View
4.192
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Modern technology - chemical principes, composites, nanotechnology
Citation preview
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Chemické základy moderních materiálU
Úvod historie materiálů Kompozitní materiály výztuže, pojiva, technologie Nanomateriály paradoxy nanosvěta anorganicko-organické materiály nanovlákna uhlíkové nanotrubice vodivé vrstvy polymerů
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Přírodní materiály
korek
kůže
3000 BC Kovy a slitiny
Skla
Kámen a keramika
Youngův modul [GPa]
Pev
no
st, e
last
ický
lim
it [
MP
a]
měkké dřevo, přes vlákna
tvrdé dřevo, přes vlákna
měkké dřevo, podél vláken
slitiny olova
čisté olovo
bambus
břidlice
pískovec
Ag tvrdé dřevo, podél vláken
cín mramor
Cu Au
bronz
žula
Na-Ca sklo
cihly
vápenec
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
XV. století
Pev
no
st, e
last
ický
lim
it [
MP
a]
Youngův modul [GPa]
Přírodní materiály
Kovy a slitiny
Kámen a keramika
kůže
korek měkké dřevo,
přes vlákna
tvrdé dřevo, přes vlákna
měkké dřevo, podél vláken
slitiny olova
bambus
pískovec
tvrdé dřevo, podél vláken
cín mramor
Skla
břidlice
Ag
Cu
Au bronz
žula
Na-Ca sklo
vápenec
čisté olovo cihly cement
mosaz
šedá litina
za 4500 let přibyly pouze šedá litina, mosaz a cement
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Pev
no
st, e
last
ický
lim
it [
MP
a]
Youngův modul [GPa]
Přírodní materiály
2012 Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Kovy a slitiny
Speciální keramika
1000
1
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm
XXI. století nabízí podstatně širší paletu materiálů v zřetelně širším rozsahu vlastností
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Pev
no
st, e
last
ický
lim
it [
MP
a]
Youngův modul [GPa]
Přírodní materiály
2012 Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Kovy a slitiny
Speciální keramika
1000
1
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm
XXI. století nabízí podstatně širší paletu materiálů v zřetelně širším rozsahu vlastností
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Pev
no
st, e
last
ický
lim
it [
MP
a]
Youngův modul [GPa]
Přírodní materiály
2012 Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Kovy a slitiny
Speciální keramika
1000
1
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm
XXI. století nabízí podstatně širší paletu materiálů v zřetelně širším rozsahu vlastností
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
MATERIÁLOVÁ MAPA – PEVNOST – HUSTOTA
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
ODOLNOSTI materiálu v chemikáliích
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kompozitní materiály Z pozůstalosti Járy Cimrmana:
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kompozitní materiály
Laboratorní výrobu a technické použití skleněných vláken uvádějí ve svých pracích zakladatelé moderní fyziky Hooke a Réaumur (17. až počátek 18. století). Koncem 19. stol. se objevují první zmínky o technickém zužitkování skleněného vlákna v patentové literatuře. Nejstarší dochovaná zmínka je z roku 1880 a zabývá se drátem pro telegraf opředeným skleněnou izolací. Veřejný zájem o skleněná vlákna byl vzbuzen na Světové výstavě v Chicagu v roce 1893, kdy Edward Drummond Libbey vytáhl pramence vláken z rozžhavených konců tyčí a namotal je na otáčející se buben velkého průměru. V roce 1916 podává R. Kemp první patent na vlákny vyztužený plast Gupta, P.K.: Glass Fibers for Composite Materials in Fibre Reinforcements for Composite Materials, ed. Bunsell A.R., Elsevier, Amsterodam 1988
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Edward Drummond Libbey (1854-1925) a jeho žena Florence Scott Libbey (1863-1938), ca. 1901
Georgia Eva Cayvan v šatech ze skleněného hedvábí 1893
Kompozitní materiály
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kompozitní materiály
Composite materials
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-konstrukce-a-vyroba-superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_113318_tec_technika_NYV
Kompozitní materiály
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kompozitní materiály
tvoří materiálový systém, složený ze dvou nebo více fází, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, dosahující vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoliv složkou samostatně ani prostým součtem vlastností
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Synergický efekt
Jev, kdy je získán materiál s lepšími vlastnostmi, než mají jednotlivé složky samostatně
Synergie je výsledkem chemické interakce povrchů složek kompozitů Může se jednat o chemickou vazbu i o nevazebné interakce
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Jaký je rozdíl mezi chemickou
vazbou a nevazebnou interakcí?
