background image

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Otrzymywanie szkieł i warstw na szkle płaskim  

przy zastosowaniu metody zol-żel 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Metoda zol-żel 

 
Metoda  zol-żel  jest  znana  już  od  ponad  40-tu  lat.  Jednak  wyjątkowo  szybki  rozwój  prac 

badawczych nad otrzymaniem materiałów amorficznych metodą zol-żel zaczyna się od lat 70-tych, 
a  w  latach  80-tych  obserwuje  się  ich  szczególny  rozkwit.  Metodę  zol-żel  można  zaliczyć  do 
nowych,  niekonwencjonalnych  metod  syntezy  szkieł  nieorganicznych.  Jest  to  proces 
niskotemperaturowy,  pomijający  całkowicie  etap  ogniowy  i  opiera  się  głównie  na  reakcjach 
zachodzących w fazie ciekłej.  Podstawowymi surowcami są, zwykle alkoholany metali oraz inne 
związki,  np.  chelaty,  estry  lub  kombinacje  związków  organicznych  i  nieorganicznych  (azotany, 
chlorki, tlenochlorki). 
W  najbardziej  popularnej  metodzie  żelowej  -alkoholanowej  podstawowe  składniki  szkła 
wprowadzane  są  w  postaci  odpowiednich  alkoholanów  lub  estrów.  Obok  nich  w  skład  roztworu 
wyjściowego  wchodzi:  alkohol,  spełniający  rolę  rozpuszczalnika,  woda  oraz  katalizator  reakcji. 
Podstawowe  procesy  –reakcje  hydrolizy  i  polikondensacji  -warunkują  przemianę  roztworu 
wyjściowego  w  żel,  który  w  wyniku  odpowiedniej  obróbki  termicznej  może  przejść  w 
nieorganiczne  szkło  tlenkowe.  Po  zmieszaniu  składników,  estry  i  alkoholany  pierwiastków 
szkłotwórczych  i  modyfikujących  reagują  z  wodą  w  rozpuszczalniku  organicznym  i  ulegają 
częściowej  hydrolizie  i  polikondensacji.  Te  dwa  procesy  przebiegają  równolegle  i  nie  można  ich 
rozdzielić  w  czasie.  Zależą  one  od  wielu  czynników:  temperatury  i  pH  roztworu,  ilości 
rozpuszczalnika  i  wody.  pH  regulowane  jest  ilości  dodawanego  katalizatora  w  postaci  HCI  lub 
NH4OH. Optymalnym jest dobór takich warunków procesu, żeby żelowanie następowało w okresie 
dwóch do pięciu dni  a materiał końcowy miał  postać monolitu. Na mechanizm przebiegu reakcji 
hydrolizy ma wpływ rodzaj katalizatora. W przypadku stosowania kwasów (HCI, HNO

3

) hydroliza 

polega na elektrofilowym ataku skierowanym na atom tlenu jednej z grup alkoksylowych. 
 

 

 
 
 
Gdy katalizatorem jest zasada (ŃH

4

OH, NaOH) następuje nukleofilowy atak na atom krzemu: 

 

 

 
 

background image

 

Podczas  hydrolizy  alkoholanów  mogą  zaistnieć  dwa  przypadki:  hydroliza  kompletna  i  hydroliza 
częściowa. Pierwszy proces zachodzi w przypadku szybko hydrolizujących alkoholanów i etapem 
końcowym  jest  wytrącenie  nierozpuszczalnych  w  alkoholu  wodorotlenków.  Jest  to 
niedopuszczalne, gdy celem jest otrzymanie amorficznych materiałów żelowych. W związku z tym, 
że  alkoholany  wielu  pierwiastków  użytecznych  przy  wytwarzaniu  szkieł  wieloskładnikowych 
zwykle  hydrolizuje  dość  szybko,  należy  je  dodawać  stopniowo  do  najwolniej  hydrolizującego 
alkoholanu, w momencie, gdy jest on zhydrolizowany częściowo. Do tego znakomicie się nadają 
przede  wszystkim  związki  krzemu  -tetraetyloortokrzemian  (TEOS)  i  tetrametyloortokrzemian 
(TMOS).  Wolny  przebieg  reakcji  hydrolizy  i  polikondensacji  jest  niezbędny,  aby  w  warunkach 
niskotemperaturowej syntezy utworzyła się więźba tlenkowa. 

