [30];
● warstwy stanowiące barierę dla przenikania gazów, roztworów czy jonów [31];
● powłoki hydrofilowe, hydrofobowe, oleofobowe;
● warstwy antystatyczne;
● warstwy o zmodyfikowanych własnościach optycznych (współczynnik załamania światła, przepuszczalność światła) stosowane w optyce włóknistej i w fotonice [32];
● warstwy o właściwościach luminescencyjnych, laserowych, fotochromowych;
● warstwy dekoracyjne.

    Hybrydy nieorganiczno-organiczne ORMOCER otrzymuje się w procesie zol-żel, na drodze reakcji hydrolizy i polikondensacji odpowiednich alkoholanów. Prekursorami sieci nieorganicznej, opartej na krzemionce, są identyczne związki jak w klasycznej metodzie żelowej (TEOS, TMOS), natomiast prekursory składowej organicznej stanowią związki, w których grupa organiczna, bazująca na łańcuchach lub pierścieniach węglowych C-C-C-, połączona jest z krzemem bezpośrednim wiązaniem Si-C. Utwardzanie termiczne materiałów hybrydowych odbywa się z reguły w temperaturach poniżej 300oC.

Barwne powłoki żelowe organiczno-nieorganiczne na szkle
    Spośród różnego typu pokryć hybrydowych, bardzo 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.
    W Katedrze Technologii Szkła i Powłok Amorficznych WIMiC AGH opracowano i wstępnie przebadano różne typy barwnych powłok hybrydowych organiczno-nieorganicznych, wskazując na możliwości ich zastosowania do pokrywania szkieł opakowaniowych i gospodarczych, a także szkła płaskiego [33, 34]. Do tego celu wybrano barwniki typu ORASOL (Tab. 1) oraz matryce hybrydowe otrzymane z następujących związków:
A – TPh – TEOS [Si(OC2H5)4] + PhTES [(C6H5)Si(OC2H5)3]
B. – PGT – PhTES [(C6H5)Si(OC2H5)3] + GPTMS [(OCH3)3Si(CH2)3OCH2CHOCH] + TBA [C12 H27AlO3 ]

    Schemat syntezy roztworów, stosowanych do wytwarzania barwnych powłok na szkle podano na rys. 6.
    Powłoki nakładano na płytki szklane a także na wyroby szkła opakowaniowego (butelki, słoiki). Do nanoszenia warstw zastosowano trzy metody: zanurzeniowo-wynurzeniową, polewania wyrobu oraz natryskową przy użyciu sprężonego powietrza. Wyroby z naniesionymi warstwami suszono a następnie wygrzewano w temperaturze 200oC. Po obróbce termicznej powłoki charakteryzowały się intensywnym, jednolitym zabarwieniem (barwy: żółta, oranżowa, czerwona, niebieska, zielona), dobrą przyczepnością do podłoża oraz dobrą jakością (brak spękań i innych wad) (fot. 1.). Ich grubość wynosiła od kilku do kilkunastu µm i była zdeterminowana przede wszystkim lepkością zolu.
    Dla pokrytych wyrobów przeprowadzono test odporności chemicznej na działanie wody oraz na trwałość barwy. Szkła z nałożonymi powłokami gotowano w wodzie przez 1 godzinę, a następnie oznaczano w roztworze ilość wyługowanych alkaliów. Pokrycie szkła warstwą hybrydową zredukowało wydatnie ilość przechodzących do roztworu alkaliów do wartości charakterystycznej dla najwyższej klasy hydrolitycznej. Świadczy to o szczelności warstwy i jej własnościach ochronnych. Roztwór po gotowaniu był całkowicie bezbarwny co wskazywało na trwałe związanie cząsteczek barwnika w strukturze powłoki i nie przechodzenie ich do roztworu. Potwierdziły to badania spektroskopowe UV/VIS próbek szkła płaskiego, pokrytych powłokami hybrydowymi, przed i po teście na odporność chemiczną (rys. 7). Po teście nie stwierdzono żadnych znaczących zmian w przepuszczalności światła w zakresie widzialnym co z jednej strony świadczy o niezmienionym stanie powłoki po gotowanie (nie występują żadne zmatowienia na powierzchni, rozpraszające światło), a z drugiej – o nie wymywaniu się cząsteczek barwnika ze struktury powłoki.

