表面:为突破性能配制疏水涂料

涂层表面能传递与水有关的广泛亲和,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得到的 表面形态 在微和/或纳米级别,结合低 表面能材料.

与荷叶超疏水性有关

自然界超疏水性的一个典型例子是荷叶. 荷叶的微观结构由高10 - 20微米、宽10 - 15微米的小突起或尖状乳突组成,具有第二层疏水蜡层. 结构表面与低能量蜡的结合提供了表面的超疏水性. 为了充分解释和量化疏水性,有必要定义两者之间的关系 接触角 和 疏水/亲水 曲面的特征.

荷叶上的水滴, 以及刺状表面的疏水性-在勘探者知识中心了解疏水性涂层的配方.
亲水接触角, 疏水和超疏水涂层表面-了解关于配制疏水涂层在勘探者知识中心.
图3 -亲水、疏水和超疏水涂层表面的接触角

接触角为150°或更多,被称为超疏水——这意味着只有2到3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%,这提供了自清洁的效果. 将荷叶的拒水特性传递到涂层表面具有深远的性能影响,包括以下方面:

  • 自洁 -当水滴滑落时,掉在超疏水/疏水表面的污染物会被清除.
  • 〇提高防潮性能 提高抗起泡性和保光性
  • 〇提高耐腐蚀性 降低水分的渗透可以减少甚至消除水和可溶性盐对金属基体的渗透,从而大大减缓腐蚀的开始.
  • 延长涂层和基材的使用寿命 涂层耐候性的提高以及对可溶性盐和水分渗透能力的提高对涂层的使用寿命有积极的影响.
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图4 - 5,由澳门买球排行App开发的超疏水涂层盐雾系统应用于冷轧钢板上,无划痕蠕变或表面水泡

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 是液体的弹性倾向使它们获得尽可能小的表面积吗.
  • 表面张力 沿直线测量,而 表面能 是沿着面积测量的.

表面张力组分主要包括色散组分和极性组分, 氢键和酸碱的贡献. 一般来说,低表面能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, 而表2提供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会在固体表面流动或浸湿, 例如聚乙烯, 比表面张力高的液体更明显. 例如,水(表面张力72.8 达因/厘米)会比甲苯(表面张力28.4达因/厘米).

到目前为止, 澳门买球已经定义了影响疏水性的因素, 或者缺乏这些, 包括接触角, 表面结构, 以及为什么大多数有机溶剂往往比水更容易润湿表面,因为它们的表面张力更低. 下一段将集中讨论如何赋予涂料系统更大的疏水性, 特别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 表面能 应该尽可能低. 较低的表面能,加上适当结构的表面,使疏水性最大化.

表面能 单位与表面张力相同(单位长度的力或丹涅斯/厘米). 高表面张力的液体(如水)将具有最大的疏水性,因此在具有低表面张力的涂层表面上具有较差的润湿性(高接触角)表面能.  如表二所示, 表面能 这取决于与水接触的表面的性质.

例如,涂层表面富含聚二甲基硅氧烷(表面能量19.8mn /m)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位于表面.

另一个例子, 如果使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位于表面. 涂层表面的全氟基团和脂肪基团比酯基团或醇基团具有更大的疏水性. 酯基和醇基在性质上更具极性,因此更容易吸收沉积在表面的水. 例如,表面张力由低到高:

表面张力刻度-在勘探者知识中心了解疏水涂层的配方.

通过适当设计的涂层提供更多的疏水性可以提供额外的属性,如自清洁, 提高了涂层和基材的耐腐蚀和防潮性能,延长了使用寿命.

硅烷技术的最新进展使硅烷可用于改善水性系统的疏水性. 相应的, 树脂的选择, 压延机, 还可以选择增稠颜料和不透明颜料,以最大限度地提高疏水性.

其次, 利用纳米颗粒的配方必须进行定制,以提供适当的可接受性,而不是作为一种替代品来实现所需的性能.

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来源

有机硅组成的优异涂料性能

硅烷 是1857年由德国化学家海因里希·巴夫和弗里德里希·维勒在盐酸作用于硅化铝形成的产物中首次发现和鉴定的.1 从那时起,硅烷化学已经被证明是一种提高有机基涂层性能的通用手段, 或提供具有其他技术难以实现的各种性能特征的硅氧烷改性涂料系统.


