Пропитанные жидкостью покрытия

Брайан Дж. Джордан, Дж. Дэвид Смит, Крипа К. Варанаси
24.08.2020 615

В этой статье мы подробно рассмотрим научные аспекты и применение LIS в лакокрасочной промышленности, сравним покрытия LIS с традиционными технологиями лакокрасочных покрытий, а также рассмотрим основные понятия и особенности покрытий LIS.

Научные и технологические принципы разработки «скользких» покрытий

Пропитанные смазкой поверхности, которые обычно называют пропитанными жидкостью (LIS), — это скользкие поверхности, эффективно устраняющие условие прилипания и обеспечивающие свободное скольжение вязким жидкостям, гелям и эмульсиям.

Такие свойства, как несмачиваемость и самоочищение, делают покрытия LIS привлекательными в качестве скользких поверхностей во множестве областей применения, включая потребительские товары в упаковках, агрохимические продукты, нефтегазовая отрасль, производство, медицинская, фармацевтическая и энергетическая отрасль.

Кроме того, покрытия LIS обеспечивают преимущества с точки зрения рационального и экологичного использования ресурсов. Они способствуют снижению количества отходов, увеличению выхода продукции, улучшению производственной эффективности и усовершенствованию товаров. Недавнее исследование1 LiquiGlide подтвердило, что покрытия LIS способны решить проблемы потребителей с отходами. Например, только в индустрии производства лакокрасочной продукции потери продукции составляют 100 миллионов галлонов, а на обработку отходов ежегодно тратятся миллиарды долларов.2 В настоящее время покрытия LIS наносят на резервуары для производства краски, чтобы компенсировать эти издержки путем уменьшения потерь на выходе продукции, сточных вод и времени очистки.

В этой статье мы подробно рассмотрим научные аспекты и применение LIS в лакокрасочной промышленности, сравним покрытия LIS с традиционными технологиями лакокрасочных покрытий, а также рассмотрим основные понятия и особенности покрытий LIS.

О ТЕХНОЛОГИИ LIS

LIS — это платформенная технология с применением динамических и термодинамических принципов, которые обеспечивают получение стабильных, скользких покрытий для специальных областей применения. В то время как в технологии традиционных покрытий создается сухая, твердая поверхность, покрытия LIS состоят из твердых и жидких материалов, специально разработанных для создания долговечной, влажной и скользкой поверхности (рисунок 1). Жидкий слой самопроизвольно впитывается в текстурированный (или пористый) твердый материал и остается в нем в течение всего срока службы.

Рисунок 1. Сравнение традиционной технологии нанесения покрытий и технологии нанесения покрытий LIS с точки зрения пленкообразования. Традиционная технология нанесения покрытий основана на образовании сухой пленки с получением требуемых свойств, в то время как в технологии нанесения покрытий LIS используется влажная пленка для получения скользкой поверхности.

Таким образом, в отличие от краски, требующей времени на пленкообразование, покрытия LIS становятся функциональными, как только нанесена жидкость. К тому же, в то время как последние достижения направлены на придание традиционной лакокрасочной продукции свойств “умных” покрытий, покрытия LIS уже обладают многими из них. Термин “умные” функциональные покрытия касается специально разработанных покрытий, свойства которых изменяются под влиянием каких-либо внешних воздействий, например, температура, свет или влажность, обычно для самовосстановления, самосборки и самоочистки.3

Однако разработка этих традиционных покрытий базируются на применении химических функциональных особенностей или структуры к существующим сухим пленкам для создания требуемых «умных» характеристик. Самовосстанавление покрытий4 зависят от высвобождения химических элементов из микрокапсул при повреждении покрытия, в то время как самоочищение покрытий5 обычно зависит от нанотехнологических подходов, примененных к текстурным гидрофобным пленкам или супергидрофобным составам для получения свойств несмачиваемости.

В покрытиях LIS, напротив, скользкость придают непосредственно жидкому слою покрытия. Покрытия LIS самовосстанавливаются благодаря подвижному жидкому слою, который распределяется по всему текстурированному или пористому твердому материалу. Покрытия LIS самоочищаются благодаря крайне низкому гистерезису угла смачивания и способности отталкивать разнообразные жидкости. Кроме того, в покрытиях LIS можно регулировать скорость скольжения посредством выбора вязкости жидкости, толщины покрытия и текстуры низлежащего твердого материала.

