Oddział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie ICiMB we współpracy z Vitrosilicon S.A. opracował innowacyjną technologię umożliwiającą modyfikację właściwości i funkcji użytkowych pełnionych przez wyroby szklane, zwłaszcza opakowania szklane, dzięki wykorzystaniu zalet nanostrukturalnych powłok z tlenków metali, nanoszonych w sposób pozwalający na ich trwałe związanie z podłożem.
Współpraca między partnerami była prowadzona w latach 2009-2011 w zakresie pracy badawczo-rozwojowej pt.: „Opracowanie kompleksowych założeń badawczych, przeprowadzenie badań laboratoryjnych i opracowanie wytycznych do technologii nanoszenia nanopowłok na szkło opakowaniowe oraz przeprowadzenie badań do wytycznych dla modelu”. W wyniku tej pracy powstał wynalazek będący przedmiotem zgłoszenia do Urzędu Patentowego RP o numerze P. 394566 pt.: „Sposób nanoszenia nanostrukturalnych, refleksyjnych, barwionych i/lub neutralnych powłok na szkło użytkowe i urządzenie dla realizacji sposobu”, a następnie firma Vitrosilicon S.A. dokonała europejskiego zgłoszenia patentowego o numerze 12460017.2 – 1218. Głównym celem i nowością powyższego projektu była modyfikacja właściwości i funkcji użytkowych pełnionych przez opakowania szklane, osiągnięta dzięki wykorzystaniu zalet nanopowłok z tlenków metali nanoszonych w sposób pozwalający na ich trwałe związanie z podłożem. Użyta w tym celu metoda pirolizy z wykorzystaniem roztworów soli kompleksowych w postaci acetyloacetonianów metali jako prekursorów powłok z tlenków metali pozwoliła na modyfikację właściwości optycznych oraz poprawę odporności chemicznej i na zarysowanie powierzchni wyrobów szklanych.
Wadą znanych sposobów powlekania lub nanoszenia powłok na tafle szklane jest brak możliwości ich zastosowania do nanoszenia trwałych barwnych lub bezbarwnych powłok ochronnych na nieregularne kształty powierzchni butelek, pojemników i innych wytworów szkła użytkowego. Barwienie szkła w masie powoduje, że konkretna barwa zostaje nadana całej masie szkła znajdującego się w piecu szklarskim. Zmiana koloru jest możliwa dopiero w momencie przygotowania nowego zestawu masy szklarskiej, co wiąże się z ponoszeniem znacznych strat ze względu na kilkudniowy okres wymiany masy szklanej w piecu. Ponadto określone wymagania dla powłok ochronnych elementów szklanych, zwłaszcza dla opakowań, z racji ich funkcji są odmienne niż dla szkła o innych zastosowaniach.
Przenikanie promieniowania słonecznego w zakresie ultrafioletowym (UV) i bliskiej podczerwieni (NIR) przez szkło powoduje degradację właściwości żywności, kosmetyków, wyrobów chemii gospodarczej i innych produktów najczęściej pakowanych w opakowania szklane. Przy obecnym stanie wiedzy zastosowanie cienkich warstw z tlenków odpowiednich metali na szkle, nanoszonych metodami chemicznymi w temperaturze bliskiej punktu mięknięcia szkła, pozwala nadać wyrobom szklanym właściwości przeciwsłoneczne, a także barwę i walory dekoracyjne i dodatkowo przyczynia się do zwiększenia odporności ich powierzchni w sposób trwały, w wyniku wytworzenia wiązań chemicznych pomiędzy powierzchnią szkła i warstwą powłoki.
Barwa opakowania stanowi ważny element jego cech użytkowych, zwłaszcza jeśli oprócz poprawy estetyki pełni także funkcję ochronną w stosunku do jego zawartości. Obecnie stosowane metody barwienia opakowań szklanych takie jak barwienie szkła w masie (zabarwianie całej objętości wytapianego szkła) oraz malowanie zewnętrznej powierzchni opakowania nie pozwalają producentom opakowań na oferowanie wyrobu, który jednocześnie spełniałby warunki dostępności krótkich serii barwnych opakowań, szerokiej gamy kolorystycznej, wysokiej wytrzymałości mechanicznej, stosowania się do wymagań i standardów higieniczno-sanitarnych, a także zachowania opłacalności ekonomicznej.