?
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Jaký je rozdíl mezi chemickou
vazbou a nevazebnou interakcí?
?
Chemická vazba spojuje atomy, nevazebné interakce jsou síly mezi
molekulami …
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Jaké typy chemických vazeb a
nevazebných interakcí rozlišujeme?
?
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Jaké typy chemických vazeb a
nevazebných interakcí rozlišujeme?
?
Chemická vazba: iontová, kovová a kovalentní, nevazebné interakce:
van der Waalsovy síly a vodíkové můstky
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Jak jsou zhruba velké chemické
vazby a nevazebné interakce?
?
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Jak jsou zhruba velké chemické
vazby a nevazebné interakce?
?
Chemická vazba: 100 – 800 kJ/mol, nevazebné interakce: 1 – 80 kJ/mol
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kompozitní materiály
Více informací můžete získat prostudováním knih: R.A. Bareš: Kompozitní materiály, SNTL Praha 1988, ISBN 04-734-88, 325 stran J. Kolařík: Vysokomodulová polymerní vlákna a vláknové kompozity, Academia Praha 1984, ISBN21-013-84, 103 stran
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Složky kompozitů
matrice
•pojiva
výztuže
•plniva
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Matrice
Polymerní termosety, termoplasty... skla, kovy, keramika, cementy, geopolymery...
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Výztuže
dispersní částice – prášky, vločky... mikrokuličky vrstevnaté částice – pásky, destičky... vlákna – krátká, nepřetržitá, zpracovaná do textilních útvarů...
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Vliv vyztužování na vlastnosti kompozitů
Cena
Fyzikálně - mechanické vlastnosti modul pružnosti pevnost tažnost rázová houževnatost tvrdost koeficient tření opotřebení
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Vliv vyztužování na vlastnosti kompozitů
Reologické vlastnosti
Chemická odolnost
Tepelně - fyzikální vlastnosti koeficient tepelné roztažnosti tepelná vodivost tepelná kapacita tepelná odolnost
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Vliv vyztužování na vlastnosti kompozitů
Optické vlastnosti barva index lomu
Elektrické vlastnosti elektrická vodivost elektrická pevnost
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Způsoby získávání materiálů pro vyztužování polymerů
Přírodní suroviny:
těžba,
mletí,
třídění ...
– vápenec, kaolin, živec, wollastonit ...
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Způsoby získávání materiálů pro vyztužování polymerů
Chemická syntéza nebo rozklad:
SiO2, CaCO3: srážení - sušení - třídění ...
saze: pyrolýza - mletí - třídění ...
SiC, Al2O3, Si3N4, B4C: syntéza - drcení - třídění …
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Způsoby získávání materiálů pro vyztužování polymerů
Složitější pochody skleněná vlákna: příprava skloviny - zvlákňování - povrchové úpravy ... aramidová vlákna: syntéza polymeru - zvlákňování - dloužení - povrchové úpravy ... uhlíková vlákna: syntéza suroviny - zvlákňování - stabilizace - karbonizace - povrchové úpravy ... whiskery: pěstování monokrystalů whiskerů - třídění - povrchové úpravy keramická vlákna: keramické sintrační pochody - povrchové úpravy ...
