Matthias Bockmeyer

• The main focus of this work was to get a deeper understanding of the relationship between the structure of sol-gel films, their densification and their macroscopic cracking. First of all titania was chosen as model system. Therefore a synthesis route starting from the preparation of long-term stable amorphous redissoluble precursor powders based on acetylacetone as chelate ligand was utilized. The solubility and stability of the powders in various solvents can be determined by chemical synthesis and technological parameters. When dissolved in aThe main focus of this work was to get a deeper understanding of the relationship between the structure of sol-gel films, their densification and their macroscopic cracking. First of all titania was chosen as model system. Therefore a synthesis route starting from the preparation of long-term stable amorphous redissoluble precursor powders based on acetylacetone as chelate ligand was utilized. The solubility and stability of the powders in various solvents can be determined by chemical synthesis and technological parameters. When dissolved in a solvent mixture of ethanol and 1,5-pentanediol, thin films can be easily prepared by dip-coating technique. Thereby the quality of the titania films enormously depends on the calcinations temperature and the solvent mixture is used. In order to investigate the influence of different solvents and solvent mixtures on the microstructure and densification of the precursors, the coating solutions were stripped off (sol powder) and analyzed as function of annealing temperature. It was pointed out that a high densification rate caused by the addition of 1,5-pentanediol, results in dense microstructure with trapped residual carbon. These impurities can retard the phase transformation of anatase to rutile. The analysis of so-called “film powders” scraped off multiple dip-coated substrates provides valuable information on the effect of air moisture and unidirectional densification during drying and aging on the structure of thin films. The high surface-to-volume ratio and access to air moisture determine the chemical composition of the as-prepared film, which controls shrinkage, crystallization and defect structure of the coatings. Further it was shown, that drying as a thin film results in the formation of closed pores and much denser microstructure than the respective sol powder. Without the addition of 1,5-pentanediol all –OEt moieties undergo hydrolysis reactions, which causes the formation of a rigid network. The presence of 1,5-pentanediol retards this hydrolysis reactions and provides some network plasticity. Generally the microstructure of thin films is comparatively close to the microstructure of the film powders. The addition of 1,5-pentandiol prevents hydrolysis and condensation reactions as like in the film powders. However even at 700 °C, thin films never transform to rutile, which was attributed to the tensile stresses in thin films. In thin films and in film powders as well a comparable amount of closed pores are formed during annealing. Further it was shown that most of the thin sol-gel films investigated form a dense crust on their tops during annealing. This explains why crack free films exhibit only closed pores. However, when cracks appear during thin film shrinkage in the coating, this crust is burst, which generates open porosity. The defect density in the coatings was determined by an automated analysis of surface images. The crack formation and quantity can be directly referred to tensile stresses in the coatings, which arise from hydrolysis and condensation during thin film drying and aging. Therefore when 1,5-pentanediol is added to the sol, thin film cracking was avoided, because hydrolysis and condensation reactions are retarded, which preserves a higher network flexibility. Furthermore the crack formation was significantly influenced by the atmospheric humidity that was used during the coating process, which was explained by different drying and condensation rates. Under certain chemical starting conditions water soluble precursor powders can be also obtained. In general the observations made with the water based coating solutions are mostly in agreement with the former results based on ethanol based coating solutions. For example the high surface-to-volume ratio of film powders compared to sol powders also significantly enhances film drying and densification. The addition of 1,5-pentanediol also clearly contributes to their densification behavior and phase evolution. As seen before in the case of ethanol based coatings, 1,5-pentanediol enhances the stability towards hydrolysis and condensation reactions and preserves some network plasticity. Therefore coatings prepared without the addition of 1,5-pentanediol already form cracks during film drying and aging because of tensile stresses. Thus, the addition of 1,5-pentanediol results in a reduction/prevention of crack formation. Nevertheless some differences were