Sơn kỵ nước / siêu kỵ nước chống dính nước

Xây dựng các lớp phủ kỵ nước (HP) và siêu kỵ nước (SH) có vô số thách thức và cân nhắc. Có nhiều cách để đạt được bề mặt SH tạm thời đó là cung cấp góc tiếp xúc cao cũng như góc lăn thấp, tuy nhiên điểm khó là tạo ra một vật liệu duy trì lâu dài hiệu suất khả năng chống mài mòn , độ ổn định ánh sáng và khả năng kháng thời tiết hóa chất. Lớp phủ HP hoặc SH được thiết kế tốt cho ứng dụng dự kiến có thể mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng ngoài khả năng chống thấm nước, có thể bao gồm:

Chống ăn mòn
Khả năng tự làm sạch
Thể tích siêu kỵ nước thay vì chỉ kỵ nước bề mặt
Chống vết bẩn
Khả năng chống lại sự phát triển của vi khuẩn liên quan đến việc bám dính bụi bẩn
làm sơn tàu biển chống bám, lực cản nước thấp
Lớp phủ bảo vệ cho môi trường khắc nghiệt như giàn khoan dầu

Bề mặt siêu kỵ nước trong tự nhiên

Đã có hàng nghìn ví dụ về vật liệu sinh học SH được tìm thấy trong tự nhiên. Một số loại phổ biến gồm có lá sen, lá lúa, lông vịt, cánh hoa hồng, chân giò hầm nước. Bề mặt của các vật liệu sinh học tự nhiên này đều có cấu trúc vi mô có hoa văn kết hợp với một lớp chất năng lượng bề mặt thấp. Lá sen có cấu trúc vi mô bao gồm các nếp gấp nhỏ hoặc nhú có gai cao 10 – 20 micron và 10 – 15 micron và khoảng cách giữa các nhú gần nhất là khoảng 15 micron. Các đầu nhú được phủ một lớp sáp kỵ nước.

Theo đó, do bề mặt lá sen có tính siêu kỵ nước, nước không thể xâm nhập vào các rãnh giữa các nhú phủ sáp nên giọt nước tạo thành góc tiếp xúc từ 150 độ trở lên (hình 4). Bề mặt kỵ nước được định nghĩa là bề mặt có góc tiếp xúc tĩnh> 90 độ (hình 3). Lớp phủ kỵ nước (đẩy nước) hoặc Superhydrophobic (chống thấm nước cao) có thể cung cấp nhiều đặc tính có lợi như đã nêu ở trên. Một số yếu tố ảnh hưởng đến góc tiếp xúc của giọt nước trên bề mặt lớp phủ. Chúng bao gồm cấu hình bề mặt vĩ mô, vi mô và nano, và sức căng bề mặt của lớp phủ mà giọt nước nằm yên trên đó. Sức căng bề mặt là xu hướng đàn hồi của chất lỏng làm cho chúng có diện tích bề mặt ít nhất có thể

Để tối đa hóa tính kỵ nước trên bề mặt của lớp phủ, năng lượng bề mặt phải càng thấp càng tốt. Năng lượng bề mặt thấp, cùng với bề mặt có cấu trúc thích hợp, tối đa hóa tính kỵ nước. Năng lượng bề mặt có cùng đơn vị với sức căng bề mặt (lực trên một đơn vị chiều dài hoặc dynes / cm). Chất lỏng có sức căng bề mặt cao như nước sẽ có tính kỵ nước tối đa và do đó có khả năng thấm ướt kém (góc tiếp xúc cao) trên bề mặt lớp phủ có năng lượng bề mặt thấp. Như Bảng I minh họa, năng lượng bề mặt có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào bản chất của bề mặt tiếp xúc với nước.

Trong Hình 6, đối với lá Sen, giọt nước chỉ chạm vào các đầu của nhú và giữ không khí giữa các nhú, dẫn đến lực kết dính thấp dẫn đến góc tiếp xúc cao và góc lăn ra thấp.