W  przypadku  pierwiastków  wielowartościowych  hydroliza  jest  wielostopniowa  i  każdy 

stopień reakcji odbywa się z różną szybkością. 
W przypadku stosowania TEOS-u przebieg reakcji hydrolizy jest następujący: 
 
Si(OC

2

H

5

)

4

 + H

2

O   (OH)Si(OC

2

H

5

)

3

 + C

2

H

5

OH 

 
(OH)Si(OC

2

H

5

)

3

 + H

2

O   (OH)

2

Si(OC

2

H

5

)

2

 + C

2

H

5

OH 

 
(OH)

2

Si(OC

2

H

5

)

2

 + H

2

O   (OH)

3

Si(OC

2

H

5

) + C

2

H

5

OH 

 
(OH)

3

Si(OC

2

H

5

) + H

2

O   Si(OH)

4

 + C

2

H

5

OH 

 
Drugim typem reakcji zachodzących podczas przemiany roztwór   zol   żel jest polikondensacja. 
W wyniku tych reakcji powstają wiązania mostkowe typu Si-O-Si, Si-O-Me, charakterystyczne dla 
sieci szkła tlenkowego. W przypadku szkła krzemianowego domieszkowanego tlenkami typu MeO 
przebieg tych reakcji jest następujący (R = C

2

H

5

, CH

3

): 

 

Si –OR + HO – Si       Si – O – Si   + ROH 

 

Si –OH + HO – Si       Si – O – Si   + H

2

 

Si –OR + RO – Si       Si – O – Si   + R

2

 
– Me – OH  + HO – Si     – Me – O – Si   + ROH 
 
Schemat  podany  na  rysunku  1  ilustruje  makroskopowy  przebieg  wyżej  opisanych  reakcji.  W 
roztworze znajdują się pojedyncze cząsteczki częściowo z hydrolizowanych alkoholanów. W zolu 
cząsteczki  są  już  częściowo  spolimeryzowane,  ale  stopień  polimeryzacji  jest  niewielki.  Przejściu 
zolu  w  żel  towarzyszy  aglomeracja  spolimeryzowanych  cząsteczek  i  na  skutek  tego  wzrost 
lepkości. Wszystkie wyżej opisane reakcje odbywają się w temperaturach pokojowych. 
 

background image

 

 

 
Rys.1 Schemat przemian zachodzących przy przejściu roztwór – zol – żel. 
 
 
 
Przemiany żel   szkło 
Otrzymany w warunkach otoczenia "wilgotny" żel zbudowany jest z fragmentów sieci tlenkowej, 
ale posiada również dużą ilość grup OH- i grup organicznych. Jest to materiał o bardzo wysokiej 
porowatości. Zawarte w porach woda i alkohol, pochodzące z roztworu wyjściowego oraz będące 
produktami reakcji hydrolizy i polikondensacji ulegają w dużym stopniu usunięciu przez suszenie 
w temperaturze pokojowej w ciągu kilkunastu do kilkudziesięciu dni. W tym czasie żel kurczy się i 
odstaje od ścian naczynia, w którym dotąd przebywał, zachowując jego kształt. Taki "zestarzony" 
żel poddaje się wygrzewaniu w temperaturze około 400°C. Sprzyja to dalszemu usunięciu wody i 
grup OH nie tylko  z porów ale i ze struktury żelu. Najpierw wydzielana  jest woda  (100-200°C), 
następnie  części  organiczne  (300-400°C).  Otrzymuje  się  wówczas  amorficzny  materiał  z  ciągłą 
więźbą  tlenkową.  Jest  on  na  ogół  przeźroczysty.  Porowatość  znacznie  się  zmniejsza,  ale  gęstość 
jeszcze różni się od gęstości szkła topionego; o tym samym składzie. Dalsze zagęszczanie struktury 
uzyskuje się poprzez dodatkową obróbkę termiczną. Prowadzona ona jest wieloetapowo i  bardzo 
wolno,  przy  czym  w  temperaturze  ok.  500°C  następuje  zapadanie  się  małych  porów,  zamykanie 
dużych porów odbywa się w przedziale temperatur 700-900°C. Pełne zagęszczenie żelu uzyskuje 
się przy obróbce do temperatury około 1000°C. Przy prawidłowo prowadzonej obróbce termicznej 
właściwości szkła żel owego nie różnią się od odpowiedniego szkła topionego. 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Zalety i wady metody zol-żel 
Ponieważ jest to metoda całkowicie odmienna od innych, celowym wydaje się podkreślenie, jakie 
posiada ona zalety w stosunku do metod konwencjonalnych. Metoda żelowa pozwala na uzyskanie 
materiałów o bardzo wysokiej jednorodności i czystości chemicznej. Ponieważ roztwór sporządza 
się  ze  związków  chemicznych  w  stanie  ciekłym,  cała  synteza  odbywa  się  w  warunkach 
zapewniających  jednorodność  na  skalę  molekularną.  Materiał  końcowy  wolny  jest  również  od 
smug,  pęcherzyków,  wtrąceń,  charakterystycznych  dla  szkieł  topionych.  Metodą  zol-żel  można 
uzyskać  materiały  amorficzne,  o  bardzo  różnych  składach  chemicznych,  często  trudnych  lub 
niemożliwych do uzyskania na drodze topienia (np. szkła z układu SiO

