Гидрофобные материалы: Гидрофобные материалы покрытия, состав

Гидрофобные материалы покрытия, состав

Вода является основой жизни. Она необходима каждому живому организму, существующему на Земле. Но в то же время, вода обладает и разрушительной силой. Не зря существует пословица, что «вода камень точит». И это действительно так, излишняя влажность способна нанести вред даже самым прочным конструкциям и материалам. В связи с этим, для обеспечения защиты предметов от намокания ученые химики изобрели специальное покрытие, способное отталкивать влагу. Покрытия, способные предотвратить намокание предметов, называются гидрофобными. Первое гидрофобное покрытие появилось в обиходе примерно 40 лет назад.

В настоящее время гидрофобные покрытия имеют огромную популярность. Абсолютно каждый человек сталкивается с использованием гидрофобных покрытий. Область их применения колоссально широка. Они применяются как для защиты обуви и различных гаджетов, так и для защиты строительных материалов, уже готовых построек, автомобилей и многого другого.

В зависимости от материала поверхности, а также от способа их нанесения все гидрофобные материалы подразделяются на:

1. Лаки. Ими обрабатываются, в основном, деревянные поверхности. Гидрофобные лаки предотвращают впитывания деревом влаги, и как следствие, не допускают его разбухания и гниения. Производятся в неокрашенном виде, другими словами – бесцветными. Благодаря гидрофобным лакам, деревянные поверхности становятся не только защищенными, но и приобретают привлекательный вид и блеск.
2. Пропитки. Очень популярными являются во время строительства стен зданий и дорожек на террасах. Эффективным водоотталкивающим средством выступают для различных пористых поверхностей.
3. Морилки. В основе данного гидрофобного покрытия лежит олифа. Такие морилки также отлично подойдут для защиты от влаги деревянных покрытий. Нанесение вещества происходит с помощью валика, кисти или же методом распыления.
4. Краски. Имеет наиболее широкую область применения, так как подходит для абсолютно любых типов поверхностей. Гидрофобные краски легко наносятся, у них отсутствует запах, а также они являются гигиеничными.
5. Жидкости, воски, аэрозоли. Такие покрытия предназначены для защиты обуви, стекол, мониторов компьютеров и экранов планшетов и телефонов. Они продаются во многих магазинах и не требуют специальных инструментов для их нанесения.

Однако, при покупке того или иного водоотталкивающего покрытия, следует помнить, что для каждого материала существует свое гидрофобное покрытие, состав которого адаптирован для нанесения на определенную поверхность. Нельзя, например, использовать гидрофобное покрытие для стекол, которое предназначено для защиты от влаги обуви, и наоборот.

Тем не менее, все гидрофобные покрытия, вне зависимости от своего состава, схожи по своим свойствам, которые направлены на защиту поверхности от влаги. К ним, в основном, относятся антиадгезионные свойства, абсолютная экологичность, способность образовывать на поверхности защитную пленку, предотвращающую впитывание влаги, запотевание (например, стекла), налипание грязи.

Гидрофобное покрытие для автомобиля

Автомобиль является тем транспортным средством, которое эксплуатируется при любых погодных условиях. А у некоторых владельцев, по причине отсутствия гаража, авто может даже зимовать на улице. В связи с этим, и сам кузов автомобиля, и многие детали подвергаются воздействию агрессивных сред, в том числе и влаге, которая является основным врагом железа и многих других декоративных элементов. А в комплексе с пылью и солью, которой так любят посыпать зимой дороги, влага является отличным средством, способным за считанные годы полностью привести в негодность лакокрасочное покрытие автомобильного кузова, что, в свою очередь, является причиной появления коррозии. Поэтому, транспортные средства очень нуждаются в хорошей защите. Линейка гидрофобных покрытий для автомобиля очень разнообразна. Она включает:

• силиконовые гидрофобные покрытия с ингибиторами коррозии;
• кремнийорганические твердые гидрофобные покрытия;
• восковые покрытия;
• тефлоновые покрытия;
• соли жирных кислот и другие вещества.

Гидрофобные покрытия обладают антиадгезионными свойствами, обеспечивая отталкивание с поверхности не только влаги, но и различного рода загрязнения. Структура водоотталкивающих покрытий позволяет им просачиваться на достаточную глубину в поры краски и лака, где происходит их кристаллизация. В результате этого на поверхности образуется невидимая тонкая силиконовая или кремниевая пленка, которая предотвращает появление нежелательных царапин и сколов краски на кузове авто. Благодаря применению таких покрытий можно значительно продлить срок службы и молодость своему любимому автомобилю.

Большинство таких покрытий для автомобиля имеют консистенцию, которая не требует специальных навыков и специального оборудования для их нанесения. Благодаря этому, абсолютно каждый человек может нанести гидрофобное покрытие своими руками на кузов автомобиля, соблюдая при этом инструкцию по применению покрытия, которая написана на упаковке.

Кроме того, на рынке существуют и более профессиональные гидрофобные покрытия для автомобиля, нанесение которых в домашних условиях невозможно, а требуют определенных знаний и техники. К таким покрытиям относятся:

1. Специальная защитная пленка, обладающая уникальным составом. После нанесения данного покрытия поверхность становится менее уязвима к различного рода механическим повреждениям, а также уже существующие царапины становятся менее заметными. Данная технология защиты кузова автомобиля является на сегодняшний день наиболее доступной среди всех остальных.
2. Покрытие, предназначенное для нанесения на полированную поверхность автомобиля. Данные покрытия имеют густую консистенцию, напоминающую гель. После нанесения таких покрытий образуется специальная пленка, обладающая эффектом «лотоса» — мелкие капли попадающей на кузов воды соединяются в крупные и вместе с грязью смываются с поверхности.
3. «Жидкое стекло». Данное покрытие способно не только соответствующим образом защитить поверхность, но и вернуть лакокрасочному покрытию автомобильного кузова первозданный блеск. Покрытие имеет принципиальное отличие от всех остальных гидрофобных покрытий, которое заключается в его составе. «Жидкое стекло» способно проникнуть достаточно глубоко в лакокрасочное покрытие кузова, тем самым усилив его молекулярную структуру. Кроме этого, покрытие очень прочное и долговечное.
4. Нанокерамика. Данное покрытие чем-то похоже на «жидкое стекло», поскольку также надежно и длительно способно сохранить в целостности и сохранности кузов автомобиля вместе с покраской. Предотвращает появление сколов и царапин. Также является устойчивым не только к воздействию агрессивной влажной среды, но и многим химическим веществам.

В настоящее время каждый владелец автомобиля может выбрать гидрофобное покрытие по своему вкусу. Каким бы оно не было, в любом случае, кузов и лакокрасочное покрытие будут защищены от воздействия влаги и загрязнения.

Гидрофобные материалы — Справочник химика 21

    Ребиндером терминологии, гидрофильность твердого тела означает смачивание его водой, а гидрофобность — отсутствие смачивания водой. При этом гидрофобные тела являются, как правило, олеофильными, т.е. легко смачиваются нефтью и нефтепродуктами. Причиной различного уровня гидрофобности материалов является различный энергетический уровень их поверхности. Материалы, поверхность которых характеризуется наличием большого количества сильнополярных групп, таких как ОН, КН2, СООН, СОМН и др., создающих значительное свободное силовое поле, имеют, как правило, повышенный уровень гидрофильности (например, целлюлоза, лен и др.). В отличие от них, материалы, не имеющие полярных групп на поверхности вещества (например, тефлон, нейлон и др.), в большинстве своем гидрофобны. [c.83]
    Наибольшее применение в качестве сорбента получили гели гидрофобных материалов, например полистирола, сшитого дивинил-бензол ом В таких гелях практически полностью отсутствуют эффекты адсорбции анализируемых проб. В последнее время широко распространены макропористые стекла, которые обладают по сравнению с полимерным сорбентом рядом преимуществ (жесткость частиц, варьирование размеров пор, химическая стабильность) и недостатков (повышенная сорбция на них полимеров).  [c.108]

    А. В. Думанский показал, что количество прочно связанной воды (Л) более правильно определять по той предельной величине адсорбции, при которой теплота смачивания (Q) близка к нулю [1]. Из наших данных [66] следует, что величину А можно найти по изотерме адсорбции при относительном давлении паров воды р/р5 = 0,95. Для количественной оценки гидрофильности дисперсных материалов может служить отношение Q/A. В зависимости от типа материала оно изменяется от 30 ООО до 420 Дж/моль [66]. Условной границей между гидрофильными и гидрофобными материалами можно считать отношение Р/Л = 3750 н-4200 Дж/моль. [c.32]

    Широкое распространение при обезвоживании нефтепродуктов получили методы, основанные на применении пористых перегородок (фильтрационные методы) Отделение свободной воды в пористых перегородках, обладающих гид рофильными свойствами, происходит за счет впитывания фильтрующим материалом влаги до полного его насыщения. Перегородки, изготовленные из гидрофобных материалов, проницаемы для нефтепродуктов, но не пропускают содержащиеся в нем капли воды.

Обычно в сепараторе фильтра предусматривается использование трех последовательно установи ленных перегородок  [c.99]

    В гидрофобизированных электродах оптимальное распределение газа и жидкости в пористом теле достигается введением в него гидрофобных материалов (рис. 122,6). В качестве материала таких электродов используют высокодисперсные платиновые металлы в чистом виде [c.223]

    Анализ уравнения (11.24) показывает, что жидкости, не смачивающие поверхность, могут проникать в мелкие поры и капилляры гидрофобных материалов под действием значительного давления. Например, в парафинированные капилляры (0 1О5°) диаметром 0,1 мм вода может проникнуть, если ее уровень над поверхностью составляет около 0,1 м. 

[c.49]

    П. нестойки в конц. к-тах, а при т-рах выше 50 °С-также и в углеводородах. Устойчивость П. к галогеналканам и ароматич. углеводородам, спиртам, кетонам возрастает с увеличением степени кристалличности и при сшивании полимера-основы. П.-гидрофобные материалы, отличающиеся высокой влаго- и водостойкостью. [c.458]

    У гидрофобных материалов разность полярностей по отношению к неполярным жидкостям меньше, чем по отношению к воде. В гидрофобных твердых телах преобладают гомеополярные связи К гидрофобным материалам относятся фафит, сера, сульфиды тяжелых. металлов, органические вещества, многие полимеры( тефлон, полиэтилен и др.).  [c.98]

    Приведенные в таблице данные убедительно доказывают существование четкой зависимости увеличения поглотительной способности гидрофобных материалов от толщины нефтяной пленки. [c.96]

    Поглотительная способность гидрофобных материалов [c.97]

    Хорошо смачиваемые поверхности, отличающиеся большим сродством с водой, называются гидрофильными, а не смачивающиеся — гидрофобными. Угольное вещество по своей природе является гидрофобным материалом, а породообразующие минералы, как правило, гидрофильны.  [c.222]

    Для количественной оценки гидрофильности дисперсных материалов может служить отноше ние Q/Л. В зависимости от типа материала оно изменяется oi 30 ООО до 420 Дж/моль [51. Условной границей между гидрофильными и гидрофобными материалами можно считать отношение Q/Л = 3750—4200 Дж/моль. [c.58]

    При выборе сорбентов для равновесного концентрирования примесей атмосферного воздуха необходимо учитывать их гидрофильные свойства. Пары воды, содержащиеся в воздухе, улавливаются насадкой, существенно изменяя ее сорбционные свойства, что в итоге может привести к большим ошибкам [3]. Чтобы уменьшить вредное влияние влаги, для равновесного концентрирования примесей атмосферного воздуха необходимо применять гидрофобные материалы — насадки с неполярными жидкими фазами, но лучше всего пористые полимеры — порапаки [5], тенакс и др. [c.186]

    Состав битума существенно сказывается на свойствах битумных блоков. Увеличение количества асфальтенов приводит к более слабому сцеплению минеральных составляющих с гидрофобным материалом и к увеличению скорости вымывания радионуклидов. Однако асфальтены увеличивают радиационную стойкость, которая является основным необходимым свойством для долговечности закрепленных блоков. Включение солей, в частности, нитрата натрия, увеличивает радиационную стойкость по сравнению с чистыми битумами. Это объясняется рекомбинацией возника- [c.547]

    Однако и в случае гидрофобных материалов (Ф-4, Ф-4-МБ-2) в условиях повышенной влажности процессы релаксации заряда [c.199]

    В качестве индикаторных электродов в инверсионной вольтамперометрии используют главным образом графитовые электроды в виде стержней, выточенных из графита марки В-3, диаметром 5— 6 мм, длиной 10—15 мм (рис. 9.19). Рабочей поверхностью электрода является его торец, боковая поверхность покрыта парафином или полиэтиленом. Графитовые электроды дают большой остаточный ток вследствие восстановления кислорода в их порах. Для уменьшения остаточного тока графитовые стержни пропитываются в вакууме гидрофобными материалами, например воском, парафином, эпоксидной и силиконовой смолами, тефлоном.  [c.159]

    Сырые и очищенные жирные кислоты и их мыла, нефтяные сульфонаты и сульфированные жирные кислоты тоже широко используются в качестве коллекторов при флотации плавикового шпата, природных фосфатов, железных руд и неметаллических ископаемых. В этих случаях расход реагента гораздо выше —от 90 до 900 г на 1т руды. Катионные коллекторы (такие как жирные амины и соли аминов) широко используются для флотации кварца, поташа и силикатных минералов в количестве от 4 до 900 г на 1 г. Мазут и керосин используются как коллекторы для угля, графита, серы и молибденитов, так как они легко адсорбируются естественными гидрофобными материалами. На практике только второй пенообразователь часто используется для флотации этих минералов. Эти углеводороды используются также для разбавления сульфонатов, жирных кислот и жирных аминов при флотации неметаллических ископаемых. [c.369]

    Гидрофобные материалы (сера, парафин, масла и другие углеводороды) не адсорбируют водяных паров и поэтому не образуют проводящих пленок влаги даже при относительной влажности воздуха 100%.  [c.169]

    В заключение можно отметить, что увеличение относительной влажности до 70% во многих случаях может быть рекомендовано для отвода зарядов статического электричества с ненагретых гидрофильных материалов. Для устранения зарядов с нагретых поверхностей и гидрофобных материалов следует применять другие средства. [c.170]

    Массоперенос молекул воды в полимерах имеет ряд особенностей. В гидрофобных материалах имеет место слабое взаимодействие молекул воды с матрицей материала (низкая растворимость), однако происходит взаимодействие молекул воды друг с другом, обусловливающих специфический механизм переноса. [c.290]

    Растворы с концентрацией элементов адсорбция стенками посуды. Снизить эти потери можно, используя емкости из органических гидрофобных материалов — полиэтилена и фторопласта-4, вводя комплексообразователи, подкисляя раствор. [c.338]

    Равновесное значение поверхностного сопротивления, достигаемое при 100%-ной относительной влажности среды, практически ие зависит от абсорбции влаги. Так, высокие значения поверхностного сопротивления наблюдаются у таких гидрофобных материалов, как силиконовый каучуки политетрафторэтилен. Однако Томпсон считает, что результаты, полученные Филдом, ошибочны, так как для достижения равновесных значений поверхностного сопротивления требуются значительно более длительные экспозиции (даже для образцов, склонных к абсорбции влаги), чем использованные в работе Филда. Тем ие менее измерения Филда весьма полезны для сопостав- [c.113]

    Волан обеспечивает высокую адгезию полиэфирной смолы к стекловолокну, но не устраняет полностью вредное влияние влаги. Гаран же является более гидрофобным материалом и обладает как адгезионными, так и водоотталкивающими свойствами. [c.238]

    Измельчение в коллоидной мельнице проводят всегда в жидкой среде. Для измельчения гидрофильных материалов в качестве дисперсионной среды применяют воду, а для гидрофобных материалов, например для угля или графита, некоторые органические жидкости, по возможности неполярные. Для предотвращения коагуляции коллоидов и для облегчения дробления в дисперсионную среду (жидкость) обязательно добавляют вещества, действующие как защитные коллоиды. Для этой цели чаще всего [c.272]

    Показано, что применение ОСК-технологии позволяет при обеспечении условий течения реакций карбонизации получить порошкообразные гидрофобные материалы с высокими геомехани-ческими показателями. При этом данная технология не ограничивает положительного воздействия биоценозов на грунты, обработанные негашеной известью. [c.224]

    В гидрофобизированных электродах, разработанных Л. Нидрахом и X. Элфордом, оптимальное распределение газа и жидкости в пористом теле достигается введением в него гидрофобных материалов (рис. 122,6). В качестве материала таких электродов используют высокодисперсные платиновые металлы в чистом виде пли на носителе (карбидах металлов, угле и т. п.). В качестве гидрофобизатора и одновременно связующего вещества применяют фторопласт или полиэтилен. Гидрофобизированный катализатор наносится на металлическую сетку или на пористую подложку из угля, пластмассы или других материалов. Запорным слоем электродов служит мелкопористая гидрофильная подложка или более гидрофильный наружный слой катализатора. Для гидрофобизированных электродов характерно постепенное увеличение степени гидро-фобности по мере перехода от электролита к газу. Гидрофобизированные электроды тоньше и легче, чем гидрофильные, поэтому их применение позволяет повысить удельную мощность топливного элемента. Кроме того, эти электроды могут работать практически при отсутствии перепада давления газа. [c.238]

    Более радикальное изменение свойств поверхности происходит при введении в жидкую фазу ПАВ трех других групп, способных энергично адсорбироваться на межфазной поверхности. Если происходит физическая адсорбция ПАВ, отвечающая правилу уравнивания полярностей, то смачивание поверхностей резко улучшается — вплоть до перехода к растеканию. Так, поверхности гидрофобных материалов могут смачиваться водой при добавлении в воду самых разнообразных ПАВ, способных к адсорбции на межфазной поверхности вода — масло. Наоборот, гидрофобиэация поверхности возможна, как уже отмечалось выше, при введении в водный раствор хемосорбирующихся ПАВ это явление широко используется в процессах флотационного обогащения полезных ископаемых и будет подробнее рассмотрено нами в следующем параграфе. [c.105]

    Нефтяные битумы, содержащие небольшое количество ПАВ, сцепляются лучше с гидрофобными материалами, а природные битумы и дегти, в которых значительно больше асфальтогеновых и карбоновых кислот [157], — с гидрофильными материалами. Битумы из крекинг-остатков имеют большую поверхностную активность по сравнению с другими битумами, и поэтому образуют водоустойчивые асфальтовые смеси с гидрофильными каменными материалами. [c.87]

    Полиакрилат. Сшивка дивинилбензолом придает некоторую гидрофобность материалу матрицы, но заметно меньшую, чем в случае полистирола. Ионогенными группами служат сами карбоксильные группы остатков акриловой кислоты плотность их расположения, очевидно, очень высока. Механические и физические параметры — примерно такие же, как у полистирола. Иногда встречаются матрицы на основе полимеров метакриловой кислоты. [c.250]

    Активные дисковые нефтесборщики представляют собой нефтезаборное устройство и ряд вращающихся дисков, конфигурация которых может быть самая разнообразная — от округлых, до звездчатых и тороидальных. Суммарная площадь дисков намного превышает контактную площадь поверхности роторных и ленточных нефтесборщиков. Диаметр дисков составляет от 100 до 500 мм, выполненных из металла, полиэтилена, полипропилена, фторопласта и других гидрофобных материалов. Расстояние между дисками от 20 до 100 мм. При контакте вращающихся дисков с водной поверхностью, загрязненной нефтепродуктами, происходит сорбирование нефтяной пленки на их поверхности и подъем ее выше уровня воды. Съем нефтепродуктов с дисков осуществляют несъемные скребки. Откачку производят пневматические, гидравлические и электроприводные насосы. Отличительной особенностью дисковых нефтесборщиков является высоких уровень стабильности их работы в условиях повышенного волнения. Дисковые нефтесборщики обладают значительной площадью контакта с нефтяной пленкой и имеют более высокую [c.47]

    Поглощение нефти и нефтепродуктов при локализации и ликв11дации аварийных разливов на поверхности воды и суши гидрофобными порошковыми материалами, вместе с тем, не сводится только к процессу поверхностной адсорбции. Процесс адсорбции в реальных условиях доминирует лишь только в случае очистки поверхности водоемов от тонких мономолекуляр-ных пленок нефти и нефтепродуктов. В случае применения порошковых адсорбентов для очистки сильно загрязненной нефтью поверхности воды, наряду с процессом адсорбции, протекает процесс сгущения нефти вследствие образования суспензии гидрофобных частиц в данной жидкой фазе. Порошковые гидрофобные материалы в данном случае выступают как веще-ства-сгустители. При контакте твердых олеофильных частиц с большим количеством нефти вокруг них образуются мицеллы, взаимодействующие между собой с образованием своеобразной сетчатой структуры, что значительно увеличивает вязкость суспензии в целом, приводя при достижении больших концентраций порошковых адсорбентов в нефти к образованию достаточно плотных конгломератов.  [c.89]