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取决于正确的选择 活性硅烷,可导致各种性能属性的改进,包括:

  • 风化
  • 附着力
  • 硬度
  • 灵活性
  • 抗湿性
  • 不稳定
  • 交联密度
  • 耐蚀性

硅烷和硅氧烷结构:

硅烷和硅氧烷结构-在UL勘探者知识中心了解涂料配方中的有机硅烷成分.

在有水的情况下, 三烷氧基硅烷可以作为反应的第一步水解,释放甲醇(生成三甲氧基硅烷)或乙醇(生成三乙氧基硅烷),并自缩合形成硅氧烷或与颜料上可用的醇基发生反应, 提供硅氧烷连接的聚合物或基板.

水解单一烷氧基形成硅醇基团-在UL勘探者知识中心了解涂料配方中的有机硅烷成分.
烷氧基水解形成硅醇基的过程

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, 添加到油漆中, 能否增强对金属和玻璃等无机表面的附着力
  • 耦合剂 -硅烷用于有机聚合物与无机材料(包括颜料和填料)的偶联
  • 交联剂 -选择性有机功能烷氧基硅烷可以与有机聚合物反应,提供一个三烷氧基硅基到聚合物主链中. 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和改善流动特性以及在有机聚合物和溶剂中的分散能力.
  • 提高疏水性 -选择性反应性硅烷可以被修改以提供极好的疏水性(在本文的后续部分将进行更多讨论)
  • 水分清道夫 -水分敏感配方, 烷氧基硅烷的三个基团可以清除水分,与水分反应生成醇分子.
  • 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 至少含有一个碳硅键(CH3 - Si -)被称为有机硅烷. 无功 硅烷 这个术语是用来定义含有一个三烷氧基和一个含有活性成分的烷基(R)的化合物的吗.

三甲氧基功能性烷基硅烷-在UL勘探者知识中心了解涂料配方中的有机硅烷.

Trialkoxysilyl 这些基团在有羟基的水存在时可以直接或间接地发生反应. 如表1所示, 另一个有机官能团(R)可以通过与涂层中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, 有很多复杂因素和因变量. 例如, 三烷氧基在水的作用下水解形成硅醇基(R - Si- OH)的速率, 它们又会自我凝聚或交联,与硅醇基团与底物羟基的反应相竞争. 这些相互竞争的反应可以根据水分水平、pH值和逆反应的速率而变化. 因为水解是可逆的. 三烷氧基硅烷基水解成硅烷醇 自凝固 使用合适的锡催化剂,如二月桂酸二丁基锡,可以加速形成硅交联(- Si - O - Si -).

另一方面,最好的促进催化剂 co-condensation 在树脂和有机硅中间体之间是钛酸酯基催化剂,如钛酸四异丙酯.

除了那些需要反应性硅烷聚合成树脂主链的应用, 表一所示的大多数反应都可以在环境条件下发生.

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硅烷表面有- oh以及自交联形成- Si - O - Si -涂料的 以及Al, Zr, Sn, Ti和Ni的氧化物
环氧树脂氨基功能3-glycidyloxypropyl trimethoxy硅烷表面有- oh以及自交联形成- Si - O - Si -涂料 铝,锆,锡,钛和镍的氧化物
Meth-acrylate丙烯酸树脂聚合3-methacryloxypropyltrimethoxy硅烷与另一个硅烷自交联形成- Si- O - Si-,表面有- oh湿固化树脂 提高附着力,物理和环境性能
N/AN/AN-octyltriethoxy硅烷形成- 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硅烷形成- Si - O - Si -潮湿固化树脂,提高附着力和膜的完整性. 也可用作a 水分清道夫
异氰酸酯羟基,氨基或巯基3-isocyanatopropyl-triethoxy硅烷表面有- oh以及自交联形成- Si - O - Si涂料的 金属和无机氧化物,也可保湿
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

表一:三烷基氧基有机功能硅烷的反应及其应用

活性硅烷在许多应用中为提高涂层性能提供了实用价值, 包括:

  • 颜料润湿
  • 改善疏水性,增加接触角
  • 增强对许多金属和无机表面的附着力
  • 差动材料之间的偶联剂
  • 清除水分,提供更好的稳定性
  • 交联改善物理和环境性能

各种以硅氧烷为基础的反应性三甲氧基 硅烷预聚物 也可以通过 官能团 包括酰基,异氰酸酯,氨基,羟基,环氧和乙烯基. 这些使各种机会提高交联密度, 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