2

- TiO

2

-ZrO

2

, o unikalnym 

połączeniu  bardzo  niskiego  współczynnika  rozszerzalności  cieplnej,  wysokiego  współczynnika 
załamania światła i dużej odporności chemicznej w środowisku alkalicznym). Oprócz tego metoda 
pozwala na syntetyzowanie szkieł trudnotopliwych, omijając charakterystyczne dla nich zjawiska 
likwacji  i  krystalizacji,  ułatwiając  ich  otrzymywanie,  a  czasem  i  rozszerzając  granice  obszaru 
szklistego w układzie (np. układ SiO

- TiO

2

 ). 

Stosując  metodę  zol-żel  i  posługując  się  różnymi  technikami  (wyciąganie  nici,  osadzanie  z 
roztworu  powłok  poprzez  zanurzanie,  wirowanie  lub  rozpylanie,  zwykłe  mieszanie  i  odlewanie) 
można  uzyskać  monolity  o  różnych  kształtach,  nie  wymagających  prasowania,  obróbki 
mechanicznej a wykorzystując reologiczne właściwości zoli -włókna szklane, warstwy cienkie (50-
200 nm) i grubsze (do 3 m). 
Tak  sytuacja  wygląda  w  przypadku  otrzymywania  materiałów  amorficznych.  Jednakże  metoda 
żelowa  jest  użyteczna  również  przy  otrzymywaniu  materiałów  krystalicznych,  kompozytów, 
ceramiki. Jako następną zaletę można wymienić stosunkowo niskie temperatury obróbki termicznej 
(np. dla szkieł z układu SiO

2

-TiO

2

 -1000°C w porównaniu z temperaturą topienia ponad 1600°C) i 

wynikającą  z  tego  energooszczędność.  Niestety,  użyteczność  tej  metody  w  przemyśle  szklarskim 
nadal jest ograniczona, ze względu na trudności, towarzyszące tej syntezie, których pojawienie się 
decyduje o wadach tej metody. 
Wszystkie procesy zachodzące podczas przemiany zol - mokry żel - suchy żel są nieodwracalne i 
niemożliwe  do  zahamowania  ich  w  czasie.  Z  tego  wynikają  trudności  w  utrzymywaniu  stałej 
lepkości zolu, stanowiącej niezbędny warunek do otrzymywania materiałów na skalę przemysłową. 
Istnieją również bardzo duże trudności w uzyskaniu końcowych materiałów w formie monolitów, 
gdyż niebezpieczeństwo pękania istnieje na każdym etapie przechodzenia żelu w szkło. Przyczyną, 
jak  już  wspomniano,  są  naprężenia,  które  powstają  w  suchym  żelu  po  usunięciu  wody  i 
rozpuszczalnika  oraz  duży  skurcz  towarzyszący  termicznej  obróbce  żelu.  Oprócz  tego  dużo 
niepowodzeń  związanych  jest  z  porowatością  żeli.  Nieodpowiedni  program  obróbki  termicznej, 
przede  wszystkim  -prędkość  wzrostu  temperatury,  powoduje  zmiany  tekstury  żelu.  Zbyt  szybkie 
ogrzewanie powoduje wzrost średniej średnicy porów w żelu w porównaniu z żelem wygrzewanym 
powoli,  a  skoki  temperatur  mogą  doprowadzić  również  do  spękania  żelu.  Dużym  minusem, 
działającym  na  niekorzyść  tej  metody  jest  to,  że  wszystkie  procesy  w  tej  metodzie  są  bardzo 
długotrwałe i technicznie niemożliwe jest ich przyspieszenie. 
Dodatkowo, odczynniki używane w metodzie zol-żel są bardzo drogie, ze względu na koszty ich 
syntetyzowania. Wszystkie wymienione negatywne strony tej metody powodują, że zastosowanie 
jej  tylko  w  nielicznych  przypadkach  wyszło  poza  granice  laboratorium  i  ogranicza  się  do 
otrzymywania  w  niewielkich  ilościach  materiałów  specjalnych,  trudnych  lub  niemożliwych  do 
uzyskania innym sposobem. 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Warstwy zol-.żel na szkle 

