Гидрофобные материалы и покрытия: Репозиторий БГУИР: Invalid Identifier

Умные гидрофобные покрытия — Coatings Today

Гидрофобные (водоотталкивающие) покрытия имеют широкое применение: от защиты объектов критически важной инфраструктуры до разработки грязеотталкивающих тканей.

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.

Способ создания гидрофобного покрытия для поверхности с использованием сверхкритических растворителей

Изобретение относится к технологии формирования функциональных покрытий для гидрофобизации поверхностей с различной шероховатостью и геометрией для придания водоотталкивающих свойств древесине, МДФ, ДВП, ДСП, фанере, картону, бумаге, ткани, изделиям из стекла, пластика, металла. Метод включает предварительное создание раствора парафинсодержащего компонента в сверхкритическом растворителе, состоящем из сверхкритического или подкритического диоксида углерода и сорастворителей, и последующее нанесение растворенного компонента на обрабатываемую поверхность путем продува полученного в реакторе сверхкритического раствора на поверхность или путем обработки поверхности пропиткой, полученной после пропускания сверхкритического раствора через воду, спирт, масла или ацетон. Раствор получают в реакторе вытеснения при многократном продуве растворителя через реактор с растворяемым компонентом или реакторе смешения при выдерживании раствора до установления равновесия фаз. Покрытие не меняет внешних свойств древесины и защищает металл от ржавчины и коррозии, что существенно увеличивает срок службы изделия, уменьшает себестоимость и повышает экологическую безопасность по сравнению с другими гидрофобными покрытиями. 2 ил., 25 пр.

 

Изобретение относится к области создания покрытий, в частности к технологии формирования функциональных покрытий для гидрофобизации поверхностей с различной шероховатостью и геометрией с использованием сверхкритического растворителя, состоящего из сверхкритического диоксида углерода и сорастворителей, для нанесения гидрофобных покрытий в промышленных масштабах, которые могут быть использованы для повышения влагостойкости поверхности материалов и изделий, для создания самоочищающихся поверхностей, поверхностей со сниженным сопротивлением водяному потоку, для защиты от загрязнения поверхности изделий и материалов, для придания водоотталкивающих свойств древесине, ДВП, ДСП, МДФ, фанере, картону, бумаге, тканям, изделиям из стекла, пластика, для защиты металлических поверхностей от воздействия влаги и коррозии.

Существует множество способов создания гидрофобного покрытия, которые основаны на нанесении компонентов с водоотталкивающими свойствами.

Основными способами защиты поверхности изделий и материалов от влаги является покрытие их органорастворимыми лаками, эмалями и красками, которые производятся в широком ассортименте.

Недостатком известных способов лакокрасочной защиты изделий является их экологическая небезопасность из-за применения экологически вредных химических компонентов. Кроме того, обработка поверхностей подобными способами не позволяет сохранить морфологию обрабатываемой поверхности.

Известен способ получения гидрофобного покрытия, заключающегося в том, что на предварительно нанесенный на поверхность подслой из композиционного материала пневмораспылением осаждают порошкообразную смесь гидрофобного компонента [1].

Способ позволяет сформировать влагостойкое покрытие, однако он применим только к металлическим поверхностям, что существенно ограничивает его область применения. Также к недостаткам описанного способа можно отнести применение дополнительной электростатической обработки, что приводит к дополнительным энергозатратам.

Наиболее близким к заявленному, является способ получения гидрофобного покрытия, который заключается в том, что на поверхность с определенными параметрами шероховатости осаждается полимер или сополимер, обладающий гидрофобными свойствами, с последующей обработкой в растворе гидрофобного компонента в сверхкритическом углекислом газе. Данный способ позволяет наносить гидрофобные покрытия на различные подложки, характеризующиеся значением краевого угла смачивания θ≥130° [2].

Наиболее существенным недостатком способа является невозможность обработки изделий больших массы и геометрических размеров. Кроме того, в описанном выше способе используются в качестве гидрофобного компонента полимеры, которые являются загрязняющими окружающую среду материалами, а также нет возможности повторного использования сверхкритического углекислого газа в качестве растворителя.

Задачей заявленного изобретения является решение технической задачи по разработке способа получения гидрофобного покрытия, применимого для обработки изделий и материалов различной массы и геометрических размеров, обладающего малой толщеной, менее 200 нанометров, и неискажающего морфологию обрабатываемой поверхности.

