Aktualności i przegląd rynku

Inżynieria materiałowa należy do dziedzin, których rozwój w ostatnich latach jest bardzo dynamiczny.

Wkracza ona we wszystkie najważniejsze gałęzie przemysłu.

Trudno byłoby sobie wyobrazić dzisiejsze osiągnięcia przemysłu samochodowego czy

AGD bez inżynierii materiałowej.

Efektem pracy inżynierów materiałowych są między innymi nowe materiały o właściwościach niespotykanych w materiałach konwencjonalnych (metale, ceramika, szkło). Przykładem takich materiałów są organiczno-nieorganiczne polimery hybrydowe, które stanowią główny składnik nowej generacji powłok, nazywanych powłokami funkcyjnymi.

Termin "funkcyjne" oznacza, że powłoki te posiadają ciekawe - a co najważniejsze - użyteczne właściwości, np. samoczyszczące lub antyroszeniowe. Niniejszy artykuł poświęcony będzie tym ciekawym powłokom, ich strukturze, syntezie oraz możliwym zastosowaniom.

Polimery hybrydowe, które są podstawą struktury powłok funkcyjnych można zaliczyć do tzw. kompozytów molekularnych. Pojęcie "kompozyt molekularny" oznacza, że materiał w skali molekularnej jest niejednorodny. W przypadku polimerów hybrydowych niejednorodność ta wyraża się w tym, że ich makrocząsteczki posiadają fragmenty organiczne (znane nam dobrze łańcuchy węgiel-węgiel) oraz nieorganiczne (głównie połączenia krzem-tlen lub metal-tlen). Przykładową strukturę polimeru hybrydowego przedstawia rysunek 1. Struktura taka ma odzwierciedlenie w specyficznych właściwościach materiału. Obecność w strukturze polimerów hybrydowych łańcuchów siloksanowych - Si-O-Si-O-Si-O- lub połączeń metal-tlen powoduje, że materiały te posiadają właściwości typowe dla szkieł lub materiałów ceramicznych, to jest: twardość, odporność na zarysowanie, odporność na czynniki chemiczne i atmosferyczne, niską przepuszczalność gazów. Jest jednak powszechnie znane, że szkła i ceramiki cechują się kruchością oraz wysoką temperaturą przetwarzania. Te niewątpliwie wady materiałów czysto nieorganicznych są w strukturach hybrydowych znacznie wyeliminowane, dzięki obecności polimerycznych sieci organicznych. Obecność ta powoduje, że materiały te przy zaletach wymienionych wyżej posiadają także dobrą elastyczność, odporność na uderzenia oraz mogą być przetwarzane w niskich temperaturach.

Kolejnym ciekawym aspektem struktury powłok hybrydowych są grupy funkcyjne, które stosunkowo łatwo mogą być wprowadzane do sieci hybrydowej, dzięki syntezie tzw. metodą zol-żel (ang. sol-gel). To właśnie te grupy odpowiedzialne są za specyficzne właściwości powłok hybrydowych. I tak np. grupy fluorowe nadają właściwości antyadhezyjne (samoczyszczące), wprowadzenie polarnych grup karboksylowych, hydroksylowych czy aminowych powoduje, że powłoka posiada właściwości antyroszeniowe. Obecność polarnych grup w strukturze hybrydowej wpływa również na przepuszczalność gazów. Gazy są substancjami o budowie kowalencyjnej i posiadają małe powinowactwo do substancji polarnych, stąd ich przejście przez sieć polimerową posiadającą fragmenty polarne jest znacznie utrudnione. Grupy funkcyjne mogą również pełnić rolę promotorów adhezji powłoki do stali, szkła czy tworzyw.

Podstawową metodą w syntezie i technologii powłok hybrydowych jest wspomniana już wyżej metoda zol-żel. Proces ten został opracowany kilkadziesiąt lat temu i służył do niedawna wyłącznie jako metoda niskotemperaturowej syntezy powłok ceramicznych. Jednak w ciągu ostatnich lat znalazł zastosowanie właśnie w syntezie polimerów hybrydowych. Chemia procesu zol-żel oparta jest głównie na reakcji polimeryzacji nieorganicznej, która zachodzi pomiędzy monomerami tzw. prekursorami, którymi są organoksysilany lub organoksymetale (rys. 2). Reakcja ta składa się z dwóch etapów, którymi są hydroliza grup alkoksylowych prekursorów oraz kondensacja grup alkoksylowych z powstałymi grupami hydroksylowymi. Reakcje hydrolizy i kondensacji przebiegają w alkoholowo-wodnym roztworze prekursorów z dodatkiem katalizatorów. Powstaje w ten sposób zol, czyli roztwór oligomerów. Następnie zol ten jest nakładany na powierzchnię, gdzie zachodzą dalsze reakcje polimeryzacji nieorganicznej, a także, jeśli prekursory posiadają odpowiednie grupy organiczne, reakcje polimeryzacji organicznej. Reakcje polimeryzacji organicznej są zwykle inicjowane przez katalizatory, ciepło lub promieniowanie UV. W wyniku powyższych reakcji powstaje na powierzchni szkła, tworzywa lub metalu twarda powłoka zwana żelem. Powłoki takie są zwykle przezroczyste, posiadają dobre własności mechaniczne oraz estetyczne. Zaznaczyć tutaj trzeba, że technologia zol-żel jest niskotemperaturowa. W zależności od rodzaju materiału powłoki, jej utwardzanie może zachodzić nawet w temperaturze pokojowej. Fakt ten powoduje, że powłoki hybrydowe mogą być z powodzeniem stosowane do pokrywania tworzyw sztucznych.

Jako przykład zastosowania powłok hybrydowych można wymienić powierzchnie anty-graffiti. Na rys. 3 widać jak zachowuje się farba graffiti w kontakcie z taką powierzchnią. Obecność grup fluorowych w strukturze powłoki hybrydowej nadaje jej własności antyadhezyjne i samoczyszczące. Oznacza to, że wszelkie ciecze (a więc i farby graffiti) nie pokrywają jej równomiernie, ale zbijają się w postaci kropel, co uniemożliwia stworzenie jakiegokolwiek rysunku.