    Днспергированне и задержка дисперсной фазы. Чтобы получить наибольшую межфазную поверхность, при которой массонередача эффективна, нужно диспергировать ту фазу, производительность по которой максимальна. Однако создаются некоторые трудности при диспергировании водной фазы в колонных экстракторах, так как многие материалы насадки предпочтительно смачиваются водной фазой. В этом случае дисперсная фаза будет двигаться через колонну не отдельными каплями, а потоками, пленками и большими каплями неправильной формы, что приведет к ухудшению работы экстрактора. В качестве насадок в таком процессе желательно применять гидрофобные материалы, если они устойчивы в условиях экстракции. [c.112]

    Рассматриваемый метод применяется также для изучения свойств гид-рофильпо-гидрофобных материалов. В этом случае можно найти распределение гидрофобной и гидрофильной компоненты в материале, что необходимо знать для онределения реальной модели пористого тела [3]. [c.215]

    Многие металлы не обладают заметно гидрофобными или гидрофильными свойствами поэтому перфорированные тарелки, изготовленные из таких материалов, в большей части случаев работают удовлетворительно, хотя тарелки с выштампо-ванными соплами или отверстиями более предпочтительны. Гидрофобными материалами являются сплав железа, молибдена и меди ( Tron an ) , а также большая часть пластмасс, особенно полиэтилен, полипропилен и фторопласты. Поэтому перечисленные материалы не следует применять при диспергировании органических жидкостей. [c.524]

    Опубликованы работы об изготовлении тонкодисперсных кремнекислот и силикатов, которые используются в качестве наполнителей при производстве резины [561—567]. Для этих же целей используют полимерный оксимид кремния и кварц [568— 569]. Опубликовано применение алюмосиликатов для огнеупоров [570—573]. Приведен способ обработки бумаги кремнеземом [574]. Последний также используется для получения гидрофобных материалов [575, 576]. Сообщены данные о применении силиката натрия для изготовления геля, служащего для осушки газов [577], приготовления смазок [578]. Гюбнером [579] рассматриваются области использования искусственных и естественных камней в качестве шлифовальных кругов. Каутским с сотрудниками [580] сообщено о применении силоксена в лабораторной практике в качестве восстановителя. Как указывает Меррил [581], синтетические слюды — хорошие заменители слюды в специальных прецизионных электронных трубках. Опубликован способ изготовления слюдяной бумаги [582]. Приведены данные о применении слюды в промышленности в качестве изоляционного материала [583—595]. [c.318]

    Сопоставление энергии дисперсионного взаимодействия органических молекул и молекул воды с поверхностью гидрофобного адсорбента показывает, что на границе раздела адсорбент-вод-ный раствор должны накапливаться преимущественно органиче-скйе молекулы, являющиеся гораздо более сложными многоэлектронными системами, чем молекульг воды. Ситуация коренным образом изменяется, если поверхность адсорбента гидрофильна, т. е. содержит значительное число групп и отдельных атомов, способных к образованию водородных связей. В этом случае дисперсионная энергия взаимодействия органических молекул с адсорбентом оказывается в 2—2,5 раза меньше энергии водородной связи адсорбента с молекулами воды. Соответственно с этим на поверхности раздела гидрофильный адсорбент — Водный раствор преимущественно концентрируются молекулы воды и отношение количеств молекул органического компонента и воды в равновесном растворе после адсорбции возрастает (явление так называемой отрицательной адсорбции из раствора). Отсюда следует, что в общем случае гидрофильные адсорбенты для избирательной адсорбции органических веществ из водных растворов непригодны независимо от того, насколько хорошо они сорбируют эти вещества из паров или паро-газовых смесей. Лишь в тех случаях, когда сложные органические молекулы содержат элементы структуры или функциональные группы, способные взаимодействовать с функциональными группами или атомами поверхности адсорбента за счет образования водородных связей или ион-дипольного притяжения, применение гидрофильных полярных адсорбентов может оказаться целесообразным для решения технологических задач, связанных с адсорбцией таких веществ из водных растворов. В основном же эффективные адсорбенты органических соединений из водных растворов следует искать среди гидрофобных материалов, адсорбция на которых обусловлена преимущественно дисперсионными силами. [c.26]

---

Умные гидрофобные покрытия

Новые достижения в области материаловедения позволили создать умные функциональные покрытия, сочетающие в себе гидрофобные свойства с расширенной функциональностью, для промышленных, бытовых, медицинских и военных сфер применения. В данной статье рассматривается, как изготавливаются эти умные покрытия и как они могут быть использованы в будущем.

СОЗДАНИЕ УМНЫХ, ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

Что мы подразумеваем под «умным» или функциональным покрытием? Проще говоря, это покрытие, которое разработано так, что оно реагирует на окружающую среду определенным образом. Функциональные покрытия можно изготовить таким образом, чтобы они реагировали на конкретное воздействие, например, присутствие воды или других химических веществ, или физическое воздействие, например, температуру, электричество или свет. Гидрофобные материалы и покрытия используются на протяжении десятилетий. Сейчас ученых интересуют не только стандартные водоотталкивающие свойства, но и внедрение дополнительных возможностей для более специализированных областей применения. Функциональные покрытия создают путем изменения наноструктуры или химического состава самого покрытия или введения добавок для изменения способа реагирования покрытия в условиях определенного воздействия. Эти чувствительные к воздействию материалы могут химически или физически реагировать на окружающую их среду различными способами.

Например:

• Самоочищающиеся покрытия могут реагировать на определенные загрязняющие вещества и разбивать их на менее проблемные побочные продукты.
• Чувствительные полимерные покрытия могут изменять рельеф поверхности под воздействием света, чтобы модулировать такие характеристики как смачиваемость или поверхностное трение.[1]
• Капсула Battelle Smart Corrosion Detector® обнаруживает следы от химического воздействия и коррозии и высвобождает действующее вещество для устранения повреждений.

СОЗДАНИЕ ДОБАВКИ ДЛЯ САМООЧИЩАЮЩИХСЯ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

Одним из примеров умной гидрофобной поверхности может служить новое химически стойкое покрытие (CARC), разработанное компанией Battelle для вооруженных сил США. Покрытия CARC используются для защиты военной инфраструктуры, транспортных средств и оборудования от таких химических веществ, как иприт и нервно-паралитические отравляющие вещества (зарин или ви-экс) в зонах боевых действий. Традиционно покрытия CARC изготавливают путем добавления большого объема таких же пигментов и наполнителей, которые используются в красках, имеющихся в продаже.

Такое добавление делает краску до некоторой степени гидрофобной, замедляя поглощение химических веществ покрытием и обеспечивая время для очистки от загрязнений.

С другой стороны, порошковое покрытие, разработанное компанией Battelle, активно отталкивает и обеззараживает химические вещества, обеспечивая более эффективную и длительную защиту. Вместо того, чтобы просто отталкивать химическое вещество, покрытие фактически разлагает остаточные следы загрязнения на менее вредные вещества. Новое покрытие CARC может существенно снизить затраты на очистку и окраску для военных.

Вместо дорогостоящей очистки и обезвреживания, персонал может рассчитывать на покрытие, которое очищает само себя. Материал можно добавить к любой краске или покрытию в виде порошка.

Рисунок 1. Гидрофобно модифицированные смешанные оксиды металлов.

Умное покрытие CARC имеет двойную функциональность (рисунок 1), что позволяет ему отталкивать химические вещества на водной основе и самоочищаться от загрязнений:

• Модифицированные смешанные оксиды металлов обеспечивают гидрофобные свойства.
• Катионная кремнийдиоксидная группа разработана для очищения поверхности посредством реакции с любыми остаточными следами химических веществ и их разложение на безвредные соединения.

При проведении испытаний катионную кремнийдиоксидную добавку соединяли с порошком Powdura Polyester TGIC® в различных количествах (0-5 вес.%) и наносили на панели из стали и алюминия, обработанные с помощью Prekote®.

После нанесения и отверждения покрытий проверяли их химическую стойкость с помощью испытаний на смачиваемость поверхности (рисунок 3), поверхностную энергию (рисунок 2) и стойкость к воздействию метилэтилкетона (таблица 1). Эти испытания показали, что добавка обеспечивает превосходную устойчивость к химическому воздействию, причем стойкость повышается с увеличением количества используемой добавки. Помимо перечисленных испытаний, также были проведены испытания механических свойств (таблица 1), которые показали, что покрытия с добавкой сохраняют отличные механические свойства. По сравнению с традиционными порошковыми покрытиями функциональное катионное покрытие на основе диоксида кремния демонстрирует более высокую водостойкость и стойкость к растворителю, более низкую поверхностную энергию и увеличение химической стойкости.

Рисунок 2. Результаты измерения поверхностной энергии порошкового покры-тия Powdura Polyester TGIC с катионной кремнийдиоксидной добавкой в раз-личных количествах.

Рисунок 3. Результаты измерения краевого угла смачивания порошкового по-крытия Powdura Polyester TGIC с катионной кремнийдиоксидной добавкой в различных количествах.

В данном покрытии CARC была также предусмотрена способность к самоочищению от загрязнений. Порошки оксидов металлов, такие как оксид магния, оксид алюминия, оксид цинка, оксид кальция и диоксид титана, были исследованы на предмет обезвреживания отравляющих химических веществ. [2-7] Было высказано предположение, что химические вещества адсорбируются на оксидах металлов (рисунок 4), а их окисление и гидролиз происходят на адсорбированных участках.

Рисунок 4. Адсорбция типичного соединения зарина на оксиде магния. Источ-ник: Morris Group Virginia Tech.

Это приводит к превращению отравляющих химических веществ в безопасные (или менее опасные) продукты. Функциональная кремнийдиоксидная группа может быть подобрана в соответствии с различными эксплуатационными требованиями. Подобную технологию очистки поверхности можно разработать для других областей применения в потребительских и промышленных сферах, например, промышленные краски, которые реагируют с токсинами и канцерогенами, разрушая их на менее вредные вещества. Ее также можно использовать в материалах и оборудовании для аварийно-спасательных служб или работников заводов и лабораторий, которые подвергаются воздействию токсичных или канцерогенных веществ.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УМНЫХ ГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ

Применение умных гидрофобных поверхностей не ограничивается удалением опасных химических веществ и токсинов. Функциональные покрытия можно разработать для разнообразных целей, например:

• Противомикробное действие. Противомикробные покрытия могут помочь уменьшить перекрестное загрязнение поверхностей и внутрибольничных инфекций в лечебных учреждениях. Благодаря гидрофобным свойствам эти покрытия могут предотвратить адгезию микроорганизмов. Дополнительную функциональность можно обеспечить путем добавления функциональных групп, способных обнаруживать химические признаки бактерий и выполнять определенные действия, например, изменять цвет или электрические свойства, чтобы обозначить загрязнение.
• Предотвращение биологического обрастания. Прибрежная инфраструктура и морские суда предрасположены к биологическому обрастанию мелкими морскими организмами, такими как мидии и ракушки. Функциональные покрытия можно разработать таким образом, чтобы они снижали способность морских организмов и бактерий приклеиваться к кораблям, буровым вышкам, швартовным цепям и другим прибрежным объектам инфраструктуры. Снижение биообрастания в судоходной отрасли не только защищает судно и уменьшает сопротивление, но и может способствовать меньшему распространению инвазивных видов во всем мире.
• Антикоррозионное действие. Функциональные покрытия могут обеспечить повышенную защиту объектов инженерной инфраструктуры, нефтегазопроводов и нефтегазового оборудования, индивидуальных и военных транспортных средств, и других элементов инфраструктуры. В дополнение к действию описанной выше капсулы Smart Corrosion Detector, функциональные поверхности могут быть разработаны для обнаружения и реагирования на присутствие бактерий, вызывающих коррозию.
• Защита от обледенения. Гидрофобные поверхности могут уменьшить нарастание льда на крыльях самолета, объектах инженерной инфраструктуры и других наружных компонентах.

Разработка покрытия, которое отвечает всем необходимым требованиям и при этом обеспечивает одну из перечисленных дополнительных функций, – это сложная задача, требующая определенных  усилий. Единственное, в чем мы можем быть уверенны, это то, что через 10 лет мы будем стремиться производить покрытия, которые бы обеспечивали еще более расширенные дополнительные функции, чем сейчас.

ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

Разработка функциональных гидрофобных поверхностей требует оптимального сочетания функциональных требований и других механических и эксплуатационных характеристик с учетом экономических и нормативных факторов.

Изменение состава покрытия для введения функциональных групп может изменить его свойства не так, как ожидалось; полученная поверхность может быть менее твердой, менее прочной, менее цветостойкой или может демонстрировать другие негативные характеристики. С другой стороны, состав может зависеть от материалов, которые могут быть дорогостоящими, труднодоступными, опасными, токсичными или подлежать жесткому регулированию. Поиск верного решения возлагается на материаловедов, которые оценивают ряд факторов:

• Необходимые функциональные и технические характеристики. Какое покрытие необходимо получить? Каким эксплуатационным характеристикам оно должно соответствовать (например, твердость, долговечность и так далее)? Каков предполагаемый срок службы?
• Условия эксплуатации. Где и кем будет использоваться покрытие (например, больница, коммунально-бытовые или военно-полевые условия)? Какому воздействию будет подвергаться материал в процессе использования (например, вода, химические вещества или другие материалы)? С какими материалами он должен быть совместим, включая подложку и другие материалы, с которыми он будет соприкасаться?
• Цепь поставок, возможности производства и экономические вопросы. Является ли предложенное решение экономически целесообразным? Легко ли его масштабировать для производства? Предполагается ли использование редких материалов с ограниченным числом поставщиков? Насколько дорогие материалы? В каком ценовом диапазоне должен находиться готовый продукт?
• Безопасность, охрана окружающей среды и нормативное регулирование. Каким видам регулирования подлежит продукт? Должен ли продукт проходить проверку Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США или другими контролирующими органами? Какое воздействие на окружающую среду будет оказано в течение всего жизненного цикла продукта, включая производство, эксплуатацию и утилизацию (например, выделяет ли покрытие химические вещества или наночастицы)?

 

При разработке умных гидрофобных покрытий материаловеды должны учитывать все эти факторы. Функциональное покрытие, которое соответствует техническим требованиям, но не пригодно для масштабного производства или не прошло нормативный контроль, нельзя вывести на рынок. В компании Battelle научный коллектив, работающий по программе Surface Science, разрабатывает готовые к выходу на рынок покрытия, которые соответствуют конкретным функциональным и эксплуатационным требованиям, для военной, промышленной и потребительской областей применения. По мере того, как достигаются определённые успехи в области материаловедения, особенно в наноматериалах и материалах, чувствительных к воздействию, перспективы умных гидрофобных покрытий становятся практически безграничными.

В будущем краски и покрытия могут стать чем-то гораздо большим, чем просто красивая поверхность. Многие из них будут умными, функциональными материалами, которые реагируют на окружающую их среду и изменяют ее.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Стумпел Дж.; Вроер Д.; Шеннинг А. Чувствительные к свету полимерные покрытия. Журнал Chemical Communications. Выпуск 100, (сентябрь 2014 г.). Получено в ноябре 2016 г. с сайта: http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/CC/C4CC05072J#!divAbstract.
2. Обезвреживание боевых химических веществ с помощью наноразмерных оксидов металлов. В защиту применения наноматериалов, Американское химическое общество: Вашингтон, округ Колумбия, 2009 г.; стр. 139-152.
3. Джордж У.У. Обезвреживание боевых химических веществ с помощью наноразмерных оксидов металлов. Наноразмерные материалы в химии: экологичное применение, Американское химическое общество: 2010 г.; вып. 1045, стр. 125-136.
4. Махато Т.Х.; Прасад Г.К.; Сингх Б.; Ачария Дж.; Сривастава А.Р.; Виджайрагхаван Р. Применение нанокристаллического оксида цинка для дегазации зарина. Журнал Journal of Hazardous Materials, 2009 г., 165 (1–3), 928-932.
5. Мартьянов И.Н.; Клабунде К.Дж. Фотокаталитическое окисление газообразного 2-хлорэтилэтилсульфида TiO2. Журнал Environmental Science & Technology 2003 г., 37 (15),  3448-3453.
6. Прасад Г.К.; Махато Т.Х.; Сингх Б.; Панди П.; Рао А.Н.; Ганесан К.; Виджайрагхаван Р. Дегазация сернистого иприта на наноструктурах из оксида марганца. AIChE Journal 2007, 53 (6), 1562-1567.
7. Шейнкер В.Н.; Митчелл М.Б. Количественное исследование распада диметилметилфосфоната (DMMP) на оксидах металлов при комнатной температуре и выше. Химия материалов, 2002, 14 (3), 1257-1268.

Водоотталкивающие пропитки и гидрофобные покрытия для кирпича и бетона

Гидрофобная пропитка для бетона делает основания более устойчивыми к воздействию воды, растворов солей, повторяющимся циклам замораживания и оттаивания. При этом основание сохраняет свою паропроницаемость, что немаловажно для долговечности и сохранения внешнего вида поверхности.

Составы «Гидрозо» эффективно защищают фасады из бетона, штукатурки, кирпича, декоративной керамики от воздействия внешних факторов, надолго сохраняют их прочность и защищают от загрязнений.

Цена на гидрофобизирующую пропитку для бетона

Цена на гидрофобизирующую пропитку для бетона зависит от её состава и технических характеристик. Специалисты компании «Гидрозо» помогут рассчитать нужный объём пропитки и её стоимость.

Мы предлагаем водонепроницаемую пропитку для бетона разных механизмов действия:

• Маногард 237 — водная эмульсия на основе кремнийорганических смол, применяющаяся как эффективная водопроницаемая пропитка для бетона и других минеральных оснований. Защищает поверхности от образования солевых отложений, негативного воздействия солевых растворов и влаги, разрушения в результате циклов замораживания и оттаивания.
• Маногард 230 — силановая гидроизоляционная пропитка для бетона глубокого проникновения, содержащая органический растворитель. Благодаря малой вязкости она легко проникает в поверхностный слой строительных материалов и образует химические связи со внутренней оболочкой пор. Бетон приобретает такие свойства как гидрофобность и морозостойкость, становится устойчив к воздействию воды и растворов солей.

Применение водоотталкивающей пропитки для бетона и условия её нанесения

Водоотталкивающая пропитка для бетона применяется для защиты фасадов, полов, заборов, стен. Не рекомендуется покрывать поверхности в дождь, или когда осадки ожидаются в течение суток. Наносить средство следует в температурных границах от +5 до +30˚ C. Расход вещества составляет от 200 до 700 мл на квадратный метр.

Как купить гидрофобную пропитку для бетона производства компании «Гидрозо»

Купить гидрофобную пропитку для бетона можно несколькими способами:

• оставив заявку со своими координатами на сайте;
• позвонив по номеру центрального офиса в Москве или ближайшего к вам филиала;
• написав на электронную почту.

Тара, в которую упаковывается продукция: Маногард ПСМ – канистра массой 10 кг; Маногард 237 – канистра пластиковая объёмом 25 л, бочка 200 л; Маногард 230 – канистра 5 л, ведро 25 л, пластиковая бочка 200 л.

(супер)гидрофобные пористые материалы на основе изоцианата

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к синтезу органических пористых материалов на основе изоцианата, содержащих, по меньшей мере, гидрофобные свойства, более предпочтительно, супергидрофобные свойства.

Кроме того, настоящее изобретение относится к гидрофобным, более предпочтительно, супергидрофобным органическим аэрогелям/ксерогелям/криогелям на основе изоцианата, предпочтительно, к аэрогелям/ксерогелям/криогелям на основе метилендифенилдиизоцианата (MDI), которые содержат гидрофобные соединения, ковалентно введенные в их пористую структуру.

(Супер)гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели согласно настоящему изобретению являются пригодными для использования во множестве применений, таких как применение в качестве изоляционных продуктов (тепловых и/или акустических) или в них.

Уровень техники

Аэрогели (полученные с использованием сверхкритической сушки), ксерогели (полученные с использованием сушки при давлении окружающей среды) и криогели (полученные с использованием сушки вымораживанием) представляют собой пористые материалы (с открытой структурой пор), как правило, с размерами пор в микрометровом или даже в нанометровом диапазоне. Удельная площадь поверхности может быть очень большой (>1 м²/г, и достигать 1000 м²/г в некоторых случаях).

