表面上:疏水涂层的研制突破性性能

涂覆的表面可以赋予广泛的亲和力与水,从 亲水 (水的) 疏水 (水排斥) 超疏水 (超疏水性). 这些表面特性是通过适当的组合而获得的 表面形态 在微观和/或纳米级别,结合低 表面能材料.

超疏水性和荷叶

自然界中超疏水性的一个主要例子是荷叶. 荷叶的微观结构包括高度为10 - 20微米、宽度为10 - 15微米的小突起或尖状乳突,它们具有第二疏水蜡层. 结构表面与低能量蜡的结合提供了表面的超疏水性. 要充分解释和量化疏水性,就必须明确两者之间的关系 接触角 和 疏水/亲水 曲面的性质.

荷叶上的水滴, 以及尖刺表面的疏水性-在勘探者知识中心了解疏水性涂层的制定.
亲水接触角, 疏水和超疏水涂层表面-了解在勘探者知识中心制定疏水涂层.
图3 -亲水性、疏水性和超疏水性涂层表面的接触角

接触角为150°或更多的被称为超疏水,这意味着只有两到三个完美的水滴表面与表面接触. 因为表面接触面积小于0.6%,这提供了自我清洁的效果. 将荷叶拒水特性引入涂层表面的结果具有深远的性能影响,包括以下几点:

  • 自洁 —落在超疏水/疏水表面的污染物会随着水滴滚落而被去除.
  • 〇提高了防潮性能 提高耐泡性和保持光泽
  • 〇提高耐腐蚀性 降低水分渗透减少甚至消除水和可溶性盐渗透到金属基板,大大减缓腐蚀的开始.
  • 延长涂层和基材的使用寿命 增加涂层的耐候性和对可溶性盐和湿气的渗透能力对涂层的寿命有积极的影响.
由腾讯五分彩官网开发的超疏水涂层系统-了解在勘探者知识中心制定疏水涂层.
图4 - 5,由腾讯五分彩官网开发的超疏水涂层系统的盐雾喷涂在冷轧钢板上,无划痕蠕变或表面起泡

表面张力的作用

We have discussed the role that 表面形态 plays in imparting 疏水ity; the other  critical component for 疏水ity is surface能源.

  • 表面张力 液体的弹性趋势是否可能使它们获得最小的表面积.
  • 表面张力 沿直线测量,而 表面能 是沿着面积测量的吗.

表面张力的组成主要有色散的和极性的, 氢键和酸碱贡献. 一般来说,表面能较低的材料具有较高的疏水性. 表1和表3列出了几种聚合物类型和改性剂的表面自由能, 分别, 用于涂料, 表2给出了涂料中常用溶剂的表面张力.

聚合物表面自由能mN / m
Polyhexafluoropropylene12.4
聚四氟乙烯19.1
PDMS19.8
石蜡烃蜡26.0
Polychlorotrifluoroethylene30.9
聚乙烯32.4
聚醋酸乙烯酯36.5
有机玻璃40.2
聚苯乙烯40.6
Polyvinyldene氯41.5
聚酯43 – 45
聚乙烯terephthalate45.5
环氧树脂polyamide46.2

表1 -聚合物表面自由能

溶剂表面张力达因/厘米
72.8
甲苯28.4
异丙醇23.0
正丁醇24.8
丙酮25.2
甲基丙基甲酮26.6
甲基戊酮26.1
点醋酸28.5

表2 -溶剂的表面张力

材料标识临界表面张力mN / m
Heneicosafluoro-dodecyltrichloro硅烷6-7  
Heptadecafluorohexyl --trimethoxy硅烷12.0
PDMS19.8
Octadecyltrichloro硅烷20-24
Nonafluorohexyl-trimethoxy硅烷23

表3 -潜在表面改性剂的表面自由能

当两种不同的液体材料被应用到固体表面时, 表面张力较低的液体将在固体表面流动或湿出, 例如聚乙烯, 比具有较高表面张力的液体更容易. 例如,水(表面张力72.8达因/厘米)会形成比甲苯更高的接触角(表面张力28.4达因/厘米).