Intensywne badania nad otrzymaniem cienkich warstw żelowych prowadzono już w latach 

60-tych, lecz w ostatnich 20-tu latach chemiczne procesy nakładania powłok, między innymi przy 
pomocy metody zol-żel stały się szczególnie popularne. 
Rozróżnia się dwie grupy metod, na których oparte są procesy otrzymywania warstw: 
Metody  I  grupy  -bazują  na  wykorzystaniu  stabilnych  roztworów  koloidalnych,  sporządzonych  w 
wodzie  lub  rozpuszczalnikach  niewodnych  z  wykorzystaniem  substancji  amorficznych  w  postaci 
cząstek koloidalnych. Takie koloidalne cząstki otrzymuje się metodą zol-żel przy użyciu chlorków 
metali  lub  alkoholanów  metali  jako  wyjściowych  substancji.  Można  je  otrzymać  również  przez 
utlenianie w  fazie  gazowej  metali lub  związków metaloorganicznych,  bądź też poprzez wymianę 
jonową w roztworach. 
Metody  II  grupy  opierają  się  na  hydrolitycznej  polikondensacji  alkoholanów  metali  i  tetraetoxy- 
względnie  tetrametoxykrzemu  w  rozpuszczalnikach  bezwodnych,  najczęściej  w  alkoholach.  Jako 
wyjściowe  substancje  stosowane  są  również,  podobnie  jak  w  I  grupie  metod,  alkoholany  metali, 
estry  ,  względnie  nieorganiczne  związki  niektórych  pierwiastków,  np.  azotany,  chlorki,  octany. 
Jako  substancje  wyjściowe  służą  też  wodne,  alkoholowe  lub  alkoholowo-wodne  roztwory  soli 
nieorganicznych metali. 

Nakładanie powłok metodą zol-żel może się odbywać przy pomocy różnych technik: 

  techniką  zanurzeniową  (szkło  podstawowe  zanurzano  i  wyciągano  z  roztworu  pionowo  w 

górę,  ze  stałą  prędkością;  roztwór  nie  przesuwa  się);  techniką  obniżenia  poziomu  lustra 
roztworu (szkło zanurzano w roztworze, po czym obniża się poziom lustra ze stałą prędkością 
–szkło pozostaje w tym samym miejscu); 

  techniką wirowania – na powierzchnię obracającego się szkła podawana jest porcja roztworu, 

warstwa tworzy się pod działaniem siły odśrodkowej; 

  techniką natrysku – roztwór rozprowadza się na powierzchni szkła przy pomocy aerografu;  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 
Metoda zanurzeniowa 

W metodzie tej powierzchnia pokrywana zostaje zanurzona w roztworze, z którego ma być 

nałożona  warstwa,  a  następnie  wynurzona  ze  ściśle  określoną  prędkością.  Podczas  doboru 
parametrów  procesu  istotny  jest  dobór  temperatury  roztworu,  z  którego  warstwa  będzie 
otrzymywana.  Proces  odbywa  się  przy  ciśnieniu  atmosferycznym.  Grubość  powłoki  regulowana 
jest poprzez szybkość wynurzania pokrywanej powierzchni oraz lepkość cieczy.  