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Matrice polymerních kompozitů
termoplasty – termosety – elastomery – pěny Způsoby jejich získávání přírodní látky - přírodní kaučuk polymerace, polykondenzace, polyadice jednodušších látek získaných z ropy, hnědého uhlí nebo acetylenovou chemií, rozkladem biomasy - lignin, furalové pryskyřice
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Skleněná vlákna pro kompozitní materiály
skleněná vlákna jsou nejběžnějším
výztužovým materiálem
výhody:
nízká cena,
nevýhody:
nízké moduly pružnosti,
problémy na mezivrstvě vlákno – pojivo
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
uhlíková vlákna stala materiálem, který má tyto unikátní vlastnosti: maximální specifickou pevnost maximální tuhost – modul pružnosti maximální tepelnou vodivost – až 3 krát větší než má měď
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Proč mají uhlíková vlákna vynikající vlastnosti
Struktura uhlíkových vláken vychází z velmi jemných krystalitů grafitu t.zn. uhlík je tu v hybridizaci sp2
čím jsou krystality větší a lépe orientovány podle osy vlákna, tím vyšších modulů pružnosti i vyšší tepelné a elektrické vodivosti dosáhneme
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
pevnost uhlíkových vláken je limitována kvalitou povrchu vláken (nepřítomnost nečistot) a tím, jak jsou grafitické krystaly vzájemně provázány
SEM AFM model
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
Americká uhlíková vlákna ze smol K1100, modul pružnosti 935 GPa
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
Japonská uhlíková vlákna ze smol CN90 a CN80, modul pružnosti 890 a 780 GPa
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
Uhlíkové vlákno ze smol, modul pružnosti 680 GPa
Uhlíkové vlákno z polyakrylonitrilu, modul pružnosti 580 GPa
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
Standardní uhlíkové vlákno z polyakrylonitrilu, E-modul 285 GPa
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
Uhlíkové vlákno z viskózové suroviny modul pružnosti 60 GPa
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
vlákna z aromatických para-polyamidů, výhody: vysoká houževnatost nevýhody: poškozuje je UV záření, vlhkost narušuje vazbu vlákno-matrice
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Stephanie Louise Kwolek
*31.7.1923
polsko-americká chemička
1965 vynalezla postup přípravy aromatických polyamidů
– současná nejpevnější organická vlákna
– obchodní značka Kevlar (DuPont)
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
vynikající vlastnosti kevlarových vláken jsou dány jejich vnitřní strukturou – pravidelné střídání benzenových jader a –CONH– skupin v řetězci vytváří pevnou makromolekulu
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
vynikající vlastnosti kevlarových vláken jsou dány jejich vnitřní strukturou
jednotlivé makromolekulární řetězce jsou mezi sebou vázány vodíkovou vazbou
vodíkové vazby zvyšují
pevnost
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
vodíkové vazby spojují orientované makromolekuly v pásy, benzenová jádra v řetězcích jsou mírně ukloněna a způsobují tak mechanické zaklínění jednotlivých pásů k sobě
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Kevlarové tkaniny pro kompozity
Následující obrázky věnovala firma Havel-Composite (www.havel-composites.com)
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Tkaniny: uhlíková a kevlarová vlákna
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Propletové pásky – kevlar + uhlík
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Propletové pásky – uhlíková vlákna
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Technologie výroby kompozitů
Ruční lisování
Upraveno podle: ASHBY, M F. 'Materials Selection and Process in Mechanical Design.' Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm
Technologie výroby kompozitů
Ruční kladení výztuže a laminování
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm
Technologie výroby kompozitů
Nástřik – sprejování – pryskyřice se sekanými vlákny
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm
Technologie výroby kompozitů
Přesné skládání prepregů, případně předimpregnovaných vlákenných svazků
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Technologie výroby kompozitů
Tažení profilů
Upraveno podle: ASHBY, M F. 'Materials Selection and Process in Mechanical Design.' Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Technologie výroby kompozitů
Pultruze – tažení profilů
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
www.lawrietechnology.com/images/pultrusion1.png
Technologie výroby kompozitů
Pultruze – tažení profilů
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Upraveno podle: ASHBY, M F. 'Materials Selection and Process in Mechanical Design.' Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9
Technologie výroby kompozitů
Injekční lisování
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
northbaymolding.com/images/injectionmold.gif
Technologie výroby kompozitů
