verfladebehandling funktionelle overflader - en introduktion til Sol-Gel teknologi og eksempler på anvendelse TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Sol-Gel introduktion Eksempler på anvendelse anti-kalk anti-biofilm slidstærk TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Sol-Gel introduktion Eksempler på anvendelse anti-kalk anti-biofilm slidstærk TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Hvad er Sol-Gel teknologi? Begrebet Sol-Gel er en forkortelse, der beskriver en teknologi til syntese af glaskeramiske belægninger ud fra flydende reagenser (Sol = Solution, Gel = Gelling) R R Si R R n +4n H 2 katalysator -4n RH -2n H 2 H H Si H H n Traditionel Glaskeramik: Faste komponenter sintreres ved høj temperatur til glaskeramisk belægning. Stor styrke men ringe fleksibilitet. Si Si Si Si Sol-Gel teknologi: Flydende reagenser danner en glaskeramisk belægning. Hærder ved lav temperatur. Typisk mindre hård men mere fleksibel end traditionel glaskeramik. Derudover kan overfladen tildeles specifikke fysisk/kemiske egenskaber Si Si Si Si Si Si TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Hvad er Sol-Gel teknologi? Kvartz og krystalglas består af Si og atomer i perfekt krystallinsk struktur. Sol-Gel teknologisk Naturligt forekommende kvartz krystal Silicium Ilt TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Hvad er Sol-Gel teknologi? Amorft glas Uorganisk Indeholder fx natriumkarbonat Almindeligt glas (vinduesglas m.m.) Kan laves ud fra Sol-Gel proces Gode optiske egenskaber Skørt Teleskoplinser bsidian: Naturligt forekommende amorft glas Silicium Ilt TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Hvad er Sol-Gel teknologi? Hybrid Sol-Gel glaskeramik Amorft rganisk og uorganisk rganiske komponent = funktionalitet, fx: Slip-let Hydrofob/hydrofil Anti-graffiti Anti-kalk + Si Si H Reaktion mellem Epoxy og Amin Silicium Ilt TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Hvad er Sol-Gel teknologi? Gennem de sidste årtier stor udvikling i kommercielt tilgængelige organofunktionelle silaner mulighed for formulering af glaskeramiske overflader med helt nye funktioner Eksempler: R Alkoxy CH 3 Methoxy C 2 H 5 Ethoxy CH 3 CH 2 methacryl H Carboxylic acid vinyl CH 2 glycidyl SH Thiol CF 3 Methyltrifluorid NH 2 R NH Amine(s) Primær og sekundær samt mange, mange flere N C isocyanate C N nitril TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Hvad er Sol-Gel teknologi? Sol-Gel nanokomposit belægning: Amorf organisk/uorganisk hybrid Sol-Gel med krydsbundne nanopartikler. Funktioner fra nanopartikler, fx: Slidstyrke Hårdhed Korrosionsbeskyttelse UV-absorption Zinkoxid nanopartikler (10-20nm, 1g = 250 m2) Silicium Ilt TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Hvad er Sol-Gel teknologi? Gennem det sidste årti stor udvikling i kommercielt tilgængelige nanopartikler mulighed for formulering af glaskeramiske overflader med helt nye funktioner Eksempler Sølv nanopartikler: bakteriehæmmende Kobber nanopartikler: bakteriehæmmende Titandioxid nanopartikler: fotokatalytisk aktiv; selvrensende overflader Zinkoxid nanopartikler: UV absorbtion, krydsbinding, bakteriehæmmende samt mange, mange flere www.abc.net.au/science/news/stories/s1 www.wired.com/science/planetearth/news/2007/10/eco_textiles TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Praktisk udførsel Trin 1 Trin 2 Trin 3 Substrat rengøres og aktiveres Applikation vha.: spray dyppe rulning spin coate Hærdning ved opvarmning UV eller IR lufttørring TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Sol-Gel introduktion Eksempler på anvendelse anti-kalk anti-biofilm slidstærk TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Anti-kalk Elfor projekt: Elbesparelser ved kalk-, fouling- og friktionsnedsættende materialer Samarbejde mellem APV, Arla Foods, Electrolux, Grundfos, Vestas Aircoil og Teknologisk Institut Afsluttet 2006 Udvikling og afprøvning af en række Sol-Gel baserede lakker Pilottest hos Arla Foods: Plade varmeveksler (vand:vand), APV heat transfer pvarming af kold, kalkholdigt grundvand til rengøringsformål T = 65 ºC Drift: ca. 1½ år Status: Utroligt rengørings-venlig, skal blot spules med vand TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Anti-kalk Ubehandlet efter 4 ugers drift Behandlet efter 12 ugers drift TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Anti-kalk TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Anti-kalk TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Anti-kalk Korrosionsbeskyttende egenskaber er med success blevet udnyttet på eg. varmevekslere til turboladere på diselmotorer i større skibe (kraftig korrosiv påvirkning fra 130ºC saltholdig maritim luft). Tynd coating (~3µm) sikrer god varmeoverførsel, korrosionsbeskyttelse og anti-fouling egenskaber TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Sol-Gel introduktion Eksempler på anvendelse anti-kalk anti-biofilm slidstærk TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Biofilmhæmmende Sol-Gel belægning Udviklingsprojekt, Teknologisk Institut og inano 2006-2007 Financieret af Mejeriernes Forskningsfond og Svineafgiftsfonden Videreført 2008 2010, DSF, NaBiIT, AlfaLaval Formål: At udvikle biofilm- (bakterie) hæmmende overflader til industriel anvendelse i fødevareproduktion/behandling TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Biofilmhæmmende Sol-Gel belægning Strategi Biomolekyler med antibakterielle egenskaber (proteiner, polysaccharider, etc.) Nanopartikler med antibakterielle egenskaber (sølv, kobber, etc.) Substrat Sol-Gel med antibakterielle egenskaber (hydrofob/hydrofil, slip-let, topografi, easy-to-clean, etc.) TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Biofilmhæmmende Sol-Gel belægning Formulering af Sol-Gel belægning med lav Ra; overflade ruhed <2nm (2B rustfri stål typisk >0,3 µm) Formulering af Sol-Gel belægning med krydsbundne nanopartikler med biofilmhæmmende egenskaber (sølv, kobber, zinkoxid) 10 nm silver particle Ra = 0.3 nm Ra = 6 nm Ra = 300 nm TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Biofilmhæmmende Sol-Gel belægning TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Biofilmhæmmende Sol-Gel belægning Videre arbejde: Karakterisering/test af stabilitet Vedhæftning, hydrolysestabilitet, rengøringsstabilitet, kemikaliestabilitet, slidbestandighed, m.m. Identifikation af applikationsområder Mini skala pilottest Fødevaregodkendelse Fuld skala pilottest TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Sol-Gel introduktion Eksempler på anvendelse anti-kalk anti-biofilm slidstærk TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Slidstærk Sol-Gel nanokomposit Industriel efterspørgsel på slidstærk overfladebehandling Sol-Gel nanokomposit belægnings system Tre komponenter A Komponent A: Alkoxysilaner Komponent B: Nanopartikler Komponent C: Hærder C B Patentansøgt TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Slidstærk Sol-Gel nanokomposit Bred substratspecificitet TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Slidstærk Sol-Gel nanokomposit UV stabilitet: 4 ugers UV test Salt tåge test: 4 ugers salt tåge test Hårdhed/ridsefasthed: 5 µm: 8H, pencil test Ståluld (oo) Alkalin resistens: 2% NaH (RT) Syre resistens: Nital (3% HN 3 in EtH, RT) TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Slidstærk Sol-Gel nanokomposit Thixotrop Usynlig God bearbejdningstid Benign komposition fødevaregodkendelse? Benign komposition Kompatibel med biomolekyler Vandbaseret: ~55% vand i den våde lak Nanopartikel indhold: ~10% våd, ~15% tør Hærder fra 4ºC til 140ºC Hård, ridsefast Bred substrat kompatabilitet Hydrolyse- og UV-stabil TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008
Slidstærk Sol-Gel nanokomposit Anvendelsesområder Ridsebeskyttelse af bløde emner PC, PMMA, Alu, etc. Korrosionsbeskyttelse Erosionsbeskyttelse Migrationsbeskyttelse Forsegling Et muligt produkt for brugsvandssystemer?? TEMADAG M SIKRE SYSTEMER TIL BRUGSVAND TEKNLGISK INSTITUT ÅRHUS 25. FEBRUAR 2008