到目前为止, 腾讯五分彩官网已经定义了影响疏水性的因素, 或者缺乏, 包括接触角, 表面结构, 以及为什么大多数有机溶剂比水更容易湿润表面,因为它们的表面张力更低. 下一节将集中讨论如何使涂层系统具有更大的疏水性, 尤其是从表面的角度来看.

最大化的表面疏水性

为了最大限度地提高涂料的表面疏水性,应采用 表面能 应该尽可能的低. 低表面能,加上适当结构的表面,最大限度地提高疏水性.

表面能 单位与表面张力相同(单位长度的力或达因/厘米). 一个高表面张力的液体,如水,将有最大的疏水性,因此有较差的润湿性(高接触角)涂层表面有一个低表面能.  如表二所示, 表面能 根据接触到水的表面的性质会有很大的变化吗.

例如,富含聚二甲基硅氧烷的涂层表面(表面能19.8 mN / m)的表面会比聚苯乙烯(40.6 mN / m). 在一般条款, 提供最大的疏水性, 材料最疏水的部分应该定位在表面.

另一个例子, 如果用有机功能的三甲氧基硅烷进行表面改性, 甲氧基硅烷基团应该被设计成定位在表面. 涂层表面的全氟基团和脂肪族基团比酯或醇基团具有更大的疏水性. 酯和醇基团在性质上更具极性,因此更容易吸收表面沉积的水. 例如,从最低到最高的表面张力:

表面张力标尺-在勘探者知识中心了解疏水性涂料的配方.

通过适当设计的涂层提供增加的疏水性,可以提供额外的属性,如自清洁, 提高耐蚀性和防潮性,延长涂层和基材的使用寿命.

硅烷技术的最新进展使硅烷可用于水性系统,以改善疏水性. 相应的, 树脂的选择, 压延机, 还可以选择增透剂颜料和不透明颜料,以最大化疏水性.

其次, 使用纳米颗粒的配方必须经过定制,以提供适当的接受度,而不是作为临时添加来实现所需的性能.

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来源

优异的涂料性能与有机硅烷成分

硅烷 是1857年由德国化学家海因里希·Buff和弗里德里希·维勒在盐酸作用于硅化铝的产物中首次发现和鉴定的.1 从那时起,硅烷化学已被证明是一个通用的手段,以提高性能的有机基涂料, 或者提供硅氧烷改性涂料系统,具有其他技术难以实现的各种性能特性.


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  • 抗湿性
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  • 交联密度
  • 耐蚀性

硅烷和硅氧烷结构:

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在有水的情况下, 三烷氧基硅烷可以水解作为反应的第一步,释放出甲醇(对于三甲氧基硅烷)或乙醇(对于三乙氧基硅烷),并自缩合形成硅氧烷或与颜料上可用的醇基反应, 提供硅氧烷键的聚合物或底物.

单烷氧基水解形成硅醇基-在UL探勘者知识中心了解涂层配方中的有机硅烷成分.
一个烷氧基水解形成一个硅醇基

硅烷 在许多应用中被用于:

  • 提高附着力 到无机或有机表面-硅烷, 当加入颜料时, 能否增强对无机表面(包括金属和玻璃)的附着力
  • 耦合剂 -硅烷用于有机聚合物与无机材料(包括颜料和填料)的耦合
  • 交联剂 -选择性有机官能团烷氧基硅烷可以与有机聚合物反应,为聚合物的主链提供一个三烷氧基. 反过来, 然后硅烷与水分反应交联,形成三维硅氧烷交联结构.
  • 分散剂, 用于增加无机颜料的疏水性,改善其流动特性及在有机聚合物和溶剂中分散的能力.
  • 提高疏水性 选择性反应性硅烷可以进行改性,以提供极好的疏水性(在本文的后续章节中详细讨论)
  • 水分清道夫 -对水分敏感的配方, 三个烷氧基硅烷可以通过与水分反应生成醇分子来清除水.
  • 金属表面预处理 -用于各种金属表面预处理的专用水性硅烷.g. 赢创的 王朝兰SIVO产品集团)

硅烷 含有至少一个碳硅键(CH3 - Si -)被称为有机硅烷. 无功 硅烷 这个术语是用来定义含有三烷氧基和含有反应性成分的烷基(R)的化合物吗.

