Glaskeramisk bundmaling til lystbåde
3 Sol-Gel teknologi
3.1 Introduktion
Begrebet Sol-Gel teknologi dækker over en metode til fremstilling af glaskeramiske overflader baseret på flydende precursorer, der hærder ved en relativt lav temperatur. ’Sol’ er en forkortelse for det engelske ord solution, opløsning, og ’Gel’ for gelling, gelering (2). Princippet bag sol-gel teknologiske lakker er, at en opløsning af primært alkoxy-silaner geleres ud på en overflade og hærdes op til en glaskeramisk overflade. Denne teknologi tillader dermed at der kan laves glaskeramiske belægninger på overflader, der ellers ikke vil kunne modstå de temperaturforhold der gør sig gældende under traditionelle metoder til glaskeramiske bearbejdninger.
3.2 Amorft glas – Sol-Gel teknologiens fundament
3.2.1 Kvarts
Kvarts eller krystalglas er, på molekylært niveau, karakteriseret ved en overordentlig høj grad af orden. Silicium og Ilt atomerne danner en perfekt tetrahedral krystalgitter struktur. I praksis er denne struktur mere kompliceret en illustreret i figur 3.1, men principskitsen demonstrerer to, i denne sammenhæng, vigtige parametre: Den perfekte krystalstruktur og det totale fravær af organiske komponenter.
Figur 3.1: Silicium- (små, blå) og ilt-atomerne (store, røde) er perfekt ordnede i krystalgitteret. For den to-dimensionelle illustrationen skyld er silicium atomerne koordineret af tre, og ikke fire, ilt-atomer.
3.2.2 Amorft glas
Amorft glas, som kendes fra fx vinduesglas, er ligeledes et arrangement af bl.a. silicium og ilt atomer (siliciumdioxid udgør ca. 70-72 vægt procent – resterende del udgøres typisk mestendels af natrium og calcium-oxider eller karbonater). Igen er silicium atomet koordineret af fire ilt-atomer, men i den amorfe struktur hersker ikke samme orden som er åbenlys i kvarts. I figur 3.2 illustreres den amorfe struktur af et en-komponent glas (SiO2).
Fælles for krystalglasset og det amorfe glas, er at de traditionelt begge fremstilles ud fra solide råvarer, der opvarmes til over 1300 °C. Ved opvarmning til over 1800 °C kan kvarts og amorft glas transformeres fra den ene tilstand til den anden.
Figur 3.2: Den amorfe glas-struktur har ikke samme grad af orden som karakteriserer det perfekte kvartskrystal (silicium-atomer små/blå, ilt-atomer store/røde).
Sol-Gel teknologien er en metode til ved lav temperatur og ud fra flydende råvarer at lave en belægning der er opbygget som amorft glas. Derudover åbner Sol-Gel teknologien for fremstillingen af hybrider: amorfe glas strukturer funktionaliseret med organiske sidekæder (2,3).
3.2.3 Hybride Sol-Gel belægninger - smidige
Syntesen af Sol-Gel belægninger er baseret på alkoxy-silaner; silicium atomer koordineret af alkoholgrupper der let hydrolyseres. Komplet hydrolyse af alle siliciumatomets fire sidekæder muliggør syntese af fuldstændigt uorganiske Sol-Gel belægninger, som illustreret i figur 3.2. Modificeres de grundlæggende alkoxy-silaner, så de indeholder en ikke hydrolyserbar sidekæde vil den endelige glaskeramiske belægning tildeles en organisk komponent. Med muligheden for, baseret på Sol-Gel teknologi, at syntetisere organiske/uorganiske glaskeramiske hybrider, er der åbnet for udviklingen af lakker der kan tildeles helt nye egenskaber(4). En traditionel glaskeramisk belægning er karakteriseret ved hårdhed og ringe fleksibilitet. En organisk/uorganisk Sol-Gel hybrid kan modificeres med lange, fleksible kemiske forbindelser som en integreret del af matricen (5,6). En sådan Sol-Gel vil i praksis være langt mere fleksibel end den traditionelle glaskeramiske overflade, og vil således kunne modstå langt voldsommere deformationer af det underliggende substrat. Til gengæld vil belægningen, såfremt der ikke foretages initiativer til at forhindre dette, typiske være mindre hård og dermed mere modtagelig for ridser. Figur 3.3 viser en reaktion mellem to organiske sidekæder der leder til dannelsen af en stærk, fleksibel forbindelse de to silicium-atomer imellem.
Figur 3.3: Illustration af krydsbinding mellem 3-glycidoxypropyltrimethoxysilan (en epoxyfunktionel silan, traditionelt kaldet Glymo) og 3-aminopropyltriethoxysilan (en aminofunktionel silan, traditionelt kaldet Ameo).
Et andet karakteristisk træk der kan opnås ved hybrid-teknologien er en stærkt forbedre substrat adhæsion, da det netop er muligt at sætte sidekæder på silanerne, der vil krydsbinde sig stærkt til det specifikke substrat.