Injekční lisování
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iii/otm_iii_1fig08.gif
Technologie výroby kompozitů
Injekční lisování
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
www.idands.com/15622/index.html
Technologie výroby kompozitů
Lisování s ohřevem
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Technologie výroby kompozitů
Upraveno podle: ASHBY, M F. 'Materials Selection and Process in Mechanical Design.' Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9
Navíjení
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
www.azom.com/.../image006.gif
www.owenscorning.com/.../filament_winding.gif
Technologie výroby kompozitů
Navíjení
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm
Technologie výroby kompozitů
Navíjení
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.tygavac.co.uk/assets/images/autoclave-diagram.jpg
Technologie výroby kompozitů
Lisování v autoklávu
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Technologie výroby kompozitů
http://www.azom.com/work/47wEj793H71F6t8kntY2_files/image005.gif
Lisování ve vakuovaném přípravku
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Technologie výroby kompozitů
Upraveno podle: ASHBY, M F. 'Materials Selection and Process in Mechanical Design.' Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.aiad.it/upload/aziende/azienda_/SISTCOM_Autoclave.jpg
Technologie výroby kompozitů
Autokláv – pohled dovnitř
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:RTM_process.png
Technologie výroby kompozitů
Proces „resin transfer molding“ vakuové prosycování výztuže
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
http://www.havel-composites.com/clanky/0-home/76-Technologie-jejich-popis-a-schemata.html
Český popis těchto i dalších technologií přípravy kompozitů naleznete na stránkách firmy Havel - Composites
Technologie výroby kompozitů
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Nanomateriály
http://nano.tul.cz/
Informace o aktivitách naší univerzity v oblasti nanotechnologií a nanomateriálů najdete na adrese:
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Nanotechnologie – nanomateriály
nano = v řečtině „trpaslík“
nano– předpona pro jednu miliardinu, tedy 10–9 základní jednotky
nanotechnologie + nanomateriály se zabývají skladbou materiálů
v rozměrech nanometrů
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Nanotechnologie – nanomateriály
Richard Feynman, 29. 12. 1959
„Směrem dolů je spousta místa“
„Proč ještě neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazků Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavičku?”
„Chtěl bych popsat obor, v němž se toho dosud udělalo málo, ale v principu toho v něm může být vykonáno nesmírně mnoho.“
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Mravenec 5 000 000 nm
Velikosti v nanometrech
Most královny Alexandriny – Dánsko: délka cca 1012 nm
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Velikosti v nanometrech
Fotbalový míč: průměr 220 000 000 nm
Molekula fulerenu C60: průměr cca 1 nm
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Paradoxy nanosvěta P
om
ěr
po
čtu
po
vrch
ový
ch a
vn
itřn
ích
ato
mů
1E-05
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
1 10 100 1000 10000 100000
Počet buněk v hraně krychle
Výpočet pro strukturu železa
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Paradoxy nanosvěta B
od
tán
í [oC
]
Poloměr částic [nm]
Bod tání masivního zlata 1064 oC
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Paradoxy nanosvěta
zmenšení průměru
vláken stokrát
zvětšení povrchu stokrát
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Paradoxy nanosvěta
zmenšení průměru drátů, vláken stokrát
zmenšení manipulační
pevnosti vláken desetitisíckrát
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Paradoxy nanosvěta
Zmenšení průměru vláken
stokrát
zmenšení hmotnosti vláken
desetitisíckrát
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Paradoxy nanosvěta
Zmenšení průměru vláken
stokrát
Zmenšení ohybové tuhosti
milionkrát
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Pozorování nanočástic
SEM AFM
Rastrovací elektronová mikroskopie
Mikroskopie atomových sil
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Poprvé byly vytvořeny Samuelem Stephensenem Kistlerem v roce 1931 Principem přípravy je nahrazení kapaliny v gelu kapalinou jinou, s nižší kritickou teplotou a tlakem. Podmínkou je, že měněné kapaliny jsou vzájemně neomezeně mísitelné (např. voda – etanol – diethyléter). Poté se gel za vysokého tlaku ohřeje nad kritickou teplotu a veškerá kapalina se okamžitě přemění na plyn. Jedině tak nedojde ke zdeformování gelu vlivem kapilárních jevů, které by provázely vypařování.
Aerogely
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Vnitřní struktura aerogelu se skládá z křemičitých dutých koulí o velikosti řádově několika nanometrů. Díky jejich uspořádání a tvaru má materiál obrovský vnitřní povrch (1 g až 1000 m²), tudíž je ideální pro absorpci. Hustota aerogelů je pouze 3 mg.cm-3.