Поставленная задача достигается тем, что на очищенную от загрязняющих веществ и обезжиренную поверхность наноситься из сверхкритического раствора, где растворителем является сверхкритический диоксид углерода и сорастворители, гидрофобный компонент, содержащий парафин.

В частности, гидрофобное покрытие может быть нанесено на поверхность материалов и изделий из древесины, ДВП, ДСП, МДФ, фанеры, картона, бумаги, ткакни, металла, стекла и пластика.

Нанесение гидрофобного компонента на поверхность осуществляется из сверхкритического раствора, где растворителем является сверхкритический или подкритический диоксид углерода и сорастворители, а растворенным веществом является гидрофобный компонент содержащий парафин.

В частности, в качестве гидрофобного компонента, наносимого на поверхность, может применяться парафин, всех видов и марок, асфальтены, асфальтосмолопарафины, являющиеся отложениями на трубах в призабойных зонах нефтедобывающих скважин.

Нанесение гидрофобного компонента из сверхкритического или подкритического раствора на поверхность изделия осуществляется, в частности, путем напыления на поверхность с применением пневморасыления.

В частности, нанесения гидрофобного компонента осуществляется путем обработки пропиткой, полученной путем пропускания сверхкритического или подкритического раствора через жидкую основу, в качестве которой можно применять воду, спирты, ацетон, масла, в зависимости от свойств использующегося гидрофобного компонента и характера обрабатываемой поверхности.

В частности, путем пропускания сверхкритического или подкритического раствора, с растворенным в нем гидрофобным компонентом, через воду, спирт, ацетон, масла, полученная пропитка является стабильной и не позволяет частицам слипаться. Данный способ предлагается нами в качестве способа хранения наночастиц.

В основе данного изобретения лежит применение сверхкритических и подкритических растворителей, в состав которых входит сверхкритический или подкритический диоксид углерода, соответственно, с сорастворителями, для формирования гидрофобных покрытий. Преимуществами сверхкритического и подкритического диоксида углерода являются его возможность изменять растворяющую способность в зависимости от температуры и давления, что позволяет регулировать процесс растворения в сверхкритической и подкритической среде для создания требуемой толщены гидрофобного покрытия. Важным достоинством данного изобретения являются нетоксичность, экологическая безопасность, дешевизна и доступность диоксида углерода, а так же гидрофобных компонентов, служащих слоем покрытия. Применения в качестве сорастворителя тетрафторэтана (хладогент R-134a) позволяет избавиться от избытка влаги, попадающей в реактор, а также помогает создать оптимальные условия для растворения гидрофобного компонента. Тетрафторэтан на предварительных проверках показал отрицательную токсичность и химическую стабильность [3]. Применение азота, аргона, газов, сопутствующих сгоранию топлива, позволяет сместить значение сверхкритических параметров, что способствует созданию оптимальных условий ведения процесса растворения, для последующего нанесения растворенного гидрофобного компонента на поверхность изделия.

Формирование гидрофобного покрытия на поверхности изделия осуществляется путем пневмораспыления полученного сверхкритического или подкритического раствора непосредственно на поверхность или путем обработки поверхности изделия пропиткой, полученной в результате пропускания сверхкритического или подкритического раствора через жидкость, в частности, воду, спирты, ацетон, масла, которая заключается в нанесении полученной пропитки на поверхность вспомогательными средствами, такими как, валик, кисточка и другие, или по средством пропитки поверхности изделия, полученным жидким раствором, где длительность пропитки может меняться в зависимости от требуемой глубины обработки поверхности изделия.

В результате применения заявленного способа, полученное гидрофобное покрытие способствует увеличению водоотталкивающей способности поверхности.

Используя сверхкритический или подкритический диоксид углерода в качестве растворителя возможно получение раствора частиц растворяемого гидрофобного компонента размером в одну молекулу, что позволяет наносить покрытие толщиной в одну молекулу гидрофобного компонента. В силу однородности и малой (порядка 10^-6 м) толщины, сформированное покрытие обладает дополнительным техническим результатом, который заключается в том, что не искажает морфологию поверхности обрабатываемого изделия.

При нанесении гидрофобного покрытия заявленным способом на поверхность древесины, ДСП, ДВП, МДФ, фанеры, картона или бумаги, достигаемый технический результат состоит в придании изделиям из древесины водоотталкивающих свойств.

