Умные гидрофобные покрытия

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.