Синтез золь-гель покрытий - Электронно-лучевой синтез TiO2 покрытий с использованием золь-гель мишеней

Термином "золь-гель технология" обозначают технологию получения технически ценных неорганических и органо-неорганических материалов (катализаторы, адсорбенты, мембраны, керамика и другие композиты) на основе перехода гомогенного раствора в золь и затем в гель.

Золь-гель метод является одним из перспективных методов синтеза наноструктурированных материалов повышенной чистоты. Он основан на совместном осаждении гидроксидов металлов либо взаимодействии этоксидов металлов с последующей кристаллизацией оксидов при термической обработке. Этот метод достаточно прост и позволяет в широких пределах варьировать свойства получаемых материалов, достигать значительного взаимодействия компонентов и требуемой дисперсности. Золь-гель технология является гораздо более экономичной и экологически чистой, чем, например, вакуумные и плазменные методы напыления тонких пленок.

Золь-гель метод состоит из четырех основных этапов: приготовление золя, напыление золя на подложку, высушивание золя в гель, отжиг для получения плотного покрытия с хорошей адгезией.

Золи могут наноситься на подложки окунанием, центрифугированием, электрофорезом или напылением. Любая усушка или уплотнение золя в процессе напыления должны компенсироваться для того, чтобы сохранить оптимальное состояние агрегирования. Конкретный метод нанесения зависит от формы и материала подложки, которая предварительно должна быть тщательно зачищена.

Превращение золя в гель осуществляется постепенной, осторожной сушкой. Чрезмерно быстрая сушка может вызвать растрескивание геля. На этой стадии процесс обратим. Гель может быть переведен обратно в форму золя путем смачивания растворителем, например, водой для водных золей.

Можно проиллюстрировать процессы, происходящие в золь-гель системе, с помощью элементарной схемы (рисунок 4).

схема перехода истинного раствора в золь и далее в гель

Рисунок 4 - Схема перехода истинного раствора в золь и далее в гель

В золь-гель технологии прекурсор - это вещество, которое при определенных условиях может образовывать полимолекулы, полисольватированные группы, мицеллы, из которых будут формировать зародыши наночастиц золя. В качестве прекурсоров могут использоваться практически любые, как правило, гидролизующиеся соединения - алкоксиды кремния Si(OR)4 и ряда других металлов (Me - Al, Ti, Sn, Zr и др), соли металлов (например, хлориды титана, оксохлориды ванадия).

Для того чтобы осуществить процессы гидролиза и поликонденсации (часто говорят: гидролитической поликонденсации), в реакционную среду вводят воду. Для того чтобы инициировать гидролиз и регулировать его скорость, добавляют катализаторы. Это чаще всего кислоты или щелочи. Поэтому в золь-гель технологии принято подразделять гидролиз на кислый и щелочной.

Можно вводить в золи и модифицирующие добавки, которые придадут новые полезные свойства получаемым материалам и покрытиям. Это могут быть водо-спирторастворимые соли и кислоты, органические низко - и высокомолекулярные соединения. Обычно перед введением в реакционную смесь соли растворяют в воде или органическом растворителе. Изначально, в момент смешивания исходных компонентов друг с другом, они, как правило, представляют собой истинные растворы. В результате гидролитической поликонденсации молекул прекурсора образуется наночастицы (твердая фаза), размер которых обычно находится в диапазоне 1-100 нм (рис. 4).

В золь-гель технологии золь - это дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и твердой нанодисперсной фазой. Гель - это композиционный материал, структура которого представляет собой взаимопроникающие твердую и жидкую фазы. Коллоидные же системы (коллоиды) - это двухфазные дисперсные системы с предельно высокой степенью дисперсности, при которой еще сохраняется гетерогенность, т. е. наличие между дисперсной фазой и дисперсной средой поверхности раздела; они являются промежуточными между молекулярно-дисперсными (истинными растворами) и грубо дисперсными (суспензиями, эмульсиями).

По мере "созревания" или старения золя начинается процесс агрегации частиц, который постепенно приводит к образованию трехмерной структуры (гигантского кластера) - геля (рисунок 4).

Классификация золь-гель процессов.

Известный специалист в области золь-гель процессов, американский исследователь Маккензи (John D. Mackenzie) предложил классифицировать золь-гель материалы по процессам их получения. Золь-гель процессы, в результате которых получаются неорганические стекловидные и керамические материалы он отнес к "процессам первого поколения" (рисунок 5). Соответственно, неорганические оксидные композиты, получаемые золь-гель методом, он назвал первой генерацией материалов.

схема золь-гель процессов первого поколения для синтеза оксидных материалов

Рисунок 5 - Схема золь-гель процессов первого поколения для синтеза оксидных материалов

В 1984-1988 г. появились пионерские исследования, показавшие возможность получения золь-гель методом, так называемых, органо-неорганических - гибридных материалов. Они формировались инкорпорацией неорганических фрагментов в органические матрицы или, наоборот - органических мономеров или олигомеров в неорганические сетки. Так появилась вторая генерация органо-неорганических материалов, получаемых с использованием золь-гель процессов второго поколения (рисунок 6).

схема золь-гель процессов второго поколения для синтеза новой генерации нанокомпозитов - органо-неорганических гибридов

Рисунок 6 - Схема золь-гель процессов второго поколения для синтеза новой генерации нанокомпозитов - органо-неорганических гибридов

Гибридные органо-неорганические материалы и покрытия также разделяются на две разновидности по типу химических связей, а именно:

    1. Органические и неорганические группировки связаны стабильными химическими связями: ковалентными, координационными, ионными. 2. Органические макромолекулы включены в неорганические сетки формируемого геля, или наоборот, неорганические молекулы или их агрегаты захвачены в органические макроструктуры. При этом органические и неорганические фрагменты могут быть связаны лишь слабыми физическими связями.

Похожие статьи




Синтез золь-гель покрытий - Электронно-лучевой синтез TiO2 покрытий с использованием золь-гель мишеней

Предыдущая | Следующая