Silika-Hybridmaterialien für Antifogging-Beschichtungen

Silica-hybrid-materials for antifogging coatings

Ausgehend von einem wasserlöslichen Silica-Precursor wurden zunächst die Eigenschaften der reinen Silicagele näher untersucht. Von Interesse war hierbei der Einfluss von Salzen, die Bestimmung der Schrumpfung der Gele während der Trocknung (bis zu 70%), die Ermittlung der spezifischen Oberfläche der Aerogele mittels BET (300 – 1200m²/g), die Netzwerkstrukturen, die mittels Rasterelektronenmikroskop abgebildet wurden, das Verhalten der Gele bei Temperaturerhöhung, sowie die Wasserdampf-AdsorptionAusgehend von einem wasserlöslichen Silica-Precursor wurden zunächst die Eigenschaften der reinen Silicagele näher untersucht. Von Interesse war hierbei der Einfluss von Salzen, die Bestimmung der Schrumpfung der Gele während der Trocknung (bis zu 70%), die Ermittlung der spezifischen Oberfläche der Aerogele mittels BET (300 – 1200m²/g), die Netzwerkstrukturen, die mittels Rasterelektronenmikroskop abgebildet wurden, das Verhalten der Gele bei Temperaturerhöhung, sowie die Wasserdampf-Adsorptionseigenschaften der Aerogele. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zusätzliche Precursormoleküle in die Gele eingebaut, die eine nicht hydrolysierbare, hydrophile Seitenkette besitzen. Auf diese Weise konnte die Schrumpfung der nassen Gele während der Alterung unterdrückt werden, nicht jedoch während der Trocknung, bei der die Schrumpfung zwar auf nur noch ca. 3 vol% deutlich abnimmt, aber nicht gänzlich ausbleibt. An den REM-Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass die Netzwerkstruktur aus 1-2 nm kleinen SiO2-Clustern besteht, die sich zunächst zu 10-20 nm großen Partikeln zusammenlagern, welche wiederum das 3D-Netzwerk bilden. Die Erhöhung der Hydrophilie der Aerogele durch die hydrophilen Seitenketten hat jedoch keinen Einfluss auf die absolute Wasseradsorption der Aerogele. Diese Additive können auch die Schrumpfung der Aerogele während der Wasserdampf-Absorption nicht verringern. Im dritten Teil der Arbeit wurde der Einbau von Polymerpartikeln aus PE bzw. PTFE in die Silicagele durchgeführt. Auf diese Weise wurden neuartige Hybridmaterialien synthetisiert, die aus organischen Polymeren in einer festen anorganischen Matrix bestehen. Durch Tempern der Materialien konnten die organischen Partikeln miteinander verschmolzen werden, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften der Aerogele führt. In REM-Aufnahmen wurde gezeigt, dass dieses Hybridmaterial aus „Interpenetrierenden Netzwerken – IPN´s“, einer Koexistenz eines organischen in einem anorganischen Netzwerk, besteht. Die Hydrophilie und die Adsorptionseigenschaften des SiO2-Netzwerks bleiben dadurch nahezu unverändert. Im vierten Teil der Arbeit gelang es Hybridmaterialien aus SiO2 und hydrophilen organischen Polymeren wie z.B. Polyacrylsäure oder Polydiallydimethylammoniumchlorid als monolitische Gelkörper mittels Sol-Gel-Prozess herzustellen. So konnten neuartige hydrophile Systeme entwickelt werden. Aufgrund der Wasserlöslichkeit des verwendeten Precursors und der Tatsache, dass dieser kein Ethanol oder Methanol während der Hydrolyse freisetzt, konnten nun neben neutralen Polymeren auch Polyelektrolyte eingebaut werden, ohne dass es zu Ausfallerscheinungen des Polyelektrolyten kommt. Die Porosität des Aerogels geht dabei mit steigendem Polymeranteil verloren, wohingegen die Wasserdampf-Absorptionsleistung gegenüber den reinen SiO2-Aerogelen deutlich gesteigert wird. Durch kovalente oder ionische Bindung können die Polymere an das SiO2-Gerüst gebunden werden, wodurch eine Auswaschung der Polymere bei Wasserkontakt effektiv verhindert wird. Im letzten Teil der Arbeit wurden aus den Silica-Solen mit hydrophilen Polymeren neuartige Antifogging-Beschichtungen auf Wasserbasis entwickelt. Die Beschichtungen können an Luft getrocknet werden, wobei sie auf ca. 1/100 ihrer Nassfilmdicke schrumpfen. Die Trockenfilmdicken betragen zwischen 0,5 und 10 µm. Die Beschichtungen zeigen einen sehr guten Antifogging-Effekt und sind nach dem Trocknen nicht mehr aus- bzw. abwaschbar. Die Universalhärte HU der Filme liegt bei ca. 1500 – 2400 N/mm². Diese ist zwar etwas geringer als die von reinem Glas (ca. 4000 N/mm²), übersteigt jedoch die von organischen Gläsern wie z.B. Plexiglas oder Polycarbonat (300 – 400 N/mm²) um ein Vielfaches. Die Kratzfestigkeit der Filme ist dadurch sehr gut. Im Gegensatz zu Filmen aus den reinen Polymeren sind die Hybridfilme sowohl im trockenen als auch im nassen Zustand nicht klebrig. Während der Adsorption nimmt der Film Wasser aus der umgebenden Atmosphäre auf und quillt dadurch um bis zu 100 % seiner Filmdicke. Beim Übergang der Beschichtungen von einer trockenen, kalten Atmossphäre in eine Atmosphähre mit Raumtemperatur bei 60% rel. Luftfeuchte – eine für Brillenträger im Winter typische Situation - bleibt bis zu einer Ausgangstemperatur von -7 °C eine Antifogging Wirkung erhalten. Es kommt im Gegensatz zu anderen aus der Literatur bekannten Antifogging-Filmen zu keiner Wasserfilmbildung auf der Beschichtung. Die hergestellten Antifogging Filme erfüllen demnach einen Großteil der bereits genannten gewünschten Eigenschaften.show moreshow less