СРАВНЕНИЕ ПОКРЫТИЙ LIS С ДРУГИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Покрытия LIS кардинально отличаются от других скользких покрытий, таких как супергидрофобные поверхности или покрытия с избытком жидкости, поскольку покрытия LIS могут оставаться скользкими в течение длительного времени.

В основе традиционных супергидрофобных поверхностей лежит сочетание низкоэнергетических материалов и наноразмерной/микроразмерной структуры, что стабилизирует воздушные карманы под каплями воды.6 Получаемая в результате поверхность остается скользкой, пока капля изначально располагается на выступах шероховатой поверхности, при этом угол смачивания больше 150 градусов.7

Рисунок 2. Схематическое изображение устойчивости других скользких покрытий в сравнении с покрытиями LIS. (a) Супергидрофобные покрытия обладают ограниченным сроком службы из-за неустойчивости воздушного слоя. (b) Покрытия с избытком жидкости теряют свою скользкость по мере того, как избыточная жидкость дренируется. (c) Покрытия LIS остаются скользкими благодаря капиллярным силам.

Однако при определенных условиях воздушные карманы могут разрушаться, тогда капля оседает на поверхность, и поверхность становится нескользкой (рисунок 2a). К этим условиям можно отнести вибрации, сжатие, удар, резкое торможение, применение электрического поля и испарение.

Истирание также снижает скользкость этих супергидрофобных покрытий посредством механического разрушения чувствительных наноразмерных и микроразмерных структур, которые служат основой воздушных карманов. Таким образом, супергидрофобные покрытия обладают ограниченным сроком службы, поскольку их скользкость зависит от устойчивости границы раздела водной и воздушной сред.

Покрытия с избытком жидкости, такие как пропитанные жидкостью, скользкие, пористые поверхности (SLIPS), обладают ледостойкостью, устойчивостью к давлению и повышенной оптической прозрачностью.8 Технология этих покрытий базируется на том, что смазочная пленка «блокируется» микро/нанопористой подложкой, на поверхность которой смазка наносится в таком объеме, чтобы подложка была полностью погружена в нее.

Хотя смазочная пленка может эффективно предотвращать фиксацию капель на контактной поверхности, жидкость, находящаяся выше микро/нанопористой пленки, не стабилизирована капиллярными силами и легко может стекать под действием силы тяжести и других сил, что ставит под сомнение скользкость поверхности9 (рисунок 2b). Таким образом, эти покрытия со временем теряют свою скользкость по мере того, как смазочная пленка стекает с микро/нанопористой подложки.

Покрытия LIS, напротив, термодинамически стабильны и долговечны, поэтому могут оставаться скользкими (рисунок 2c). Их скользкость не основана на воздушных карманах или смазочной пленке.

Вместо этого, в покрытиях LIS используются капиллярные силы, обусловленные микроскопической структурой, в которой создаются карманы для жидкой смазки, а не для воздуха; а также используется специально разработанная текстура, позволяющая минимизировать участки открытого твердого материала, тем самым обеспечивая крайне низкий уровень фиксации контактной поверхности.10

Хотя капиллярные силы заставляют жидкость плотно прилегать к поверхности, заключенная в карманы смазка двигается внутри текстуры, обеспечивая отличные самовосстанавливающие свойства (при условии, что твердый материал предпочтительно смачивается жидкой смазкой). К тому же, покрытия LIS остаются скользкими, даже если какие-то участки низлежащего твердого материала оказались открытыми. Термодинамическая структура (как описано в следующем разделе) позволяет покрытиям LIS оставаться скользкими в различных равновесных состояниях без избыточного жидкого слоя.

ОСНОВНАЯ КОНЦЕПЦИЯ LIS

Покрытия LIS состоят из текстурированного или пористого твердого слоя с соответствующим составом и жидкого (или смазочного) слоя, который распределяется по всей поверхности твердого материала и стабилизируется капиллярными силами. Рабочая жидкость (т.е. капля воды или продукт) скользит по жидкому слою, поскольку он эффективно устраняет условие прилипания.

Важным аспектом разработки покрытий LIS является правильное сочетание химии и топологии поверхности, которое обеспечивает чтобы жидкая смазка преимущественно смачивала микроскопический текстурированный твердый материал. Поэтому выбор подходящих твердых и жидких материалов особенно важен при разработке покрытия LIS. Во-первых, жидкость не должна смешиваться с рабочей средой. Она также должна оставаться на поверхности в течение всего периода использования рабочей среды. Поэтому, как правило, выбирают жидкости с высокой температурой кипения и низким давлением насыщенного пара, чтобы минимизировать испарение жидкости.