observed, i.e. the critical single coating film thickness of ethanol based coatings is nearly twice that of water based coatings. This was explained by the different surface tensions of the basis solvents, which during thin film drying causes significantly higher capillary forces and tensile stresses in water based coatings. When acetylacetone is replaced by triethanolamine as chelating ligand for titanium also re-dissolvable precursor powders can be synthesized. The film powders combine a high hydrolytic stability of the precursor with sufficient intermediate network flexibility. The different type of organics changes the drying and densification behavior: i.e. in contrast to film powders obtained from acetylacetone based precursor powders the structure of triethanolamine based film powders is unaffected by the thin film drying process. This high hydrolytic stability and plasticity of this precursor allows the preparation of defect free coatings up to single film thickness of 300 nm. However triethanolamine based thin films present at intermediary annealing temperatures a distinctively different microstructure compared to acetylacetone based films. The general validity of the conclusions was proved on the basis of zirconia coatings that were also prepared by the use of re-dissolvable precursor powders. In principle all conclusions concerning the interconnection of precursor chemistry, film formation, densification and structure were transferable to the respective zirconia coatings. Differences mainly arise only from differential material properties i.e. bulk density. Finally, it has been pointed out that the findings obtained on the densification behavior of thinsol-gel films are also a valuable tool for improved explanations of other important scientific questions concerning sol-gel films, i.e. scratch resistance of sol-gel coatings, fiber -bridging and – degradation of sol-gel coated fibers.…
• Grundsätzlich war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Zusammenhänge zwischen Struktur von Sol-Gel Schichten, ihrer Verdichtung und der Entstehung von makroskopischen Rissen besser verstehen zu können. Als Modelsystem wurde hierfür Titanoxid ausgewählt. Hierzu wurde von einer Syntheseroute basierend auf der Verwendung von langzeitstabilen amorphenre-dispergierbaren Vorstufenpulvern mit Acetylaceton als Chelatligand ausgegangen. Die Löslichkeit und Stabilität der Pulver in verschiedenen Lösungsmitteln lässt sich über die chemische Synthese bzw.Grundsätzlich war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Zusammenhänge zwischen Struktur von Sol-Gel Schichten, ihrer Verdichtung und der Entstehung von makroskopischen Rissen besser verstehen zu können. Als Modelsystem wurde hierfür Titanoxid ausgewählt. Hierzu wurde von einer Syntheseroute basierend auf der Verwendung von langzeitstabilen amorphenre-dispergierbaren Vorstufenpulvern mit Acetylaceton als Chelatligand ausgegangen. Die Löslichkeit und Stabilität der Pulver in verschiedenen Lösungsmitteln lässt sich über die chemische Synthese bzw. technologischen Parameter einstellen. Wenn die Pulver in einem Lösungsmittelgemisch aus Ethanol und 1,5-Pentandiol gelöst werden, lassen sich mittels Tauchbeschichtungsverfahren einfach dünne Schichten herstellen. Die Qualität der Titanoxidschichten hängt dabei entscheidend von der verwendeten Pyrolysetemperatur und der Menge an verwendetem 1,5- Pentandiol ab. Um den Einfluss von verschiedenen Lösungsmitteln und Lösungsmittelgemischen auf die Mikrostruktur und Verdichtung der Vorstufen zu untersuchen, wurden die Sole am Rotationsverdampfer eingeengt (Sol-Pulver) und in Abhängigkeit von der Behandlungstemperatur analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass eine hohe Verdichtungsrate verursacht durch den Zusatz von 1,5-Pentandiol, in einer dichten Mikrostruktur mit eingeschlossenem Rest-Kohlenstoff resultiert. Diese Kohlenstoff-Rückstände können die Phasenumwandlung von Anatas zu Rutil hemmen. Die Analyse der so genannten „Film-Pulver“, welche von mehrfach tauchbeschichteten Substraten abgekratzt worden sind, ermöglicht den Zugang zu entscheidenden Informationen über den Einfluss der Luftfeuchtigkeit und der unidirektionalen Verdichtung, während der Film-Trocknung und –Alterung, auf die Struktur der dünnen Schichten. Es zeigte sich, dass das große Oberfläche zu Volumen Verhältnis und der Kontakt mit Luftfeuchtigkeit die chemische Zusammensetzung der frisch hergestellten Schichten bestimmen. Diese wiederum steuert die Schichtschrumpfung, Kristallisation und Defektstruktur der Schichten. Ferner konnte dargestellt werden, dass die Trocknung als dünner Film zu der Entstehung von geschlossenen Poren und zu einer deutlich dichteren Mikrostruktur als die der entsprechenden Sol-Pulver führt. Ohne den Zusatz an 1,5-Pentandiol kommt es zur Hydrolyse der –OEt Gruppen, was die Bildung eines rigiden Netzwerks bewirkt. 