疏水(拒水)涂料有许多应用，从保护关键基础设施到开发防污渍纺织品。材料科学的新进展使设计智能、功能性涂料成为可能，这些涂料将疏水性与附加功能结合起来，适用于特定的工业、消费、医疗或军事应用。下面让我们来看看这些智能涂料是如何制造的，以及它们在未来的用途。

创建智能、功能性涂料

我们所说的“智能”或功能性涂层是什么意思?简单地说，它是一种被设计成以特定方式对环境做出反应的涂层。功能性涂层可以对特定的刺激做出反应，如水或其他化学物质的存在，或物理刺激，如温度、电或光。

疏水性材料和涂料已经使用了几十年。现在，材料科学家们正在超越简单的防水性，为更具体的应用加入额外的功能。功能性涂层是通过操纵涂层本身的纳米结构或化学成分或引入添加剂来改变涂层在特定刺激存在时的反应方式来创建的。这些刺激反应材料能够以各种方式对环境做出化学或物理反应。例如:

  • 自清洁涂料可以与特定的污染物发生反应，将其分解成问题较少的副产物。
  • 响应性聚合物涂层已经被创造出来，它可以根据光的变化改变其表面形貌，以调节诸如润湿性或表面摩擦等特性。1
  • 巴特尔智能腐蚀探测器®胶囊检测腐蚀的化学特征，并释放一种愈合剂来修复损伤。

一种自去污粉末涂料添加剂的研制

智能疏水表面的一个例子是由巴特尔公司为美国军方设计的新型抗化学剂涂层(CARC)。carc用于保护军事基础设施、车辆和设备免受战区芥子气和神经毒剂(萨兰或VX)等化学毒剂的伤害。传统上，carc是通过添加与市售涂料中使用的相同颜料和扩展剂的高负荷来制成的。这种高负荷使涂料有些疏水，减缓化学剂对涂层的吸收，并为去污赢得时间。

相比之下，巴特尔开发的粉末涂层既能主动排斥和净化化学剂，又能提供更有效和更持久的保护。这种涂层不只是将化学剂脱落，而是将残留的污染物分解成危害较小的物质。新的CARC有可能显著降低军队的清洁和油漆成本。现场人员不需要花费昂贵的去污或拆除资产，而是可以依靠油漆来自行去污。这种材料可以以粉末的形式添加到任何油漆或涂层中。

智能CARC涂层具有双重功能(图1)，既可以排斥水基化学物质，又可以自我净化:

  • 改性的混合金属氧化物提供疏水性能。
  • 设计了一种阳离子二氧化硅基团，通过与任何残留的化学剂反应并将其分解成无害的化合物来净化表面。

在试验中，将阳离子二氧化硅添加剂与Powdura聚酯TGIC相结合®不同量的粉末(0- 5w /w%)，并应用于Prekote®处理过的钢和铝板。在涂覆和固化涂料后，通过表面润湿性、表面能(图2)、MEK摩擦和滚脱测试(图3)对涂料的耐化学性进行了测试。这些测试表明，阳离子二氧化硅添加剂具有优异的耐化学剂性能，随着添加剂用量的增加，其耐化学性也会增加。除了这些耐化学性测试外，还进行了机械性能测试(表1)，结果表明，添加了该添加剂的涂料保持了良好的机械性能。与传统粉末涂料相比，功能性阳离子二氧化硅涂料具有更高的耐水性、更低的表面能、更强的耐溶剂性和更强的耐化学剂性。

净化能力也被设计到这种CARC涂层中。氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钙和二氧化钛等金属氧化物粉末已被研究用于净化化学剂。2 - 7日这表明化学剂吸附在金属氧化物上(图4)，化学剂的氧化和水解发生在吸附部位。这导致化学制剂转化为无害(或危害较小)的产品。

功能硅基可定制，满足不同的性能要求。类似的表面净化技术可以应用于消费和工业领域的其他应用，比如工业涂料，它可以与毒素和致癌物反应，将它们分解成危害较小的物质。表面净化还可用于可能接触有毒或致癌物质的应急响应人员以及工厂或实验室工作人员使用的织物和设备。