 

Nakładanie powłok metodą zanurzeniową 

 

 

 

 

 

 

Jeżeli  szybkość  wynurzania  pozwala  zachować  parametry  charakterystyczne  dla  cieczy 
newtonowskich grubość nałożonej warstwy możemy wyliczyć przy pomocy równania LANDAU-
LEVICH’a 
 

h=0,94(ηV)

2/3

LV

1/6

(ρg)

1/2 

gdzie: 
h – grubość powłoki 
η – lepkość roztworu; γ

LV 

– napięcie na granicy faz ciecz/gaz; ρ – gęstość 

g – przyspieszenie ziemskie; V – szybkość wynurzania 

zanurzanie 

formowanie warstwy 

odparowanie 
rozcieńczalnika 

background image

 

 
Najistotniejszym  etapem  nakładania  powłok  poprzez    zanurzanie  jest  początek  formowania 
powłoki. Procesy zachodzące na tym etapie przedstawia poniższy rysunek.  
 

Formowanie powłoki w metodzie zanurzeniowej 

 

Naniesiona warstwa 

żelowanie 

     agregacja 

podłoże 

Formowanie warstwy 
powstrzymywane poprzez 
napięcie powierzchniowe 

Parowanie 
Woda/alkohol 

Rozcienczony zol 

Początkowe stadium 
uformowanej warstwy 

 

Otrzymana  powłoka  żelowa  zwykle  wymaga  obróbki  termicznej  w  celu  jej  zagęszczenia,  a 
temperatura tego procesu uzależniona jest od składu chemicznego warstwy. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Materiały hybrydowe 

 

Hybrydowe  szkła  organiczno-  nieorganiczne  stanowią  nowy  rodzaj  materiałów,  łączących 

w sobie cechy szkieł nieorganicznych oraz organicznych polimerów. Hybrydy takie otrzymywane 
są  zwykle  chemiczną  metodą  zol-  żel,  przy  zastosowaniu,  jako  materiałów  wyjściowych, 
alkoholanów odpowiednich pierwiastków oraz związków organicznych typu (RO)

4-n 

SiR

n

. Materiał 

finalny otrzymany w wyniku takiej syntezy, stanowi swoisty konglomerat złożony z nano-struktur 
tlenków  organicznych  i  organicznych  polimerów  połączonych  wzajemnie  wiązaniami 
chemicznymi. Taka budowa wewnętrzna sprawia, że szkła hybrydowe mogą w szerokim zakresie 
zmieniać  swoje  właściwości;  jest  to  szczególnie  ważne  w  przypadku  właściwości  optycznych, 
bowiem  w  zależności  od  rodzaju  i  ilości  modyfikatora  organicznego  można  otrzymać  szkła  o 
parametrach  optycznych  (współczynnik  załamania  światła,  dyspersja)  nieosiągalnych  przy 
zastosowaniu  tradycyjnych  technologii  topienia.  Ponadto,  zmodyfikowane  organicznie  szkła 
tlenkowe  stanowią  kompatybilną  matrycę  do  której  można  wprowadzać  szereg  związków 
organicznych o właściwościach barwnych, luminescencyjnych, laserowych uzyskując nowy rodzaj 
materiałów typu- hybrydowe szkła barwne, fotoczułe, fotochromatyczne, laserowe i inne. 
 

Modelowy schemat struktury szkieł hybrydowych. 

 

Si

O

Si

O

Si

O

Si

O

C

C

H

O

O

C

C

H

H

H

H

H

O

C

H

H

H

H

H

 

 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 

Wykonanie ćwiczenia 

 

 

Aparatura  

 
Szkło laboratoryjne 
Zlewki 
Pipety  
Cylindry miarowe 
Szkiełka zegarkowe 
 
Urządzenia 
Mieszadła magnetyczne, elementy mieszające 
Waga analityczna 
Urządzenie do wyciągania warstw 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

10 

 

Synteza roztworów do otrzymania żeli i nanoszenia warstw 

 
 

Otrzymywanie barwnych żeli hybrydowych i  barwnych warstw żelowych 

 
 

Przygotowanie roztworów: 

 
Założona zawartość składników: 
 
Si(OC

2

H

5

)

4

 TEOS/Dynasylan A – 25 [%mol] 

(C

6

H

5

)Si(OC

2

H

5

)

3

 PhTES/Dynasylan 9256 – 30 [%mol] 

(OCH

3

)

3

Si(CH

2

)

3

OCH

2

CHOCH GPTMS/Dynasylan GLYMO – 38 [%mol] 

C

8

H

20

O

4

Ti TEOT – 7 [%mol]  

 
 
Materiały wyjściowe: 
 
Odczynnik 

Cel użycia 

Gęstość 

[g/cm

3

Masa 

molowa 

[g/mol] 

Czystość[%] 

Tetraetoksysilan 
Si(OC

2

H

5

)