Figur 3.4 viser et eksempel på en Sol-Gel hybrid, hvor den amorfe struktur samt tilstedeværelsen af de organiske sidekæder er tydelig. Resultatet er en yderst fleksibel glaskeramisk belægning, der dog typisk ikke besidder stor hårdhed, og derfor er sårbar overfor slitage.
Figur 3.4: Organisk/uorganisk Sol-Gel hybrid. En del af tetraalkoxysilanerne, udgangspunktet for syntesen af den klassiske amorfe glaskeramiske belægning baseret på Sol-Gel teknologi, er substitueret med funktionelle alkyltrialkoxysilaner, der muliggør en fleksibel krydsbinding siliciumatomerne imellem. Silicium-atomer små/blå, ilt-atomer store/røde, rød zig-zag linie angiver en fleksibel organisk sidekæde.
3.2.4 Sol-Gel nanokompositter - hårde
Yderligere egenskaber kan indlejres i Sol-Gel baserede belægningssystemer ved krydsbinding af specialiserede nanopartikler. Afhængigt af nanopartiklernes beskaffenhed, kan Sol-Gel nanokompositter opnå hårdhed og ridsefasthed, der er sammenlignelig med glas samtidig med at fleksibiliteten bevares, korrosionsbeskyttende egenskaber, uv-absorberende egenskaber, fotokatalytiske egenskaber, m.m. I formuleringen af Sol-Gel belægningen tages der hensyn til nanopartiklernes overfladebeskaffenhed, således disse bliver krydsbundet ind i belægningerne og ikke migrerer bort. Afhængigt af partiklernes egenskaber (materiale, overflademodifikationer, m.m.) opnås specialiserede funktioner. Figur 3.5 illustrerer princippet bag en amorf organisk/inorganisk hybrid sol-gel belægning med indlejrede nanopartikler.
Figur 3.5: Sol-Gel nanokomposit. Nanopartikler, typisk i størrelsesordnen 10 – 100 nm bindes kovalent ind i Sol-Gel matricen. Silicium-atomer små/blå, ilt-atomer store/røde, rød zig-zag linie angiver en fleksible organisk sidekæde, nanopartikler størst/grå.
3.3 Additivering
Additivering benyttes for at tildele Sol-Gel belægningerne funktioner der ikke umiddelbart kan opnås gennem modifikation af matricen. I udviklingen af funktionelle belægninger er det et tilbagevendende problem at den teoretisk set optimale sammensætning, for at opnå en given overflade funktion, ikke nødvendigvis har optimale konventionelle lak-egenskaber. Ved konventionelle lak egenskaber forstås her fx:
- Substratvædning: specielt med slip-let belægninger, der er karakteriseret ved en meget lav overfladeenergi, kan der observeres ringe substratvædning. I stedet for at danne en tynd, sammenhængende film henover substratet, perler lakken i stedet sammen i dråber.
- Skumdannelse: under blanding eller påføring introduceres der ofte luftbobler i lakken. Den korrekt formulerede lak eliminerer hurtigt boblerne, men i en problematisk lak akkumulerer boblerne og giver anledning til skumdannelse.
- Overflade finish: lakker plages af en række overfladedefekter, der devaluerer såvel den funtionelle som den æstetiske værdi. Overfladedefekterne karakteriseres med en række fagtermer, hvoraf pinholes, benard celler og appelsinhud kan nævnes.
For at sikre en given Sol-Gel lak mod ovennævnte problemer, er det muligt at anvende en række kommercielle lak additiver. Et vist afprøvnings-/udviklingsarbejde er dog påkrævet for at identificere additiver med de bedste egenskaber og bedst kompatibilitet med den specifikke lak sammensætning. Sol-Gel lakkerne har vist sig at være udmærket kompatible med en række kommercielle lak additiver, således egenskaber der ikke nativt ligger i lak formuleringen kan tildeles ved additivering. Disse additiver er altså karakteriseret ved at de primært udspiller deres funktion under påføringsprocessen og kun til en mindre grad tjener til at opnår en overflade funktionalitet.
Ligeledes kan der tildeles specifikke overfladeegenskaber vha. tilsætning af en række additiver, der ikke direkte er en del af Sol-Gel matricen, men dog stadig binder sig til denne på en måde således at der fx opnås ændret overfladeenergi eller slip-let egenskaber mod specifikke stoffer. Denne type additiver er altså primært rettet mod at opnå subtile overfladefunktioner, der enten ikke kan opnås direkte ved modificering af matricen, eller som ved modificering af matricen medfører uhensigtsmæssige bivirkninger. Princippet bag overflademodificering af en hybrid Sol-Gel belægning er illustreret i figur 3.6.
Figur 3.6: Overflademodificeret Sol-Gel belægning. Blå bølgestreger symboliserer overflademigrerende additiver, der fx mindsker overfladeenergien betydeligt. Silicium-atomer små/blå, ilt-atomer store/røde, rød zig-zag linie angiver en fleksible organisk sidekæde, stiplet blå bølgelinie angiver et overfladelokaliseret additiv.
Version 1.0 Juli 2008, © Miljøstyrelsen.