Lezione 4: Sol-Gel Flashcards
Cosa si intende quando si parla di sol-gel?
È una tecnologia chimica a umido in grado di realizzare network in primo luogo ceramici, in diverse forme e strutture, ma anche ibridi organici-inorganici. Partendo da precursori monomerici (soprattutto alcossidi) ed elaborandoli in soluzioni acquose o idroalcoliche, si giunge alla formazione di network:
- monodimensionali (particelle)
- bidimensionali (film sottili)
- tridimensionali (aerogel, ceramici massivi).
Illustra vantaggi e svantaggi della tecnologia sol-gel.
Vantaggi:
- Versatilità: controllo “chimico” di composizione, morfologia, struttura
- Chimica “dolce”: temperature moderate, <100°C
- Costi impiantistici contenuti
- Spessori e quantità: gli spessori sono nanometrici
- Sicurezza: processo privo di nanoparticelle per la realizzazione diceramici avanzati
Svantaggi:
- Know-how elevato in fase di sviluppo
- Costo: i precursori sono a volte costosi
- Sostanze utilizzate: spesso richiede l’uso di solventi (alcoli)
- Velocità ridotta, processo lento
- Stabilità da valutare caso per caso
Definizione di precursore
Il composto di partenza del processo sol gel (es. alcossidi). Il precursore va “sciolto”, disperso in un opportuno solvente.
Definizione di colloide
Sospensione nella quale la fase dispersa è così piccola (1-100 nm) che le forze gravitazionali sono trascurabili e le interazioni sono governate da forze a corto raggio, quali Van der Waals e cariche di superficie
Definizione di alcossido
E’ uno delle classi di possibili precursori metallorganici, in forma liquida, con formule base M(OR)n
Definizione di SOL
Dispersione in un liquido di un solido di opportune dimensioni; le particelle di solido sono dette anche micelle
Definizione di GEL
Network dotato di una certa rigidità caratterizzato dalla presenza di porosità inferiori al micron, in grado di inglobare al proprio interno del liquido disperso
Quali sono le due reazioni fondamentali per i SOL-GEL?
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-Idrolisi (sol): a pH neutri è una reazione lenta, ma può essere catalizzata modificando il pH
-Condensazione (gel): può essere di due tipi.
-Catalisi acida: si favorisce l’idrolisi dispetto alla
condensazione, formazione di struttura a maglie larghe
-Catalisi basica: si favorisce la condensazione, struttura
a maglie strette
Nella struttura rimangono comunque liberi degli oligomeri, che sono liberi di reagire con le catene presenti. L’interconnessione tende ad aumentare col tempo (e così anche la viscosità). La stabilizzazione viene favorita da un processo di invecchiamento portato avanti a temperatura intermedia.
Quali prodotti è possibile ottenere dalla tecnologia sol-gel?
- Ceramici massivi
- Fibre ceramiche
- Nanoparticelle solide
- Aerogel (strutture tridimensionali con il 95% di aria)
- Film nanometrici (anche trasparenti)
Come si ottengono i ceramici massivi
Soluzione sol > Gelificazione > Gel bagnato > Evaporazione > Xerogel > Calore > Ceramici massivi
Come si ottengono le fibre ceramiche e che applicazioni hanno
Soluzione sol > Spinning > Fornace > Fibre ceramiche
Coibentazione di turbine e generatori, e in tutti i casi in cui serva isolamento termico ad alte temperature.
Come si ottengono le nanoparticelle uniformi e che applicazioni hanno
Precipitazione della soluzione sol.
Vengono utilizzate nell’edilizia, come aggiunta al materiale di costruzione (cemento), es Palazzo Italia Expo 2015
Oppure nell’ambito automobilistico, come aggiunta alle vernici per migliorare proprietà antiscratch.
Come si ottiene l’aerogel e che applicazioni ha
Soluzione sol > Gelificazione > Gel bagnato > Estrazione del solvente > Aerogel
Costituito da ossido di silicio, è estremamente leggero ma dotato di eccezionali proprietà di isolamento termico ed acustico.
