Wpływ modyfikatorów nieorganicznych i organicznych na lepkość zoli, strukturę i własności barwnych powłok hybrydowych

• Autorzy: Cholewa-Kowalska K. , Kwaśny S. , Terczyńska-Madej A. , Nocuń M. , Olejniczak Z. , Łączka M.

Warianty tytułu

EN

Influence of inorganic and organic modifiers on viscosity of sols, structure and properties of coloured hybrid coatings

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Pokrywanie szkieł powłokami o różnej funkcjonalności jest bardzo aktualnym problemem współczesnego przetwórstwa szkła. Pozwala bowiem otrzymać wyrób o zmodyfikowanych własnościach, adekwatnych do jego użytkowania. Jednym ze sposobów modyfikacji powierzchni szkła jest nakładanie cienkich powłok barwnych doskonale przylegających do podłoża o różnorodnych intensywnych barwach, wytrzymałych mechanicznie i odpornych chemicznie. Warunki takie spełniają powłoki hybrydowe nieorganiczno-organiczne typu ORMOCER. Osnowę tych powłok stanowi sieć krzemionkowa, zawierająca często również inne pierwiastki (Al, Ti, Zr), podstawiające krzem; głównym modyfikatorem takiej sieci są grupy organiczne, powiązane z krzemem wiązaniem Si–C. Barwę powłokom nadają zwykle barwniki organiczne, dla których modyfikowana organicznie sieć krzemionkowa jest bardzo dobrą, kompatybilną matrycą. Roztwory do nakładania powłok otrzymuje się z odpowiednich organicznych związków krzemu, rozpuszczonych w alkoholu. Powłoki nakładane są zazwyczaj na wyroby szklane dwoma alternatywnymi metodami: zanurzeniowo-wynurzeniową i natrysku. Parametrem decydującym o jakości powłoki, a także o jej grubości i intensywności zabarwienia, jest lepkość roztworów wyjściowych, z których powłoki są nakładane. Z kolei, lepkość zoli jest uzależniona od składu roztworu wyjściowego, a w szczególności od rodzaju użytych modyfikatorów nieorganicznych i organicznych sieci krzemionkowej oraz od stopnia rozcieńczenia roztworu. Z punktu widzenia właściwości użytkowych barwnych powłok hybrydowych, dobrym rozwiązaniem są matryce, których skład oparty jest na dwóch związkach: TEOS i GPTMS. Ponieważ dodatek do takich matryc związków organicznych innych pierwiastków, np. tytanu czy cyrkonu ma wpływ na jakość i własności powłok, przeprowadzono badania nad wpływem związków tych pierwiastków na lepkość zoli, strukturę żeli i charakterystykę optyczną UV/VIS wytworzonych powłok barwnych. W badaniach zastosowano, jako prekursory Ti i Zr, tetraetyloortotytanian C8H20O4Ti i tetrapropyloortocyrkonian Zr(OC3H7)4. W celu uzyskania barwy, do roztworów wyjściowych wprowadzono barwniki typu ORASOL (Red BL, Blue GN lub Black RLI), rozpuszczone w alkoholu. Dla wszystkich roztworów wyjściowych przeprowadzono pomiary lepkości w funkcji czasu, którym towarzyszyło równolegle nakładanie cienkich warstw na powierzchnię szkieł płaskich i wyrobów szklanych z roztworów o znanej lepkości. Warstwy nakładano metodą zanurzeniowo-wynurzeniową. Przeprowadzono wizualną ocenę jakości warstw, jak również wykonano dla cienkich powłok na szkle płaskim pomiary spektrofotometryczne UV/VIS. Stosując metody spektroskopowe FTIR i 29Si MAS NMR, badano strukturę żeli otrzymanych z roztworów wyjściowych. Stwierdzono, że rodzaj zastosowanego modyfikatora, w postaci organicznych związków Ti i Zr, wpływa silnie na lepkość zoli, determinując warunki nakładania cienkich powłok.

EN

Coating glasses with coats of various functionalities is an issue of modern glass industry at present, because it allows us to obtain a product with modified properties, which are adequate to the purpose. One of the possible modification of glass is to apply thin colour layers that adhere to the substrate perfectly, having various intensive colours and being mechanically and chemically resistant. The ORMOCER type inorganic-organic hybrid coatings have such properties. A matrix of these coatings is made of the silica network often containing also other elements (Al, Ti, Zr) substituting silicon; organic groups bound with silicon via the Si–C bond are the main modifiers of such a network. Colour of the coatings is mostly given by organic dyes, for which the organically modified silica network is a very good compatible matrix. Solutions used for application of the thin layers are received from adequate organic compounds. The coatings are mostly applied on the glass products by two alternative methods: dipping or spraying. Viscosity of the initial solution used for the glass coating is the parameter, which determines the quality of the coating, and also the layer thickness and colour intensity. Furthermore, the sol viscosity depends on the composition of the initial solution, particularly, on the type of inorganic and organic modifiers used in the silica network and the dilution grade of the solution. From the point of view of colour properties of hybrid coatings, a good solution is to use matrices that composition is based on two compounds, namely TEOS and GPTMS. Since, the addition of other elements, e.g. titanium and zirconium, to such organic compound matrices influences the quality and properties of the coatings, a study of the influence of Ti and Zr containing compounds on the viscosity of sols, the structure of gels and the optical UV/VIS characteristics of colour coatings has been carried out. In the study, tetraethyl ortho-titaniate C8H20O4Ti and tetrapropyl ortho-zirconate Zr(OC3H7)4 were used as precursors for Ti and Zr. In order to obtain colours, ORASOL type dyes (Red BL, Blue GN or Black RLI) were dissolved in alcohol, and added to the initial solution. The measurements of viscosity as a function of time were carried out for each initial solution, and were accompanied by a parallel application of thin layers, using solutions with known viscosity. The films were applied by dipping on surfaces of flat glasses and glass products. Both the visual quality estimation of the applied layers and the spectrophotometric UV/VIS characterization were made. Spectroscopic examinations, i.e. FTIR and 29Si MAS NMR, were used to investigate the structure of the gels, obtained from the initial solutions. It has been found, that the type of the modifier, which was used in a form of organic compound containing Ti and Zr, strongly affected the sol viscosity. Thus, it determines the conditions of thin layer application.