При формировании заявленным способом гидрофобного покрытия на поверхности тканей достигаемый технический результат состоит в придании тканям водоотталкивающих свойств.

При формировании гидрофобного покрытия на поверхность стекла достигается технический результат, состоящий в повышении водоотталкивающих свойств. Дополнительный технический результат, достигаемый при нанесении гидрофобного покрытия, состоит в создании самоочищающейся поверхности, которая защищает поверхность от загрязнения.

При формировании гидрофобного покрытия на поверхность изделий из пластика достигается технический результат, состоящий в повышении водоотталкивающих свойств, благодаря чему вода не прилипает к поверхности и не оставляет следов на ней. Дополнительный технический результат, достигаемый при нанесении гидрофобного покрытия, состоит в создании самоочищающейся поверхности, которая защищает поверхность от загрязнения.

При формировании заявленным способом гидрофобного покрытия на поверхности изделий из металла достигается технический результат, который состоит в повышении водоотталкивающих свойств. Дополнительный технический результат состоит в увеличении коррозийной стойкости металлических изделий, что достигается за счет гидрофобизации поверхностного слоя, который препятствует проникновению воды, влаги в приповерхностную зону защитного слоя и развитию коррозийных процессов под покрытием.

Далее изобретение поясняется чертежами, с описанием вариантов его осуществления со ссылками на представленные чертежи, где на фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего заявленный способ, с реактором смешения, и фиг. 2 изображена схема устройства для реализации заявленного способа с реактором вытеснения.

Устройство (фиг. 1) состоит из реактора высокого давления 1, который помещен в термостат 2 для поддержания заданной температуры. Внутри реактора смешения 1 помещается сетка 3, на которую загружают сырье с гидрофобным компонентом 4. С помощью вентиля 5 регулируют подачу сверхкритического или подкритического растворителя с основным компонентом диоксида углерода и сорастворителями из баллона 6. Посредством датчиков температуры 7 и давления 8 регулируются соответствующие параметры температуры и давления для достижения требуемых значений. После достижения фазового равновесия в системе сверхкритического раствора с помощью вентиля 9 осуществляется сброс сверхкритического раствора с растворенным гидрофобным компонентом с последующим напылением на обрабатываемую поверхность изделия 10 или продувом через жидкую основу для получения пропитки 11.

Устройство (фиг. 2) состоит из набора реакторов вытеснения 12, помещенных в термостат 2 для установления заданной температуры. Внутри каждого реактора 12 установлены сетки 3, на которые загружают сырье с гидрофобным компонентом 4. При открытом регулировочном вентиле высокого давления 5 и закрытом вентиле 9 осуществляется закачка сверхкритического или подкритического диоксида углерода и сорастворителей из баллона 6. После достижения заданных температуры и давления, которые контролируются с помощью датчиков температуры 7 и давления 8, открываются вентили 9, 13 и происходит дальнейшая закачка сверхкритического растворителя до заполнения промежуточного баллона 14 сверхкритическим или подкритическим раствором, до достижения параметров температуры и давления заданным значениям, которые контролируются с помощью датчиков температуры 15 и давления 16. После заполнения баллона 14, открывается вентиль 17 и закрывается вентиль 5. Путем поддержания циркуляции сверхкритического или подкритического раствора, получаем требуемое значение концентрации гидрофобного компонента в сверхкритическом растворе. Далее закрывается вентиль 13 и открывается вентиль 18, через который осуществляется сброс сверхкритического раствора с растворенным гидрофобным компонентом с последующим напылением на поверхность обрабатываемого изделия 10 или продув через жидкую основу для получения пропитки 11.

Гидрофобное покрытие, создаваемое по заявленному способу, было получено следующим образом.

Пример 1.

В реактор смешения 1 помещают гидрофобный компонент на сетку 3. В качестве гидрофобного компонента используют парафин. Реактор герметизируется и заполняется сверхкритическим раствором, состоящим из диоксида углерода. После чего для растворения гидрофобного компонента раствор выдерживается при температуре Т=30°C и давлении Р=80 атм. до достижения фазового равновесия в системе. Далее осуществляется напыление на поверхность изделия из древесины сверхкритическим раствором путем пневмонапыления. Полученное покрытие значительно увеличило водостойкость древесины.

Пример 2.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из фанеры. Полученное покрытие значительно увеличило водостойкость фанеры.