Công thức lớp phủ kỵ nước / siêu kỵ nước
Sự ra đời và phát triển của lớp phủ HP và SH được lấy cảm hứng từ thiên nhiên nhưng sử dụng các vật liệu tổng hợp. Theo đó, lớp phủ SH được phát triển trong phòng thí nghiệm bắt chước nhiều thuộc tính giống nhau của bề mặt SH trong tự nhiên, chẳng hạn như kết hợp cấu trúc bề mặt vi mô thích hợp cùng với việc sử dụng các vật liệu năng lượng bề mặt thấp trên hoặc ở đầu của các bề mặt có gai (Hình 2) . Một số vật liệu có cấu trúc được sử dụng trong lớp phủ bao gồm các chất màu biến tính từ nước hoặc SH như silica bốc khói, đất tảo cát và silica nghiền mịn có thể tạo ra tính kỵ nước lớn hơn là chỉ kỵ nước bề mặt. Tính kỵ nước bề mặt thường dày vài nanomet. Ưu điểm của lớp phủ có tính kỵ nước số lượng lớn hoặc thể tích mang lại tính kỵ nước lâu dài ngay cả khi bề mặt của lớp phủ bị ăn mòn (Hình 7). Bề mặt lớp phủ HP hoặc SH có thể mất các đặc tính bề mặt HP hoặc SH tương đối nhanh khi đưa vào sử dụng, trong khi lớp phủ có đặc tính HP / SH khối lượng lớn hoặc khối lượng lớn cũng có thể duy trì các đặc tính này trong một khoảng thời gian dài hơn. Một số ví dụ về vật liệu có thể cung cấp các đặc tính bề mặt kỵ nước cho lớp phủ bao gồm sáp, oligome hoặc polyme được thêm vào với tỷ lệ phần trăm thấp có thể phân tầng ở bề mặt nhưng dễ bị ăn mòn hơn khi lớp phủ được đưa vào sử dụng. Các phương tiện khác để cải thiện tính kỵ nước bao gồm các oligome phản ứng với sức căng bề mặt thấp, các polyme có chứa tỷ lệ cao các monome HP, và sửa đổi sơn, nhựa và bột màu bằng silan và siloxan cung cấp sức căng bề mặt thấp.

Việc sửa đổi bề mặt của các chất màu để cung cấp năng lượng bề mặt rất thấp có thể có ảnh hưởng đáng kể đến tính kỵ nước và chất phản ứng hoặc sửa đổi bề mặt thích hợp có thể cung cấp sự sửa đổi để cho phép hiệu suất SH. Nhiều bề mặt sắc tố có thể được biến đổi bề mặt với một nhóm chức silan phản ứng với hoặc được hấp thụ trên bề mặt sắc tố.

Ví dụ, một lớp phủ bao gồm polyhexafluoropylene (12,0 Dynes / cm) trên bề mặt sẽ cung cấp một bề mặt kỵ nước hơn so với polymethylmethacrylate (40,2 Dynes / cm). Nói chung, theo thuật ngữ, để cung cấp tính kỵ nước lớn nhất, nhóm kỵ nước nhất của vật liệu phải được định vị trên bề mặt. Perfluoro và các nhóm béo ở bề mặt lớp phủ có tính kỵ nước cao hơn so với các nhóm este hoặc rượu. Ví dụ, từ sức căng bề mặt thấp nhất đến cao nhất

Cung cấp tính kỵ nước tăng lên trong suốt một lớp phủ được thiết kế phù hợp cũng có thể cung cấp các thuộc tính bổ sung như cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ ẩm.

Tóm lại, một số nguyên tắc chính để xem xét thiết kế và xây dựng các vật liệu và lớp phủ kỵ nước và siêu kỵ nước đã được mô tả ngắn gọn trong bài báo này. Một số thách thức vẫn còn tồn tại, ví dụ, một trong những cân nhắc quan trọng là đạt được và duy trì sự cân bằng thích hợp của các đặc tính SH với độ bền bề mặt cơ học của lớp phủ và sự cân bằng có thể chấp nhận được của các đặc tính vật lý, hóa học và gia tốc khác.