Come si ottengono i film nanometrici e che applicazioni hanno
Può essere applicato in diversi modi: -Spray coating -Dip coating + asciugatura + trattamento termico eventuale -Spin coating -Foulardatura o padding Applicazioni: -fotocatalisi -superidrofilia -autopulizia -superidrofobia -antibattericità
Parla della fotocatalisi
Fenomeno naturale in cui una sostanza detta fotocatalizzatore attraverso l’azione del sole (o luce UV), modifica la velocità di una reazione chimica attivando un processo ossidante che genera la decomposizione di sostanze organiche e inorganiche inquinanti. L’ossido di titanio può assumere sia microstruttura amorfa che microstrutture cristalline, la più interessante è l’anatasio, particolarmente efficace in queste funzioni.
Parla della superidrofilicità e superidrofobicità
Film nanometrici depositati tramite sol-gel sono in grado di modificare la bagnabilità dei materiali. La bagnabilità viene valutata mediante semplici prove di angolo di contatto.
-Angolo 0 < π < 90 altamente bagnabile
-Angolo 90 < π < 180 poco bagnabile
Si può manifestare una variazione dell’angolo di contatto grazie all’assorbimento di luce
In cosa consiste la tecnologia NanoSphere?
NanoSphere® utilizza una nanotecnologia di finitura superficiale che permette all’acqua e allo sporco di scivolare via dalla superficie del tessuto, imitando così il naturale effetto autopulente di alcune piante. Questo risultato della natura è definito: “effetto Loto”, copiato dalla ricerca tessile per creare funzioni di idrorepellenza e autopulizia. La naturale anti-aderenza e l’effetto auto-pulente è supportato dall’applicazione di nano-sfere.
Parla della autopulizia
Sia la soluzione superidrifilica che la soluzione superidrofobica consentono di ottenere superfici autopulenti. L’uso di film sol-gel di ossido di titanio superidrofilico, in grado di determinarne proprietà di autopulizia senza modificare il colore, può assumere una valore commerciale non secondario (diminuzione delle spese di manutenzione periodica per pulizia)
Un valore secondario di marketing è legato alle proprietà fotocatalitiche di abbattimento dell’inquinamento out- door e/o all’uso di prodotti nanotecnologici.
Nella superidrofobicità L’autopulizia è dovuta al rotolamento delle gocce d’acqua, che asportano lo sporco
Parla degli utilizzi dei film antibatterici
I film sol-gel di ossido di titanio (anatasio) sono caratterizzati anche da proprietà antibatteriche, anche in assenza, seppur favorite, da radiazione UV. Questo fatto può essere sfruttato per la realizzazione di superfici antibatteriche (dispositivi biomedicali, giocattoli, piani di lavoro dentistici, edilizia ospedaliera)
Parla dei film nanometrici trasparenti
Grazie alla possibilità di depositarli con spessore nanometrico inferiore alla lunghezza d’onda della luce visibile, i film sol-gel possono essere TRASPARENTI
Questo li rende particolarmente interessanti per il trattamento di substrati a loro volta trasparenti, sfruttando di volta in volta proprietà:
• antiriflesso: transizione continua nell’indice di rifrazione all’interfaccia e riducono la riflessione a <1%
• antiappannamento
• antigraffio
• colorazione superficiale (vetro): semplicità di smaltimento e riciclaggio, alta versatilità, miglioramento proprietà meccaniche
• riflessione di radiazioni IR: grande risparmio energetico sia in inverno che in estate
• assorbimento di radiazioni UV
Parla dell’applicazione nel tessile
I tessuti possono essere facilmente trattati “in continuo” mediante foulardatura e acquisire tutto lo spettro di proprietà precedentemente esaminate, cui si aggiungono proprietà specifiche come diminuzione infiammabilità, tingibilità, antimacchia, proprietà antistatiche, antipilling.