Во-вторых, при разработке структуры покрытий LIS используется термодинамическая модель (рисунок 3). Дэйв Смит, соучредитель и генеральный директор компании LiquiGlide, разработал термодинамическую модель, которая характеризует 12 разных состояний смачивания рабочей средой (например, каплями воды) жидкого слоя, находящегося внутри текстурированного твердого материала.11 Состояния смачивания имеют совершенно разные межфазные конфигурации, как на внешней поверхности капли, так и под ней, и зависят от способности жидкости растекаться по рабочей среде.

Конфигурация зависит от свойств рабочей среды, жидкой смазки, твердого материала и морфологии поверхности, а также условий окружающей среды.

На рисунке 3 представлено 12 состояний смачивания, разделенных на две подгруппы по 6 разных термодинамических состояний, исходя из характера растекания жидкости по рабочей среде. Если коэффициент растекания Sow(a) жидкости (o) по рабочей среде (w) в присутствии воздуха (a) больше нуля (Sow(a) > 0), жидкость растекается по рабочей среде, образуя “покров”. Предполагается, что толщина покрова составляет несколько нанометров, что может вызвать минимальный унос, но почти не повлияет на свойства рабочей среды.12

Рисунок 3. Термодинамическая модель, состоящая из 12 различных состояний смачивания, используемых при разработке покрытий LIS. Верхние изображения делят состояния смачивания на две подгруппы, исходя из характера растекания жидкости по рабочей среде (т.е. капле воды). В каждой подгруппе 6 возможных состояний в зависимости от того, как жидкая смазка смачивает низлежащий текстурированный твердый материал в присутствии воздуха (вертикальная ось) и рабочую среду (горизонтальная ось).остаются скользкими благодаря капиллярным силам.

Например, доказано, что покрытия LIS не оказывают негативного воздействия (вкус, запах, изменение цвета и др.) на майонезные продукты в состоянии «покрова».13 Если Sow(a) < 0, жидкость не растекается по рабочей среде, поэтому эффект «покрова» не наблюдается. Покрытия LIS, не обладающие таким эффектом, как правило, более прочные и долговечные, поскольку жидкий слой не истощается из-за уноса жидкости.

В двух представленных подгруппах можно увидеть три разные морфологии поверхности под рабочей средой, которые характеризуют устойчивость покрытия LIS. В первом случае (состояния A3-W1 и A2-W1) рабочая среда вытесняет жидкий слой и вступает в непосредственный контакт с текстурой твердого материала. Капля «прикрепляется» к жесткой текстуре и не может перемещаться, поэтому полученная в результате поверхность нескользкая, а покрытие LIS, соответственно, некачественное.

Во втором случае (состояния A3W2 и A2-W2) жидкий слой остается в структуре текстурированного твердого материала, а рабочая среда контактирует только с его открытыми участками. Эти поверхности могут быть очень скользкими, если геометрия текстуры такова, что открытые участки твердого материала сокращены до минимума.

В третьем случае (состояния A3-W3 и A2-W3) представлена максимальная скользкость, поскольку рабочая среда не контактирует с текстурой твердого материала. Рабочая среда остается на тонкой, термодинамически стабильной, жидкой пленке. Поскольку целесообразно разрабатывать покрытия LIS, соответствующие третьему описанному случаю, это может существенно ограничить выбор смазки с подходящими критериями смачивания.

Состав и текстура твердого материала играют важную роль в определении морфологии поверхности, находящейся под рабочей средой.

Твердая поверхность характеризуется такими параметрами, как шероховатость (r) и твердая фракция (Φ). Шероховатость определяется как общая площадь поверхности твердого материала относительно расчетной площади, а твердая фракция показывает долю твердого материала, который подвергается воздействию рабочей среды.

Сочетание этих параметров можно использовать для расчета критического угла θc и определения критериев полувпитываемости для текстуры твердого материала (когда cos θc = (1- Φ)/(r- Φ)14). Жидкость будет самопроизвольно впитываться в текстуру твердого материала (в присутствии воздуха), если ее угол смачивания θos(a) на гладкой подложке из такого же материала ниже критического угла. Однако устойчивые покрытия LIS должны удовлетворять критериям полувпитываемости в присутствии рабочей среды, чтобы оставаться скользкими. Для достижения состояния смачивания, в котором жидкость предпочтительно смачивает твердый материал под рабочей средой (A3-W2, A2-W2, A3-W3 и A2-W3), θos(w) тоже должен быть меньше критического угла θc.

