表面:为突破性能而配制疏水涂层

涂层表面可以赋予广泛的亲和力,与水有关,从 亲水 (水的) 疏水 (水排斥) 超疏水 (超疏水性). 这些表面特征是通过适当的组合 表面形态 在微尺度和/或纳米尺度上,结合低 表面能材料.

超疏水性和荷叶

自然界超疏水性的一个典型例子就是荷叶. 所述荷叶的微结构包括高度为10 - 20微米、宽度为10 - 15微米的小突起或尖状乳头,其具有第二疏水蜡层. 结构表面与低能量蜡的结合提供了表面的超疏水性. 为了充分解释和量化疏水性,有必要定义疏水性和疏水性之间的关系 接触角 和 疏水/亲水 表面特性.

水滴落在荷叶上, 和尖状表面的疏水性-在勘探者知识中心学习疏水涂料的配方.
亲水接触角, 疏水和超疏水涂层表面-在勘探者知识中心学习配制疏水涂层.
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%,这提供了自我清洁的效果. 将荷叶拒水特性赋予涂层表面会对性能产生深远影响,包括以下内容:

  • 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.
  • 〇提高防潮性 提高耐泡性和保持光泽
  • 〇提高耐腐蚀性 降低含水率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发生.
  • 延长涂料和基材的使用周期 涂层耐候性和抗可溶性盐和水分渗透能力的提高对涂层的寿命有积极的影响.
由十大彩票平台开发的超疏水涂层系统-在勘探者知识中心学习疏水涂层的配方.
图4 - 5,000小时ASTM B117超疏水涂层系统的盐雾,由十大靠谱彩票平台公司开发,应用于无蠕变或表面起泡的冷轧钢

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 是沿着一条线测量的,然而 表面能 是沿着面积来测量的吗.

表面张力的组成部分主要包括分散性和极性, 氢键和酸碱贡献. 一般来说,较低的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 -聚合物的表面自由能

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 -潜在表面修饰剂的表面自由能

当两种不同的液体材料应用于固体表面时, 表面张力较低的液体会在固体表面流动或湿出, 例如聚乙烯, 比表面张力高的液体更容易. 例如,水(表面张力72.8达因/厘米)将形成一个更高的接触角比将甲苯(表面张力28.4达因/厘米).

到目前为止, 十大彩票平台已经定义了导致疏水性的因素, 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比水更容易润湿表面,因为它们的表面张力较低. 下一部分将集中于如何赋予涂层系统更大的疏水性, 尤其是从表面上看.

最大化的表面疏水性

为了最大限度地提高涂层表面的疏水性,应采用 表面能 应该尽可能低吗. 较低的表面能,加上适当结构的表面,最大限度地提高疏水性.

表面能 具有与表面张力相同的单位(单位长度的力或达因/厘米). 高表面张力液体,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,具有低表面能.  如表二所示, 表面能 会根据与水接触的表面的性质而发生很大的变化.

例如,涂层表面富含聚二甲基硅氧烷(表面能19).8 mN / m)的表面将提供比聚苯乙烯(40.6 mN / m). 在一般条款, 以提供最大的疏水性, 材料最疏水的部分应该被放置在表面.

另一个例子, 如果有机功能三甲氧基硅烷用于表面改性, 甲氧基硅烷基团应该被设计成定位在表面. 涂层表面的全氟和脂肪族具有比酯类或醇类更大的疏水性. 酯和醇在本质上具有更强的极性,因此更容易吸收沉积在表面上的水. 例如,表面张力从最低到最高:

表面张力量表-在勘探者知识中心学习疏水涂料的配方.

在适当设计的涂层中增加疏水性可以提供额外的属性,如自清洁, 提高耐腐蚀性和防潮性,延长涂层和基材的使用周期.

硅烷技术的最新进展使硅烷可以用于水性系统,以改善疏水性. 相应的, 树脂的选择, 压延机, 也可以选择扩展颜料和不透明颜料,以最大限度地提高疏水性.

其次, 使用纳米颗粒的配方必须经过调整,以提供适当的可接受性,而不是作为实现理想性能的临时措施.

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来源

有机硅烷组分的优异涂料性能

硅烷 是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,硅烷化学被证明是提高有机基涂料性能的一种通用手段, 或者提供其他技术难以实现的各种性能特性的硅氧烷改性涂层系统.


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  • 风化
  • 附着力
  • 硬度
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  • 抗湿性
  • 不稳定
  • 交联密度
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硅烷和硅氧烷结构:

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在有水的地方, 三烷氧基硅烷可以水解作为反应的第一步,生成甲醇(对于三甲氧基硅烷)或乙醇(对于三乙氧基硅烷),然后自缩合生成硅氧烷或与色素上现有的醇基反应, 提供硅氧烷键的聚合物或衬底.

单个烷氧基水解形成硅烷醇基-在UL勘探者知识中心了解涂料配方中的有机硅烷成分.
单烷氧基水解形成硅烷醇基

硅烷 在许多应用中用于:

  • 提高附着力 到无机或有机表面-硅烷, 当添加到油漆中时, 是否可以增强对无机表面的附着力,包括金属和玻璃
  • 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烷基成为聚合物的主干. 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,改善流动特性以及在有机聚合物和溶剂中分散的能力.
  • 提高疏水性 -选择性反应硅烷可以经过改性以提供极好的疏水性(将在本文后续部分进行更多讨论)
  • 水分清道夫 -在湿气敏感配方, 这三个烷氧基硅烷可以清除水,与水分反应生成醇分子.
  • 金属表面预处理 -用于预处理各种金属表面的专用水性硅烷(e.g. 赢创的 王朝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具有一个三烷氧基硅基和一个含有反应性组分的烷基(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 在水的存在下,基团可以直接或间接地与羟基反应. 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, 有许多复杂的因素和因变量. 例如, 三烷氧基硅烷基与水分水解形成硅烷醇基(R - Si- OH)的速率, 哪一种自缩合或交联与硅醇基与底物羟基的反应相竞争. 这些相互竞争的反应取决于湿度、pH值和逆反应的速率. 因为水解是可逆的. 三烷氧基硅烷基水解制备硅烷醇及其后处理 自凝固 使用合适的锡催化剂,如二月桂酸二丁基锡,可加速形成- Si - O - Si -的硅氧交联.

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

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

R =反应组打开r(哟3)或r(哟2CH3)R组反应活性硅烷例子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以及自交联形成- Si - O - Si -涂料的 铝、锆、锡、钛、镍的氧化物
环氧树脂氨基功能3-glycidyloxypropyl trimethoxy硅烷表面与- oh以及自交联形成- Si - O - Si -涂料 适用于玻璃、铝、锆、锡、钛、镍的氧化物
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-和- oh在表面湿固化树脂 提高附着力,物理和环境性能
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 -具有改善附着力和薄膜完整性的湿固化树脂. 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以及自交联形成- Si - O - Si涂料的 金属及无机氧化物,也可以保湿
硅烷SIVO溶胶-凝胶法不含VOC的水性表面处理 适用于各种金属和表面

表一:三烷基氧基有机官能硅烷的反应及其应用

活性硅烷在许多应用中为改善涂层性能提供了实用价值, 包括:

  • 颜料润湿
  • 提高疏水性,增加接触角
  • 增强在许多金属和无机表面上的附着力
  • 偶联剂之间的不同材料
  • 清除水分,提供更好的稳定性
  • 交联提高物理和环境性能

多种以硅氧烷为主的活性三甲氧基 硅烷预聚物 也可用于 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,以提高交联密度, 附着力, 耐气候性, 抗湿性, 憎水性和耐化学性.

资源

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