Аэрогели/ксерогели/криогели, как правило, синтезируют, давая сначала возможность мономерам для взаимодействия в растворителе с образованием геля (стадия гелеобразования, поперечно сшитая пористая сетка с порами, заполненными растворителем), а затем удаления растворителя. Аэрогель получают, если растворитель удаляется из пор при сверхкритических условиях (например, сверхкритический CO₂). Ксерогель получают, если растворитель удаляется (выпаривается) из пор при условиях окружающей среды (то есть, при субкритических условиях). Криогель получают, если растворитель удаляется из пор посредством сушки вымораживанием. Дополнительные стадии при синтезе, такие как состаривание (известный процесс, при котором гель оставляют стоять в течение определенного периода времени, чтобы сделать возможным дополнительное преобразование мономеров и/или армирование полимерной сетки) после формирования геля или различных замен растворителей (для отмывки непрореагировавших частиц и/или для сведения к минимуму усадки во время испарения растворителя) может необязательно включаться для улучшения конечных свойств аэрогеля/ксерогеля/криогеля.

Для множества применений, включая теплоизоляцию, гидрофобные (то есть, водоотталкивающие) аэрогели/ ксерогели/криогели являются предпочтительными. В самом деле, при контакте с жидкой водой, ее инфильтрация внутрь этих пористых материалов автоматически приводила бы в результате к ухудшению свойств. Инфильтрация воды заполняла бы поры аэрогеля/ксерогеля/криогеля, что было бы драматическим для любого применения, использующего большую удельную площадь поверхности и/или низкую плотность материала. Кроме того, при сушке (то есть, при испарении воды) внутри пор могли бы развиваться большие капиллярные силы, вызывая необратимую усадку материала и уплотнение, что было бы также вредным для свойств. Гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели определяются как материалы, для которых жидкая вода может «смачивать» до некоторой степени их наружную поверхность (то есть, при контактном угле с водой <150°, но как правило, >90°) без проникновения в пористую структуру. Супергидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели определяются как материалы, в которых жидкая вода не может «смачивать» их наружную поверхность (то есть, при контактном угле с водой >150°) без проникновения в пористую структуру.

Органические аэрогели/ксерогели/криогели на основе изоцианата (содержащие полиуретан и/или полимочевину и/или полиизоцианурат), как таковые исследуются с начала 90-х годов [US 5484818 A, US 6063826 A, US 5942553 A, WO 2012000917 A1, US 2010148109 A1, US 20120220679 A1, US 2012115969 A1, WO 9502009 A1, US 20060211840, US 2014147607 A1]. Однако простые способы достижения (супер)гидрофобных свойств для этих органических аэрогелей/ксерогелей/криогелей на основе изоцианата отсутствуют, что является критичным для драматического расширения диапазона применений этих органических аэрогелей/ксерогелей/криогелей на основе изоцианатов.

WO 95/03358 описывает органические аэрогели, а более конкретно, аэрогели на основе полиизоцианата и способы их получения. В конкретном случае, где гидрофторуглероды или CO₂ используются в качестве растворителей, полиизоцианат, используемый в способе получения аэрогелей, представляет собой преполимер с изоцианатными окончаниями, полученный из полиизоцианата и достаточно фторированного соединения, взаимодействующего с изоцианатом, для улучшения растворимости в растворителе, используемом для получения аэрогеля.

Имеется необходимость в разработке способа синтеза для того, чтобы сделать пористые материалы на основе изоцианата гидрофобными, а более конкретно, супергидрофобными, простым и экономичным способом, что открывало бы множество новых применений.

Цель настоящего изобретения

Целью настоящего изобретения разработка способа синтеза для получения гидрофобных, более предпочтительно, супергидрофобных органических аэрогелей/ксерогелей/криогелей на основе изоцианата, у которых пористая структура содержит гидрофобные соединения, ковалентно связанные с ней.

Следовательно, настоящее изобретение относится к (супер)гидрофобным органическим аэрогелям/ксерогелям/криогелям на основе изоцианата, к способам синтеза для получения указанных органических (супер)гидрофобных аэрогелей/ксерогелей/криогелей на основе изоцианата и к применению органических (супер)гидрофобных аэрогелей/ксерогелей/криогелей на основе изоцианата, благодаря их превосходным теплоизоляционным и акустическим изоляционным и водозащитным свойствам.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению, описывается органический гидрофобный аэрогель/ксерогель/криогель на основе изоцианата, имеющий контактный угол с водой, по меньшей мере, 90°. Указанный аэрогель/ксерогель/криогель содержит:

— поперечно сшитую пористую сетчатую структуру, состоящую из полиуретана и/или полиизоцианурата и/или полимочевины, и

— гидрофобные соединения, содержащие до стадии гелеобразования, по меньшей мере, одну группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержащие изоцианатных групп,

отличающийся тем, что указанные гидрофобные соединения ковалентно связаны в пористой сетке аэрогеля/ксерогеля/криогеля, и при этом указанные связи создаются в ходе стадии гелеобразования формирования поперечно сшитой пористой сетчатой структуры органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата.

Согласно вариантам осуществления, гидрофобный аэрогель/ксерогель/криогель по настоящему изобретению имеет супергидрофобные свойства и контактный угол с водой, по меньшей мере, 150°.

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобный аэрогель/ксерогель/криогель по настоящему изобретению содержит:

— от 50 до 99,9%, предпочтительно, от 60 до 99%, более предпочтительно, от 70 до 99% масс полиуретана и/или полиизоцианурата и/или полимочевины, как вычислено по отношению к общей сухой массе (супер)гидрофобного аэрогеля/ксерогеля/ криогеля, и

— от 0,1 до 30%, предпочтительно, от 0,1 до 20%, более предпочтительно, от 1 до 10% масс гидрофобных соединений, как вычислено по отношению к общей сухой массе (супер)гидрофобного аэрогеля/ксерогеля/криогеля.

Согласно вариантам осуществления, пористая сетчатая структура в (супер)гидрофобном аэрогеле/ксерогеле/криогеле по настоящему изобретению состоит из полиуретана и/или полиизоцианурата и/или полимочевины, и гидрофобные соединения содержат до стадии гелеобразования, по меньшей мере, одну группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержат изоцианатных групп, и при этом указанные гидрофобные соединения вводятся в пористую структуру посредством уретанового и/или мочевинного связывания.

Согласно вариантам осуществления, пористая сетчатая структура в (супер)гидрофобном аэрогеле/ксерогеле/криогеле по настоящему изобретению имеет следующие свойства:

— пористость: от 20 до 99%, предпочтительно, от 50 до 99%, более предпочтительно, от 70 до 99%

— плотность: ниже, чем 800 кг/м³, предпочтительно, в диапазоне от 30 до 500 кг/м³, более предпочтительно, <300 кг/м³

— средний диаметр пор: от 0,1 нам до 1 мм, в особенности, <200 мкм, предпочтительно, <1 мкм, в особенности, от 1 до 200 нм, более предпочтительно, от 5 до 100 нм.

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобный аэрогель/ксерогель/криогель по настоящему изобретению имеет значение лямбда при атмосферном давлении в диапазоне от 9 до 50 мВт/м⋅К при 10°C, а также низкую плотность в диапазоне от 50 до 300 кг/м³.

Согласно вариантам осуществления, гидрофобные соединения, используемые для получения (супер)гидрофобного аэрогеля/ксерогеля/криогеля по настоящему изобретению, имеют растворимость в воде <10 г/л, предпочтительно, <1 г/л, более предпочтительно, <0,1 г/л при 20°C, и выбираются из силоксанов, предпочтительно, полиалкилсилоксанов (таких как полидиметилсилоксаны (PDMS)), соединений, имеющих (длинные) алифатические углеродные цепи, содержащие 8 или больше атомов углерода (то есть, насыщенные/ненасыщенные производные жирных кислот/спиртов), фторированных/перфторированных соединений, полиэтилена, полипропилена, полибутадиена и/или полиизопрена,…

Кроме того, настоящее изобретение описывает способ получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата, указанный способ включает следующие стадии:

a) получения композиции полиизоцианата и

b) необязательного получения композиции, взаимодействующей с изоцианатом, и

c) необязательного получения, по меньшей мере, одного соединения катализатора, способствующего образованию (тримеризации) полиуретана и/или полимочевины и/или полиизоцианураты, и

d) получения композиции растворителя, и

e) получения гидрофобных соединений, содержащих, по меньшей мере, 1 группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержащих изоцианатных групп, указанные соединения отличаются от b) и являются пригодными для придания (супер)гидрофобности аэрогелям/ксерогелям/криогелям, получаемым на стадии j), и

f) необязательного получения других добавок, а затем

g) объединения композиций/соединений a), d), e) и, необязательно, b) и/или c) и/или f) с образованием геля, содержащего пористую поперечно сшитую сетку из полиуретана и/или полимочевины и/или полиизоцианурата, имеющую гидрофобные соединения, ковалентно связанные с сеткой, это стадия упоминается как стадия ʺгелеобразованияʺ, а затем

h) необязательного удаления непрореагировавших частиц, а затем

i) необязательной замены растворителя, а затем

j) сушки (удаления растворителя) пористой сетки для получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата (имеющего контактный угол с водой >90°, предпочтительно, >150°).

Согласно вариантам осуществления, количество гидрофобных соединений, имеющих до стадии гелеобразования, по меньшей мере, 1 группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержащих изоцианатных групп, используемых в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению, находится в диапазоне от 0,1 до 30%, предпочтительно, от 0,1 до 20%, более предпочтительно, от 1 до 10% масс, как вычислено по отношению к общей массе композиции полиизоцианата на стадии a)+соединения, взаимодействующие с изоцианатом на стадии b)+соединение (соединения) катализатора на стадии c)+гидрофобные соединения на стадии e) и другие добавки на стадии f) (исключая растворитель на стадии d)

Согласно вариантам осуществления, способ получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению может дополнительно включать, после стадии гелеобразования, стадию, где полученный гель представляет собой монолитный гель, который необязательно разламывается или перемалывается в виде частиц, имеющих меньшие размеры.

Согласно вариантам осуществления, способ получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению может дополнительно включать, после стадии гелеобразования, стадию, где полученный монолитный гель или частицы состариваются.

Согласно вариантам осуществления, полиизоцианатная композиция, используемая в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению, может выбираться из органических изоцианатов, содержащих множество изоцианатных групп, включая алифатические изоцианаты, такие как гексаметилендиизоцианат, а более предпочтительно, ароматические изоцианаты, такие как м- и п-фенилендиизоцианат, толуол-2,4- и 2,6-диизоцианаты, дифенилметан-4,4′-диизоцианат.

Согласно вариантам осуществления, композиция, взаимодействующая с изоцианатом, используемая в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению, может выбираться из группы соединений алифатических и ароматических моноаминов/полиаминов, соединений ароматических и алифатических простых полиэфиров и/или соединений сложных полиэфиров одноатомных спиртов/полиолов и их смесей, предпочтительно, простых полиэфиров, более предпочтительно, простых полиалкиленовых полиэфиров, имеющих среднюю номинальную гидрокси функциональность от 1 до 8 и среднюю молекулярную массу от 32 до 8000 г/моль.

Согласно вариантам осуществления, стадия объединения композиций/соединений a), d) и e) и, необязательно, b) и/или c) и/или f) в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению осуществляется посредством перемешивания или просто встряхивания реакционной емкости или посредством медленного перемешивания смеси, предпочтительно, при температурах в диапазоне примерно от 10°C примерно до 50°C, более предпочтительно, от 15 до 25°C или, по меньшей мере, при температуре примерно, по меньшей мере, на 10°C ниже температуры кипения растворителя, используемого на стадии d).

Согласно вариантам осуществления, соединение (соединения) катализатора, используемое в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению, может выбираться, по меньшей мере, из катализатора тримеризации, выбранного из гидроксидов и солей четвертичного аммония, гидроксидов, алкоксидов и карбоксилатов щелочных металлов и щелочноземельных металлов, например, ацетата калия и 2-этилгексоата калия, карбоксилатов определенных третичных аминов и неосновных металлов, например, октоата свинца, и симметричных производных триазина, и отношение изоцианаты/соединения, взаимодействующие с изоцианатами (индекс NCO) >100, предпочтительно, >200, более предпочтительно, >300, и при этом полученный органический аэрогель/ксерогель/криогель на основе изоцианата представляет собой (супер)гидрофобный ксерогель/аэрогель/криогель, содержащий полиизоцианурат (PIR).

Согласно вариантам осуществления, соединение (соединения) катализатора, используемые в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению, может выбираться, по меньшей мере, из полиуретанового катализатора, выбранного из алифатических и ароматических третичных аминов, таких как N,N-диметилциклогексиламин, из металлорганических соединений, в частности, из соединений олова, таких как октоат олова и дибутилолово дилаурат, солей щелочных металлов, и отношение изоцианаты/соединения, взаимодействующие с изоцианатами (индекс NCO), находится в диапазоне 50-200, предпочтительно, в диапазоне 70-150, более предпочтительно, в диапазоне 80-120 и, при этом полученный органический аэрогель/ксерогель/криогель на основе изоцианата представляет собой (супер)гидрофобный ксерогель/аэрогель/криогель, содержащий полиуретан (PUR) и/или полимочевину.

Согласно вариантам осуществления, стадия удаления растворителя на стадии j) в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению осуществляется с помощью сушки геля, содержащего пористую сетку, посредством использования сверхкритического CO₂, альтернативно, стадия сушки осуществляется посредством выпаривания органических растворителей, присутствующих в геле, с помощью сушки на воздухе (при давлении окружающей среды и при температуре окружающей среды до получения постоянной массы), сушки в вакууме, сушки в печи при повышенных температурах, микроволновой сушки, радиочастотной сушки, сублимации, сушки вымораживанием или любого их сочетания.

Согласно вариантам осуществления, растворители, используемые в способе получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата по настоящему изобретению, могут выбираться из углеводородов, простых диалкиловых эфиров, простых циклических эфиров, кетонов, алкил алаканоатов, алифатических и циклоалифатических гидрофторуглеродов, гидрохлорфторуглеродов, хлорфторуглеродов, гидрохлоруглеродов, галогенированных ароматических соединений и простых фторсодержащих эфиров и смесей таких соединений.

Кроме того, описывается использование (супер)гидрофобных ксерогелей/аэрогелей/криогелей согласно настоящему изобретению. Указанные ксерогели/аэрогели/криогели можно использовать как таковые и/или для приготовления пен и/или для объединения с наполнителями и/или для получения композитных материалов, для достижения материалов с улучшенными свойствами тепловой и/или акустической изоляции, водозащитными свойствами, селективного поглощения/адсорбции (например, для сбора утечки нефти) и/или для улучшения механической прочности.

Кроме того, описывается использование (супер)гидрофобных ксерогелей/аэрогелей/криогелей согласно настоящему изобретению в качестве защитных покрытий и/или пленок, которые требуют водозащитных свойств, или в системах селективного фильтрования.

Определения и термины

В контексте настоящего изобретения следующие термины имеют следующие значения:

1) Термин ʺизоцианатный индексʺ или ʺиндекс NCOʺ или ʺиндексʺ, как используется в настоящем документе, означает отношение групп NCO и атомов водорода, взаимодействующих с изоцианатом, присутствующих в препарате, приведенное как процент:

[NCO] × 100 (%). [активный водород]

Другими словами, индекс NCO выражает процент изоцианата, реально используемого в препарате, по отношению к количеству изоцианата, теоретически необходимому для взаимодействия с количеством водорода, взаимодействующего с изоцианатом, используемым в препарате.

Значение NCO как показано в примерах, измеряется с использованием метода измерения на основе титрования. Изоцианат взаимодействует с избытком ди-н-бутиламина с образованием мочевин. Затем непрореагировавший амин титруется стандартной азотной кислотой до изменения цвета индикатора бромкрезоловый зеленый или до потенциометрической конечной точки. Процент NCO или значение NCO определяется как процент массовый групп NCO, присутствующих в продукте.

Кроме того, нужно заметить, что изоцианатный индекс, как используется в настоящем документе, рассматривается с точки зрения реального процесса полимеризации с получением материала, с участием изоцианатного ингредиента и ингредиентов, взаимодействующих с изоцианатом. Любые изоцианатные группы, потребленные на предварительной стадии для получения модифицированных полиизоцианатов (включая такие производные изоцианатов, упоминаемые в данной как преполимеры), или любые активные атомы водорода, потребленные на предварительной стадии (например, взаимодействующие с изоцианатом для получения модифицированных полиолов или полиаминов), не принимаются во внимание при вычислении изоцианатного индекса. Принимаются во внимание, только свободные изоцианатные группы и свободные атомы водорода, взаимодействующие с изоцианатом (включая атомы воды, если она используется), присутствующие на реальной стадии полимеризации.

2) Термин ксерогель/аэрогель/криогель «на основе полиизоцианата» или ʺна основе изоцианатаʺ, как используется в настоящем документе, означает, что ксерогели/аэрогели/криогели по настоящему изобретению могут принадлежать к следующим типам: полиуретановые ксерогели/аэрогели/криогели, полимочевинные ксерогели/аэрогели/криогели, полиизоциануратные ксерогели/аэрогели/криогели, полиизоциануратные/полиуретановые ксерогели/аэрогели/криогели, полимочевинные/полиуретановые ксерогели/аэрогели/криогели, полиаллофанатные ксерогели/аэрогели/криогели, полибиуретные ксерогели/аэрогели/криогели.

3) Термин ʺкомпозитʺ, как используется в настоящем документе, относится к материалам, состоящим из двух или более составляющих материалов со значительно различающимися физическими или химическими свойствами, которые, когда объединяются, дают материал с характеристиками, отличающимися от индивидуальных компонентов. Индивидуальные компоненты остаются раздельными и отличающимися друг от друга в конечной структура.

4) Термины ʺорганические пористые материалыʺ, ʺорганические пористые материалы на основе изоцианатаʺ, ʺпористые материалы на основе изоцианатаʺ и ʺорганические ксерогели/аэрогели/криогели на основе изоцианатаʺ, как используется в настоящем документе, ограничиваются в настоящем изобретении материалами, имеющими пористость в диапазоне от 20 до 99%, имеющими плотность ниже чем 800 кг/м³, предпочтительно, находящуюся в диапазоне от 30 до 500 кг/м³. Площадь поверхности ксерогеля/аэрогеля/криогеля по настоящему изобретению составляет до 1500 м²/г. Площади поверхности могут определяться, например, с использованием метода Брунауэра-Эммета-Тэйлора (БЭТ).

5) Выражение ʺмонолитʺ относится к сплошному куску (то есть, не содержащему дефектов/трещин) пористого материала (имеющего поры, заполненные растворителем до стадии удаления растворителя, и упоминаемого в настоящем документе как ʺмонолитный гельʺ, или имеющего заполненные газом поры после стадии удаления растворителя). Размеры монолита, как правило, определяются размером контейнера, в котором осуществляется гелеобразование. По этой причине, монолиты могут иметь размеры, достигающие сотен или тысяч кубических сантиметров. Молотый/разрезанный монолит дает в результате ʺчастицыʺ (заполненные растворителем поры до стадии удаления растворителя или заполненные газом поры после стадии удаления растворителя). Помол/резка может осуществляться в любой момент времени после стадии гелеобразования, на монолите с порами, заполненными растворителем, или без него. Размер частиц определяется процессом помола/ резки.

6) Выражения ʺсоединения, взаимодействующие с изоцианатомʺ, ʺсоединения, взаимодействующие с NCOʺ ʺатомы водорода, взаимодействующие с изоцианатомʺ, и ʺгруппы, взаимодействующие с изоцианатомʺ, как используется в настоящем документе, относятся к активным атомам водорода в гидроксильных и аминовых группах, присутствующих в соединениях, взаимодействующим с изоцианатом. Соединения, имеющие одну гидроксильную группу, как считается, содержат один взаимодействующий атом водорода, соединения, имеющие одну группу первичного амина, как считается, содержат один взаимодействующий атом водорода и одна молекула воды, как считается, содержит два активных атома водорода. Чтобы не было сомнений, гидрофобные соединения, используемые для придания гидрофобности (супер)гидрофобным аэрогелям/ксерогелям/криогелям по настоящему изобретению, также считаются ʺсоединениями, взаимодействующими с изоцианатомʺ

7) Слово ʺсреднееʺ, как используется в настоящем документе, относится к среднечисленному значению, если не указано иного.