Низлежащая текстура также очень важна для контроля скорости скольжения рабочей среды или продукта. Например, было отмечено, что скорость скольжения капли воды снижается при увеличении твердой фракции низлежащей текстуры.11

Скорость скольжения продукта также можно контролировать через вязкость жидкой смазки. Было доказано, что скорость скольжения капель воды гораздо медленнее на жидкой силиконовой смазке с высокой вязкостью 1000 сСт, чем на жидкой силиконовой смазке с низкой вязкостью 10 сСт (при использовании одной и той же низлежащей текстуры твердого материала).11 Установлено, что скорость скольжения обратно пропорциональна вязкости жидкой смазки для данной текстуры.

При разработке покрытий LIS для коммерческого применения важно определить (a) оптимальное сочетание твердых и жидких материалов, чтобы обеспечить предпочтительное смачивание; и (b) подходящий метод для создания низлежащей текстуры твердого материала, чтобы минимизировать фиксацию и создать покрытие LIS, стабильное в течение всего срока службы продукта.

Трудности могут возникнуть, например, при подборе подходящих жидких и твердых материалов, которые удовлетворяли бы условиям полувпитываемости (θos(w) < θc, θos(a) < θc) в присутствии многосоставного продукта (например, майонез), при чем продукт не должен вытеснять жидкость. Четкое понимание взаимодействий между продуктом, жидкостью, текстурой твердого материала и окружающей средой нетривиально, но необходимо для определения морфологии контактной поверхности. При разработке покрытий LIS предпринимаются значительные усилия, чтобы оценить или предсказать эти взаимодействия.

Стандартные методы изготовления текстурированной поверхности, такие как фотолитография, жидкостное травление, золь-гель синтез и послойное формирование, как правило, слишком затратны, сложны или не подходят для производства коммерческих покрытий LIS. Поэтому коммерческие покрытия LIS необходимо разрабатывать в соответствии с термодинамическими критериями смачивания и требованиями заказчиков, например, необходимая степень “скользкости”, долговечность (больше срока хранения продукта), и требованиями нормативных документов.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Покрытия LIS обладают нераскрытым потенциалом, поскольку их можно использовать в самых разнообразных отраслях промышленности для повышения экологической безопасности путем сокращения отходов, увеличения выхода продукции, улучшения производственной эффективности, обеспечения постоянной дозировки и разработки новых товаров.

