Silantechnologie
Die Silan-Technologie als Schlüssel zur chemischen Nanotechnologie
Ein grundlegendes Problem bei der Nutzung von anorganischen Nanopartikeln und ihren Funktionen in organischen Lacksystemen ist die Unverträglichkeit untereinander. Hier treffen ionische Bindungen auf kovalente Bindungen oder Salze auf Moleküle bzw. organische Polymerstrukturen. Die auftretenden physikalischen Effekte können die starken gleichgerichteten Bindungstypen meist nicht dominieren, so dass es unweigerlich zum Zusammenschluß bzw. Agglomeration der anorganischen Partikel kommt. Weiterhin haben die Partikel, die nur als Füllstoffe in organische Matrices eingearbeitet werden eine gewisse Bewegungsfreiheit, so dass Effekte wie beispielsweise Auskreidungen auftreten.
Eine Lösung für dieses Problem bieten die sogenannten Silane.
Das Basisatom eines Silanes ist das Silizium (Si). Das Silizium steht in der 4. Hauptgruppe direkt unter dem Kohlenstoff mit der Ordnungszahl 14. Silizium ist ein klassisches Halbmetall und weist daher sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen auf. Reines, elementares Silizium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typisch metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf. In seiner oxidischen Form tritt Silizium als SiO2 auf, was jedem bekannt ist als Hauptbestandteil des Fensterglases. Einzigartig als Element kann das Silizium neben der ionischen Bindung auch unter Normalbedingungen stabile kovalente Bindung zu Kohlenstoff eingehen. Diese als Organosilane bezeichneten Verbindungen können als „Brückenmolekül“ zwischen organischer und anorganischer Chemie genutzt werden.
Die kovalent gebundene Kohlenstoffkette kann zur Funktionalisierung der Oberfläche (hydrophil, hydrophob), aber auch zur Einpolymerisation in organische Netzwerke genutzt werden. An der „anorganischen Seite“ kann das Silizium zum einen über Abspaltung der -OR Gruppen, was im Allgemeinen Ethoxy- oder Methoxy-Abgangsgruppen sind, sowohl mit anderen Silanen, aber auch mit anorganischen Verbindungen oder Oberflächen reagieren. Die anorganische Reaktion von Silanen zur Netzwerkbildung oder zum Aufbau bzw. zur Oberflächenmodifizierung von nanoskaligen Strukturen oder Partikeln erfolgt üblicherweise über Hydrolyse- und Kondensationsprozesse der Silane und wird als Sol-Gel-Prozess bezeichnet.
Sol-Gel-Technologie
Sol-Gel-Prozess
Über den Sol-Gel-Prozess erhaltene Werkstoffe, bei denen in ein anorganisches Netzwerk kovalent organische Gruppen eingebaut werden, bezeichnet man auch als anorganisch-organische Komposite. Diese werden über Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen, z.B. ausgehend von modifizierten Siliziumalkoxiden, erhalten. Man hat folgendes Modell von Hydrolyse- (4) und Kondensationsteilschritt (5) am Beispiel des Methyltrialkoxysilan (vereinfachte Darstellung):
Durch die Kondensationsprozesse (5) erhält man ein dreidimensionales Netzwerk mit einem organisch modifizierten anorganischen Gerüst, dessen Eigenschaften, je nach Art des organischen Restes, von ihm bestimmt werden kann. Die kontrollierbaren Phasendimensionen der anorganisch-organischen Komponenten liegen in der Regel im Molekular- bis Nanometerbereich (T 5 nm).
Da die Aushärtungstemperaturen niedriger sind als die Zersetzungstemperaturen der organischen Seitenketten, besteht die Möglichkeit zur Darstellung von Mehrkomponentenmaterialien, die bei der NANO-X Anwendung als Beschichtungsmaterialien finden.
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