8) ʺЗначение лямбдаʺ, как используется в настоящем документе, относится к теплопроводности материала (также известно, как значение k), обычно выражаемому в мВт/м⋅К. Чем ниже значение лямбда, тем лучше изолирует материал (то есть, у него лучше рабочие характеристики теплоизоляции).

9) ʺАкустическая изоляцияʺ, как используется в настоящем документе, относится к уменьшению давления звука относительно конкретного источника и приемника звука.

10) Выражение ʺгидрофобные соединенияʺ относится к молекулам, имеющим ограниченную растворимость в воде, то есть, <10 г/л, предпочтительно, <1 г/л, более предпочтительно, <0,1 г/л при 20°C.

11) Выражения ʺгидрофобныйʺ, ʺгидрофобностьʺ или ʺгидрофобный характерʺ, когда используются для пористых материалов или аэро/ксеро/криогелей, относятся к водоотталкивающим свойствам с контактным углом с водой >90°. В этом смысле, ʺгидрофобныйʺ, ʺгидрофобностьʺ или ʺгидрофобный характерʺ означает, что капля воды, помещенная на поверхность пористого материала по настоящему изобретению, образует контактный угол (θ) больше 90°, если используют метод формы капли измерения контактного угла.

12) Выражения ʺсупергидрофобныйʺ, ʺсупергидрофобностьʺ или ʺсупергидрофобный характерʺ, когда используются для пористых материалов или аэро/ксеро/криогелей, относятся к водоотталкивающим свойствам с контактным углом с водой >150°. В этом смысле ʺсупергидрофобныйʺ, ʺсупергидрофобностьʺ или ʺсупергидрофобный характерʺ означает, что капля воды, помещенная на поверхности пористого материала по настоящему изобретению, образует контактный угол (θ) больше 150°, если используют метод формы капли измерения контактного угла.

13) Термин ʺ(супер)гидрофобныйʺ относится как к гидрофобным, так и супергидрофобным пористым материалам по настоящему изобретению.

Подробное описание

Настоящее изобретение будет описываться по отношению к конкретным вариантам осуществления.

Нужно отметить, что термин «содержащий», используемый в формуле изобретения, не должен интерпретироваться как ограниченный средствами, перечисленными после него; он не исключает других элементов или стадий. Таким образом, он должен интерпретироваться как указывающий на присутствие сформулированных признаков, стадий или компонентов, как упоминается, но не ограничивает присутствия или добавления одного или нескольких других признаков, стадий или компонентов, или их сочетаний. Таким образом, рамки выражения «соединение, содержащее компоненты X и Y», не должны ограничиваться соединениями, состоящими только из компонентов X и Y. Это означает, что относительно настоящего изобретения, единственные релевантные компоненты соединения представляют собой X и Y.

В настоящем описании упоминается «один из вариантов осуществления» или «вариант осуществления». Такие упоминания показывают, что конкретный признак, описанный относительно варианта осуществления, включается, по меньшей мере, в один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном из вариантов осуществления» или «в варианте осуществления» в различных местах настоящего описания не обязательно всегда относится к одному и тому же варианту осуществления, хотя и может. Кроме того, конкретные признаки или характеристики могут объединяться любым соответствующим образом в одном или нескольких вариантах осуществления, как будет очевидно специалистам в данной области.

Необходимо понять, что хотя обсуждаются предпочтительные варианты осуществления и/или материалы для построения вариантов осуществления согласно настоящему изобретению, различные модификации или изменения могут осуществляться без отклонения от рамок и духа настоящего изобретения.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается (супер)гидрофобный пористый материал, более конкретно органический аэрогель/ксерогель/криогель на основе изоцианата, имеющий гидрофобные соединения, введенные в пористую структуру органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата.

(Супер)гидрофобные органические аэрогели/ксерогели/криогели на основе изоцианата согласно настоящему изобретению, которые могут быть получены в форме монолитов или частиц, содержат поперечно сшитую пористую сетчатую структуру на основе изоцианата, состоящую из полиуретана и/или полиизоцианурата и/или полимочевины, и содержат гидрофобные соединения, введенные в пористую структуру органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата.

Согласно вариантам осуществления, органические аэрогели/ксерогели/криогели на основе изоцианата согласно настоящему изобретению представляют собой нанопористые материалы.

Согласно настоящему изобретению, описываются (супер)гидрофобные органические аэрогели/ксерогели/криогели на основе изоцианата, содержащие поперечно сшитую пористую сетчатую структуру, состоящую из полиуретана и/или полиизоцианурата и/или полимочевины, содержащие в пористой структуре гидрофобные соединения, ковалентно связанные с пористой сетчатой структурой. Гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели имеют контактный угол с водой >90° и супергидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели имеют контактный угол с водой >150°.

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели по настоящему изобретению содержат монолиты или частицы, имеющие поперечно сшитую пористую сетчатую структуру, где указанные монолиты или частицы содержат:

— от 50 до 99,9%, предпочтительно, от 60 до 99%, более предпочтительно, от 70 до 99% масс полиуретана и/или полиизоцианурата и/или полимочевины, как вычислено по отношению к общей сухой массе (супер)гидрофобного аэрогеля/ксерогеля /криогеля, и

— от 0,1 до 30%, предпочтительно, от 0,1 до 20%, более предпочтительно, от 1 до 10% масс гидрофобных соединений, как вычислено по отношению к общей сухой массе (супер)гидрофобного аэрогеля/ксерогеля/криогеля, и где указанные соединения ковалентно связаны в пористой сетке аэрогеля/ксерогеля/криогеля.

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели по настоящему изобретению имеют пористую сетчатую структуру, состоящую в основном из структур из полиуретана и/или полиизоцианурата и/или полимочевины, которые содержат гидрофобные соединения, ковалентно связанные с этими структурами и введенные в них (например, посредством уретанового связывания) и где указанные связи образуются в ходе стадии гелеобразования формирования поперечно сшитой пористой сетчатой структуры органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата.

Согласно вариантам осуществления, гидрофобные соединения, ковалентно связанные с пористой сеткой аэрогелей/ксерогелей/ криогелей по настоящему изобретению и введенные в нее, содержат до стадии гелеобразования, по меньшей мере, одну группу, взаимодействующую с изоцианатом, которая может образовывать ковалентную связь (например, уретановую связь) со свободной группой NCO полиизоцианата.

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели по настоящему изобретению имеют поперечно сшитую пористую сетчатую структуру, имеющую следующие свойства:

— пористость: от 20 до 99%, предпочтительно, от 50 до 99%, более предпочтительно, от 70 до 99%

— плотность: ниже, чем 800 кг/м³, предпочтительно, в диапазоне от 30 до 500 кг/м³, более предпочтительно, <300 кг/м³

— средний диаметр пор: от 0,1 нм до 1 мм, в особенности, <200 мкм, предпочтительно, <1 мкм, в особенности, от 1 до 200 нм, более предпочтительно, от 5 до 100 нм.

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели по настоящему изобретению имеют значение лямбда при атмосферном давлении в диапазоне от 9 до 50 мВт/м⋅К при 10°C, при низкой плотности, в диапазоне от 50 до 300 кг/м³.

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели по настоящему изобретению имеют гидрофобные соединения, введенные в их пористую структуру, указанные гидрофобные соединения содержат до стадии гелеобразования, по меньшей мере, одну группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержат изоцианатных групп, и выбираются из силоксанов, предпочтительно, полиалкилсилоксанов (например, полидиметилсилоксанов (PDMS)), соединений, имеющих (длинные) алифатические углеродные цепи, содержащие 8 или более атомов углерода (например, насыщенные/ненасыщенные производные жирной кислоты/спирта), из фторированных/перфторированных соединений, полиэтилена, полипропилена, полибутадиена и/или полиизопрена,… Неожиданно обнаружено, что присутствие низких концентраций (например, ~2% масс, как вычислено по отношению к общей сухой массе (супер)гидрофобного аэрогеля/ксерогеля/криогеля), этих гидрофобных соединений, может достигнуть супергидрофобности у органических аэрогелей/ксерогелей/криогелей на основе изоцианата согласно настоящему изобретению.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, описывается способ получения (супер)гидрофобных аэрогелей/ксерогелей/криогелей по настоящему изобретению, указанный способ включает следующие стадии:

a) получения композиции полиизоцианата и

b) необязательного получения композиции, взаимодействующей с изоцианатом, и

c) необязательного получения, по меньшей мере, одного соединения катализатора, способствующего образованию (тримеризации) полиуретана и/или полимочевины и/или полиизоцианурата, и

d) получения композиции растворителя, и

e) получения гидрофобных соединений, содержащих, по меньшей мере, 1 группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержащих изоцианатных групп, указанные соединения отличаются от b) и являются пригодными для придания (супер)гидрофобности аэрогелям/ксерогелям/криогелям, получаемым на стадии j), и

f) необязательного получения других добавок, а затем

g) объединения композиций/соединений a), d), e) и, необязательно, b) и/или c) и/или f) с образованием геля, содержащего пористую поперечно сшитую сетку из полиуретана и/или полимочевины и/или полиизоцианурата, имеющую гидрофобные соединения, ковалентно связанные с сеткой, эта стадия упоминается как стадия ʺгелеобразованияʺ, а затем

h) необязательного удаления непрореагировавших частиц, а затем

h) необязательного удаления непрореагировавших частиц, а затем

i) необязательной замены растворителя, а затем

j) сушки (удаления растворителя) из пористой сетки для получения (супер)гидрофобного органического аэрогеля/ксерогеля/ криогеля на основе изоцианата (имеющего контактный угол с водой >90°, предпочтительно, >150°).

Преимуществом способа согласно настоящему изобретению является то, что требуются только малые количества гидрофобных соединений (на стадии e)) для достижения гидрофобности, более конкретно, для достижения супергидрофобности. Это означает, что композиция полученного в результате органического аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе изоцианата не будет значительно изменяться и будут сохраняться свойства, происходящие от полиуретановой, полиизоциануратной и/или полимочевинной матрицы.

Согласно вариантам осуществления, полученный гель представляет собой монолитный гель, который может необязательно разламываться или перемалываться в виде частиц, имеющих меньшие размеры.

Согласно вариантам осуществления, способ получения (супер)гидрофобных аэрогелей/ксерогелей/криогелей по настоящему изобретению дополнительно включает, после стадии гелеобразования, стадию, где полученный монолитный гель или частицы состариваются.

Согласно вариантам осуществления, композиция полиизоцианата предпочтительно, выбирается из органических изоцианатов, содержащих множество изоцианатных групп, включая алифатические изоцианаты, такие как гексаметилендиизоцианат, а более предпочтительно, ароматические изоцианаты, такие как м- и п-фенилендиизоцианат, толуол-2,4- и 2,6-диизоцианаты, дифенилметан-4,4′-диизоцианат, хлорфенилен-2,4-диизоцианат, нафтилен-1,5-диизоцианат, дифенилен-4,4′-диизоцианат, 4,4′-диизоцианат-3,3′-диметилдифенил, 3-метилдифенилметан-4,4′-диизоцианат и диизоцианат простого дифенилового эфира, циклоалифатические диизоцианаты, такие как циклогексан-2,4- и 2,3-диизоцианаты, 1-метилциклогексил-2,4- и 2,6-диизоцианаты и их смеси и бис-(изоцианатоциклогексил)метан и триизоцианаты, такие как 2,4,6-триизоцианатотолуол и простой 2,4,4′-триизоцианатодифениловый эфир.

Согласно вариантам осуществления, композиция полиизоцианата содержит смеси изоцианатов. Например, это смесь изомеров толуолдиизоцианата, такая как коммерчески доступные смеси 2,4- и 2,6- изомеров, а также смесь ди- и более высоких полиизоцианатов, полученная посредством фосгенирования конденсатов анилин/формальдегид. Такие смеси хорошо известны в данной области и включают сырые продукты фосгенирования, содержащие смеси полифенилполиизоцианатов с метиленовыми мостиками, включая диизоцианат, триизоцианат и высшие полиизоцианаты вместе с любыми побочными продуктами фосгенирования.

Предпочтительные композиции полиизоцианатов по настоящему изобретению представляют собой композиции, где полиизоцианат представляет собой ароматический диизоцианат или полиизоцианат более высокой функциональности в конкретных сырых смесях полифенилполиизоцианатов с метиленовыми мостиками, содержащих диизоцианаты, триизоцианаты и полиизоцианаты с более высокой функциональностью. Полифенилполиизоцианаты с метиленовыми мостиками (например, метилендифенилдиизоцианат, сокращенно MDI) хорошо известны в данной области и имеют общую формулу I, где n равно единице или больше и в случае сырых смесей представляет собой среднее значение больше единицы. Их получают посредством фосгенирования соответствующих смесей полиаминов, полученных посредством конденсации анилина и формальдегида.

(I)

Другие пригодные для использования композиции полиизоцианатов могут включать преполимеры с изоцианатными окончаниями, полученные посредством реакции избытка диизоцианата или полиизоцианата с более высокой функциональностью со сложным полиэфиром с гидроксильными окончаниями или простым полиэфиром с гидроксильными окончаниями, и продукты, полученные посредством взаимодействия избытка диизоцианата или полиизоцианата с более высокой функциональностью с мономерным полиолом или смесью мономерных полиолов, таких как этиленгликоль, триметилолпропан или бутан-диол. Один из предпочтительных классов преполимеров с изоцианатными окончаниями представляют собой преполимеры с изоцианатными окончаниями сырых смесей полифенилполиизоцианатов с метиленовыми мостиками, содержащих диизоцианаты, триизоцианаты и полиизоцианаты с более высокой функциональностью.

Согласно вариантам осуществления, композиция, взаимодействующая с изоцианатом, выбирается из соединений, взаимодействующих с изоцианатом, содержащих атомы активного водорода. Эти соединения, взаимодействующие с изоцианатом, могут выбираться из группы из алифатических и ароматических соединений моноаминов/полиаминов, ароматических и алифатических соединений одноатомных спиртов/полиолов простых полиэфиров и/или сложных полиэфиров и их смесей. Среди простых полиэфиров, особенно пригодными для использования в настоящем документе являются простые полиалкиленовые полиэфиры.

Соединения одноатомных спиртов и/или полиолов пригодные для использования по настоящему изобретению предпочтительно, имеют среднюю номинальную гидроксифункциональность от 1 до 8 и среднюю молекулярную массу от 32 до 8000 г/моль. Можно также использовать смеси одноатомных спиртов и/или полиолов. Примеры таких одноатомных спиртов представляют собой метанол, этанол, пропанол, бутанол, фенол, циклогексанол, гидроксиакрилаты (например, HEMA, гидроксиэтилметакрилат) и углеводородные одноатомные спирты, имеющие среднюю молекулярную массу от 32 до 6000 г/моль подобные алифатическим одноатомным спиртам и одноатомным спиртам простых полиэфиров. Примеры полиолов представляют собой этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, пропиленгликоль, дипропиленгликоль, трипропиленгликоль, триметилолпропан, сорбитол, сахарозу, глицерол, этандиол, пропандиол, бутандиол, пентандиол, гександиол, ароматические и/или алифатические полиолы, имеющие больше атомов углерода, чем эти соединения, и имеющие молекулярную массу до 8000 г/моль, полиолы сложных полиэфиров, имеющие среднюю молекулярную массу от 200 до 8000 г/моль, полиолы простых полиэфиров — сложных полиэфиров, имеющие среднюю молекулярную массу от 200 до 8000 г/моль, и полиолы простых полиэфиров, имеющие среднюю молекулярную массу от 200 до 8000 г/моль. Такие одноатомные спирты и полиолы являются коммерчески доступными. Полезные примеры представляют собой Daltocel^® F555 и Daltocel^® F442, все они представляют собой триолы простых полиэфиров от Huntsman, Voranol^® P400 и Alcupol^® R1610, которые представляют собой полиолы простых полиэфиров от DOW и Repsol^®, соответственно, и Priplast^® 1838 и 3196, которые представляют собой высокомолекулярные полиолы сложных полиэфиров от Croda, и полиол Capa^® 2043, линейный диол сложного полиэфира со средней MW примерно 400 г/моль от Perstorp, и полиолы K-flex^® 188 и A308, которые представляют собой полиолы сложных полиэфиров от King Industries, имеющие MW примерно 500 и 430 г/моль, соответственно, и полиолы ароматических сложных полиэфиров, подобные Stepanpol^® PH56 и BC180, имеющие средние молекулярные массы примерно 2000 г/моль и 600 г/моль, соответственно, и Neodol^® 23E, который представляет собой алифатический одноатомный спирт от Shell. Наиболее предпочтительными являются полиолы сложных полиэфиров и простых полиэфиров, имеющие среднюю молекулярную массу от 200 до 6000 г/моль и среднюю номинальную функциональность от 1 до 8.

Согласно вариантам осуществления, количество гидрофобных соединений, которые должны добавляться на стадии получения гидрофобных соединений, содержащих, по меньшей мере, 1 группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержащих изоцианатных групп, является таким, что количество гидрофобных соединений находится в диапазоне от 0,1 до 30%, предпочтительно, от 0,1 до 20%, более предпочтительно, от 1 до 10% масс, как вычислено по отношению к общей массе взаимодействующей композиции, содержащей композицию полиизоцианата, все соединения, взаимодействующие с изоцианатом, содержащие взаимодействующие с изоцианатом атомы водорода, соединения катализатора, гидрофобные соединения и необязательные дополнительные добавки (исключая используемый растворитель).

Согласно вариантам осуществления, (супер)гидрофобные аэрогели/ксерогели/криогели по настоящему изобретению содержат гидрофобные соединения, введенные в их пористую структуру, указанные гидрофобные соединения содержат до стадии гелеобразования, по меньшей мере, одну группу, взаимодействующую с изоцианатом, и не содержат изоцианатных групп, и они выбираются из силоксанов, предпочтительно, полиалкилсилоксанов (например, полидиметилсилоксанов (PDMS)), соединений, имеющих (длинные) алифатические углеродные цепи, содержащие 8 или больше атомов углерода (например, насыщенные/ненасыщенные производные жирных кислот/спиртов), из фторированных/перфторированных соединений, полиэтилена, полипропилена, полибутадиена и/или полиизопрена.

Согласно вариантам осуществления, катализаторы, используемые для ускорения образования (тримеризации) полиуретана и/или полимочевины и/или полиизоцианурата на стадии гелеобразования g), являются такими, что массовое отношение полиизоцианат/катализатор изменяется в диапазоне между 1 и 50000. Предпочтительное массовое отношение полиизоцианат/катализатор зависит от параметров препарата, таких, например, как количество/тип используемого полиизоцианата, количество/тип соединения, взаимодействующего с изоцианатом, температура реакции/отверждения, используемый растворитель, используемые добавки, индекс.

Катализаторы для полиуретана, для использования в настоящих способах получения, включают любые такие катализаторы, известные в данной области как ускоряющие взаимодействие уретана и/или мочевины. Пригодные для использования катализаторы для уретана включают алифатические и ароматические третичные амины, такие как N,N-диметилциклогексиламин, металлорганические соединения, в особенности, соединения олова, такие как октоат олова и дибутилолово дилаурат, соли щелочных металлов.

Катализаторы тримеризации для использования в настоящем способе получения включают любой катализатор тримеризации изоцианата, известный в данной области, такой как гидроксиды и соли четвертичного аммония, гидроксиды, алкоксиды и карбоксилаты щелочных металлов и щелочноземельных металлов, например, ацетат калия и 2-этилгексоат калия, определенные третичные амины и карбоксилаты неосновных металлов, например, октоат свинца, и симметричные производные триазина. В особенности, предпочтительными являются производные триазина. Конкретные предпочтительные катализаторы тримеризации для использования в настоящем способе представляют собой Polycat^® 41 доступный от Abbott Laboratories и Dabco^® TMR, TMR-2 и TMR-4 доступные от Air Products.

Смеси катализаторов тримеризации и катализаторов для уретана можно использовать в любом сочетании. Композиция пакета катализаторов будет зависеть от желаемого профиля реакции.

Согласно вариантам осуществления, стадия объединения композиций/соединений a), d), e) и, необязательно, b) и/или c) и/или f) в способе получения (супер)гидрофобных аэрогелей/ксерогелей/ криогелей по настоящему изобретению осуществляется посредством смешивания или простого встряхивания реакционной емкости или с помощью медленного перемешивания смеси при температурах в диапазоне примерно от 10°C примерно до 50°C, предпочтительно, от 15 до 25°C, при этом температура примерно, по меньшей мере, на 10°C ниже температуры кипения используемого растворителя, является предпочтительной. Предпочтительно, смесь оставляют стоять в течение определенного периода времени для образования геля. Этот период времени изменяется от 1 минуты до нескольких недель в зависимости от системы и от целевого размера пор и плотности. Полученный в результате гель может необязательно также состариваться от нескольких часов до нескольких недель.