The properties of silica gels based on a new, water soluble precursor have been studied. The influence of salts, the messurement of shrinkage of the gel during the drying process (up to 70%), the specific surface area of the aerogels (300 – 1200 m²/g), the network structures, the behaviour of the aerogels at higher temperatures as well as the absorption of water vapour were of special interest. In the second part of this work additional precursor molecules with non hydrolyseable hydrophilic sideThe properties of silica gels based on a new, water soluble precursor have been studied. The influence of salts, the messurement of shrinkage of the gel during the drying process (up to 70%), the specific surface area of the aerogels (300 – 1200 m²/g), the network structures, the behaviour of the aerogels at higher temperatures as well as the absorption of water vapour were of special interest. In the second part of this work additional precursor molecules with non hydrolyseable hydrophilic side-chains were introduced into the network structures of the SiO2-framework. The influence of those changes on the structure and the properties of the gels were investigated as mentioned above. The shrinkage of the wet gels could be prevented. The shrinkage during the drying processes could not be prevented but at least be reduced to about 3 vol%. The SiO2-Network consists of small primary SiO2-particles with diamters about 1-2 nm which build bigger 10-20 nm SiO2-Cluster. The SiO2-Cluster form the three dimensional network, what was shown in electron microscope pictures. The rise of hydrophilicity by adding the hydrophilic side chains to the SiO2-network did not influence the absolute amount of adsorbed water vapour. These additives could not reduce shrinking while the water vapour is being absorbed, either. In the third part the integration of PE and p-TFE particles into the silica gel was studied. By this method, new hydrophobic materials were synthesized, which consist of organic polymers in an inorganic matrix. The polymer particles could be fused together by heating the materials above the melting temperature of the polymer. This leads to improved mechanical properties of the Aerogels. REM pictures of the hybrid materials showed clearly a three dimensional polymer network inside the SiO2-network. The hydrophilic properties and adsorption of the silica-network remain nearly unchanged. In the fourth part novel hybrid materials from SiO2 und hydrophilic organic polymers like polyacrylic-acid or poly-diallyldimethylammoniumchloride were synthesized as monolithic bodies from the sol gel process. Due to the water soluble precursor which does not release ethanol or methanol during the hydrolysis, not only neutral polymers but also polyelektrolytes can be incorporated into the gels and no precipitation occurs. The porosity decreases with increasing polymer content and disappears at high polymer contents completely. In contrast to that, water adsorption can be strongly increased by higher polymer contents. The hydrophilic polymers fill up the pores of the SiO2-network more and more with increasing content and stabilize the whole network by that. So the hybrid materials can be dried on air without any damage or crackings and are optically transparent. The polymers can be bound to the silica network through covalent or ionic bonds. As a result of that, no washing out of the polymers in water takes place. In the last part of the thesis novel, water based antifogging films have been developed from the mentioned silica sols with hydrophilic polymers. The films can be dried in air and shrink to 1/100 of their original thickness in the wet state. The thicknesses of the dried films are between 0,5 µm an 10 µm. The films show an excellent antifogging effect and are not soluble in water after the drying process. The universal hardness HU is between 1500 and 2400 N/mm². This value is a little bit lower than the hardness of glass (ca. 4000 N/mm²) but very much above the hardness of some organic glasses like poly-methylmethacrylate or poly-carbonate (300-400 N/mm²). The scratch resistance of the films is very good. In contrast to polymer films with no additives these hybrid films show no adhesiveness on the surface, neither in wet nor in dried state. During the water vapour absorption the films absorb water from the atmosphere und swell up to 100% of their dry thicknesses. When the films are transferred from a cold atmosphere with low humidity into a warm atmosphere with 22°C and 60% rel. humidity – a typical situation for the wearers of glasses – the fogging does not occur down to starting temperatures about -7°C. There is no forming of a water film on the surface of the antifogging film as it is known from many other antifogging films in literature. The developed antifogging films possess most of the properties that are requested for antifogging films.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Chemie
Author: Ingo Zeitler
Advisor:Prof. Dr. Heinz Hoffmann (Prof. Dr.)
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:24.07.2008
Year of Completion:2008
SWD-Keyword:Adsorption; Beschichtung; Organisch-anorganischer Hybridwerkstoff; Siliciumdioxid; Sol-Gel-Verfahren
Tag:Antifogging Anti-Fogging; Hybridmaterial
adsorption; antifogging; coating; hybrid material; silica; sol-gel
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-4646
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):11.08.2008