Пример 3.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из ДВП. Полученное покрытие значительно увеличило водостойкость ДВП.

Пример 4.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из ДСП. Полученное покрытие значительно увеличило водостойкость ДСП.

Пример 5.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из МДФ. Полученное покрытие значительно увеличило водостойкость МДФ.

Пример 6.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из картона. Полученное покрытие значительно увеличило водостойкость картона.

Пример 7.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из бумаги. Полученное покрытие значительно увеличило водостойкость бумаги.

Пример 8.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из стекла. Полученное покрытие значительно увеличило водоотталкивающие свойства стекла. Достигнут дополнительный эффект, за счет малой адгезии полученного покрытия к воде с примесями (в том числе грязи), который заключается в получении самоочищающейся поверхности.

Пример 9.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из пластика. Полученное покрытие значительно увеличило водоотталкивающие свойства пластика. Достигнут дополнительный эффект, за счет малой адгезии полученного покрытия к воде с примесями (в том числе грязи), заключающийся в получении самоочищающейся поверхности.

Пример 10.

В примере 1 в качестве обрабатываемого изделия, на поверхность которого осуществляется напыление сверхкритическим раствором, взято изделие из металла. Полученное покрытие значительно увеличило водоотталкивающие свойства металла. Дополнительный эффект, который достигнут при нанесении данного покрытия, состоит в увеличении коррозионной стойкости металлического изделия.

Пример 11.

В примере 1 нанесение растворенного гидрофобного компонента осуществляется путем обработки поверхности изделия из древесины пропиткой, которая получена путем пропускания сверхкритического раствора с растворенным в нем гидрофобным компонентом через емкость с водой.

Пример 12.

В примере 10 в качестве обрабатываемого изделия, на которое наносится покрытие, взято изделие из ткани. У обработанного изделия появились гидрофобные свойства.

Пример 13.

В примере 10 в качестве обрабатываемого изделия, на которое наносится покрытие, взято изделие из ДСП. Полученное покрытие значительно увеличило водоотталкивающие свойства ДСП.

Пример 14.

В примере 1 нанесение растворенного гидрофобного компонента осуществляется путем обработки поверхности изделия из древесины пропиткой на основе ацетона, которая получена путем пропускания сверхкритического раствора с растворенным в нем гидрофобным компонентом через емкость с ацетоном.

Пример 15.

В примере 1 нанесение растворенного гидрофобного компонента осуществляется путем обработки поверхности изделия из древесины пропиткой на основе спирта, которая получена путем пропускания сверхкритического раствора с растворенным в нем гидрофобным компонентом через емкость со спиртом.

Пример 16.

В примере 1 нанесение растворенного гидрофобного компонента осуществляется путем обработки поверхности изделия из древесины пропиткой на основе масла, которая получена путем пропускания сверхкритического раствора с растворенным в нем гидрофобным компонентом через емкость с маслом.

Пример 17.

В примере 1 в качестве температуры, при которой осуществляется растворение гидрофобного компонента, устанавливется температура Т=50°С. И в качестве гидрофобного компонента используются асфальтосмолопарафиновые отложения.

Пример 18.

В примере 17 качестве температуры, при которой осуществляется растворение гидрофобного компонента, устанавливается температура Т=100°С.

Пример 19.

В примере 17 в качестве давления, при котором осуществляется растворение гидрофобного компонента, устанавливается давление Р=90 атм.

Пример 20.

В примере 1 в качестве температуры и давления, при которой осуществляется растворение гидрофобного компонента, устанавливается температура Т=110°С и давление Р=120 атм. И в качестве гидрофобного компонента используются асфальтены.

Пример 21.

В примере 17, примере 20, применяется сорастворитель, в качестве которого используется тетрафторэтан (фреон R-134a).

Пример 22.

В примере 21 в качестве сорастворителя применяется азот.

Пример 23.

В примере 21 в качестве сорастворителя применяется аргон.

Пример 24.

В примере 21 в качестве сорастворителя применяются газы, сопутствующие сгоранию топлива.

Пример 25.

В примере 1, примере 8, примере 9, примере 17, 18, 19, 20, в качестве реактора, в котором осуществляется растворение гидрофобного компонента, используется шестисекционный реактор вытеснения. Для растворения обеспечивается циркуляция сверхкритического газа по замкнутой системе, как это указано на Фиг. 2. Время циркуляции установлено 30 минут.