Aerogely
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Snesou až 2000× větší zatížení než je jejich vlastní hmotnost – na obrázku je vzorek aerogelu zatížen klasickou cihlou
Aerogely
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Mají extrémně nízkou
tepelnou vodivost (0,015 – 0,020 W.m-1.K-1; pro srovnání, vzduch má tepelnou vodivost 0,026 W.m-1.K-1). Teplota tání je cca 1200 °C. Dobře tlumí vibrace a zvuk.
Aerogely
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz nejedná se o kompozity, ale o hybridní anorganicko-
organické polymery tvořící jednu velkou makromolekulu ORMOCER (ORganically MOdified CERamic) ORMOSIL (ORganically MOdified SILica)
Anorganicko-organické materiály
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz Kovalentní vazba mezi
anorganickou a
organickou částí s různou
polaritou až s přechodem
do iontové vazby
hlavně vazba C – Si
materiál se blíží
polysiloxanům
(silikonům)
Anorganicko-organické nanomateriály
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Anorganicko-organické nanomateriály Model vzniku vrstvy
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Anorganicko-organické nanomateriály
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Anorganicko-organické nanomateriály
alkylskupiny na atomech
Si
heteroatomy v anorganické
síti
organická polymerní síť polymerní
anorganická síť
křemičitanová
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Vrstvy s elektrickými funkcemi
• vrstvy SiO2 a nově i ORMOCERu jako dielektrické vrstvy v elektronice a mikroelektronice
• ORMOCER s dielektrickou pevností 200 V/µm jako separační vrstva do palivových článků.
• vodivé vrstvy soustavy In2O3 – SnO2, pro optické dispeje a solární články
• ferroelektrické a piezoelektrické vrstvy BaTiO3 nebo LiNbO3
• supravodivé vrstvy YBa2Cu3O7-x
• magnetické povlaky s částicemi Fe2O3 v boritokřemičitém skle
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
nepřítomnost dutiny, průměry – mezi 50 -1000 nm,
délka – různá dle technologie výroby (většinou však
se jedná o vlákna kontinuální – nekonečná)
Může se jednat o vlákna z organických polymerů ale
i o vlákna anorganického původu – křemičitá, titaničitá, nebo kombinovaná anorganicko-organická
Polymerní nanovlákna
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
metoda melt-blown, podrobně známá technologie pro výrobu netkaných textilií,
výroba bikomponentních vláken typu „ostrovy v moři“ a následné odstranění (rozpuštění) matrice,
metoda elektrostatického zvlákňování – electrospinning metoda odstředivého zvlákňování – forcespinning metoda vytahování nanovláken – drawing …
Výroba polymerních nanovláken
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Výroba polymerních nanovláken Oldřich Jirsák; prof. RNDr., CSc. rozvinul metodu elektrospinningu má světově uznané patenty na produkční úpravu této metody
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
tyčinka
zdroj vysokého napětí
kolektor
Schéma elektrospinningu z tyčinky
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Schéma elektrospinningu z válečku
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Elektrospinning z válečku – NANOSPIDER
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
ústní roušky či respirátory
náplasti urychlující hojení ran a zabraňující tvorbě jizev, výroba filtrů pro klimatizace v nemocnicích
filtrů na vodu, které zachycují bakterie a zabraňují jejich množení
Využití polymerních nanovláken
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Pracoviště plazmatické úpravy kovů
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Nanoúpravy povrchů součástek pro auta
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíkové nanotrubice
Carbon nanotube
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíkové nanotrubice
Vlastnosti uhlíkových nanotrubic: pevnost v tahu 20 - 100 GPa modul pružnosti 1,2 TPa 1/5 měrné hmotnosti oceli vysoká tepelná vodivost vysoká elektrická vodivost Cena: rok 2004 – 400 €/g 2013 – 309 €/100 g
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíkové nanotrubice metodou CCVD
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Uhlíková nanovlákna získaná exfoliací
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Anorganické Cástice v nanovláknech
Jodid bismutitý v polyvinylbutyralu
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Anorganické částice v nanovláknech
Acetylacetonát měďnatý v polyvinylbutyralu
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Anorganické částice v nanovláknech
Acetylacetonát kobaltnatý v polyvinylbutyralu
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Vodivé vrstvy polypyrrolu
vodivé nanovrstvy pro textilní materiály, vhodné pro elektromagnetické stínění
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Jak se připravit na zápočet ?