Wymaganiom tym odpowiada opracowana technologia, która umożliwia otrzymywanie wyrobów ze szkła opakowaniowego o dodatkowych funkcjach przeciwsłonecznych i/lub dekoracyjnych. Ponadto – praktycznie niezależnie od składu – powłoki tlenkowe o grubości nawet kilkunastu nanometrów, chemicznie związane z powierzchnią szkła, pełnią funkcję ochronną w stosunku do powierzchni wyrobów, wzmacniając odporność chemiczną oraz mechaniczną na tarcie i zarysowanie (przy większych grubościach jest to poprawa od kilku do kilkunastu procent). Ma to szczególne znaczenie wobec konieczności unikania strat przy napełnianiu i transporcie opakowań, a także poszerzania zakresu recyklingu opakowań z uwagi na oszczędność kosztów surowców i energii oraz ochronę środowiska naturalnego.
W celu uniknięcia wad istniejącego stanu techniki, niniejszy wynalazek umożliwia otrzymanie szkła użytkowego powlekanego barwnymi lub bezbarwnymi powłokami tlenkowymi, znacznie zmniejszającymi przenikalność promieniowania UV i NIR. Powłoki są wytwarzane metodą chemiczną (piroliza) i powstają albo przez zanurzenie w roztworach związków o charakterze powłokotwórczym, a następnie obróbkę termiczną, albo poprzez rozpylanie roztworów powłokotwórczych na gorące szkło. Otrzymane w ten sposób powłoki tlenkowe, bezbarwne lub kolorowe, posiadają odporność chemiczną na czynniki myjące i zanieczyszczenia atmosferyczne, pochłaniają i odbijają część promieniowania słonecznego w zakresach, które mogą mieć negatywny wpływ na produkty. Pozwala to na stosowanie takich powłok jako ochrony dla wytwarzanych przemysłowo pojedynczych elementów szkła użytkowego, w tym o nietypowych kształtach ich powierzchni.
Sposób nanoszenia nanostrukturalnych, refleksyjnych barwnych i neutralnych powłok na szkło użytkowe o różnych kształtach i wielkościach stanowi pojedynczą operację, następującą bezpośrednio po uformowaniu wyrobu szklanego i poprzedzającą jego odtransportowanie do procesu odprężania. Operacja ta polega na modyfikacji właściwości optycznych, zwłaszcza przepuszczalności i odbicia w zakresie promieniowania słonecznego w celu poprawienia funkcji użytkowych pełnionych przez opakowania szklane. Świeżo uformowane, gorące elementy szklane odznaczają się największą reaktywnością w procesach chemicznej obróbki powierzchniowej i czystością powierzchni, co pozwala na uniknięcie niezbędnego i trudnego technologicznie do wykonania pracochłonnego oczyszczania powierzchni tych wyrobów przed procesem powlekania.
Autorskie rozwiązanie zostało zgłoszone w kwietniu 2011 roku do Urzędu Patentowego RP. Wynalazek jest objęty europejskim zgłoszeniem patentowym do EPO numer 12460017.2 – 1218.
Twórcy wynalazku: dr inż. E. Żelazowska, dr inż. P. Pichniarczyk, mgr inż. J. Zawiła, mgr inż. S. Sacha, mgr inż. D. Szeszo, mgr inż. S. Karp, mgr inż. B. Troboś.
Artykuł jest finansowany z projektu „Nauka dla przemysłu – komercjalizacja wynalazków powstałych w wyniku prac B+R” w ramach programu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju „Patent Plus – wsparcie patentowania wynalazków”.
Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych
Oddział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie
31-983 Kraków, ul. Cementowa 8
tel.: 12 683 79 00, e-mail: marketing_krakow@icimb.pl
www.icimb.pl/krakow
Artykuł sponsorowany
fot. VITRoSILICON s.a.