Согласно вариантам осуществления, стадия объединения композиции полиизоцианата, соединения (соединений) катализатора, растворителя, гидрофобных соединений и, необязательно, композиции, взаимодействующей с изоцианатом, и добавок является такой, что получается в основном препарат для гелеобразования, содержащий полиизоцианурат (PIR). Для получения препарата для гелеобразования, содержащего в основном полиизоцианурат (PIR), используемый катализатор выбирают, по меньшей мере, из катализатора тримеризации, и отношение изоцианаты/соединения, взаимодействующие с изоцианатами (индекс NCO), >100, предпочтительно, >200, более предпочтительно, >300.

Согласно вариантам осуществления, стадия объединения композиции полиизоцианата, композиции, взаимодействующей с изоцианатом, соединения (соединений) катализатора, гидрофобных соединений, растворителя и необязательных добавок является такой, что получается препарат для гелеобразования, содержащий в основном полиуретан (PUR) и/или полимочевину. Для получения препарата для гелеобразования, содержащего основном полиуретан/полимочевину, используемое соединение (соединения) катализатора выбирается, по меньшей мере, из катализатора для полиуретана, и отношение изоцианаты/соединения, взаимодействующие с изоцианатом (индекс NCO), находится в диапазоне от 50 до 200, предпочтительно, в диапазоне от 70 до 150, более предпочтительно, в диапазоне от 80 до 120.

Согласно вариантам осуществления, стадия объединения композиции полиизоцианата, композиции, взаимодействующей с изоцианатом, соединения (соединений) катализатора, гидрофобных соединений, растворителя и необязательных добавок осуществляется так, что получается препарат для гелеобразования, содержащий в основном полиизоцианурат (PIR) и/или полиуретан (PUR) и/или полимочевину.

Согласно вариантам осуществления, стадия удаления растворителя на стадии j) в способе получения (супер)гидрофобных аэрогелей/ксерогелей/криогеле по настоящему изобретению осуществляется посредством сушки геля, содержащего пористую сетку, с использованием сверхкритического CO₂, альтернативно, стадия сушки осуществляется посредством выпаривания органических растворителей, присутствующих в геле, с помощью сушки на воздухе (при давлении окружающей среды и температуре окружающей среды до получения постоянной массы), сушки в вакууме, сушки в печи при повышенных температурах, микроволновой сушки, радиочастотной сушки, сублимации, сушки вымораживанием или любого их сочетания.

Сверхкритическая сушка геля для синтеза аэрогеля включает помещение геля, заполненного растворителем, в емкость высокого давления с контролируемой температурой и доведение емкости до давления выше критического давления растворителя (например, посредством заполнения газообразным азотом или закачки дополнительного растворителя). В этот момент емкость затем нагревают выше критической температуры растворителя. Затем давление емкости медленно понижают, поддерживая при этом постоянную температуру. При атмосферном давлении и после периода охлаждения аэрогель удаляют из емкости.

До стадии сверхкритической сушки гелеобразующий растворитель может заменяться другим растворителем, более пригодным для сверхкритической сушки, например, жидким диоксидом углерода, возможно, с помощью промежуточного растворителя, такого как ацетон, или с помощью жидкого диоксида углерода, содержащего модификаторы.

Согласно вариантам осуществления, стадия сушки геля, содержащего пористые монолиты или частицы из полиуретана и/или полимочевины и/или полиизоцианурата (удаления растворителя из заполненных растворителем пор), для получения (супер)гидрофобного органического ксерогеля на основе изоцианата согласно настоящему изобретению осуществляется посредством выпаривания органического растворителя, присутствующего в геле, при условиях окружающей среды (например, посредством сушки на воздухе при давлении окружающей среды до получения постоянной массы), сушки в вакууме, сушки в печи при повышенных температурах, микроволновой сушки, радиочастотной сушки или любого их сочетания. Стадия сушки может занимать от 10 минут до нескольких дней, но, как правило, занимает меньше 6 часов.

До стадии выпаривания растворителя при синтезе ксерогеля растворитель для геля может заменяться другим растворителем, например, растворителем с более высоким давлением паров (с более низкой температурой кипения) и/или с более низким поверхностным натяжением.

Согласно вариантам осуществления, стадия сушки геля, содержащего пористые монолиты или частицы из полиуретана и/или полимочевины и/или полиизоцианурата (удаления растворителя из заполненных растворителем пор), для получения (супер)гидрофобного органического криогеля на основе изоцианата согласно настоящему изобретению осуществляется посредством удаления органического растворителя, присутствующего в геле, при условиях сушки вымораживанием или сублимации.

До стадии удаления растворителя при синтезе криогеля, растворитель для геля может заменяться другим растворителем более пригодным для использования при условиях сушки вымораживанием или сублимации.

Согласно вариантам осуществления, растворители, которые должны использоваться в способе получения согласно настоящему изобретению, могут выбираться из углеводородов, ароматических соединений, простых диалкиловых эфиров, простых циклических эфиров, кетонов, алкил алаканоатов, алифатических и циклоалифатических гидрофторуглеродов, гидрохлорфторуглеродов, хлорфторуглеродов, гидрохлоруглеродов, галогенированных ароматических соединений и фторсодержащих простых эфиров. Также можно использовать смеси таких соединений.

Пригодные для использования углеводородные растворители включают низшие алифатические или циклические углеводороды, такие как этан, пропан, н-бутан, изобутан, н-пентан, изопентан, циклопентан, неопентан, гексан и циклогексан.

Пригодные для использования простые диалкиловые эфиры, которые должны использоваться в качестве растворителя, включают соединения, содержащие от 2 до 6 атомов углерода. В качестве примеров пригодных для использования простых эфиров можно рассмотреть простой диметиловый эфир, простой метилэтиловый эфир, простой диэтиловый эфир, простой метилпропиловый эфир, простой метилизопропиловый эфир, простой этилпропиловый эфир, простой этилизопропиловый эфир, простой дипропиловый эфир, простой пропил изопропиловый эфир, простой диизопропиловый эфир, простой метилбутиловый эфир, простой метилизобутиловый эфир, простой метилтретбутиловый эфир, простой этилбутиловый эфир, простой этилизобутиловый эфир и простой этилтретбутиловый эфир.

Пригодные для использования простые циклические эфиры включают тетрагидрофуран.

Пригодные для использования диалкилкетоны, которые должны использоваться в качестве растворителя, включают ацетон и метилэтилкетон.

Пригодные для использования алкилалаканоаты, которые можно использовать в качестве растворителя, включают метилформиат, метилацетат, этилформиат и этилацетат.

Пригодные для использования гидрофторуглероды, которые можно использовать в качестве растворителя, включают низшие гидрофторалканы, например, дифторметан, 1,2-дифторэтан, 1,1,1,4,4,4-гексафторбутан, пентафторэтан, 1,1,1,2-тетрафторэтан, 1,1,2,2-тетрафторэтан, пентафторбутан, тетрафторпропан и пентафторпропан.

Пригодные для использования гидрохлорфторуглероды, которые можно использовать в качестве растворителя, включают хлордифторметан, 1,1-дихлор-2,2,2-трифторэтан, 1,1-дихлор-1-фторэтан, 1-хлор-1,1-дифторэтан, 1-хлор-2-фторэтан и 1,1,1,2-тетрафтор-2-хлорэтан.

Пригодные для использования хлорфторуглероды, которые можно использовать в качестве растворителя, включают трихлорфторметан, дихлордифторметан, трихлортрифторэтан и тетрафтордихлорэтан.

Пригодные для использования гидрохлоруглероды, которые можно использовать в качестве растворителя, включают 1- и 2-хлорпропан и дихлорметан.

Пригодные для использования галогенированные ароматические соединения включают монохлорбензол и дихлорбензол.

Пригодные для использования ароматические растворители включают толуол, бензол, ксилолы.

Пригодные для использования фторсодержащие простые эфиры, которые можно использовать в качестве растворителя, включают простой бис-(трифторметиловый) эфир, простой трифторметилдифторметиловый эфир, простой метилфторметиловый эфир, простой метилтрифторметиловый эфир, простой бис-(дифторметиловый) эфир, простой фторметилдифторметиловый эфир, простой метилдифторметиловый эфир, простой бис-(фторметиловый) эфир, простой 2,2,2-трифторэтилдифторметиловый эфир, простой пентафторэтилтрифторметиловый эфир, простой пентафторэтилдифторметиловый эфир, простой 1,1,2,2-тетрафторэтилдифторметиловый эфир, простой 1,2,2,2-тетрафторэтилфторметиловый эфир, простой 1,2,2-трифторэтилдифторметиловый эфир, простой 1,1-дифторэтилметиловый эфир, простой 1,1,1,3,3,3-гексафторпроп-2-ил фторметиловый эфир.

Другой пригодный для использования растворитель представляет собой N-метилпирролидон.

Предпочтительные растворители для использования в способе согласно настоящему изобретению представляют собой дихлорметан, ацетон, н-пентан, этилацетат, метилэтилкетон, тетрагидрофуран, монохлорбензол, трихлорфторметан (CFC 11), хлордифторметан (HCFC 22), 1,1,1-трифтор-2-фторэтан (HFC 134a), 1,1-дихлор-1-фторэтан (HCFC 141b) и их смеси, такие как смеси HCFC 141b/CFC 11.

Другой пригодный для использования растворитель представляет собой жидкий диоксид углерода (CO₂). Жидкий диоксид углерода можно использовать при различных давлениях (выше 63 бар) и температурах. Также в качестве растворителя можно использовать суб- или сверхкритический диоксид углерода. Растворяющая способность суб- или сверхкритического диоксида углерода может регулироваться посредством добавления соответствующих модификаторов, таких как метанол, этанол, ацетон, HCFC 22, дихлорметан, при уровнях от 0,1 до 50% объем. В случае, когда в качестве растворителя используется жидкий диоксид углерода, показано, что является преимуществом использование в качестве полиизоцианата при приготовлении аэрогелей/ксерогелей/криогелей по настоящему изобретению фторированного преполимера с изоцианатными окончаниями, состоящего из полиизоцианата, и фторированного соединения, взаимодействующего с изоцианатом, такого как фторированный одноатомный спирт или диол.

Другие пригодные для использования растворители включают C1-C8 углеводороды в суб- или сверхкритическом состоянии. Растворяющая способность этих суб- или сверхкритических C1-C8 углеводородов может регулироваться с использованием соответствующих модификаторов.

Другие пригодные для использования добавки, которые должны использоваться в способе по настоящему изобретению, и другие пригодные для использования способы обработки описаны в WO 95/03358, которая включается в настоящий документ в качестве ссылки.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения, описываются различные использования и применения (супер)гидрофобных ксерогелей/аэрогелей/криогелей по настоящему изобретению. Несколько примеров описываются далее.

(Супер)гидрофобные ксерогели/аэрогели/криогели согласно настоящему изобретению могут подмешиваться в композиции полиизоцианата и/или полиола для использования при приготовлении полиуретановых пен. Последующее вспенивание приводит к образованию пен, нагруженных твердыми частицами аэрогеля/ксерогеля/криогеля на основе полиизоцианата, что может улучшить физические/механические свойства, теплоизоляционные свойства, акустические изоляционные свойства и противопожарные рабочие характеристики полученных в результате пен. Эту концепцию можно также использовать при приготовлении других типов пены, таких как термопластичные пены, получаемые с помощью способа экструзии.

(Супер)гидрофобные ксерогели/аэрогели/криогели согласно настоящему изобретению могут склеиваться вместе с использованием связующих или адгезивов. Затем получается блок материала, который состоят в основном из ксерогелей/аэрогелей/криогелей. Указанные блоки могут быть изготовлены посредством помещения частиц/порошков ксерогелей/аэрогелей/криогелей в форму для формования и их прессования с повышением температуры или без него, и, необязательно, в инертной атмосфере, с получением блока компактированного ксерогеля/аэрогеля/криогеля.

(Супер)гидрофобные ксерогели/аэрогели/криогели согласно настоящему изобретению могут объединяться с другими материалами (например, наполнителями) для создания новых композитных материалов, имеющих улучшенные теплоизоляционные свойства (более низкие значения лямбда), улучшенные акустические изоляционные свойства и/или улучшенное замедление горения по сравнению с композитами основе изоцианата, известными из литературы.

(Супер)гидрофобные ксерогели/аэрогели/криогели согласно настоящему изобретению можно использовать для целей теплоизоляции, например, в вакуумных панелях.

(Супер)гидрофобные ксерогели/аэрогели/криогели согласно настоящему изобретению можно использовать для теплоизоляции и/или акустической изоляции. Например, для изготовления акустической и/или теплоизоляционной панели или теплового и/или акустического инкапсулирующего изоляционного экрана для инкапсулирования 3D объектов сложной формы.

Кроме того, настоящее изобретение описывает использование (супер)гидрофобных ксерогелей/аэрогелей/криогелей согласно настоящему изобретению в качестве защитных покрытий и/или пленок, которые требуют водозащитных свойств (например, плавающего материала с открытыми ячейками/дышащего материала). Для изготовления указанных покрытий или пленок, состоящих из (супер)гидрофобных ксерогелей/аэрогелей/криогелей согласно настоящему изобретению, гелеобразующая композиция g), например, выливается на рассматриваемую поверхность перед гелеобразованием последующим удалением растворителя.

Кроме того, настоящее изобретение описывает использование (супер)гидрофобных ксерогелей/аэрогелей/криогелей согласно настоящему изобретению в качестве системы (супер)гидрофобного пористого фильтра для достижения селективного фильтрования.

Кроме того, настоящее изобретение описывает использование (супер)гидрофобных ксерогелей/аэрогелей/криогелей согласно настоящему изобретению для достижения селективного поглощения/адсорбции (например, для сбора утечки нефти).

Независимые и зависимые пункты формулы изобретения представляют конкретные и предпочтительные признаки настоящего изобретения. Признаки из зависимых пунктов формулы изобретения могут объединяться с признаками независимых или других зависимых пунктов формулы изобретения, при необходимости.

Рассмотренные выше и другие характеристики, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из подробного описания, взятого в сочетании с прилагаемыми примерами, которые иллюстрируют принципы настоящего изобретения.

Примеры

Используемые соединения:

— Suprasec^® 2085 (от Huntsman): полимерный MDI с NCO=30,5 и со средней функциональностью 2,9

— Dabco^® K15 (от Air Products): раствор 75% масс октоата калия и 25% масс диэтиленгликоля. Октоат калия представляет собой катализатор тримеризации, который ускоряет реакцию полиизоцианурата.

— Ацетон

— н-Пентан

— Моноаминопропилполидиметилсилоксан (MCR-A11 от Gelest, MW=800-1000 г/моль)

— н-Бутанол

Экспериментальные методы

— Плотность ксерогеля ρ_x (в кг/м³) оценивают посредством деления массы частиц ксерогеля (измеренной с помощью аналитических весов) на их объем (измеренный с помощью штангенциркуля).

— Пористость ксерогеля P (в %) оценивают по следующей формуле: P=100×(1-ρ_x/ρ_s), где ρ_s — это плотность твердой сетки (как предполагается это примерно 1200 кг/м³ для смол PIR) и ρ_x — это плотность ксерогеля

— Диаметр пор оценивают посредством визуального наблюдения изображений, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Сравнительный пример 1: Синтез негидрофобного ксерогеля PIR

Ксерогель приготавливают посредством смешивания следующих химикалиев в стеклянном флаконе:

1/ 0,5 г раствора катализатора PIR (10% масс Dabco^® K15 в ацетоне)

2/ 7,6 г ацетона

3/ 0,90 г н-пентана

4/ 1 г полимерного MDI (Suprasec^® 2085)

Затем флакон закрывают и встряхивают в течение 6 секунд перед тем, как его оставляют в покое для взаимодействия (реакция PIR, Изоцианатный индекс ~2562). Гель образуется примерно через 1 час, и состаривание осуществляют в течение 3 дней, в целом.

Затем флакон открывают, чтобы дать возможность для выпаривания растворителя до получения постоянной массы (~2 дня) для образования ксерогеля.

Плотность ксерогеля составляет примерно 120 кг/м³. Пористость составляет примерно 90%. Средний диаметр пор составляет примерно 5 мкм. Ксерогель разрезают в его центре, и капля воды, помещенная на открытую внутреннюю поверхность, легко поглощается ксерогелем. Это негидрофобный ксерогель PIR.

Пример 1: Синтез супергидрофобного ксерогеля PIR согласно настоящему изобретению с молекулой моноаминопропилполидиметилсилоксана (2% масс MDI)

Ксерогель приготавливают посредством смешивания следующих химикалий в стеклянном флаконе:

1/ 0,5 г раствора катализатора PIR (10% масс Dabco^® K15 в ацетоне)

2/ 7,6 г ацетона

3/ 0,90 г н-пентана

4/ 1 г полимерного MDI (Suprasec^® 2085)

5/ 0,02 г моноаминопропилполидиметилсилоксана (MCR-A11)

Затем флакон закрывают и встряхивают в течение 6 секунд перед тем, как его оставляют в покое для взаимодействия (реакция PIR, Изоцианатный индекс ~2375). Гель образуется примерно через 1 час, и состаривание осуществляют в течение 3 дней, в целом.

Затем флакон открывают, чтобы дать возможность для выпаривания растворителя до получения постоянной массы (~2 дня) для образования ксерогеля.

Плотность ксерогеля составляет примерно 130 кг/м³. Пористость составляет примерно 89%. Средний диаметр пор составляет примерно 5 мкм. Ксерогель разрезают в его центре, и капля воды, помещенная на открытую внутреннюю поверхность, не поглощается. Наоборот, капля скатывается с поверхности, не смачивая ее. Это супергидрофобный ксерогель PIR.

Пример 2: Синтез супергидрофобного ксерогеля PIR с моноаминопропилполидиметилсилоксаном (10% масс MDI)

Ксерогель PIR приготавливают посредством смешивания следующих химикалий в стеклянном флаконе:

1/ 0,5 г раствора катализатора PIR (10% масс Dabco^® K15 в ацетоне)

2/ 7,6 г ацетона

3/ 0,90 г н-пентана

4/ 1 г полимерного MDI (Suprasec^® 2085)

5/ 0,1 г моноаминопропилполидиметилсилоксана (MCR-A11)

Затем флакон закрывают и встряхивают в течение 6 секунд перед тем, как его оставляют в покое для взаимодействия (реакция PIR, изоцианатный индекс ~1837). Гель образуется примерно через 1 час, и состаривание осуществляют в течение 3 дней, в целом.

Затем флакон открывают, чтобы дать возможность для выпаривания растворителя до получения постоянной массы (~2 дня) для образования ксерогеля.

Плотность ксерогеля составляет примерно 220 кг/м³. Пористость составляет примерно 82%. Средний диаметр пор составляет примерно 5 мкм. Ксерогель разрезают в его центре, и капля воды, помещенная на открытую внутреннюю поверхность, не поглощается. Наоборот, капля скатывается с поверхности, не смачивая ее. Это супергидрофобный ксерогель PIR.

Пример 3: Синтез супергидрофобного ксерогеля PIR с моноаминопропилполидиметилсилоксаном (10% масс MDI)

Ксерогель PIR приготавливают посредством смешивания следующих химикалий в стеклянном флаконе:

1/ 0,75 г раствора катализатора PIR (10% масс Dabco^® K15 в ацетоне)

2/ 6,92 г ацетона

3/ 0,84 г н-пентана

4/ 1,5 г полимерного MDI (Suprasec^® 2085)

5/ 0,15 г моноаминопропилполидиметилсилоксана (MCR-A11)

Затем флакон закрывают и встряхивают в течение 6 секунд перед тем, как его оставляют в покое для взаимодействия (реакция PIR, изоцианатный индекс ~1837). Гель образуется примерно через 1 час, и состаривание осуществляют в течение 3 дней, в целом.

Затем флакон открывают чтобы дать возможность для выпаривания растворителя до получения постоянной массы (~2 дня) для образования ксерогеля.

Плотность ксерогеля составляет примерно 650 кг/м³. Пористость составляет примерно 46%. Средний диаметр пор ниже 500 нм. Ксерогель разрезают в его центре, и капля воды, помещенная на открытую внутреннюю поверхность, не поглощается. Наоборот, капля скатывается с поверхности, не смачивая ее. Это супергидрофобный ксерогель PIR.