jednotlivé přednášky jsou na stránkách KCH TUL
www.kch.tul.cz
zde najdete také textové materiály, řešené příklady a ukázky testů
přihlášení na termíny klasifikovaných zápočtů přes IS/STAG http://stag-new.tul.cz/wps/portal/
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů. www.kch.tul.cz
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.
htt
p:/
/ww
w.k
ch.t
ul.
cz/m
ater
ials
/ch
emie
-pro
-str
ojn
i-fa
kult
u
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Změny při zkoušení (proti loňsku)
Nové otázky: chemická rovnováha,
kinetika, termochemie, elektrochemie
Nové příklady: termochemie
Doplňková ústní otázka
Povinné vědomosti (nězabudky) Pokud je nebudete vědět, nezachrání Vás ani 100 % v písemné části
následují…
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Strukturní vzorce
Alkany, alkeny, alkyny, benzen
Halogenderiváty, kyslíkaté sloučeniny,
nitrosloučeniny, deriváty benzenu
Vlastnosti látek podle typu vazby
Kovalentní, iontová, kovová, polymerní…
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz DG = -RT lnK
DG = -nFDE
dG = dH – T. dS
neproběhne
proběhne
http://mccord.cm.utexas.edu/courses/ch301/review4F11.php
Gibbsova energie
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
149 Více…
C+O2= CO2
Pro DG > 0 samovolný rozklad oxidů teplem
Čím níže, tím více posunutá rovnováha
k produktům, tj. oxidům.
Nad teplotou pro křivku CO2 můžeme kov
vyredukovat uhlíkem z koksu.
Nad teplotou pro křivku Al2O3 lze použít
Aluminotermii (Al)
Al2O3 stabilnější než oxidy výše
Ellinghamův diagram
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Pourbaixovy diagramy
zlato zinek hliník
Marcel Pourbaix
1904-1908
Pourbaixovy diagramy zachycují redukčně-
oxidační a acidobazické rovnovážné
diagramy pro zvolené ionty. Umožňují
předpovědět nebo vysvětlit korozi, pasivaci
či odolnost daného prvku.
Oxidační prostředí
Redukční prostředí
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
není dipól
dipól
CF4 je nepolární CHF3 je polární
HCl je polární
Polární kovalentní vazba
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Polymery ‒ makromolekulární látky
n CH2=CH2 → –[CH2–CH2 ]–n
…CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2…
Více…
jiné vlastnosti, než vstupní látka (dáno vysokou molekulovou
hmotností polymeru)
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Síla kyselin a zásad
Silná kyselina
Slabá kyselina
Velmi slabá kyselina
Kat
edra
ch
emie
FP
TU
L |
ww
w.k
ch.tul.cz
Nové příklady Určete reakční enthalpii ΔH°298 pro reakci. Bude se teplo uvolňovat nebo spotřebovávat? CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l) CO2 (g) ∆H° sluč. = - 393,1 kJ mol-1
H2O (l) ∆H° sluč. = - 285,9 kJ mol-1 CH4 (g) ∆H° sluč. = - 74,8 kJ mol-1 O2 (g) ∆H° sluč. = 0 kJ mol-1 (v zadání nemusí být uvedeno, jedná se o prvek!) Řešení: Uvedenou reakci je nejprve nutno vyčíslit: CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (l) ∆Hr° = [1∙∆Hsluč.(CO2)) + (2∙∆Hsluč.(H2O))] - [(1∙∆Hsluč (CH4)) + (2 ∙∆Hsluč.(O2))] = [(- 393,1) + 2 . (- 285,9)] – [ 1 . (- 74,8) + 2 . 0 ] = - 890,1 kJ.mol-1
Standardní reakční teplo uvedené reakce je -890,1 kJ.mol-1. Hodnota vypočteného reakčního tepla je záporná, jedná se o reakci exotermickou (teplo se uvolňuje). http://nanotechnologie.vsb.cz/Studiummgr/Priklady_chemie.pdf
Analogicky ze spalných tepel
DH0 = n(DH0)spal. - n(DH0)spal. reakt. prod.
DH0 = n(DH0)sluč. - n(DH0)sluč. prod. reakt.
Recommended