4

   TEOS

 

Prekursor 
nieorganicznej 
składowej 
hybrydy 

 

0,93 

 

208,33 

 

99 

Phenyltrietoksysilan 
(C

6

H

5

)Si(OC

2

H

5

)

3

    PhTES

 

Prekursor 
organicznej 
składowej 
hybrydy 

 

0,99 

 

240,38 

 

98 

Glycidixypropyltrimethoxysilane 
(OCH

3

)

3

Si(CH

2

)

3

OCH

2

CHOCH 

GPTMS 

Prekursor 
organicznej 
składowej 
hybrydy 

1.07

 

236,34 

98 

tetraetyloortotytanian  
C

8

H

20

O

4

Ti    Ti    

Prekursor 
nieorganicznej 
składowej 
hybrydy 

1,088 

228,1 

98 

Kwas solny 1mol/l 
HCl 

Katalizator 
reakcji hydrolizy 
i polikondensacji 

 
1,18 

 
36,6 

 
 

Etanol C

2

H

5

OH 

Rozpuszczalnik 

0,79 

46 

96 

 
Barwniki organiczne typu Orasol: Blue GN, Red BL, Orange RG. 
 
 
 
 

background image

 

11 

Ilość surowców użytych do syntezy [ml]: 
 

Odczynnik  

I(ml) 

II(ml) 

Si(OC

2

H

5

) TEOS 

(C

6

H

5

)Si(OC

2

H

5

)

3

 PhTES 

10 

7,5 

GPTMS 

12 

C

8

H

20

O

4

Ti TEOT 

1,5 

H

2

HCl 

C

2

H

5

OH 

12 

 
Przygotowanie barwnika: 
 
Barwnik typu Orasol – 100 [mg] 

Orasol Blue GN 
Orasol Orange RG 

 

I.  Odważyć 100 mg barwnika, następnie rozpuścić (w suchej czystej zlewce) w 12 ml. EtOH; 
II.  Odważyć 75 mg barwnika, następnie rozpuścić (w suchej czystej zlewce) w 9 ml. EtOH; 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

12 

Schemat syntezy roztworów wyjściowych: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Wszystkie odczynniki odmierzamy cylindrem miarowym lub pipetą, osobną dla każdego związku i 
SUCHĄ i CZYSTĄ
W trakcie syntezy zlewki powinny być nakryte szkiełkami zegarkowymi. 
 
Żel 
Roztwór końcowy pozostawia się w warunkach otoczenia aż do momentu zżelowania – utworzenia 
wilgotnego  żelu.  W  tym  czasie  zachodzą  w  dalszym  ciągu  procesy  polikondensacji,  roztwór 
przechodzi  stopniowo    w  zol  a  potem  w  żel.  Następnie  wilgotny  żel  poddaje  się  obróbce 
termicznej:  suszenie  –  otrzymujemy  „suchy”  żel  i  wygrzewanie  –  materiał  finalny.  Parametry 
obróbki termicznej zwykle ustala się eksperymentalnie. 
 
Warstwy 
Uzyskany  roztwór mieszamy  w temperaturze 100

o

C przez okres około  25 minut  (należy zwrócić 

uwagę,  aby  konsystencja  roztworu  nie  była  zbyt  gęsta,  gdyż  wtedy  powłoki  nie  będą  dobrze 
przylegały  do  powierzchni  szkła).  Przed  naniesieniem  warstwy  metodą  zanurzeniową,  roztwór 
należy schłodzić do temperatury otoczenia. 
 
 
 

TEOS + PhTES  

mieszanie 

10 min, T

ot

 

HCl (1n) 

mieszanie

 15 min, T

ot

 

barwnik organiczny Orasol

®

 

rozpuszczony w EtOH 

 

mieszanie

 25 min, T

ot

 

GPTMS 

mieszanie

 10 min, T

ot

 

mieszanie

 20 min, T

ot

 

TEOT 

ROZTWÓR KOŃCOWY 

background image

 

13 

Otrzymywanie bioaktywnych materiałów pochodzenia żelowego 

  z układu CaO-P

2

O

5

-SiO

2

 

 
Skład tlenkowy materiału A2: SiO

2

 - 40%mol.  CaO - 54%mol.  P

2

O

5

 - 6%mol. 