Пример 4: Синтез супергидрофобного ксерогеля PIR с моноаминопропилполидиметилсилоксаном (10% масс MDI)

Ксерогель PIR приготавливают посредством смешивания следующих химикалий в стеклянном флаконе:

1/ 1 г раствора катализатора PIR (10% масс Dabco^® K15 в ацетоне)

2/ 6,21 г ацетона

3/ 0,79 г н-пентана

4/ 2 г полимерного MDI (Suprasec^® 2085)

5/ 0,2 г моноаминопропилполидиметилсилоксана (MCR-A11)

Затем флакон закрывают и встряхивают в течение 6 секунд перед тем, как его оставляют в покое для взаимодействия (реакция PIR, изоцианатный индекс ~1837). Гель образуется примерно через 1 час, и состаривание осуществляют в течение 3 дней, в целом.

Затем флакон открывают, чтобы дать возможность для выпаривания растворителя до получения постоянной массы (~2 дня) для образования ксерогеля.

Плотность ксерогеля составляет примерно 600 кг/м³. Пористость составляет примерно 50%. Средний диаметр пор ниже 500 нм. Ксерогель разрезают в его центре, и капля воды, помещенная на открытую внутреннюю поверхность, не поглощается. Наоборот, капля скатывается с поверхности, не смачивая ее. Это супергидрофобный PIR ксерогель.

Сравнительный пример 2: Синтез негидрофобного ксерогеля PIR

Ксерогель приготавливают посредством смешивания следующих химикалий в стеклянном флаконе:

1/ 0,5 г раствора катализатора PIR (10% масс Dabco^® K15 в ацетоне)

2/ 7,6 г ацетона

3/ 0,90 г н-пентана

4/ 1 г полимерного MDI (Suprasec^® 2085)

5/ 0,02 г н-бутанол

Затем флакон закрывают и встряхивают в течение 6 секунд перед тем, как его оставляют в покое для взаимодействия (реакция PIR, Изоцианатный индекс ~1305). Гель образуется примерно через 1 час, и состаривание осуществляют в течение 3 дней, в целом.

Затем флакон открывают, чтобы дать возможность для выпаривания растворителя до получения постоянной массы (~2 дня) для образования ксерогеля.

Плотность ксерогеля составляет примерно 135 кг/м^3, Пористость составляет примерно 89%. Средний диаметр пор составляет примерно 5 мкм. Ксерогель разрезают в его центре, и капля воды, помещенная на открытую внутреннюю поверхность, легко поглощается ксерогелем. Это негидрофобный ксерогель PIR.

гидрофобные полиуретановые затирочные материалы для затирочной машины

Деталь продукта

гидрофобные полиуретановые тампонажные материалы для введения затирочной машины

1. отлично вязкость при контакте с водой в результате химической реакции немедленно и вспенивания

2. ультра структурное усиление, высокая степень расширения, хорошая прочность, не сжатие.

3. и адгезия субстрата и химическая стойкость (устойчивость к питьевой воде, морской воде, разбавлению сточных вод от кислотно-основных химических веществ)

4. контакт с питьевой водой региона также может быть использован.

5. используется с одной жидкой цементационной машиной высокого давления и другим оборудованием

маслорастворимые полиуретановые тампонажные материалы представляет собой однокомпонентную маслорастворимую полиуретановую гидрофобную пену, она реагирует с водой и расширяется, превращаясь в пену, не растворяется в воде химический тампонажный материал. материал встречается с водой после химической реакции, увеличения объема и генерирования нерастворимого в воде пенообразующего тела, может не только обеспечить водонепроницаемую закупорку, более определенный эффект усиления армирования, широко используются в тоннеле метро, ​​водосбережения и гидроэнергетики, подземном гараже, и канализационные водонепроницаемые заглушки арматуры

тип

однокомпонентный водорастворимый полиуретан

ключевая особенность

-отличные гидрофобные свойства, высокая химическая стабильность

— больший радиус проникновения и объемное соотношение затвердевания, быстро реагируют с водой при большом давлении расширения, выталкивая жидкость до глубины трещины и расширяясь, образуя упрочнение

устойчивы к кислотам, щелочам и органическим растворителям, лучше устойчивы к химической коррозии

покрытие гладкое, износостойкое, без плесени

отличная адгезия с бетонной основой и другими строительными материалами

-вязкость и скорость отверждения могут быть изменены в соответствии с требованиями проектов

типичные свойства материалов для полиуретановых растворов

внешний вид: коричневая вязкая прозрачная жидкость

плотность / г / см3: 1,1-1,2

вязкость (мПа.с): 250-450

время отверждения: 300-600

содержание твердого вещества (%): 85

пенообразующая способность (%): 2000-3000

прочность на сжатие (МПа): 8-9

видео продукта

применение пенополиуретановый материал

бассейны, башни, подвалы, бомбоубежища и другие сооружения, заполнение швов и водонепроницаемое покрытие

-антикоррозия металлических и бетонных труб и металлоконструкций

подземные туннели 、 укрепление фундаментов и пыленепроницаемость пола зданий

перекрытия и армирования деформационного шва, точки застройки, структурной трещины

-подключение и усиление портов, доков, опор мостов, дамб, шторок ГЭС

— геологическое бурение, потеря циркуляции и защиты, выборочное закачивание воды при бурении нефтяных скважин, залива воды в шахтах.

другие аналогичные продукты

модель нубер	наименование товара
ПУ-110	один комп onent гидрофильный водорастворимый полиуретан water-stop пенный гель
Пу-111	однокомпонентная маслорастворимая полиуретановая гидрофобная пена

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ пожалуйста, нажмите модель продукта для получения дополнительной информации ЦИИ

хранение и ч ок ументы

-Доступно в 25 кг / баррель или 10 кг / баррель пенополиуретановый материал

хранить в плотно закрытых оригинальных контейнерах по 5-40 ℃

Срок годности: 9 месяцев с даты поставки

-согласно перевозке неопасных грузов

​Из чего делают мембраны? | «BASK» — официальный сайт производителя одежды и снаряжения

Существуют гидрофобные, гидрофильные и переходные полимеры. Принято считать полимеры, впитывающие не более 1-2% влаги – гидрофобными, 10% и более – гидрофильными.

Гидрофобные полимеры и мебраны из них

Гидрофобныё полимеры не впитывают и соответственно не пропускают воду. А значит тонкие пленки из них непромокаемы. Но из этого так же следует, что такие пленки не пропускают водяные пары. Чтобы совместить непромокаемость и паропроницаемость, гидрофобные пленки делают пористыми. Поры, конечно, не выглядят как система аккуратных круглых отверстий, проходящих через толщу пленки. Структура мембраны может быть похожа на губку, на срез буханки хлеба или, например, хаотическое или упорядоченное в какой-то степени, объёмное переплетение нитей, что хорошо видно на примере снимков, сделанных электронным микроскопом.

Размер пор мал – от 0.1 мкм до 1 мкм. Поэтому капли воды через такие поры не проходят. Водяные пары механически проходят через поры мембраны, практически не взаимодействуя с веществом мембраны.Правильнее говорить пористая мембрана, а не поровая.

Начнём с самой известной марки мембран из гидрофобных полимеров – GORE-TEX. Мембрану производят из растянутого политетрафторэтилена (PTFE). Плёнки PTFE с добавлением веществ для порообразования при определенных условиях механически растягивают, и получают плёнки со структурой, как на фото выше. Далее к этой пленке добавляют жироотталкивающий PU слой, возможно напыление, для защиты пор от жиров и грязи.

Молекула PTFE

При измерении паропроницаемости по методу b1 PTFE используют в качестве прокладки между абсорбентом и мембраной, потому она обладает такой высокой паропроницаемостью, которая заведомо выше паропроницаемости исследуемой мембраны. Тогда почему не все используют PTFE для изготовления мембран?

Предполагаю, тут возможен только один ответ – патент. W. l. Gore запатентовала мембраны из PTFE, и это не позволяет остальным делать мембраны тем же способом и из того же материала. И другим компаниям приходится выкручиваться, изобретая другие мембраны и добиваясь схожих характеристик. И похоже, BHA Group со своей мембраной Event удалось разработать технологию или купить лицензию изготовления мембран из PTFE.

Чтобы добиться большей паропроницаемости, чем у gore-tex (3-layer event ret = 4.5, 3-layer gore xcr ret = 5.1) из Event убрали защитный PU слой. По заявлениям производителя защита встроена в саму мембрану, какая – не разъясняется. Другими словами Event – клон gore-tex.

У Toray нет секретов, они открыты по сравнению с другими производителями. Общедоступны спецификации на все мембраны. Они производят обычные микропористые и непористые PU мембраны. Отмечу уникальную двухслойную мембрану Entrant HB, где микропористый PU слой сочетается с ультратонким непористым слоем.

1-3. gore-tex 2. sofitex

Гидрофильные полимеры и мебраны из них

Гидрофильность данных полимеров объясняется тем, что их молекулы полярны и поэтому охотно вступают в химические связи с молекулами воды – водородная связь. Из таких полимеров можно делать паропроницаемые пленки без пор.

Молекула PU

Несмотря на то, что пор в таких мембранах нет, водяные пары – молекулы воды, связываются с гидрофильными молекулами мембраны. Далее молекулы воды продвигаются через толщу мембраны последовательно, как эстафетная палочка, связываясь с молекулами полимера, постепенно переходя на другую сторону. Мембрана при этом остается твердой, не разбавляется водой.

Гидрофильная мембрана принимает активное участие в транспорте молекул: с одной стороны в ней вообще нет пор и поэтому она должна хуже пропускать водяные поры, но с другой стороны – в ней, в отличии от гидрофобных, появляются дополнительные химические силы. Гградиент концентрации играет для них такую же определяющую роль, как и для гидрофобных мембран. Точное описание данных процессов и будет предметом последующих моих изысканий.

1. PU – внутренняя поверхность, отделка мембраны gore-tex 2. ePTFE – внешняя поверхность мембраны gore-tex 3. ePTFE с олеофобным покрытием 

Sympatex – самая известная непористая мембрана. Это сополимер из 70% гидрофобного полиэстера и 30% гидрофильного полиэфира. 30% гидрофильного вещества в составе мембраны и выполняют роль передающей среды для водяных паров. Sympatex – очень тонкая (5 мкм) и эластичная (растяжение до 300%) пленка. К сожалению, на официальном сайте Ret явно указано только для phaseable 2.5-layer. И голословно утверждается, что Sympatex High out дышит на 120% лучше, чем стандартные ламинаты.

Sympatex

Toray производит непористую гидрофильную PU мембрану – Dermizax-ev.

Материал, в части молекулярных механизмов работы гидрофильных мембран будет расширен и уточнен, по мере доступа к нужной литературе.

Читать так же:

Мембраны. Немного физики

Разумно о мембранах

Методы определения паропроницаемости и Ret мембраны

Мембраны: «Взгляд изнутри» – как это устроено и работает

Супергидрофобных материалов от природы | Feature

Химики ищут альтернативы фторорганическим соединениям для антипригарных покрытий. Тефлон, политетрафторэтилен, покрывают наши сковороды с 1940-х годов. Но с появлением все новых свидетельств стойкости, биоаккумуляции и токсичности фторорганических соединений в окружающей среде началась охота за новыми антипригарными решениями. Одно место, куда с завистью смотрели химики, — это сама природа. Многие растения и животные имеют поверхности, отталкивающие воду, а в некоторых случаях даже масло.Но химический состав этих поверхностей — не единственная уловка природы — сложное наноструктурирование играет огромную роль. Использование этих конструкций теперь помогает химикам создавать антипригарные покрытия следующего поколения.

Смачиваемость поверхности измеряется углом контакта капли жидкости с поверхностью. По сути, это измеряет, какая часть капли контактирует с поверхностью — чем больше угол, тем меньше контакт с поверхностью. В случае воды, когда этот угол превышает 150 °, поверхность считается супергидрофобной и очень трудной для смачивания.

Существует огромный выбор веществ, которые можно использовать

Биолог Вильхем Бартлотт из Боннского университета в Германии за последние 30 лет сделал несколько крупных прорывов в понимании супергидрофобности в биологии. Он предполагает, что супергидрофобность, должно быть, возникла 450 миллионов лет назад, когда жизнь переместилась на сушу и начала дышать посредством газообмена. «Мы изучили около 24 000 различных видов растений и животных, и многие из них являются супергидрофобными или, по крайней мере, имеют супергидрофобные части», — говорит он.

Многие выдавливают кристаллический восковой слой. Бартлотт говорит, что это обычно сложные смеси длинноцепочечных углеводородов (20–30 атомов углерода), которые могут быть алканами, кетонами, альдегидами, спиртами, жирными кислотами и сложными эфирами. ¹ Но не только химический состав снижает смачиваемость. «Можно использовать огромное количество веществ, но они никогда не достигнут качества тефлонового покрытия», — объясняет Бартлотт. «Секрет жизни состоял в том, чтобы изобрести сложную, очень изощренную иерархическую структуру поверхности.Поверхности образуют кристаллические структуры, такие как канальцы, тромбоциты или нити, но они покрывают другой текстурированный слой клеток или волосков, создавая два или три наложенных друг на друга уровня «иерархического моделирования» на микро- и наноуровнях. «Запрещено только плоское!» — говорит Бартлотт.

Липкий или скользкий

Функция шероховатой иерархической поверхности — создавать воздушные карманы. Капля воды располагается поверх захваченного воздуха, и это резко снижает контакт между твердым телом и жидкостью, позволяя каплям образовывать почти идеальные сферы, которые легко скатываются.Один из самых известных примеров такого поведения — лист лотоса, самоочищающаяся поверхность которого имеет угол контакта, приближающийся к 180 °. Сканирующая зондовая микроскопия показывает, что листья покрыты бугорками размером 1–5 мкм, называемыми сосочками, под верхним восковым кристаллическим слоем. Это означает, что капли дождя будут скатываться вместе с любой поверхностной грязью.

Другой пример из биологии — лепесток розы. Его поверхность тоже гидрофобна, но ведет себя совсем иначе. «Когда вы кладете каплю воды на лепесток розы, вы, должно быть, заметили, что вода прилипает к поверхности — она ​​не падает.Это липкая гидрофобность, — объясняет Айяппанпиллай Аджаягош, химик из Национального института междисциплинарных наук и технологий (NIIST) в Тируванантапураме, Индия. Аджаягош пытался имитировать поверхность как листа лотоса, так и лепестка розы.

Как и лист лотоса, лепесток розы имеет слой гидрофобного воска, покрывающий иерархически структурированную поверхность, образованную наноскладками в его кутикуле и сосочками конической формы. Но разница в размере этих структур — 16 мкм в диаметре по сравнению с 11 мкм у листа лотоса.Это означает, что вода может проникать через структурированную поверхность, создавая большую границу раздела твердое тело-жидкость и, следовательно, липкость. Прикрепление известно как состояние Венцеля, тогда как капли, скатывающиеся с листа лотоса, находятся в состоянии Кэсси-Бакстера, названном в честь ученых, которые определили эти различные явления смачивания.

Так можно ли воспроизвести эти состояния химически? Аджаягош начал с глинозема — по своей природе гидрофильного материала. ² Его команда работала над ковалентно-органическими каркасами, классом кристаллических пористых полимеров, и поняла, что эти материалы могут самостоятельно собираться в гидрофобные покрытия.Они покрыли поверхность оксида алюминия лигандом на основе азобензола (AzPBA), а затем покрыли его ароматическим бис-альдегидом (BA) с двумя алкоксильными цепями, что приближало эффект воскового покрытия. Краевой угол смачивания достиг почти супергидрофобного 145 °, и поверхность показала «липкое» поведение, подобное лепестку розы.

Аджаягош затем обработал поверхность, покрытую AzPBA, ионами цинка перед нанесением слоя BA. Угол контакта новой поверхности увеличился до 165 °, и поверхность стала скользкой, как лист лотоса.«Когда вы [добавляете] ионы цинка, они образуют [координационный] полимер на поверхности — своего рода сеть, в которой есть [новая] наноархитектура», — говорит Аджаягош. Ионы цинка присоединяются к группам карбоновых кислот AzPBA, и новая поверхность имеет выступы в виде пальцев размером 1 мкм и шириной 200 нм. Этого достаточно, чтобы удерживать воздух под каплей воды, размещенной на поверхности. Аджаягош говорит, что работа показала, что вполне возможно химически имитировать супергидрофобные состояния, встречающиеся в природе, путем создания различных морфологий поверхности.«Мы не используем фторированную химию — это очень простая химия», — добавляет он.

Омнифобный коллембол

В то время как природа может сравнительно легко справиться с супергидрофобной поверхностью, гораздо сложнее создать суперолеофобные поверхности, которые также могут противостоять маслам, и суперомнифобные поверхности, стойкие ко всем жидкостям. Химики обычно прибегают к фторированным полимерам, но у природы такой возможности нет. Тем не менее в природе есть несколько примеров омнифобных поверхностей, таких как коллембола или коллембол — маленькое бескрылое насекомое, обитающее в почве.«Животное подвергается воздействию сильно загрязненной [воды] поверхностно-активными веществами, поэтому оно имеет низкое поверхностное натяжение и смачивает поверхность намного легче, чем [чистая] вода», — объясняет Карстен Вернер из Центра биоматериалов Макса Бергманна в Дрездене. , Германия. «На кожу действуют трение частиц и механическая сила, и поэтому было разработано решение, которое является гораздо более захватывающим шаблоном для копирования».

Поверхность коллембол имеет упорядоченный ромбический или гексагональный сотовый узор, состоящий из трех различных иерархических слоев. ³ Полученная структура образует нанополости (0,3–1 мкм), покрывающие все тело, но в поперечном сечении есть характерные выступы в форме грибов. «Эта особая структура поперечного сечения удерживает в структуре наноразмерные пузырьки воздуха, и такое удержание газа позволяет избежать смачивания даже неполярных жидкостей», — говорит Вернер.

«Мы смогли создать структуры, которые действительно точно воспроизводят наноморфологию кожи, но, конечно, ограничены довольно небольшими образцами», — говорит Вернер.Их копии были сделаны прямым слепком с кожи насекомых с использованием диакрилата полиэтиленгликоля. Они сделали две версии: одна — точная копия поверхности, другая — без наноструктурированных элементов. Они обнаружили, что необычные нависающие наноструктуры были ключом к созданию суперомнифобной поверхности — образцы, изготовленные без нее, имели краевые углы смачивания, близкие к нулю, а образцы с — до 150 °. ⁴

«Омнифобные свойства, которые мы наблюдали у этих животных, зависят только от наноморфологии поверхности, а не от химии материалов, которые мы используем — мы продемонстрировали, что можно достичь этого эффекта в совершенно разных типах материалов», — говорит Вернер. .Выступы, кажется, создают энергетический барьер, который не может быть преодолен даже жидкой фазой с низким поверхностным натяжением, такой как гексадекан (который смог смачивать образец тефлона).

Вернер стремится использовать эти поверхности в качестве антибактериальных покрытий, например, для защиты хирургических инструментов. «Морфология, которую мы берем из коллембол сама по себе, довольно эффективна, и сейчас мы работаем над объединением этих структурированных поверхностей с покрытиями, содержащими антисептики». Его коллеги из Дрездена изучали методы лазерной литографии, чтобы имитировать особенности коллембол на металлах и полимерах. или керамика.В 2018 году команда из Южной Кореи объединила нанолитографию и метод складывания, при котором части полимерной поверхности сжимались, чтобы создать высоко отталкивающую искусственную поверхность коллембол, способную выдерживать экстремальные нагрузки. Они пришли к выводу, что их сфабрикованная система превосходит саму кожу насекомых.

Подводный

Во многих случаях природа использовала супергидрофобность, чтобы позволить растениям и насекомым выживать под водой в течение длительных периодов времени. Одним из примеров является Salvinia Molesta , чрезвычайно агрессивный папоротник, который может выживать под водой в течение нескольких недель, продолжая фотосинтез.«У него самая сложная поверхность из известных нам растений», — говорит Бартлотт. «Ни один ученый-материаловед в своем самом странном кошмаре не подумал бы о таком решении!» Его водоотталкивающая поверхность удерживает защитный воздушный слой через множество волосков в форме венчика (называемых трихомами), составляющих поверхность. Кончики венчиков химически различны, они гидрофильны, и это прочно удерживает слой воды на поверхности, а воздух остается под ним. Эффект закрепления удерживает воздушный слой размером до 3,5 мм под отрицательным давлением в небольших отдельных карманах.

