新型涂料是通过一种新的方法来选择100%固体可聚合的低聚物和单体以及特定的纳米材料添加剂。该涂层具有独特的性能组合，并在低成本多孔基质上显著降低透水率和透气性。例如，在滤纸上，气体传输减少了200倍，水传输几乎被消除。除了在当前OEM产品上的许多用途外，该技术还为电子、包装和标签材料方面的新产品提供了一个平台。
背景
供应给全球60亿美元OEM产品表面处理市场的绝大多数涂料由溶剂型涂料、水溶性(乳胶或减水性)涂料、电沉积涂料和粉末涂料组成。自20世纪70年代以来，这些体系中的大量配方变化都是由大幅减少VOC排放的立法要求所驱动的。粉末涂料的使用急剧增长，因为这种方法消除了VOC的排放。高固体，溶剂型体系随着水性涂料的改进而发展，以降低VOC水平。uv固化涂料系统正在兴起，并在木地板、光纤电缆和光刻应用中占据重要的市场地位。然而，虽然这些进步有助于减少VOC的排放，但没有一个在消除VOC和大幅降低能源需求方面具有优势。例如，虽然粉末涂料消除了溶剂的排放，但需要大量的能量来融合粉末，并且基材必须有足够的导电性来允许粉末的静电应用。在本文所述技术的发展中达到顶峰的研究起源于20世纪90年代初，当时公司的创始人(Sally Ramsey)开始寻找当时传统涂料的替代品。最初的开发前提是(1)除活性成分外不使用溶剂，(2)不使用HAPs，(3)最大限度地减少能源需求，(4)最大限度地减少工厂占地面积的使用。
制定方案
在比较各种系统的潜力时，每种系统都具有选择最佳目标时需要考虑的基本特征。具体地说，任何种类的液体系统大致上是由成膜剂(树脂或乳胶)、颜料(用于着色和隐藏)、添加剂(粘度控制、防腐等)和分散前者的载体(水或碳氢化合物溶剂)的组合组成，如图1所示。由于许多树脂与水不相容，它们作为载体的使用仅限于乳液，如乳胶或水还原系统，这些乳液使用助溶剂(有机)来实现与有限树脂的水相容性。在所有情况下，需要在应用和薄膜性能要求之间做出妥协，这可能导致高粘度(难以应用)产品，需要加热涂层(和泵管线)才能正确使用。这是因为相对高分子量的树脂，如聚硅烷，环氧树脂和聚氨酯，结合官能团，通常用于实现固化膜性能的必要组合(硬度，柔韧性，水分或耐化学性等)。另一种选择是采用两包反应体系，具有较低的粘度，易于应用。然而，这些系统通常在第二个包装中使用交联材料，可能会造成吸入危险，在使用过程中需要使用供风呼吸器进行个人保护。
上述系统中的绝大多数都与溶剂排放有关。许多需要高温烘焙循环来强制干燥涂层，以避免长时间的生产滞后，常见的空气干燥。此外，任何溶剂排放通常需要加力燃烧器焚烧。焚烧会以二氧化碳的形式产生第二种碳排放源;在全球变暖引发担忧的时代，这样的排放越来越不受欢迎。
新配方范例1
鉴于上述背景，配方活动是针对uv固化系统的修改，以满足前面提到的目标。这种方法是由紫外线固化系统避免使用溶剂的感知能力决定的，因为它们是原位反应系统，通常可以在高速率(秒)下固化，并且可以加入高耐久性树脂。事实上，目前设计模式的初始前提是在使用丙烯酸、环氧树脂和脂肪族聚氨酯的产品中不使用溶剂(水或有机溶剂)。有了这一点，粘附到裸露的金属被设定为获得广泛使用的初始任务。这种情况下的模式转变是避免使用中大分子量聚合物(树脂和某些低聚物)，实际上，在配方开始时使用小分子聚合物(单体和一些低聚物)，以实现初始关键功能，如在这种情况下粘附到裸金属，然后根据需要添加额外的单体，建立所需的薄膜性能组合。固化是使用不饱和交联功能，如丙烯酸酯基团。由于使用的低分子量低聚物和单体约100至几千道尔顿，与低聚物和树脂超过1000至10,000道尔顿或更高的树脂相比，它们通常是低粘度(20-500 cps)的溶液。因此，这种新设计范式的组成很容易应用于常见的工艺，包括HPLV, HPLV涡轮，轧辊和窗帘涂布机。更重要的是，图2所示的方法消除了对有机溶剂的需要，只有非常少量的光引发剂在使用uv光源固化后成为最终薄膜的一部分。
Nanoparticle-Enabled配方