    Opracowany w warunkach laboratoryjnych sposób wytwarzania barwnych warstw hybrydowych może stanowić podstawę technologii wytwarzania tego typu warstw, jako pokryć szkieł różnego typu.

Maria Łączka, Agnieszka Terczyńska,
Katarzyna Cholewa-Kowalska

AGH
Kraków

wszystkie części artykulu: 

- Powłoki żelowe na szkle. Część 1,  Maria Łączka, Agnieszka Terczyńska, Katarzyna Cholewa-Kowalska, Świat Szkła 9/2008

- Powłoki żelowe na szkle. Część 2,  Maria Łączka, Agnieszka Terczyńska, Katarzyna Cholewa-Kowalska, Świat Szkła 11/2008

patrz też:

- Poprawa właściwości fizykochemicznych szkła float , Marcin Drajewicz, Jan Wasylak, Świat Szkła 12/2008

- Niekonwencjonalne metody wytwarzania szkieł , Rafał Sindut, Świat Szkła 6/2008 

Literatura:
1. V. S. Smentkowski: Trends in sputtering, Progress in Surface, „Science” 64 (2000) 1-58,
2. Powłoki tlenkowe nanoszone metodą pirolizy (praca doktorska E. Żelazowskiej – Powłoki refleksyjne na szkle otrzymywane przez pirolizę. Kraków, 1994)
3. H. Schmidt: Multifunctional inorganic-organic composite sol-gel coatings for glass surfaces, “J. Non-Crystalline Solids”, 178 (1994) 302-313
4. M. A. Aegerter, Martin Menning: Sol-gel Technologies for Glass Producers and Users, Kluwer Academic Publishers, Boston/Dordrecht/New York/London , 2004.
5. M. Łączka, K. Cholewa-Kowalska, K. Wojtach, A. Tkacz: Związki organiczne w szkłach nieorganicznych – możliwości, zastosowanie. Prace Komisji Nauk Ceramicznych PAN, Polski Biuletyn Ceramiczny, Ceramika, 91/1 (2005) 22-37
6. C.J. Brinker, G.W. Scherer: Sol-Gel Science, Academic Press, San Diego (1990)
7. B.D. Fabes, D.R. Uhlmann: Strengthening of glass by sol-gel coatings. “J. Amer. Ceram. Soc.”, 73 (1990) 978.
8. A. Matsuda, N. Tohge, T. Minami: Preparation of B2O3-P2O5-SiO2 coatings fiilms by sol-gel method. “J. Materials Science”, 27 (1992) 4189.
9. P.F. James, M. Chen, F.R. Jones: Strengthening of soda-lime-silica glass by sol-gel and meltderived coatings. “J. Non-Crystalline Solids”, 155 (1993) 99.
10. J. Matsuoka, R. Mizutani, S. Kaneko, H. Nasu, K. Mamiya, K. Kadono, T. Sakaguchi, M. Miya: Sol-gel processing and optical nonlineariti of gold-colloid-doped silica, “Cer. Soc. Japan”, Int. Ed., 101 (1992) 55.
11. J.M.F. Navarro, M.A. Villegas: Preparation of gold ruby glass by the sol-gel method, “Glastechnische Berichte”, 54 (1992) 32.
12. S. Sakka, H. Kozuka: Sol-gel preparation of coating films containing noble metal colloids, “SolGel Science and Technology”, 13 (1998) 701.
13. M. Menning, K. Endres, M.Schmitt, H. Schmidt: Colored coatings on eye glass lenses by noble metal colloids. “J. Non-Crystalline Solids”, 218 (1997) 373.
14. M. Menning, K. Endres, M. Pietsch, H. Schmidt: Proc. 67th Annual Meeting of the Deutsche Glastechnische Gesellschaft, Bayreuth, extended abstract book (poster) 81 (1997)
15. S.A. Melpolder, A.W. West, C.L. Barnes, T.N. Blanton: Phase transformation in TiO2/SiO2 sol-gel films as a function of composition and heat treatment. “J. Materials Science”, 26 (1991) 3585.
16. X.M. Du, R.M. Almeida: Effects of thermal treatment on the structure and properties of SiO2TiO2 gel films on silicon substrates. “J. Sol-Gel Science and Techn”. 8 (1997) 377.