Бартлотт и его коллеги из Университета Ростока в Германии изучали, как синтетический вариант можно использовать для покрытия корпуса корабля для уменьшения сопротивления. Учитывая, что на судоходство приходится примерно 3% глобальных выбросов парниковых газов (1 миллиард тонн углекислого газа в год), сокращение может иметь значительные последствия. Бартлотт не готов сообщить подробности своего нового материала, но другие начали создавать поверхности с аналогичным дизайном. Команда итальянских инженеров недавно использовала трехмерную лазерную литографию и фоторезист на основе гидрофильной эпоксидной смолы, чтобы сформировать массив из волосков 7 мкм, имитирующих S.Молеста лист. ⁵

Воздействие такого покрытия на сопротивление под водой можно было бы максимизировать, объединив его с такими технологиями, как система воздушной смазки Mitsubishi, запатентованная в 2010 году. Здесь сжатый воздух образует микропузырьки. «Если у вас супергидрофобная поверхность, она будет притягивать [эти] пузырьки воздуха, как магнит, и удерживать их, так что это может быть идеальной комбинацией», — говорит Бартлотт. Он считает, что покрытие их нынешнего прототипа может снизить лобовое сопротивление до 30%.

Пластрон химический для отделения масел

Воздухововлекающие поверхности также обычны для водных насекомых.Серия крошечных волосков или бугорков, известных как щетинки или микротрихии, задерживает тонкий слой воздуха, который позволяет насекомому дышать под водой — по сути, действуя как внешние жабры. Эта особенность известна как пластрон. «В Техасе целые колонии огненных муравьев будут соединяться и формировать эти плавучие плоты с пластронами, удерживающими [воздух] между ними [для повышения их плавучести]», — говорит химик-материаловед Сарбаджит Банерджи из Техасского университета A&M в США. Он воспроизвел этот принцип для создания суперомнифобных поверхностей.

Отталкивать масло всегда труднее, чем воду, — объясняет Банерджи. «Все, что удерживает вместе молекулы нефти, — это силы лондонской дисперсии, поэтому склонность капель нефти к растеканию намного выше». Углеводородные воски, встречающиеся в природе, обычно легко смачиваются маслами.

Итак, чтобы разработать суперомнифобную поверхность с пластроноподобными свойствами, Банерджи обратился к нанотетраподам из оксида цинка, напыленным на нержавеющую сталь. Эти четвероногие нанокристаллы образуются, когда цинковая фольга быстро окисляется на воздухе.«Как бы вы их ни опускали, одна или две ноги поднимаются на вас; — говорит Банерджи, — нельзя сделать что-то плоское. Нанотетраподы прикреплены к стальной поверхности с помощью тетраэтилортосиликата, который создает связь из диоксида кремния. «Сеть четвероногих заключена там в ловушку, и когда мы погружаем [поверхность] в воду, вы видите это мерцание, соответствующее пузырькам воздуха, которые оказались в ловушке», — объясняет он.

Но для воспроизведения суперолефобной поверхности Банерджи также функционализировал поверхность перфтороктановой фосфоновой кислотой (C ₈ H ₆ F ₁₃ O ₃ P). ⁶ Неполярный фторсодержащий монослой обеспечивает еще более низкую поверхностную энергию. «По сути, у нас есть C – F-связи, выступающие наружу, взаимодействующие с молекулами воды или масла, что придает нам олеофобность, а также гидрофобность, обусловленную как химическим составом, так и текстурой», — объясняет он. «Шероховатость усиливает внутреннюю химию».

Суперолеофобность этих материалов делает их идеальными для покрытия оборудования для хранения и транспортировки нефти, но Банерджи особенно заинтересован в их использовании для отделения вязких масел от воды.В настоящее время большие объемы сырой нефти извлекаются из резервуаров с использованием нагнетаемого пара, но разделение полученной эмульсии затруднено и требует материалов, которые могут работать при температуре выше 130 ° C.

Banerjee создал совершенно новый процесс фильтрации на основе сетки из нержавеющей стали, покрытой нанотетраподами оксида цинка. «Сам по себе он довольно гидрофобен из-за слоя воздуха [на поверхности], но он также олеофилен», — объясняет он. Сетчатая мембрана образует взаимосвязанную пористую пластронную сеть, пропускающую нефть.Но он удерживает капли воды подвешенными над воздушными карманами, образованными между выступающими нанотетраподами. Капли воды находятся в состоянии Кэсси – Бакстера, в отличие от капель нефти, которые находятся в режиме Венцеля и проникают через сетку. Фильтр может снизить содержание воды в вязкой нефти до 0,69% по объему. ⁷

Скользкий подъезд

Еще один инновационный подход к омнифобным поверхностям, не основанный на воздушном кармане, был разработан лабораторией Джоанны Айзенберг в Гарвардском университете в Массачусетсе, США, и он также черпает вдохновение в природе.Кувшин, поедающий насекомых, ловит свою добычу, используя скользкую поверхность, смазанную водой, которая отталкивает масла, обнаруженные на лапах насекомых. Сама смазка удерживается на неровной микротекстурной поверхности.

В качестве постдока в группе Айзенберга Так-Синг Вонг, ныне доцент Университета штата Пенсильвания в США, разработал поверхности, основанные на принципе кувшина, названные скользкими пористыми поверхностями, наполненными жидкостью (Slips). «Вы начинаете с текстурированной или пористой губчатой ​​поверхности, а затем мы наносим смазывающую жидкость, которая имеет сильное химическое сродство с лежащей ниже текстурированной [поверхностью], и с этой комбинацией Slips могут оттолкнуть все, что не смешивается со смазкой», он говорит.«Если вы хотите отталкивать жидкость на масляной основе, вы можете сделать смазку либо водной, либо использовать перфторированную жидкость, которая не смешивается с водной и масляной фазами. На основе этих критериев проектирования вы можете использовать все виды жидкостей в качестве смазочных материалов ».

Смазка, обычно глубиной от 100 нм до нескольких микрометров, удерживается на месте капиллярными силами, но она должна иметь высокое химическое сродство с основным материалом, иначе жидкость, которую вы хотите отталкивать, вытеснит ее.«В принципе, вы можете использовать любой материал, если только можете найти способ его текстурировать», — говорит Вонг. Он использовал пористые эпоксидные смолы с диаметром 300 нм и нанопорами высотой 5 мкм. ⁸

Вонг исследовал, как смазанные поверхности могут быть полезны для сбора воды в тех частях мира, где наблюдается нехватка воды. Он обнаружил, что гидрофобные промывки не являются наиболее эффективным способом сбора водяного пара или тумана, поскольку они ограничивают образование зародышей водяных капель. И простое использование иерархической текстурированной поверхности привело к тому, что капли скатывались, как лепесток розы, а не скатывались для сбора. ⁹

Вместо этого он и его команда придумали решение, вдохновленное растением кувшин и рисом, которое они назвали скользкой шероховатой поверхностью (SRS). Чтобы предотвратить скопление воды, листья риса имеют иерархическую поверхность с определенными канавками, образующими гофрированную структуру, которая заставляет капли воды скатываться в направлении, перпендикулярном этим канавкам. Вонг и его команда создали кремниевые пластины с такой структурой. Рифленая поверхность была модифицирована второй иерархической структурой и покрыта силанами для повышения химического сродства со смазкой.Только эта внутренняя структура покрыта гидрофильной масляной смазкой на основе силикона толщиной 1 мкм.

«Теперь он не только может притягивать водяной пар или капли воды из воздуха, но и, когда вода соприкасается с поверхностью, может легко ускользать», — объясняет Вонг. Набор конкурирующих эффектов способствует тому, что поверхность отталкивает жидкости независимо от того, как они смачивают поверхность. Гидрофильная смазка помогает каплям воды образовываться, а гребни рисового листа позволяют каплям скатываться.Вонг говорит, что текущие лабораторные испытания показали, что система может собирать примерно 500 мг воды на 1 см ² за час: «почти в 10 раз больше воды, чем обычный материал для сбора тумана», — добавляет он.

Природа вдохновила на создание разнообразных решений для создания супергидрофобных, а в некоторых случаях и суперолеофобных поверхностей на различных материалах. Эти решения исходят из сложных структур поверхности в дополнение к химии поверхности. Но достаточно ли этого, чтобы заменить фторированные полимеры, которые мы используем в настоящее время? В сетке Banerjee с цинковым оксидным покрытием по-прежнему используется внешний фторированный слой для создания суперомнифобного поведения.«Я не видел ничего, что работало бы так хорошо», — признается он. «Мы действительно избегали использования [объемных] фторполимеров, вместо этого использовали по существу монослои». Вернер считает, что в будущем правильная наноморфология может заменить фторированные полимеры на более экологически чистые защитные поверхности. Его синтетическая кожа коллембол превосходит такие поверхности. «Они фактически отталкивают неполярные жидкости и сильно загрязненные водные растворы с очень низким поверхностным натяжением».

Но, вероятно, не время совсем забывать о химии при разработке материалов.Продолжая исследовать кожу коллембол, Вернер говорит, что структурированная кожа — это еще не все. «Оказывается, это, возможно, только первая линия защиты организмов от биоадгезии», — объясняет он. Химия поверхности и биология также играют роль. Богатый липидами внешний слой содержит органические соединения, которые, как известно, обладают антибактериальными свойствами за счет минимизации адгезии белков. ¹⁰ «Это также может предложить нам что-то для биомимикрии», — предполагает Вернер.

Очевидно, нам еще есть чему поучиться у природы.«Я думаю, что мы только начинаем ломать голову», — соглашается Банерджи.

Рэйчел Бразилия — научный писатель из Лондона, Великобритания.

Гидрофобная поверхность — обзор

8.2 Гидрофобная поверхность

Гидрофобная поверхность — это поверхность, которая обладает способностью отталкивать воду [1]. Термин «гидрофобность» произошел от двух греческих слов: «гидро», что означает вода, и «фобос», что означает страх; таким образом, гидрофобные поверхности можно определить как материал, отталкивающий воду.Как правило, гидрофобность поверхности можно измерить по углу контакта между каплями воды и самой поверхностью. Капли воды на гидрофобной поверхности будут очень легко течь и сохранять свою сферическую форму с углом контакта более 90 градусов [8], в то время как супергидрофобные материалы обладают большими углами контакта более 150 градусов и их трудно смачивать, как показано на рис. 8.1. Напротив, для гидрофильных поверхностей капли воды распространяются далеко, а угол смачивания очень мал и составляет менее 90 градусов.По этим поверхностям капли воды не катятся, а скользят.

Рис. 8.1. Схематическая диаграмма, представляющая краевой угол смачивания воды на гидрофильной, гидрофобной и супергидрофобной поверхности.

(Воспроизведено с разрешения N. Nuraje, WS Khan, Y. Lei, M. Ceylan, R. Asmatulu, Superhydrophobic электроспряденные нановолокна, J. ​​Mater. Chem. A 1 (2013) 1929–1946.)

По Бойновичу и Емельяненко [9], поведение капель воды на поверхности может быть связано с двумя факторами: поверхностной энергией и смачиваемостью.Обычно, когда некоторые материалы имеют более высокие энергетические состояния на поверхности, поверхность является гидрофильной, что приводит к меньшему углу смачивания. В то время как, когда поверхностная энергия материалов низкая, молекулы в каплях воды больше притягиваются друг к другу по сравнению с поверхностью, что приводит к более высокому углу смачивания, что является гидрофобным [10]. Кроме того, смачиваемость, которая представляет собой поведение жидкости на твердой подложке, также была важным явлением в технических приложениях гидрофобных свойств.Смачиваемость часто обсуждают с точки зрения краевого угла, при котором жидкая капля встречается с твердой поверхностью.

В природе гидрофобную поверхность можно увидеть на листьях лотоса или его научном названии Nelumbo nucifera . В 1992 году лист лотоса был представлен как «эффект лотоса», который затем стал символом супергидрофобности и самоочищающихся свойств. Лотос ( N. nucifera ) — это полуводное растение с большими лепестками до 30 см в диаметре и отличными водоотталкивающими свойствами.Поверхность листьев демонстрирует впечатляющие гидрофобные свойства, которые позволяют воде катиться по поверхности вместо скольжения [11]. Листья лотоса имеют воск, который покрывает поверхность, и множество сосочков микроскопического размера, которые приводят к шероховатости поверхности, как показано на рис. 8.2A – D. Обе эти поверхностные особенности в сочетании позволяют листу лотоса выполнять гидрофобные свойства и облегчать скатывание капель воды, которые собирают загрязнения по мере их движения.

Рис. 8.2. Эффект лотоса: (A) лист лотоса, (B) изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) микропапилл, присутствующих на поверхности листа лотоса, (C) изображение капли воды на листе лотоса и (D) структурная диаграмма микро- и наноструктура одиночного микропапиллы.

(Воспроизведено с разрешения L.-Y. Meng, S.-J. Park, Супергидрофобные углеродные материалы: обзор синтеза, структуры и применения. Carbon Lett. 15 (2014) 89–104.)

Numerous исследователи подтвердили, что сочетание шероховатости поверхности с низкой поверхностной энергией может обеспечить более высокую гидрофобность поверхностей, что способствует самоочищению. Различные структуры могут давать поверхности с большим краевым углом, если они вносят определенную шероховатость вместе с низкой поверхностной энергией [2].

Чтобы имитировать поведение лотоса, для изготовления покрывающих материалов использовались различные типы материалов, включая как органические, так и неорганические материалы. Для полимерных материалов, которые, как правило, по своей природе гидрофобны, первоочередное внимание уделяется созданию шероховатости поверхности. Для органических материалов, которые обычно являются гидрофильными, после изготовления поверхностных структур необходимо проводить гидрофобную обработку поверхности. Среди органических материалов материалы на основе углерода представляют собой один из коммерческих интересов.

Фактически, создание гидрофобных материалов и покрытий стало отдельным направлением современного материаловедения, которое быстро развивается [12, 13]. Мало того, гидрофобные материалы также привлекли большое внимание как в промышленных кругах, так и в различных академических кругах. Об этом свидетельствует рост числа исследовательских публикаций, посвященных особенностям смачивания супергидрофобных поверхностей, дизайну и подготовке текстурированных поверхностей, состоянию и составу поверхностей, которые могут регулировать свойства смачиваемости [1, 2, 14].

Гидрофобные материалы широко используются в различных секторах и приложениях. Например, гидрофобные материалы используются в качестве кровельной черепицы и окон в архитектурной промышленности. Гидроизоляция текстиля также становится основным потенциальным применением гидрофобных материалов. Это связано с тем, что волокнистая структура текстиля может сохраняться, при этом субстрат остается воздухопроницаемым и комфортным в использовании. В морском транспортном средстве корпус корабля, который погружается в воду, часто подвержен биообрастанию под водой, при которой затраты на их эксплуатацию и техническое обслуживание высоки.Использование гидрофобного материала при изготовлении корпуса корабля может уменьшить эту проблему, поскольку уменьшение влажных зон может снизить вероятность того, что на поверхности обитают биологические организмы [1].

Несмотря на большие достижения в применении гидрофобных материалов, технологические проблемы все еще остаются. Помимо массового производства, необходимо также учитывать доступность и стоимость сырья, чтобы включить гидрофобные материалы в коммерческий продукт.Таким образом, в настоящее время ведутся многочисленные исследования для изучения других потенциальных применений гидрофобного материала в будущем, включая получение более специализированных материалов.

Определение и примеры (молекулы и вещества)

Гидрофобное определение

Молекулы, которые отталкивают воду, потому что они неполярные молекулы, описываются прилагательным гидрофобный . Гидрофобные молекулы, такие как алканы, масла, жиры и смазки, не растворяются в воде.Эта характеристика называется гидрофобностью. В химии мы называем гидрофобные молекулы гидрофобами. Их противоположности, гидрофильные молекулы, растворяются в воде.

Гидрофобные молекулы

Вода, h3O, является полярной молекулой, то есть имеет полярность , что является неравномерным распределением электронной плотности между ее атомами. Кислородная сторона любой молекулы воды слегка отрицательна, а водородная сторона слегка положительна. Полярная вода не связывается с неполярными или гидрофобными молекулами .

[Вставьте изображение, подобное этому, полученному с https://www.plasticstoday.com/medical/cost-effective-process-developed-production-super-hydrophobic-plastic-surfaces]

Прилагательное «гидрофобный» происходит от греческого слова hydrophobos , что означает «боязнь воды или боязнь воды». Гидрофобные молекулы обладают свойством гидрофобности, что означает, что они отталкивают воду, не растворяются в воде или сами отталкиваются молекулами воды.

Характеристики гидрофобных молекул

Поскольку гидрофобные молекулы встречаются в широком диапазоне названных веществ, мы не можем объединить все водоотталкивающие вещества в одну характеристику. Однако появляются некоторые частично совпадающие характеристики. Гидрофобные молекулы имеют тенденцию к:

• быть неполярным
• Предпочитайте другие нейтральные молекулы и неполярные растворители
• Слабо растворяется в воде, водоотталкивающий
• Кластеры в воде, образующие мицеллы (молекулярные кластеры в коллоидах)
• Форсировать воду с большими углами смачивания при контакте с поверхностями, покрытыми гидрофобными веществами (при высоких углах смачивания вода поднимается вверх)
• Поощрять молекулярную укладку, делая их полезными для аминокислот, белков, фосфолипидов и других биологических строительных блоков

[вставьте изображение фосфолипидной структуры без авторских прав, например, полученное с https: // www.shutterstock.com/search/phospholipids]

Вещества с чрезвычайно высокими углами смачивания (более 150 °) считаются супергидрофобными и имеют супергидрофобные поверхности. Эти вещества, такие как нанопиновая пленка и самоорганизующиеся монослои (SAM), могут быть полезны в биомедицине, нанотехнологиях, повышении энергоэффективности и улучшении термодинамики на электростанциях.

[Вставьте изображение, полученное с https://www.semanticscholar.org/paper/Superhydrophobic-perpendicular-nanopin-film-by-the-Hosono-Fujihara/4f557fd662c81eb1c37d5859a5e72c10706b91e3]

Примеры гидрофобных веществ

Вода образует водородные связи, отличающиеся своей слабостью и коротким сроком службы.Эти слабые связи объясняют способность воды легко связываться с другими полярными молекулами, делая воду «универсальным растворителем». Но вода — это , а не универсальный растворитель; он не может связываться с длинным списком неполярных гидрофобных веществ:

• Воски — парафин, карнаубский воск, пчелиный воск
• Стероиды — прогестерон, тестостерон и другие гормоны, полученные из естественно гидрофобного холестерина
• Смазки — литий-кальциевые смазки, сульфонаты, комплексы лития и перфторированные масла
• Масла — минеральное масло, растительное масло и тунговое масло
• Жиры — Молекулы, соединяющие жирные кислоты с глицерином
• Алканы — углеводороды, такие как метан, этан, пропан и бутан

[Вставьте изображение, подобное этому, полученному из https: // www.chemistryworld.com/features/superhydrophobic-materials-from-nature/3010321.article ]

Все эти гидрофобные вещества не растворяются в воде. Большинство из них отталкивают воду, как это видно на примере автомобильного воска, в результате чего дождевая вода попадает на металлические поверхности вашего автомобиля. Вы можете использовать воски для создания гидрофобных поверхностей.

Противоположность гидрофобному веществу — это гидрофильное или водолюбивое вещество. Пример — глюкоза.

Липофильный против гидрофобного

Липофильные вещества растворяются в липидах или жирах и могут поглощать воду.Гидрофобные вещества не могут впитывать воду или смачиваться водой.

Тест на гидрофобные вещества

1. Вы бы предпочли защитить лакокрасочное покрытие вашего автомобиля гидрофобным или гидрофильным веществом?
2. Что делает молекулу гидрофобной?
3. Какова полярность в молекуле?
4. Приведите три примера категорий гидрофобных материалов в повседневной жизни
5. Назовите, пожалуйста, один тип супергидрофобного материала.

Пожалуйста, постарайтесь изо всех сил, прежде чем ознакомиться с нашими ответами ниже.Если у вас возникнут трудности, перечитайте информацию и проведите дополнительное исследование самостоятельно.

1. Лакокрасочное покрытие автомобиля лучше защищено гидрофобным веществом, например автомобильным воском.
2. Молекула является гидрофобной, если она не растворяется в воде, отталкивает молекулы воды или отталкивается молекулами воды.
3. Полярность в молекуле означает химическую полярность, тенденцию молекулы иметь электрически отрицательный конец и электрически положительный конец.
4. Тремя примерами категорий гидрофобных материалов в повседневной жизни являются воски, стероиды и жиры.Вы также могли упомянуть смазки, алканы или масла.
5. Один из типов супергидрофобных материалов — это нанопиновая пленка. Капля воды на нанопиновой пленке образует угол смачивания 178 °, что делает ее почти идеальной сферой.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Эволюция гидрофобного дизайна

Фото Кайла Уилки любезно предоставлено MIT.