智能疏水性涂料的其他应用

智能疏水表面的应用远远超出了化学制剂和毒素的去污。功能性涂料可设计用于各种各样的目的，例如:

  • 抗菌:抗菌涂料可以帮助医院减少表面的交叉污染和医院获得性感染。抗菌涂料利用疏水特性防止微生物粘附。额外的功能可以通过官能团来添加，这些官能团能够识别细菌的化学特征，并采取特定的行动，例如改变不同的颜色或改变电气特性来表明污染。
  • 防止生物污染:近海基础设施和海上船只容易受到小型海洋生物(如贻贝和藤壶)的生物污染。功能性涂料的设计可以降低海洋生物和细菌粘附在船舶、石油钻机和系泊链以及其他海上基础设施上的能力。减少航运业中的生物污染不仅可以保护船只，减少阻力，还有助于减少入侵物种在全球范围内的传播。
  • 防腐:功能性涂料可以为公用事业基础设施、石油和天然气管道和设备、消费者和军用车辆以及其他基础设施组件提供更好的保护。除了前面描述的智能腐蚀探测器胶囊方法外，还可以设计功能表面来检测和响应引起腐蚀的细菌的存在。
  • 防结冰:疏水表面可以减少飞机机翼、公用设施基础设施和其他室外部件上的结冰。

开发一种既能满足涂料的所有要求，又能提供其中一种附加功能的涂料是一项具有挑战性和复杂的任务。我们可以肯定的一件事是，从现在开始的10年里，我们将寻求开发能够提供比之前列出的更复杂的附加功能的涂料。

功能性涂料的设计考虑因素

设计功能性疏水表面需要仔细平衡功能要求与其他机械和性能规格以及经济和调节因素。改变涂层配方以引入官能团可能会以其他无法完全预测的方式改变其性质;所得到的表面可能会更柔软，不耐用，不褪色或对涂层性能产生其他负面影响。或者，配方可能取决于昂贵的、难以获得的、危险或有毒的或受制于繁重监管的材料。要找到正确的解决方案，材料科学家需要评估以下几个因素:

  • 期望的功能和性能:涂层需要做什么?它需要满足哪些性能规格(例如硬度、耐久性等)?预期的有效寿命是多少?
  • 使用环境:将在哪里使用，由谁使用(例如，医院、家庭或军事现场条件)?材料在使用过程中会接触到什么(例如，水、化学品或其他材料)?它必须与其他什么材料兼容，包括基材和它可能接触到的其他材料?
  • 供应链、可制造性和经济问题:所提出的解决方案在经济上可行吗?它是否可以轻松地扩大规模用于生产?它是否依赖稀有材料和有限的供应商?这些材料有多贵?最终产品需要保持在什么价位?
  • 安全、环境和监管问题:产品受到哪些类型的监管?是否需要通过美国食品和药物管理局或其他监管机构的审查?在整个生命周期中，包括制造、使用和处置(例如，涂层是否会脱落化学物质或纳米颗粒)，对环境有什么影响?

材料科学家在设计智能疏水涂层时必须考虑所有这些因素;满足性能规范但不能扩大生产规模或未通过监管审查的功能性涂料将无法商业化。在巴特尔，表面科学项目的科学家们正致力于设计适合市场的涂料，以满足军事、工业和消费应用的特定功能和性能要求。

随着我们在材料科学，特别是纳米材料和刺激响应材料方面的不断进步，智能疏水涂层的可能性几乎是无限的。未来的油漆和涂料可能不仅仅是一个漂亮的表面。其中许多将是智能的功能性材料，能够对周围的环境做出反应并改变环境。

通过罗伯特·该隐，雷切尔·克雷布斯，Ram Lalgudi，博士,史蒂文·里瑟尔，博士学位。，巴特尔，哥伦布，OH

参考文献

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