 

Przygotowanie roztworu: 

 
Materiały wyjściowe 
 
Odczynnik 

Cel użycia 

Gęstość 

[g/cm

3

Masa molowa 

[g/mol] 

Czystość[%] 

Tetraetoksysilan 
Si(OC

2

H

5

)

4

   TEOS

 

Prekursor  SiO

 

0,93 

 

208,33 

 

99 

Trietanolan fosforu 
OP(OC

2

H

5

)

3

 

Prekursor P

2

O

5

 

 

1,068 

 

182,16 

 

98 

Czterowodny  azotan 
wapnia 
Ca(NO

3

)

2

4H

2

Prekursor CaO  

 

236,15 

99 

H

2

Rozpuszczalnik 
azotanu 

18 

 

Kwas solny 1mol/l 
HCl 

Katalizator reakcji 
hydrolizy i 
polikondensacji 

 

1,18 

 

36,6 

 
 

Etanol C

2

H

5

OH 

Rozpuszczalnik 

0,79 

46 

96 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

14 

Schemat syntezy roztworów wyjściowych: 

 

 

 

 

 

mieszanie 15 min. 

 

 

 

mieszanie 15 min. 

 

 
 

 

mieszanie 35 min. 

 
 
 
 
 

 

mieszanie 60 min 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Si(OC

2

H

5

)

4

 - 30 ml. 

wilgotny żel (10dni) 

C

2

H

5

OH - 34 ml. 

suszenie: - w warunkach otoczenia 7-14 dni 

- w 60-100 C (6 dni) 

HCl - 2,5 ml. + H

2

O - 3 ml.

 

Wygrzewanie wieloetapowe do temp. 

200, 400, 600, 800 C 

OP(OC

2

H

5

)

3

 - 6,9 ml.

 

Ca(NO

3

)

2

4H

2

O - 42,7 g. 

rozpuszczony w C

2

H

5

OH + H

2

 

roztwór końcowy 

 

background image

 

15 

 

Przygotowanie powierzchni szkła do nanoszenia warstw 

 
Jako  materiał  podłożowy  do  nanoszenia  warstw  żelowych  można  stosować  szkiełka 
mikroskopowe. 
Ze  względu  na  wymaganą  czystą  powierzchnię  pokrywanego  szkła  należy  szkiełka  najpierw 
odtłuścić  przy  użyciu  specjalnego  płynu  do  szkła  lub  roztworu  detergentu,  i  bardzo  dobrze 
wypłukać  wodą  destylowaną.  Następnie  szkiełka  zanurza  się  w  rozcieńczonym  roztworze  kwasu 
fluorowodorowego  i  dokładnie  opłukuje  wodą  destylowaną,  i  suszy  w  suszarce  w  temperaturze 
80 C.  
 
Odpowiednie  przygotowanie  materiału  podłożowego  jest  istotne,  gdyż  dodatkowa  warstwa  (np. 
błona  H

2

O)  oraz  zanieczyszczenia  powierzchni    będą  powodować  zakłócenia  w  formowaniu  się 

warstwy i tworzeniu wiązań między warstwą a podłożem. 
 
 

 

 

Typowa powierzchnia szkła przed procesem czyszczenia 

 

 

Nakładanie warstw  

 
Uzyskany  wg  odpowiedniego  schematu  roztwór  mieszamy  przez  okres  około  25  minut  (należy 
zwrócić  uwagę,  aby  konsystencja  roztworu  nie  była  zbyt  gęsta,  gdyż  wtedy  powłoki  nie  będą 
dobrze  przylegały  do  powierzchni  szkła).  Przed  naniesieniem  warstwy  metodą  zanurzeniową, 
roztwór należy schłodzić do temperatury otoczenia. 
Przygotowane, czyste szkiełka mikroskopowe (wg poprzedniego schematu) zakłada się do uchwytu 
mocującego  i  zanurza  w  uprzednio  przygotowanym  roztworze  z  prędkością  5cm/min. 
Bezpośrednio po zanurzeniu płytkę szklaną wyciąga się z taką samą prędkością. Następnie należy 
ostrożnie zdjąć szkiełko z naniesioną warstwą z uchwytu i włożyć do pojemnika.  
Pojemnik umieszcza się w eksykatorze i suszy warstwy przez 1 dzień w warunkach otoczenia a po 
tym czasie poddaje się następującej obróbce termicznej: 
Suszenie 40 C/1h   
Suszenie 80 C/0,5h; 130 C/0,5h