В 1990-х годах биолог из Боннского университета Вильгельм Бартлотт отметил удивительную способность лотоса сбрасывать воду и грязь, несмотря на то, что они жили в темных болотах.Этот так называемый «эффект лотоса» привел его и его исследовательскую группу в Германии к анализу поверхности листьев растений, где они обнаружили микроструктуру, которая минимизировала площадь контакта с водой. Разработав аналогичную микроструктуру в краске Lotusan для наружного применения для Sto Corp., Бартлотт разработал самоочищающееся покрытие.

С тех пор, как Lotusan был коммерциализирован в 1999 году, стремление к гидрофобности — что буквально переводится как «боязнь воды» — в промышленных продуктах усилилось.До сих пор отталкивание воды в зданиях в основном достигалось на макроуровне за счет использования однородных неабсорбирующих материалов, таких как глиняная плитка, или покрытий, таких как герметики. Отталкивание влаги не только помогает предотвратить проникновение воды в материалы, но и не допускает их разрушения со временем, как это наблюдается в случае ржавого металла или гниющего дерева.

Разработка такого свойства в микро- и наномасштабе, как в случае с краской Lotusan, предлагает дополнительные функции помимо устойчивости к гниению. К ним относятся противотуманные, противообледенительные, противомикробные, олеофобные, самоочищающиеся и снижающие сопротивление сопротивление.Многие строительные материалы, включая бетон, дерево, стекло и даже бумагу, могут быть улучшены такими свойствами.

Вариации микроструктуры поверхности гидрофобных материалов могут давать самые разные результаты. «Гидрофобные свойства в значительной степени зависят от морфологии и топографии поверхностей», — утверждают ученые Тьерри Дарманин и Фредерик Гиттар в статье 2015 Materials Today . Основная характеристика касается того, насколько быстро материал может отталкивать жидкость, и измеряется углом контакта с водой.Гидрофобные материалы определяются как имеющие краевой угол смачивания водой или «смачиваемость» 90 градусов или больше. Так называемые супергидрофобные материалы обладают краевым углом смачивания воды, превышающим 150 градусов, что затрудняет прилипание воды к поверхности.

Фото Zengame через Flickr Commercial Commons Лист лотоса считается супергидрофобным растением.

Эти поверхности были разработаны, чтобы напоминать многие природные организмы, которые, как лотос, извлекают выгоду из отталкивания воды и грязи.«Мы изучили около 24 000 различных видов растений и животных, и многие из них являются супергидрофобными или, по крайней мере, имеют супергидрофобные части», — сказал Бартлотт Chemistry World в апреле. И ученые продолжают анализировать состав поверхностей этих организмов. Распространено мнение, что свойства наноструктурированных поверхностей основаны на форме, а не на химии; однако на самом деле они являются результатом сочетания этих двух факторов.

Согласно Дарманину и Гиттарду, природа создает большинство супергидрофобных поверхностей из наноструктурированных восков.Водонепроницаемая кутикула насекомого-коллембол, например, состоит из нескольких слоев белков и липидов — экологически безвредного композита. К сожалению, большинство коммерческих гидрофобных покрытий сегодня содержат азбуку промышленных химикатов. Например, полироль для нескольких поверхностей для верхнего покрытия включает такие ингредиенты, как алифатические углеводороды, гексил-циннамаль и бутилфенилметилпропиональ — химические вещества, вызывающие известную опасность для здоровья человека. Обычные гидроизоляционные спреи содержат фторполимеры, которые, как известно, вызывают травмы органов дыхания.Исследование 2008 года, проведенное Медицинским колледжем Университета штата Мичиган, побудило Департамент общественного здравоохранения штата Мичиган посоветовать обращаться со всеми брендами гидрофобных спреев с «крайней осторожностью». Подрядчики слишком хорошо знакомы с сомнительной и небезопасной задачей гидроизоляции фундаментов зданий, которую обозреватель журнала Builder Дженнифер Коуги описывает как «грязную, токсичную работу, выполняемую с использованием высоколетучих герметиков на нефтяной основе, от которых кружится голова у всех остальных. дня.”

Хорошая новость заключается в том, что изменения происходят. Сейчас доступно все большее количество продуктов без сомнительных ингредиентов. Например, некоторые проникающие герметики состоят из полимеров на водной основе без использования растворителей. Однако многие из этих покрытий все еще основаны на ископаемом топливе и не обладают такой сложностью, как естественная супергидрофобность.

Новые материалы, которые могут имитировать это свойство с использованием нетоксичных ингредиентов, открывают большие перспективы для будущих строительных продуктов.Одним из примеров является новый супергидрофобный материал из наночастиц оксида алюминия, исследованный учеными из Университета Райса и Университета Суонси в Уэльсе. Как и краска лотоса, наночастицы образуют разветвленную микроструктуру, имитирующую текстуру поверхности листа лотоса. Полученный материал имеет угол контакта с водой 155 градусов и столь же эффективно отталкивает воду, как и обычные коммерческие покрытия, содержащие опасные материалы.

Ученые из Института космических технологий в Исламабаде также использовали наночастицы оксида алюминия вместе с PDMS, органическим полимером на основе кремния, для создания супергидрофобного покрытия для дерева.Микроразмерные элементы, которые появляются на поверхности древесины после нанесения покрытия, продемонстрировали преимущества защиты, особенно во влажной среде. Исследователи из Университета Кадиса в Испании использовали другое абиотическое, нетоксичное вещество — наночастицы кремнезема — для создания супергидрофобного покрытия для камня. Плотно упакованные частицы поверхности сопротивляются проникновению жидкости через слой молекул воздуха, которые образуются под каплями воды. По мнению ученых, покрытие можно производить недорого и в больших количествах наносить на открытом воздухе, что делает его пригодным для строительства зданий.

Другие научные открытия демонстрируют контроль воды с помощью формы поверхности и возможности настройки. Например, инженеры-механики из Массачусетского технологического института недавно определили, что сборка чашеобразной формы на гидрофобных поверхностях может дополнительно улучшить сток воды. Вытравливая вогнутые микроструктуры на внешних поверхностях материалов, исследователи могут снизить поверхностное натяжение и взаимодействие с водой еще на 40 процентов. По словам инженеров, этот метод можно использовать для «ограничения потерь тепла при атмосферных осадках [и] обледенении поверхностей, уменьшения отложения солей на поверхности, подверженной воздействию океанских брызг, или для предотвращения образования водяной пленки на крыльях или лопастях ветряных турбин. .”

Ученые Гарвардского университета создали умную настраиваемую поверхность с адаптируемыми порами. В зависимости от того, находится ли гидрофобный материал в расслабленном состоянии или под напряжением, он взаимодействует с водой по-разному — либо останавливая его на месте, либо быстро сбрасывая. Эта «переключаемая смачиваемость» на основе биоинфекций обещает новый уровень контроля над взаимодействием воды и поверхности материала — предполагая, что будущее супергидрофобных материалов будет сильно отличаться от технологий до Лотосана.

Гидрофобный — определение и примеры

Гидрофобный
прил.
/ haɪdɹəˈfəʊbɪk /
Отсутствие сродства к воде; не растворим в воде; отталкивая воду. Примером может служить гидрофобный лист лотоса, отталкивающий воду.

Гидрофобное определение

Боязнь смешивания или реакции с водой при заданном наборе параметров реакции часто упоминается как гидрофобная . В общих науках способность вещества отталкивать воду называется гидрофобностью .

Что означает гидрофобный? Слово гидрофобность происходит от двух греческих слов « hydro », что означает « вода, » и « phobos », что означает « страх, ».В биологии и химии термин « гидрофобный » описывает вещества, которые часто проявляют свойство гидрофобности, известные как гидрофобные вещества.

Что делает молекулу гидрофобной? Эти типы молекул неполярны. Итак, если вас спросят, «Являются ли неполярные молекулы гидрофобными или гидрофильными?» Точнее, неполярные молекулы не имеют тенденций иметь отдельные заряды, следовательно, не образуются положительные и отрицательные полюса. Более того, можно сделать вывод, что электрические заряды в неполярных молекулах равномерно распределены по всей молекуле.Ученые очень хорошо продемонстрировали, что «подобное растворяется в подобном». Следовательно, гидрофобные вещества смешиваются с неполярными жидкостями, которые в основном являются органическими растворителями. Является ли вода гидрофобной? Здесь стоит упомянуть, что вода полярна, поэтому связь между водой и гидрофобными молекулами очень мала. Помимо гидрофобных материалов, в литературе упоминается несколько супергидрофобных материалов [1].

Супергидрофобные материалы обычно имеют угол контакта с водой более 150 градусов и, следовательно, они сопротивляются смачиванию (способность жидкости поддерживать контакт с твердой поверхностью).Однако супергидрофобность молекул не упоминается как химическое свойство вещества, а является результатом межфазного натяжения. Форма, которую образуют капли воды на гидрофобных материалах, называется эффектом лотоса . Наиболее распространенные примеры эффекта лотоса можно легко увидеть как появление капель воды на поверхности листьев лотоса, и это также используется в текстильной промышленности для целей самоочистки [2].

Биологическое определение:
Гидрофобный означает отсутствие сродства к воде; не растворим в воде; отталкивая воду.Примеры гидрофобных молекул включают алканы, масла, жиры и жирные вещества в целом. Сравните: гидрофильные

Примеры гидрофобных молекул

Как в быту, так и в промышленности можно найти различные гидрофобные вещества. Алканы, масла, жиры, жирные соединения и большинство органических соединений являются гидрофобными по своей природе. Применения гидрофобных веществ включают удаление нефти из водных растворов, борьбу с разливами нефти и процесс химического разделения для отделения неполярных элементов от полярных.Очень часто наблюдается, что когда масло или жиры смешиваются с водой, образуются два отдельных слоя, которые не смешиваются друг с другом из-за того, что вода полярна, а жиры и гуси неполярны, особенно гидрофобны.

Рисунок 1: Эффект лотоса (а) Лист лотоса (б) СЭМ-изображения микропапилл на листе лотоса (в) изображение воды на листе лотоса (г) Микро- и наномасштаб сосочков на листе лотоса (воспроизведено с Boung Wei Chieng) , 2019, Функционализация оксида графена с помощью гамма-облучения гидрофобных материалов.Источник.

Примеры гидрофобности можно найти как у животных, так и у растений. Многие растения являются гидрофобными по своей природе, что свидетельствует о наличии гидрофобных покрытий на поверхности листьев. Основная задача покрытия — избежать адсорбции воды и дождя листьями, которые в основном прерывают поступление питательных веществ. У растений поток нитритов основан на потоке воды от корней к листьям. Следовательно, если поверхность листьев не является гидрофобной, то процесс осмоса и, следовательно, осмотическое давление будут нарушены, что сильно повлияет на питание растений.Явление гидрофобности на листе лотоса продемонстрировано на рисунке 1. Кроме того, изображение микропапилл на листе лотоса, полученное с помощью СЭМ, также показано на том же рисунке, что и части (b) и (c).

У птиц процесс гидрофобности не менее важен. Гидрофобная природа тела и перьев птиц предотвращает проникновение воды в их тела, что позволяет избежать чрезмерного набора веса и помогает им плавно летать.

Гидрофобные и гидрофильные вещества

Что такое гидрофильное? Гидрофильные вещества — это водолюбивые молекулы, полярные по своей природе.Они легко растворимы в воде, и примерами таких веществ являются сахар, соль, крахмал и целлюлоза. Степень, в которой поверхность гидрофильных молекул притягивает молекулы воды, называется гидрофильностью .

С другой стороны, гидрофобные, как объяснялось ранее, являются водоотталкивающими и, следовательно, из-за своей неполярной природы не смешиваются с водой. -Ch4, -Ch3-Ch4, -R-C6H5 и C2h3 — одни из наиболее распространенных химических групп, обнаруживаемых в гидрофобных веществах, в то время как -OH, -COO- и -NH- — некоторые химические соединения, обнаруженные в гидрофильных веществах.

Гидрофобный и липофильный

Часто можно увидеть, что такие термины, как гидрофобный и липофильный, объединяются, но эти два слова демонстрируют очень разные концепции. Гидрофобные вещества — это водоотталкивающие вещества, а липофильные — жиролюбивые молекулы. В различной литературе можно увидеть, что большинство гидрофобных веществ являются липофильными по природе, за исключением силиконов и фторуглеродов.

Гидрофобные взаимодействия

Отношения между водой и гидрофобами хорошо описаны в контексте гидрофобных взаимодействий.Относительное смешивание воды с жиром — очень удобный пример такого взаимодействия. Термодинамика гидрофобных взаимодействий гласит, что когда гидрофобное вещество падает в водную среду, водородные связи в молекуле воды разрываются, освобождая место для гидрофобного вещества, но это не означает, что молекула воды будет реагировать с гидрофобными материалами. Более того, для разрыва прочной водородной связи в систему необходимо подвести тепло, и, таким образом, реакция будет эндотермической. Новые водородные связи образуют ледяную клеточную структуру, известную как клатратная клетка, вокруг поверхности гидрофоба.Такая ориентация клатратной клетки делает систему более структурированной, а общая энтропия (мера беспорядка) системы снижается. Кроме того, сила гидрофобных взаимодействий зависит от температуры, количества атомов углерода, присутствующих в гидрофобе, а также формы и размеров гидрофобной молекулы [3].

Биологическое значение гидрофобных взаимодействий

Гидрофобные взаимодействия очень важны для сворачивания белка, что делает его стабильным и биологически активным.Взаимодействия дадут возможность белку уменьшить свою поверхность и избежать нежелательных взаимодействий с молекулой воды. Точно так же фосфолипидные двухслойные мембраны, присутствующие в каждой клетке человеческого тела, также зависят от гидрофобных взаимодействий для их выживания и оптимального функционирования.

Преимущества гидрофобов

Использование гидрофобных веществ в бытовых и промышленных целях дает множество преимуществ. Гидрофобы обычно представляют собой поверхностные материалы с низким энергопотреблением, которые сопротивляются смачиванию и обладают улучшенной коррозионной стойкостью.Такие вещества используются для усовершенствованных приборов обнаружения влажности и для предотвращения попадания влаги в трубки с обогревом и системы передачи аналитических проб. Кроме того, гидрофобы также используются в системах медицинской диагностики ВЭЖХ, улучшенных разделении и коррозионной стойкости. Точно так же гидрофобные поверхности используются в красках против биообрастания для обуви, рафинировании металлов, грязеотталкивающем текстиле, разделении масла и воды, в текстильной промышленности и производстве огнестойкой и водонепроницаемой одежды [4].

Измерение гидрофобности

Гидрофобность может быть измерена различными аналитическими методами, такими как хроматография гидрофобного взаимодействия , измерение угла смачивания и измерение розового и бенгальского . Здесь стоит упомянуть, что идентификация групп, присутствующих в частице, очень важна при измерении гидрофобности. Наиболее частый метод расчета гидрофобности поверхности — расчет краевого угла между каплями воды и самой поверхностью.Контактный угол более 90 градусов обычно поддерживается каплей воды, текущей по гидрофобной поверхности, и сохраняет сферическую форму. Более того, супергидрофобные материалы обладают относительно большим углом смачивания, превышающим 150 градусов.

Рис. 2. Краевой угол смачивания воды на гидрофильных и гидрофобных поверхностях (Воспроизведено из Boung Wei Chieng, 2019, «Функционализация оксида графена с помощью гамма-облучения гидрофобных материалов»). Источник.

При контакте с гидрофильными поверхностями капли воды разлетаются далеко, а угол смачивания обычно невелик и составляет менее 90 градусов.Краевой угол смачивания воды между каплей воды и различными поверхностями показан на рис. 2. Для супергидрофильных угол составляет менее 5 градусов, для гидрофильных — менее 90 градусов, а для гидрофобных и супергидрофобных — углы 90 °. 150 градусов и 150-180 градусов соответственно. Можно сделать вывод, что чем больше угол смачивания между каплей воды и гидрофобами, тем сильнее взаимодействие жидкость-жидкость, а не взаимодействие поверхности жидкости, что делает поверхность гидрофобной [5].

Заключение

Можно сделать вывод, что гидрофобные вещества — это те вещества, которые не смешиваются с водой. Гидрофобы смешиваются с неполярными жидкостями, которые в основном являются органическими растворителями. Вода — это полярная молекула, поэтому связь между водой и гидрофобными веществами очень мала, и, таким образом, они образуют два отдельных и разных слоя друг с другом при контакте. Алканы, масла, жиры и жирные соединения имеют гидрофобную природу. Процесс гидрофобности можно найти как у растений, так и у птиц.У растений прерывание потока питательных веществ предотвращается гидрофобным слоем, присутствующим на поверхности листьев, который предотвращает проникновение воды через них. Следовательно, поток воды остается от корня к верхушке растения, доставляя необходимые питательные вещества из почвы к месту назначения. Точно так же у птиц гидрофобность предотвращает попадание воды в тела птиц через перья и кожу, а также водных животных, которые в конечном итоге избегают их набухания и помогают им плавно летать.Кроме того, измерение гидрофобности может быть выполнено путем вычисления краевого угла смачивания между каплей воды и поверхностью гидрофобного вещества. Контактный угол более 90 градусов обычно поддерживается каплей воды, текущей по гидрофобной поверхности, и сохраняет сферическую форму. Более того, супергидрофобные материалы обладают относительно большим углом смачивания, превышающим 150 градусов.

Попробуйте ответить на приведенный ниже тест, чтобы проверить, что вы узнали о термине «гидрофобный».

Следующий

Этот новый безумный материал мгновенно переключается с супергидрофобного на супергидрофильный

Ученые создали материал, который может переключаться между отражением и поглощением капель воды одним щелчком переключателя.

Материал на основе меди может превратиться из супергидрофобного (водоненавистника) в супергидрофильный (водолюбивый) за считанные секунды и может использоваться для фильтрации воды, биомедицинских устройств, жидких линз и умных самоочищающихся поверхностей.

Супергидрофобность — это то, на что смотреть невероятно приятно. Мы видели, как гидрофобные ножи с легкостью рассекают воду, заставляя воду отскакивать от поверхностей, таких как теннисные мячи, и вы бы солгали, если бы сказали, что просмотр супергидрофобных материалов на YouTube не заполнил дыру в вашей жизни. знать существовало.

И, с другой стороны, супергидрофильность используется для вытягивания питьевой воды прямо из воздуха и используется для создания самоочищающегося стекла.

Но как насчет материала, который может переключаться между обоими этими свойствами?

В прошлом ученые пытались создать материалы такого типа с помощью термообработки или бомбардировки меди УФ и рентгеновскими лучами, но обработка занимает часы или дни и сильно ограничивает области применения.

Это новое исследование создает материал, который может менять свойства за секунды, а не за часы, и он удивит вас тем, насколько простым он оказался.

Ученые использовали поверхность на основе меди, которая меняется от любящей воду до ненавистной к воде, просто изменяя напряжение, приложенное к поверхности.Напряжение, необходимое для изменения свойств поверхности, составляет всего 1,5 вольта — ниже, чем в обычной домашней батарее.

«Когда к поверхности прикладывают крошечное напряжение, капли воды, которые сначала скатываются, прилипают к ней все сильнее и сильнее», — говорит Бен Захири, один из исследователей из Университета Британской Колумбии (UBC).

«Изменяя величину напряжения и продолжительность его приложения, мы можем легко контролировать угол, под которым каждая капля образует с поверхностью, и то, как быстро это происходит.»

Медь осаждается на поверхности с помощью процесса, называемого электроосаждением, который заставляет медь расти, как массив новогодних елок.

Вот как выглядит поверхность:

UBC

Материал работает, изменяя степень окисления Состояние поверхности меди; по мере того, как медь теряет электроны, она становится менее притягиваемой к воде.

При нулевом напряжении вода находится на вершине рождественской елки, и как только подается напряжение, вода просачивается на поверхность рождественской елки.

Все стало еще более странно, когда изменили напряжение, в то время как капля оставалась на поверхности.

Когда ученые переключили материал с супергидрофобного на супергидрофильный, он действовал как электрическая губка, удерживающая и высвобождающая жидкости при нажатии кнопки — что-то действительно полезное для борьбы с разливами опасных материалов.

No related posts.