Le superfici superidrofobiche hanno un'ampia gamma di applicazioni in vari campi, come impermeabilizzazione, anti-appannamento, auto-pulizia, resistenza alla corrosione, anti-ghiaccio e riduzione della resistenza al flusso grazie alle loro proprietà uniche. Tuttavia, la produzione in serie di rivestimenti superidrofobi a basso costo, a bassa tossicità, facili da applicare e durevoli rimane una sfida.
In natura, esiste un vasto numero di materiali di carbonato di calcio con proprietà meccaniche superiori e componenti semplici che hanno suscitato un vasto interesse tra gli scienziati. Sulla base di ricerche approfondite sui meccanismi di nucleazione e crescita del carbonato di calcio, è stata raggiunta la regolazione della biomineralizzazione, che ha ampie applicazioni in campi quali anti-fouling, anti-scaling, autopulente e separazione olio-acqua.
Numerosi studi hanno dimostrato che la bassa energia superficiale e la struttura ruvida sono i principali fattori che influenzano la superidrofobicità, e questi sono sempre stati i principali argomenti di ricerca nella tecnologia di modifica del carbonato di calcio. In parole povere, la direzione della modifica per il carbonato di calcio è quella di ridurre l'energia superficiale e mantenere la disperdibilità, aumentando al contempo l'angolo di contatto per garantire l'idrofobicità.
Quale tipo di carbonato di calcio è più adatto per i rivestimenti funzionali? Come posso modificarlo? Qual è il risultato effettivo?
Gu Weile et al. synthesized two different crystal forms of calcium carbonate powder, which were then blended with low surface energy polydimethylsiloxane (PDMS) to coat a superhydrophobic coating. They were tested for their self-cleaning ability and impact resistance. Experiments have shown that when the dosage of sodium stearate (NaSt) and sodium oleate (NaOL) surfactants is 5%, the modification effect and hydrophobicity of calcium carbonate are the best. The contact angle of aragonite type calcium carbonate modified by 5% sodium stearate is 127.5 °, and the contact angle of calcite type calcium carbonate modified by 5% sodium oleate is 115.4 °. Further research was conducted on the effect of different amounts of crystalline calcium carbonate on the hydrophobicity of coatings, with contact angles of 151.4 ° and 153.2 ° for calcite and aragonite type calcium carbonate coatings, respectively. Finally, the self-cleaning and impact resistance properties of superhydrophobic coatings were evaluated. The results showed that after a 500mL water droplet impact test, the contact angle of the two crystalline calcium carbonate superhydrophobic coatings remained above 140 °, maintaining excellent hydrophobicity.
Cheng Yuan e il suo team hanno utilizzato whiskers di carbonato di calcio (CCW) e nano carbonato di calcio (CCNP) come riempitivi per preparare rivestimenti superidrofobici tramite modifica della superficie della polvere, ottimizzazione del rapporto di rivestimento, riferimento al "primer topcoat" e metodi di lucidatura nella tecnologia di costruzione del rivestimento. La ricerca ha dimostrato che quando sottoposto a 15 cicli di attrito, l'angolo di contatto del rivestimento può raggiungere 153,88 ° e l'angolo di rotolamento può raggiungere 9,20 °. Il rivestimento ha eccellenti capacità autopulenti e può essere facilmente riparato.
Su quali substrati possono essere applicati i rivestimenti funzionali in carbonato di calcio?
Fibra
La tecnologia di rivestimento a umido che utilizza fibre di poliammide di scarto è il metodo principale per preparare tessuti rivestiti come nastri intrecciati di marca ed è anche un modo importante per il riciclaggio fisico delle fibre di poliammide. Ha bassi costi di produzione ed eccellenti prestazioni del prodotto. Il carbonato di calcio è una polvere inorganica economica, non tossica e innocua comunemente utilizzata come riempitivo nella tecnologia di rivestimento a umido delle fibre di poliammide di scarto, che può migliorare lo spessore, la bianchezza e la resistenza del rivestimento superficiale dei nastri intrecciati di marca.
Lei Pengfei et al. hanno utilizzato il metodo di sintesi in situ dell'acido oleico per preparare il riempitivo di rivestimento in carbonato di calcio per il rivestimento umido in poliammide. L'angolo di contatto del film di rivestimento è diminuito di 8,29 °, la lunghezza dell'inchiostro del tessuto rivestito è diminuita di 10,42 mm e il valore del pH del tessuto rivestito è diminuito a 7,27. L'assorbimento dell'inchiostro è migliorato e il valore del pH era più in linea con gli standard di sicurezza tessile.