17. T. Nishide, F. Mizukami: Preparation and properties of TiO2-SiO2 (1:1) films prepared by a complexing agent assisted sol-gel process. “Thin Solid Films”, 298 (1997) 89.
18. Dinguo Chen: Anti-reflection (AR) coatings made by sol-gel process: A review. “Solar Energy Materials & Solar Cells”, 68 (2001) 313-336.
19. www.schott.com/architecture/english
20. R. Reisfeld, C.K. Jorgensen: Luminescent solar concentrators for energy conversion, “Structure and Bonding”, 49&159, 1 (1982)
21. R. Reisfeld: Advanced materials based on sol-gel technology, Platinum Jubilee Lecture, 3 (1998).
22. T.F. Stoica, T.A. Stoica, M. Zaharescu, M. Popescu, F. Sava, N. Popescu-Pogrion, L. Frunza: Characterization of ITO thin films prepared by spinning deposition starting from sol-gel process. “J. of Optoelectronics and Advanced Materials”, 2, 5 (2000) 684-688)
23. K.H. Haas, K. Rose: Hybrid inorganic/organic polymers with nanoscale building blocks: precursors, processing, properties and applications, “Rev. Adv. Mater. Sci.” 5 (2003) 47-52.
24. H. Schmidt: Application of Ormocers, in: SolGel Sci. Technol., E.J. Pope (ed.), ACERS, 253 (1995).
25. K.-H. Haas, S. Amberg, K. Rose: Functionalized coating materials based on inorganic-organic polymers, “Thin Solid Films”, 351 (1999) 198.
26. J. Kron, G. Schottner, K.J. Deichmann: Colouration of crystal glass through the application of decorative, coloured coatings based on organic-inorganic hybrid materials. “Glastechn. Berichte”, Ber. “Glass Sci. Technol.” 68 C1 (1995)
27. Guodong Qian, Yu Yang, Zhiyu Wang, Chunlei Yang, Minquan Wang: Photostability of perylene orange, perylene red and pyrromethene 567 laser dyes in various precursors derived gel glasses. “Chemical Physics Letters”, 368 (2003) 555-560.
28. S.A. Yamanaka, J.I. Zink, B. Dunn: Photochromism of sol-gel glasses containing encapsulated organic molecules. Proc. SPIE, 1758, (1992) 1544.
29. M. Menning, K. Fries, H. Schmidt: Photochromic organic-inorganic hybrid nanocomposite hard coatings with tailored fast switching properties. Material Research Soc., Symposium Proceedings, 576, (1999) 409.
30. T.P. Chou, C. Chandrasekaran, S.J. Limmer: Organic-inorganic hybrid coatings for corrosion protection. “J. Non-Crystall. Solids”, 290 (2001) 153-162.
31. V. Matejec, K. Rose, M. Hayer, M. Pospisilova, M. Chomat: Development of organically modified polysiloxanes for coating optical fibers and their sensivity to gases and solvents. “Sensors and Actuators B”, 38-39 (1997) 438-442.
32. G.R. Atkins, M. Krolikowska, A. Samoc: Optical properties of fan ormosil sestem comprising methyl- and phenyl-substituted silica. “J. Non-Crystall. Solids”, 265 (2000) 210-220
33. M. Łączka, K. Cholewa-Kowalska, Z. Olejniczak: Hybrydowe szkła organiczno-nieorganiczne, „Szkło i Ceramika”, 5 (2002).
34. K. Wojtach, M. Łączka, K. Cholewa-Kowalska, Z. Olejniczak: Coloured organic-inorganic coatings on glass, “Optical Mat.” 27, 9 (2005),1495-1500.
35. K.H. Haas, S. Amberg-Schwab, K. Rose, G. Schottner, Wet Chemistry: Coatings based on inorganic-organic polymers, 42nd Annual Technical Conference Proceedings (1999) ISSN 0737-5921.

 

 

 

01 chik
01 chik