Słowa kluczowe

PL

materiały hybrydowe; proces zol-żel; lepkość zoli; warstwy barwne

EN

hybrid materials; sol-gel method; sol viscosity; coloured coatings

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 1
• Strony: 93--101
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Cholewa-Kowalska K.

autor

Kwaśny S.

autor

Terczyńska-Madej A.

autor

Nocuń M.

autor

Olejniczak Z.

autor

Łączka M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Aegerter M.A., Almeida R., Soutar A., Tadanaga K., Yang H., Watanabe T.: „Coatings made by sol–gel and chemical nanotechnology”, J. Sol-Gel Sci. and Technol., 47, (2008), 203–236.
• [2] Haas K-H., Wolter H.: „Synthesis, properties and applications of inorganic–organic copolymers (ORMOCER’s)”, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 4, (1999) 571–580.
• [3] Mackenzie J.D., Bescher E.P.: „Structures, Properties and Potential Applications of Ormosils”, J. Sol-Gel Sci. and Technol., 13, (1998), 371–377.
• [4] Sanchez C., Lebeau B., Chaput F., Boilot J.-P.: „Optical Properties of Hybrid Organic-Inorganic Nanocomposites”, Advanced Materials 15, 23, (2003), 1969-1994.
• [5] Wojtach K., Łączka M., Cholewa-Kowalska K., Olejniczak Z.: „Coloured organic-inorganic coatings on glass”, Optical Mat., 27, 9, (2005), 1495-1500.
• [6] Wojtach K., Cholewa-Kowalska K., Laczka M., Olejniczak Z., Sokolowska J.: „Characteristic of coloured inorganic-organic hybrid materials”, J. Non Crystal. Sol., 353, 18-21, (2007), 2099 – 2103.
• [7] Haas K. H., Amberg-Schwab S., Rose K.: „Functionalized coating materials based on inorganic–organic copolymers”, Thin Solid Films, 351, (1999), 198–203.
• [8] Kickelbick G.: „Concepts for the incorporation of inorganic building blocks into organic polymers on a nanoscale”, Prog. Polym. Sci., 28, (2003), 83–114.
• [9] Katalog firmy Ciba®: Ciba® ORASOL® Special dyes.
• [10] Innocenzi P., Brusatin G., Guglielmi M., Signorini R., Bozio R., Maggini M.: „3-(Glycidoxypropyl)-trimethoxysilane-TiO2 hybrid organic-inorganic materials for optical limiting”, J. Non-Crystal. Sol., 265, (2000), 68-74.
• [11] Nocun M., Siwulski S., Leja E., Jedliński J.: „Structural studies of TEOS-tetraethoxytitanate based hybrids”, Optical Materials, 27, (2005), 1523-1528.
• [12] Hoebbel D., Nacken M., Schmidt H.: „On the Influence of Metal Alkoxides on the Epoxide Ring-Opening and Condensation Reactions of 3 Glycidoxypropyltrimethoxysilane”, J. Sol-Gel Sci. and Technol., 21, (2001), 177–187.
• [13] Zollinger H.: Color Chemistry. Syntheses, Properties, and Applications of Organic Dyes and Pigments, WILEYVCH, Zürich 2003.
• [14] Nocuń M.: „Amorficzne warstwy ochronne na bazie materiałów hybrydowych. Ceramika”, Ceramika 98, Kraków 2007.
• [15] Metroke T.L., Kachurina O., Knobbe E.T.: „Spectroscopic and corrosion resistance characterization of GLYMO–TEOS Ormosil coatings for aluminum alloy corrosion inhibition”, Progress in Organic Coatings, 44, (2002), 295–305.
• [16] Hoebbel D., Nacken M., Schmidt H.: „A NMR Study on the Hydrolysis, Condensation and Epoxide Ring-Opening Reaction in Sols and Gels of the System Glycidoxypropyltrimethoxysilane- Water-Titaniumtetraethoxide”, J. Sol-Gel Sci. and Technol., 12, (1998), 169–179.
• [17] Han Y.H., Taylor A., Mantle M.D., Knowles K.M.: „Sol–gelderived organic–inorganic hybrid materials”, J. Non-Crystal. Sol., 353, (2007), 313–320.