Используемая литература:

1. Патент BY 13952 С1, 2010.

2. Патент RU 2331532 С2, 2008.

3. Патент RU 2079318 С1, 1997.

Способ создания гидрофобного покрытия на поверхностях из древесины (в том числе МДФ, ДВП, ДСП, фанера, картон и бумага), ткани, металла, пластика и стекла, включающий предварительное создание раствора парафинсодержащего компонента в сверхкритическом растворителе, состоящем из сверхкритического или подкритического диоксида углерода и сорастворителей, при установленных параметрах температуры T=30-150°С и давления P=50-150 атм в реакторе вытеснения при многократном продуве растворителя через реактор с растворяемым компонентом или реакторе смешения при выдерживании раствора до установления равновесия фаз с последующим нанесением растворенного компонента на обрабатываемую поверхность изделий древесины, металла или стекла путем продува полученного в реакторе сверхкритического раствора на поверхность или путем обработки поверхности пропиткой, полученной после пропускания сверхкритического раствора через воду, спирт, масла или ацетон.

Технология гидрофобных покрытий — Surfactis

Самособирающиеся монослои (SAM) представляют собой молекулярные ансамбли, которые спонтанно образуются на поверхностях путем адсорбции и организованы в упорядоченные домены. SAM имеют ряд ключевых особенностей:

• Ультратонкое покрытие толщиной менее 10 нм;
• Молекулы самоорганизуются на поверхности, гарантируя однородное и полное покрытие поверхности;
• Монослой демонстрирует сходство с поверхностью, но не с самим собой, что означает отсутствие укладки слоев или превышения размера;
• Монослой образует ковалентную связь с поверхностью, что обеспечивает высокую стойкость к истиранию.

Компания Surfactis Technologies разработала собственное и запатентованное семейство молекул, способных связываться с поверхностью в виде самособирающегося монослоя, изменяя свойства поверхности.

Эти нанометрически тонкие покрытия демонстрируют гидрофобные и олеофобные свойства и подходят для использования с широким спектром материалов, включая металлы, сплавы, керамику, стекло и полимеры. Все наши покрытия невидимы и обладают выдающейся стойкостью к истиранию, химическим веществам, условиям pH и физическому истиранию.

 

Схематическое изображение самособирающейся монослойной молекулы, где:

• (a) — якорь, который связывается с поверхностью
• (б) — распорка
• (c) представляет собой гидрофобную и олеофобную химическую группу
.

 

Гидрофобные и олеофобные покрытия значительно снижают поверхностную энергию и смачиваемость, что приводит к чрезвычайно высоким значениям краевого угла смачивания для ряда жидкостей, как полярных (например, вода или органические растворители), так и неполярных (таких как углеводород или масло).

Поверхностная энергия представляет собой способность поверхности взаимодействовать с окружающей средой и рассчитывается путем измерения контактных углов по крайней мере трех известных жидкостей.

Краевые углы (θ) измеряются с использованием поперечного сечения капли на твердой поверхности. Угол θ между контуром капли и точкой, в которой она встречается с твердой поверхностью, является краевым углом.

Для капли воды: чем выше значение θ, тем более гидрофобна поверхность.

 

Супергидрофобные поверхности чрезвычайно гидрофобны, что означает, что их чрезвычайно трудно смачивать. Краевые углы капли воды на супергидрофобной поверхности превышают 150°. Наклон поверхности всего на 10° от горизонтали заставит каплю скатиться.

Добавление супергидрофобного покрытия делает поверхность водоотталкивающей и водоотталкивающей, легко чистится и повышает ее антиобледенительные свойства.

Листья лотоса представляют собой естественный пример сверхгидрофильности, известной как «эффект лотоса». Капли воды, падающие на их поверхность, просто собираются в бусинки и скатываются. Такая поверхность может быть настолько водоотталкивающей, что капли отскакивают от нее, как резиновые мячики.

Супергидрофобные поверхности получают путем использования гидрофобного материала, который также имеет определенную шероховатость поверхности. Поверхности, отвечающие обоим критериям, чрезвычайно трудно смачиваются.

 

Супергидрофобные поверхности делятся на две разные категории:

Состояние Вензеля:

Капля, осажденная на супергидрофобной поверхности, подвергается воздействию вертикальных сил (гравитации или внешнего давления), заставляя ее заполнять любые промежутки между неровностями. Когда это происходит, контактный угол остается высоким, но резко возрастает сила сцепления, что означает, что капля скатывается с трудом.