1,5-Pentandiol als Zusatz hemmt diese Hydrolysereaktionen und bedingt damit eine gewisse Plastizität des Netzwerkes. Im Großen und Ganzen ist die Mikrostruktur der dünnen Schichten mit der Struktur der Film-Pulver gut vergleichbar. Durch den Zusatz an 1,5-Pentandiol werden in den Schichten die Hydrolyse und Kondensationsreaktionen ebenso gehemmt wie in den entsprechenden Film-Pulvern. Allerdings bei den dünnen Schichten ist auch bei 700 °C keine Phasenumwandlung zu beobachten, was auf Zugspannung in den dünnen Filmen zurückzuführen ist. Während der Calcinierung kommt es sowohl in dünne Schichten wie als auch in den Film-Pulvern zur Ausbildung von geschlossenen Poren. Ferner wurde gezeigt, dass die meisten untersuchten dünnen Schichten während der Pyrolyse auf ihrer Oberfläche eine dichte Kruste ausbilden. Dies erklärt warum rissfreie Schichten nur geschlossene Poren aufweisen. Allerdings wenn Risse während der Schichtschrumpfung in der Schicht auftreten, wird diese Kruste durchbrochen, was zur Bildung von offener Porosität führt. Die Defektdichte in den Schichten wurde mittels einer automatisierten Bildanalyse der Oberfläche bestimmt. Die Riss-Bildung und Riss-Häufigkeit kann dabei direkt mit der Entstehung von Zugspannung, durch Hydrolyse und Kondensation während der Schicht-Trocknung und –Alterung, in Zusammenhang gebracht werden. Durch die Zugabe von 1,5-Pentandiol konnte die Rissentstehung verhindert werden, da Hydrolyse und Kondensations-Reaktionen gehemmt werden, was eine höhere Flexibilität des Netzwerkes erhält. Weiterhin wurde die Rissentstehung signifikant durch die herrschende Luftfeuchtigkeit während es Beschichtungsprozesses beeinflusst, was mit unterschiedlichen Hydrolyse- und Kondensations-Raten zu erklären ist. Unter Verwendung bestimmter chemische Syntheseparameter, können ebenso wasserlösliche Vorstufenpulver erhalten werden. Grundsätzlich sind die Untersuchungen an den hieraus resultierenden wässrigen Solen und Schichten in guter Übereinstimmung mit den vorherigen Untersuchungen an ethanolischen Beschichtungssystemen. So zum Beispiel, beschleunigt ebenso das große Oberfläche zu Volumen Verhältnis der Film-Pulver deutlich die Film-Trocknung und –Verdichtung, im Vergleich zu den Sol-Pulvern. Auch beeinflusst ein Zusatz an 1,5-Pentandiol eindeutig das Verdichtungsverhalten und die Phasenentwicklung. Wie schon bereits im Fall der Ethanol basierenden Beschichtungen festgestellt worden ist, erhöht 1,5-Pentandiol die Beständigkeit hinsichtlich Hydrolyse und Kondensationsreaktionen und erhält hiermit eine gewisse Netzwerkplastizität. Deshalb bilden Filme die ohne einen Zusatz an 1,5-Pentandiol hergestellt worden sind, aufgrund von Zugspannung, schon während der Film-Trocknung und -Alterung Risse aus. Durch einen Zusatz von 1,5-Pentandiol kann dagegen die Entstehung von Rissen vermindert bzw. vermieden werden. Allerdings zeigten sich auch einige Unterschiede: So ist zum Beispiel die erreichbare Einzelschichtdicke der ethanolischen Beschichtungssystemen nahezu doppelt so groß wie die der wässrigen Beschichtungssysteme. Dies wurde mit der unterschiedlichen Oberflächenspannung des Basislösungsmittels erklärt, welche während der Schichttrocknung deutlich höhere Kapillarkräfte und Zugspannung in wässrigen Filmen erzeugt. Wird Acetylaceton gegen Triethanolamin als Chelatligand für Titan ausgetauscht, so können ebenso re-dispergierbare Vorstufenpulver hergestellt werden. Die Film-Pulver kombinieren hohe hydrolytische Stabilität der Vorstufe mit einer ausreichenden intermediären Netzwerkflexibilität. Der andere Komplexbildner verändert entscheidend das Trocknungs- und Verdichtungs-Verhalten: so z.B. wird die die Struktur von Film-Pulvern basierend auf Triethanolamin nicht entscheidend durch die Trocknung als dünne Schicht beeinflusst, im Gegensatz zu Film-Pulvern hergestellt von Vorstufenpulvern mit Acetylacetone als Chelatligand. Diese hohe hydrolytische Stabilität und Plastizität der Vorstufe ermöglicht die Herstellung von defektfreien Beschichtungen bis hin zu einer Einzelschichtdicke von 300 nm. Dennoch unterscheidet sich bei intermediären Pyrolysetemperaturen die Mikrostruktur der Triethanolamin basierenden Schichten deutlich von der auf Acetylaceton basierenden Schichtsystemen. Die Allgemeingültigkeit der Schlussfolgerungen wurde anhand Zirkonoxidbeschichtungen, welche ebenfalls unter Verwendung von löslichen Vorstufenpulvern hergestellt worden sind, überprüft. Grundsätzlich zeigte sich hierbei, dass alle Schlüsse hinsichtlich der Zusammenhänge der Vorstufenchemie, Film-Bildung, -Verdichtung und –Struktur auf die entsprechenden Zirkonoxidbeschichtungen übertragbar sind. Unterschiede ergeben sich nur aus unterschiedlichen Materialeigenschaften wie z.B. der makroskopischen Dichte. Letztlich wurde dargestellt, dass die Erkenntnisse hinsichtlich des Verdichtungsverhalten der Sol-Gel Schichten die Grundlage für die Aufklärung vieler anderer wichtiger wissenschaftlich Fragestellungen hinsichtlich Sol-Gel Beschichtungen bilden, wie z.B. der Kratzfestigkeit von Sol-Gel Schichten, Faser-Verbrückung und -Schädigung von Sol-Gel beschichten Fasern.…