Superhydrophobe Oberflächen finden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften in vielen Bereichen Anwendung, beispielsweise als Abdichtung, Antibeschlag, Selbstreinigung, Korrosionsschutz, Vereisungsschutz und zur Reduzierung des Strömungswiderstands. Dennoch bleibt die Massenproduktion kostengünstiger, wenig toxischer, leicht aufzutragender und langlebiger superhydrophober Beschichtungen eine Herausforderung.
In der Natur gibt es eine Vielzahl von Calciumcarbonat-Materialien mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und einfachen Komponenten, die bei Wissenschaftlern großes Interesse geweckt haben. Basierend auf eingehender Forschung zu den Keimbildungs- und Wachstumsmechanismen von Calciumcarbonat ist es gelungen, die Biomineralisierung zu regulieren, was in Bereichen wie Antifouling, Antiscaling, Selbstreinigung und Öl-Wasser-Trennung breite Anwendung findet.
Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass niedrige Oberflächenenergie und raue Struktur die Hauptfaktoren sind, die die Superhydrophobie beeinflussen, und diese Faktoren waren schon immer die wichtigsten Forschungsthemen in der Calciumcarbonat-Modifizierungstechnologie. Einfach ausgedrückt besteht die Modifizierungsrichtung für Calciumcarbonat darin, die Oberflächenenergie zu reduzieren und die Dispergierbarkeit aufrechtzuerhalten, während der Kontaktwinkel erhöht wird, um die Hydrophobie sicherzustellen.
Welche Art von Calciumcarbonat eignet sich besser für funktionelle Beschichtungen? Wie kann ich es modifizieren? Was ist das tatsächliche Ergebnis?
Gu Weile et al. synthetisierten zwei verschiedene Kristallformen von Calciumcarbonatpulver, die anschließend mit Polydimethylsiloxan (PDMS) mit niedriger Oberflächenenergie vermischt wurden, um eine superhydrophobe Beschichtung herzustellen. Diese wurde hinsichtlich ihrer Selbstreinigungsfähigkeit und Schlagfestigkeit untersucht. Experimente zeigten, dass die Modifizierungswirkung und Hydrophobie des Calciumcarbonats bei einer Dosierung von 5% der Tenside Natriumstearat (NaSt) und Natriumoleat (NaOL) optimal sind. Der Kontaktwinkel von mit 5% Natriumstearat modifiziertem Calciumcarbonat vom Aragonit-Typ beträgt 127,5°, der von mit 5% Natriumoleat modifiziertem Calciumcarbonat vom Calcit-Typ 115,4°. Weiterführende Untersuchungen befassten sich mit dem Einfluss unterschiedlicher Mengen an kristallinem Calciumcarbonat auf die Hydrophobie der Beschichtungen. Dabei wurden Kontaktwinkel von 151,4° für Calcit- und 153,2° für Aragonit-Calciumcarbonat-Beschichtungen gemessen. Abschließend wurden die Selbstreinigungs- und Stoßfestigkeitseigenschaften der superhydrophoben Beschichtungen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass nach einem Aufpralltest mit einem 500-ml-Wassertropfen der Kontaktwinkel der beiden kristallinen Calciumcarbonat-Superhydrophobie-Beschichtungen über 140° blieb und somit die ausgezeichnete Hydrophobie erhalten blieb.
Cheng Yuan und sein Team verwendeten Calciumcarbonat-Whisker (CCWs) und Nano-Calciumcarbonat (CCNPs) als Füllstoffe, um durch Pulveroberflächenmodifizierung, Optimierung des Beschichtungsverhältnisses, Bezugnahme auf den „Primer-Decklack“ und Poliermethoden in der Beschichtungskonstruktionstechnologie superhydrophobe Beschichtungen herzustellen. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Kontaktwinkel der Beschichtung bei 15 Reibungszyklen 153,88 ° und der Rollwinkel 9,20 ° erreichen kann. Die Beschichtung verfügt über hervorragende Selbstreinigungsfähigkeiten und kann leicht repariert werden.
Auf welche Untergründe können Calciumcarbonat-Funktionsbeschichtungen aufgebracht werden?
Faser
Die Nassbeschichtungstechnologie unter Verwendung von Polyamidabfallfasern ist die wichtigste Methode zur Herstellung beschichteter Textilien wie Markengewebebänder und auch eine wichtige Methode für das physische Recycling von Polyamidfasern. Sie zeichnet sich durch niedrige Produktionskosten und eine hervorragende Produktleistung aus. Calciumcarbonat ist ein billiges, ungiftiges und harmloses anorganisches Pulver, das häufig als Füllstoff in der Nassbeschichtungstechnologie von Polyamidabfallfasern verwendet wird und die Dicke, Weiße und Festigkeit der Oberflächenbeschichtung von Markengewebebändern verbessern kann.
Lei Pengfei et al. verwendeten die In-situ-Synthesemethode für Ölsäure, um Calciumcarbonat-Beschichtungsfüllstoffe für die Polyamid-Nassbeschichtung herzustellen. Der Kontaktwinkel des Beschichtungsfilms verringerte sich um 8,29°, die Tintenlänge des beschichteten Gewebes verringerte sich um 10,42 mm und der pH-Wert des beschichteten Gewebes sank auf 7,27. Die Tintenabsorption wurde verbessert und der pH-Wert entsprach eher den Textilsicherheitsstandards.
Jiang Jikang et al. verwendeten den synthetischen Modifikator DOPO, um modifiziertes Calciumcarbonat aufzupfropfen, wodurch eine gleichmäßige Dispersion in Polyamidbeschichtungen mit klaren und flauschigen Beschichtungsporenstrukturen erreicht wurde. Der pH-Wert des beschichteten Gewebes in einer feuchten Umgebung beträgt 7,02, was den Umweltanforderungen entspricht. Die Tintenabsorptionszeit beträgt 89 Sekunden, die Tintenlänge beträgt 53,4 mm, der gedruckte Barcode ist klar und bruchfrei und die Bewertung erreicht die Stufe A.