Состояние Кэсси Бакстер (состояние Факир):

Для этого типа поверхности как шероховатость, так и уровень гидрофобности достаточны, чтобы выдерживать вертикальные силы, воздействующие на каплю, что означает, что она не проталкивается между неровностями. Капля кажется плавающей на воздушной подушке, и малейший наклон поверхности заставит ее скатиться. Кэсси Бакстер является предпочтительным состоянием для антиобледенительных, самоочищающихся или водоотталкивающих поверхностей.

Гидрофобное покрытие NanoSlic — Покрытия NanoSlic

Что такое гидрофобное покрытие?

Определение

Слово «фобия» происходит от греческого корня «фобос», что означает «страх», а слово «гидро» относится к воде. Отсюда следует, что буквальное значение слова «гидрофобный» — «боится воды». Термин «гидрофобный» обычно относится к поверхности, которая отталкивает воду и материалы на водной основе.

Когда вода и материалы на водной основе вступают в контакт с гидрофобной поверхностью, отдельные капли собираются в шарики и легко скатываются или соскальзывают с поверхности. Большие количества воды будут скапливаться вместе, края отойдут от гидрофобной поверхности и будут двигаться как один лист.

Этот эффект также можно описать как осушение, когда вода уходит, оставляя поверхность полностью сухой.

Классический пример — лист лотоса. Поверхность листьев настолько водоотталкивающая, что ее называют «супергидрофобной». Кажется, что вода образует почти идеальные сферы, соприкасаясь с поверхностью листа.

Обладая способностью придавать такие свойства, как сухость, легкость очистки, водонепроницаемость, антикоррозионная стойкость и пониженное гидрофобное сопротивление, гидрофобные покрытия и обработки находят все более широкое применение.

Как можно измерить степень гидрофобности?

Это можно определить, измерив, насколько «сферической» является капля воды, когда она сидит на гидрофобной поверхности. По мере увеличения гидрофобности поверхности высокое поверхностное натяжение воды все больше и больше оттягивается от поверхности в сферу.

Если к капле, когда она касается поверхности, проведена касательная, то угол (θ) между этой линией и линией, параллельной поверхности, называется краевым углом (CA). Поверхности считаются гидрофобными, если контактный угол составляет от 80° до 120°.

Примером исторического значения является политетрафторэтилен (тефлон) с контактным углом 109°. Политетрафторэтилен хорошо известен своей отталкивающей, антипригарной и нескользкой поверхностью. Поверхности с краевым углом от 120° до 180° считаются супергидрофобными.

Теоретически максимальная гидрофобность составляет 180°, и в этом случае капля имеет идеально сферическую форму, контактирующую с поверхностью в единственной, почти незаметной точке. Вода и материалы на водной основе будут отскакивать от супергидрофобной поверхности. Кажется, что супергидрофобная поверхность прикладывает силу к капле воды и отталкивает ее, однако это не так. Притяжения между поверхностью и каплей воды просто нет.

Если бы было притяжение, поверхность считалась бы гидрофильной. Это означает «водолюбивый». Гидрофильные поверхности притягивают воду и позволяют ей выравниваться или смачиваться. Это свойство используется, например, на поверхности самоочищающихся окон. Вместо того, чтобы вода образовывала отдельные капли, она образует листы, которые быстро стекают вниз, унося с собой часть пыли и грязи с окна.

Для измерения краевого угла используется прибор, называемый гониометром. «Гони» — это греческий префикс «угол».

Гидрофильный: Поверхности с краевым углом от 10 до 80 градусов

Супергидрофильный: Поверхности с краевым углом от 0 до 10 градусов

Этот прибор наносит каплю жидкости на поверхность подложки и затем измеряет угол с помощью видеокамеры и специального программного обеспечения. Более сложное оборудование и программное обеспечение позволяют исследователю по-разному анализировать поверхность. Фактически, наука о поверхности, или изучение химии поверхности и ее свойств, быстро расширяется.

Nanoslic — гидрофобное покрытие

Покрытия NanoSlic являются гидрофобными с краевыми углами контакта с водой в пределах 105°-107°. Эти покрытия достигают такой высокой степени водоотталкивающих свойств за счет химической реакции, которая происходит на этапе отверждения.