三甲氧基功能烷基硅烷-在UL勘探者知识中心了解涂料配方中的有机硅烷.

Trialkoxysilyl 基团可以直接或间接地在水存在的情况下与羟基发生反应. 如表1所示, 另一有机官能团(R)可以通过与涂层中的另一个反应位点的交联反应参与.

关于与表面的反应和相互作用, 有许多复杂性和因变量. 例如, 三烷氧基与水分水解形成硅醇基(R - Si- OH)的速率, 哪一种自缩合或交联反过来与硅醇基团与底物羟基的反应竞争. 这些相互竞争的反应可以根据水分水平、pH值和反向反应的速率而有所不同. 因为水解是可逆的. 三烷氧基硅基水解生成硅醇及其后续反应 自凝固 形成硅氧交联(- Si - O - Si -)可以通过使用适当的锡催化剂,如二月桂酸二丁基锡来加速.

另一方面,最好的促进催化剂 co-condensation 介于树脂和硅酮中间体之间的是钛酸盐基催化剂,如钛酸四异丙酯.

除了那些需要反应性硅烷聚合成树脂骨架的应用, 表一所示的大多数反应都能在环境条件下发生.

R =反应组开启r(哟3)或r(哟2CH3)R基团与活性硅烷例子Trialkoxy硅烷反应应用程序
氨基环氧树脂的功能 3-aminopropyl-triethoxy硅烷表面与- oh结合并自交联形成- Si - O - Si -涂料的 玻璃以及Al、Zr、Sn、Ti、Ni的氧化物
环氧树脂氨基功能3-glycidyloxypropyl trimethoxy硅烷表面与- oh结合并自交联形成- Si - O - Si -涂料 用于玻璃以及Al、Zr、Sn、Ti、Ni的氧化物
Meth-acrylate丙烯酸树脂聚合3-methacryloxypropyltrimethoxy硅烷与另一种硅烷自交联形成- Si- O - Si-并在表面形成- oh湿固化树脂 提高附着力,物理及环境表现
N/AN/AN-octyltriethoxy硅烷形式- Si - O - Si -疏水性, 提高疏水性
乙烯基乙烯基或丙烯酸树脂聚合乙烯基-trimethoxy硅烷形式- Si - O - Si -湿固化树脂,提高附着力和膜的完整性. 也用作 水分清道夫
异氰酸酯羟基,氨基或巯基3-isocyanatopropyl-triethoxy硅烷表面与- oh结合并自交联形成- Si - O - Si涂料的 金属及无机氧化物,也可以保湿
硅烷SIVO溶胶-凝胶法无VOC水性表面处理 适用于各种金属和表面

表一:三烷基氧有机官能团硅烷的反应及其应用

活性硅烷在许多应用中都能有效地改善涂层性能, 包括:

  • 颜料润湿
  • 改善疏水性,增加接触角
  • 在许多金属和无机表面增强附着力
  • 差动材料间的偶联剂
  • 清除水分,提高稳定性
  • 交联改善物理和环境性能

各种硅氧基反应性三甲氧基 硅烷预聚物 也可与 官能团 包括丙烯酸酯、异氰酸酯、氨基、羟基、环氧和乙烯基. 这使得各种各样的机会来提高交联密度, 附着力, 耐气候性, 抗湿性, 疏水性和耐化学性.

资源

  1. 维基百科: 硅烷
  2. UL探勘者
  3. 赢创,ACS产品介绍
  4. 有机涂料,科学与技术,3rd 版