Chen Zhijie et al. verwendeten flammhemmende Silizium-Phosphor-Komponenten in Kupplungsmodifikatoren, um die Dispersion zu verbessern und sie mit flammhemmender Funktion auszustatten, indem sie eine glatte und flache, poröse und dünne Polyamidbeschichtung auf dem Gewebe erzeugten. Untersuchungen haben gezeigt, dass modifiziertes Calciumcarbonat eine gute Lipophilie aufweist und sein mit Polyamid 6 beschichtetes Gewebe eine gute flammhemmende Wirkung hat.
Beton
Die Oberflächenbeschichtungstechnologie ist eine wirksame Maßnahme zur Verbesserung der Haltbarkeit von Beton, und superhydrophobe Beschichtungen mit wasserdichten, vereisungshemmenden und selbstreinigenden Eigenschaften gehören derzeit zu den Forschungsschwerpunkten.
Xu Huafeng et al. verwendeten Polydopamin, um die Mineralisierung von Calciumcarbonat auf der Oberfläche von Beton zu induzieren und Silberionen vor Ort zu Nanosilber zu reduzieren, um so raue Mikro-Nano-Verbundstrukturen zu konstruieren. Sie modifizierten sie hydrophob mit Silan mit niedriger Oberflächenenergie, um funktionalisierte biomimetische superhydrophobe Calciumcarbonat-Beschichtungen zu erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl in normaler als auch in simulierter Meerwasserumgebung das Wasserabsorptionsvolumen der Verbundbeschichtungsproben im Vergleich zu unbehandelten Proben um 90,3% bzw. 93,44% abnahm, was gute wasserdichte und undurchlässige Eigenschaften zeigte. Nach wiederholter Reibung der Verbundbeschichtungsprobe auf der Sandpapieroberfläche über eine äquivalente Distanz von 5 Metern ist der Kontaktwinkel der Beschichtung immer noch größer als 140°, mit einer Abnahme von nur 6,87%, was eine gute Verschleißfestigkeit zeigt.
Um die Korrosions- und Verschmutzungsbeständigkeit von Sandsteingebäuden im Außenbereich zu verbessern, synthetisierten Wen Yaping et al. eine mit Calciumcarbonat als Basismaterial und Fettsäuren als hydrophobe Modifikationsmaterialien modifizierte Beschichtung auf Fettsäurebasis durch eine Flüssigphasenreaktion. Untersuchungen haben gezeigt, dass die durchschnittliche Korngröße von mit Octadecansäure modifiziertem Vaterit-Calciumcarbonat relativ groß (31 nm) ist und die Oberflächenrauheit von Sandstein stark variiert. Der hydrophobe Winkel kann 119 ° erreichen, der Verschmutzungswiderstand beträgt 5 und die Wasserabsorptionsrate beträgt nur 1,01 TP3T. Im Vergleich zu Sandsteinproben mit einer unmodifizierten Beschichtung wird die Oberflächenverschmutzungsbeständigkeit von Sandstein effektiv verbessert.
Glas
Yuan Zhiqing et al. entwickelten eine einfache und praktikable Methode zur Herstellung von superhydrophoben Beschichtungen auf Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS)/CaCO3. Die erhaltene Beschichtung kann auf verschiedene Substrate wie Kraftpapier, Glasobjektträger und Kupferplatten aufgetragen werden. Nach dem Auftragen auf ein Glassubstrat und Trocknen bei Raumtemperatur kann der Kontaktwinkel der Beschichtungsoberfläche 160 ° erreichen und der Gleitwinkel beträgt weniger als 3 °. Der Schertest zeigt, dass die superhydrophobe P3-Beschichtung eine hohe mechanische Scherfestigkeit und Haftung aufweist und eine stabile superhydrophobe Oberfläche erhalten werden kann. Experimente im Freien haben gezeigt, dass die Herstellung selbstreinigender Beschichtungen unter Verwendung von Silikonharz und mit Stearinsäure modifiziertem Calciumcarbonat mehr als 85% der Transparenz von Glasplatten beibehalten kann, mit einem Kontaktwinkel von etwa 110 ° und guter Antibeschlagleistung. Nach 4 Monaten im Freien ist die selbstreinigende Leistung im Wesentlichen nicht beeinträchtigt.
Metall
Derzeit ist das Selbstreinigungsverhalten von Wandpaneelmaterialien von großem Interesse. Dieses Verhalten lässt sich üblicherweise durch die Herstellung hydrophober Oberflächen erzielen. Liu Changyang et al. brachten eine etwa 20 Mikrometer dicke Calciumcarbonatschicht gleichmäßig auf die Oberfläche einer Magnesium-Neodym-Legierung auf und verbesserten so deren Korrosionsbeständigkeit in simulierten Betonporenflüssigkeiten mit Chloridionen. Die chemische Modifizierung beschichteter Proben mit Perfluordecyltriethoxysilan kann deren Selbstreinigungsfähigkeit weiter steigern.
Derzeit gibt es Anwendungsfälle für funktionelle Calciumcarbonat-Beschichtungen in vielen Bereichen, wie etwa Verpackungen, Geschirr, Baumaterialien, umweltfreundlichen Materialien, Textilien, Beschichtungen, Pharmazeutika usw. Mit der steigenden Forderung nach Kostensenkung und Effizienzsteigerung in Unternehmen wird die Anwendung funktioneller Calciumcarbonat-Beschichtungen in Zukunft immer weiter verbreitet sein und die Anwendungstechnologie wird nach und nach ausgereifter.