Покрытия LIS можно использовать для перемещения вязких жидкостей по трубам из резервуаров или подачи из емкостей. Покрытия LIS долговечны и могут оставаться скользкими в течение всего срока службы продукта. И хотя покрытия LIS обладают весьма сложными конструктивными параметрами, которые ограничиваются рамками коммерческого применения, как и в лакокрасочной промышленности, где необходим переход с покрытий с образованием сухой пленки на долговечные влажные покрытия.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Опрос 1000 клиентов LiquiGlide относительно отходов http://liquiglide.com/wp-content/uploads/2014/11/141119-LiquiGlide-Consumer-Survey-Press-Release.pdf
  2. Каин, Р.; Кребс, Р.; Лалгуди, Р.; Риссер, С. Умные гидрофобные покрытия, журнал Paint and Coatings Industry, 2017 г., февральский выпуск.
  3. Такур, В.К.; Кесслер, М.Р. Самовосстанавливающиеся полимерные нанокомпозиционные материалы: обзор, журнал Polymer, 2015 г., 69, 369-383.
  4. Гасман, Л. Новые возможности умных покрытий, журнал Paint and Coatings Industry, 2016 г., февральский выпуск.
  5. Чжан, К.; Ши, Ф.; Ню, Дж.; Цзян, И.; Ван, З. Супергидрофобные поверхности: от структурного контроля до функционального применения, журнал J. Mater. Chem., 2008 г., 18, 621-633.
  6. Чжан, Д.; Ван, Л.; Цянь, Х.; Ли, К. Супергидрофобные поверхности для коррозионной защиты: обзор последних достижений и перспектив, журнал J. Coat. Technol. 2016 г. переиздание, 13, 11-29.
  7. Вэн, Т.С.; Ган, С.Х.; Дан, С.К.Т.; Смит, Е.Дж.; Хаттон, Б.Д.; Гринтал, А.; Айзенберг, Дж. Биотехнологические самовосстанавливающиеся скользкие поверхности, несмачиваемые при стабильном давлении, журнал Nature, 2011 г., 477, 443-447.
  8. Соломон, Б.Р.; Субраманьям, С.Б.; Фарнэм, Т.А.; Халиль, К.С.; Ананд, С.; Варанаси, К.К. “Пропитанные смазкой поверхности”, Несмачиваемые поврехности: теория, изготовление и применение, глава 10, 285-318, 2016 г.
  9. Квир, Д. Неприлипающие капли, журнал Rep. Prog. Phys., 2005 г., 68, 2495-2532.
  10. Смит, Дж.Д.; Диман, Р.; Ананд, С.; Реза-Гардуно, Е.; Коэн, Р.Е.; МакКинли, Г.Х.; Варанаси, К.К. Подвижность капли на пропитанных смазкой поверхностях, журнал Soft Matter, 2013 г., 9, 1772-1780.
  11. Шелленбургер, Ф.; Се, Дж.; Энсинас, Н.; Харди, А.; Клэппер, М.; Пападопулос, П.; Батт, Х.Дж.; Воллмер, Д. Прямое наблюдение за каплями на скользких пропитанных смазкой поверхностях, журнал Soft Matter, 2015 г., 11, 7617-7626.
  12. При испытании майонеза опытный дегустатор компании LiquiGlide не зафиксировал отрицательного влияния (вкус, запах, консистенция) для бутылок с покрытием, используемых для коммерческих майонезных продуктов.
  13. Квир, Д. Смачивание и шероховатость, журнал Annu. Rev. Mater. Res., 2008 г., 38, 71-99.

Брайан Дж. Джордан, Дж. Дэвид Смит, Крипа К. Варанаси, Компания LiquiGlide, Кембридж, Массачусетс

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Решение проблем с адгезией краски
Решение проблем с адгезией краски
Поставщик сельскохозяйственной техники подбирает подходящие чистящие средства.
Скотт Фрэнсис
22.11.2022
75
Инновационный метод отверждения кузова автомобиля изнутри
Инновационный метод отверждения кузова автомобиля изнутри
Системы сушильных печей используются в цехах по покраске автомобилей для термического отверждения различных материалов, применяемых…
Джим Паккала, Dürr Systems, Inc.
12.05.2021
256
Контроль температуры воздуха для улучшения качества отделки
Контроль температуры воздуха для улучшения качества отделки
Долгое время считалось, что температура воздуха оказывает существенное влияние на качество покрытий, наносимых методом распыления,…
Майкл Р. Боннер
16.08.2021
225
«Интерлакокраска-2022»: новые идеи и эффективные решения
«Интерлакокраска-2022»: новые идеи и эффективные решения
Ключевым событием в России в области производства лакокрасочных материалов и покрытий станет 26-я международная специализированная…
13.02.2022
424
<strong>Коллоидная МКЦ: эффективное средство для стабилизации пигментных дисперсий</strong><strong></strong>
Коллоидная МКЦ: эффективное средство для стабилизации пигментных дисперсий
Одним из ключевых свойств коллоидной МКЦ является ее способность стабилизировать составы на водной основе без…
Хуэй С Ян, Кристоф Массип, Хуа Ма, Холли Бертран
29.11.2022
100
Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Новости 3-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
09.11.2022
77
Себестоимость сырья – важная составляющая производства ЛКМ
Себестоимость сырья – важная составляющая производства ЛКМ
В рамках деловой программы международной специализированной выставки лакокрасочных материалов и покрытий, сырья, оборудования и технологий…
03.03.2022
443
Новые полимеры на основе растительных масел в качестве связующих для художественных красок
Новые полимеры на основе растительных масел в качестве связующих для художественных красок
Поливинилэфиры на основе растительных масел были синтезированы и исследованы на предмет возможной замены льняного масла…
21.02.2022
412
Инновации в сфере умных, высокоэффективных ингибиторов коррозии
Инновации в сфере умных, высокоэффективных ингибиторов коррозии
По имеющимся оценкам, на данный момент в странах ЕС 786 000 рабочих подвергается воздействию токсичного,…
Джорджия Какасе
18.05.2021
233