这种范式转变扩展到颜料和其他颗粒添加物的使用，这些颗粒添加物被纳入丙烯酸酯或其他载体分散体。这避免了通常与使用整齐的颜料添加物相关的颜料团聚，也导致了分散的长期持久性，即较长的包装保质期。这些纳米产品配方已经获得了五项美国专利，另有几项申请正在申请中。颜料和其他颗粒的添加在相对广泛的颗粒尺寸范围内，从几微米到纳米颗粒(小于20纳米)，可以包括二氧化硅，氧化铝和二氧化钛等。这种颗粒尺寸的组合可以增强基底的覆盖范围，如裸露的铝、铬和黄铜金属。此外，颗粒尺寸明显增加了扩散路径和伴随膜的势垒特性。具体来说，与许多传统涂料相比，使用这种配方方法的涂料表现出了优越的附着力和防潮能力。
独特的阻隔特性2
通过在含有各种形状、官能团和极性的单体的配方中使用纳米颗粒，已经创建了大量的屏障性能。各种各样的环状物，脂肪族和芳香族，可以结合起来以有趣的方式填充空间。由纳米粒子填充的空间似乎也是一个关键因素。在某些情况下，特别是当光学清晰度不要求时，也可以使用微米和亚微米大小的颗粒。涂层应用剂量(重量或厚度)也可以改变以产生一系列的阻隔效果。使用上述配方概念在纸上创建屏障的产品显示出许多这些效果。例如，极性更强、亲水性更强的组分可以提高可写性。这种涂层的某些形式还含有较大的色素颗粒。表1中的数据说明了不同剂量可能产生的影响。所使用的纸张基材是定性实验室滤纸。样品是用拉丝法制作的。
“通过100毫升空气的时间”被认为是相对涂层厚度的替代品，因此透气性数据显示，随着“通过100毫升空气的时间”次数的增加，其速率会下降。此外，涂层将空气渗透性从6倍降低到200倍，这可能取决于厚度。样品1和5的氧透射值被描述为在高密度聚乙烯(HDPE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETP)之间，并且可能会随着薄膜厚度和均匀性的改善涂层条件而得到改善。样品1和5的水汽透射率非常低，并且在优化的涂层条件下也有望得到改善。
一所主要的研究型大学已经开发了一种查塔姆生长的测试方案。因此，样品被提交给大学，以确定涂层干墙样品对沙姆氏菌生长的一般抗性。所有制备的样品以及一组未涂布的对照均经过高压灭菌，以消除意外污染的可能性，然后接种沙姆菌并允许其生长。没有涂层的墙板样品显示霉菌生长，而未涂层的样品有。因此，这些涂层配方在这些试验中抑制了沙参的生长。
特性性能
透明硬涂层产品使用精心挑选的单体和纳米颗粒，形成独特的薄膜性能组合。其中最主要的是对硬铬、铝和某些工程塑料等通常难以粘附的表面的优异附着力，以及硬度、抗划伤性和光学清晰度。聚碳酸酯薄膜的代表性数据见表2。
各种各样的透明或着色涂料已经设计和评估使用。这些包括图4中所示的组件，其中钢支架的薄膜性能列在表3中。
涂层的特点
这些产品被设计成无需有机(或水)溶剂即可使用。具体来说，它们的粘度根据产品的不同从20到500 cps不等。因此，它们可以与常规和静电喷涂设备(喷涂，滚涂或流动涂布机)一起使用，而不需要加热的锅或线。使用适当的颜料和UV灯，可以制作各种不透明的颜色。此外，液体产品的保质期为一年或更长时间。
应用实例
包装和标签此外，对于防霉产品，将对水和几种化学物质的阻隔性能与可写性结合起来，应用于各种产品，包括“防水”信封和安全医疗标签。此外，结合屏障和粘附特性的新标签概念可以消除通常用于创建印刷标签的载体薄膜。另一个正在开发的概念是为一次性服务用品等可生物降解产品提供短期保护屏障。此外，该技术有望用于食品包装，减少水和空气渗透可以延长包装的保质期。
电子产品
薄膜介电能力的初步测量表明，涂布纸基板可以用于消费电子基板(RFID)或柔性显示器，目前使用的是成本较高的基板，如聚乙烯。此外，硬涂层产品有望在保护透明(OLED)显示器表面方面发挥潜力。最后，基于非晶硅和柔性载体上的印刷电子器件的光伏显示器(PVD)新技术正在兴起。在这两种情况下，都需要与这些PVD阵列上设想的柔性保护层兼容的屏障涂层。
金属和塑料组合
由于该配方不含有机溶剂，并且在不加热的情况下固化，因此可以应用于塑料而不损坏产品。因此，由金属和塑料部件组成的产品可以在相同的操作中涂覆和固化。
可写金属表面
已经证明，纳米涂层将粘附在大多数金属表面，并创建一个可以用记号笔、钢笔或铅笔书写的透明或彩色表面。值得注意的是，由于涂层表面的性质，如果书写工具有永久墨水或介质，与在裸露的金属上书写相比，书写的图像非常持久。因此，通过在精加工操作中采用简单的涂层工艺，可以方便地识别钥匙、工具或其他金属物体。
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