Jiang Jikang et al. hanno utilizzato un modificatore sintetico DOPO per innestare carbonato di calcio modificato, ottenendo una dispersione uniforme nei rivestimenti in poliammide con strutture dei pori di rivestimento trasparenti e soffici. Il pH del tessuto rivestito in un ambiente umido è 7,02, che soddisfa i requisiti ambientali. Il tempo di assorbimento dell'inchiostro è di 89 secondi, la lunghezza dell'inchiostro è di 53,4 mm, il codice a barre stampato è trasparente e privo di rotture e la valutazione raggiunge un livello A.
Chen Zhijie et al. hanno utilizzato componenti ignifughi al fosforo di silicio in modificatori di accoppiamento per migliorare la dispersione e dotarla di funzione ignifuga costruendo un rivestimento in poliammide liscio e piatto, poroso e sottile sul tessuto. La ricerca ha dimostrato che il carbonato di calcio modificato ha una buona lipofilia e il suo tessuto rivestito in poliammide 6 ha un buon effetto ignifugo.
Calcestruzzo
La tecnologia di rivestimento superficiale è una misura efficace per migliorare la durabilità del calcestruzzo e i rivestimenti superidrofobici con proprietà impermeabili, antighiaccio e autopulenti sono attualmente uno dei temi più caldi della ricerca.
Xu Huafeng et al. hanno utilizzato la polidopamina per indurre la mineralizzazione del carbonato di calcio sulla superficie del calcestruzzo e ridurre gli ioni d'argento in situ in nano argento, al fine di costruire strutture ruvide micro nano composite. Le hanno modificate idrofobicamente con silano a bassa energia superficiale per ottenere rivestimenti superidrofobici biomimetici di carbonato di calcio funzionalizzati. I risultati hanno mostrato che in ambienti di acqua di mare normali e simulati, il volume di assorbimento d'acqua dei campioni di rivestimento composito è diminuito rispettivamente di 90,3% e 93,44% rispetto ai campioni non trattati, dimostrando buone proprietà impermeabili e impermeabili. Dopo ripetute frizioni del campione di rivestimento composito sulla superficie della carta vetrata per una distanza equivalente di 5 metri, l'angolo di contatto del rivestimento è ancora maggiore di 140°, con una diminuzione di soli 6,87%, dimostrando una buona resistenza all'usura.
Per migliorare la resistenza anticorrosione e all'inquinamento degli edifici in arenaria esterna, Wen Yaping et al. hanno sintetizzato un rivestimento modificato con acidi grassi a base di carbonato di calcio utilizzando carbonato di calcio come materiale di base e acidi grassi come materiali di modifica idrofobici tramite reazione in fase liquida. La ricerca ha dimostrato che la granulometria media del carbonato di calcio vaterite modificato con acido ottadecanoico è relativamente grande (31 nm) e la rugosità superficiale dell'arenaria varia notevolmente. L'angolo idrofobico può raggiungere 119 °, il livello di resistenza all'inquinamento è 5 e il tasso di assorbimento dell'acqua è solo 1,0%. Rispetto ai campioni di arenaria trattati con rivestimento non modificato, migliora efficacemente la resistenza all'inquinamento superficiale dell'arenaria.
Bicchiere
Yuan Zhiqing et al. hanno sviluppato un metodo semplice e fattibile per preparare polidimetilsilossano (PDMS)/CaCO3 basato su rivestimenti superidrofobici. Il rivestimento ottenuto può essere applicato a diversi substrati, come carta kraft, vetrini e lastre di rame. Dopo il rivestimento su un substrato di vetro e l'essiccazione a temperatura ambiente, l'angolo di contatto della superficie del rivestimento può raggiungere i 160° e l'angolo di scorrimento è inferiore a 3°. Il test di taglio mostra che il rivestimento superidrofobico P3 ha un'elevata resistenza al taglio meccanico e adesione e può ottenere una superficie superidrofobica stabile. Esperimenti all'aperto hanno dimostrato che la preparazione di rivestimenti autopulenti utilizzando resina siliconica e carbonato di calcio modificato con acido stearico può mantenere più di 85% della trasparenza dei pannelli di vetro, con un angolo di contatto di circa 110° e buone prestazioni antiappannamento. Dopo essere stati esposti all'aperto per 4 mesi, le prestazioni autopulenti non sono sostanzialmente danneggiate.
Metallo
At present, the self-cleaning behavior of wall panel materials is highly concerned, and this self-cleaning behavior can usually be achieved by constructing hydrophobic surfaces. Liu Changyang et al. uniformly deposited a layer of calcium carbonate film about 20 microns thick on the surface of magnesium neodymium alloy, improving the corrosion resistance of the alloy in simulated concrete pore fluids containing chloride ions. The use of perfluorodecyltriethoxysilane for chemical modification of coated samples can enhance their self-cleaning ability.
Attualmente, ci sono stati casi di applicazione di rivestimenti funzionali di carbonato di calcio in molti campi come imballaggi, stoviglie, materiali da costruzione, materiali ecocompatibili, tessuti, rivestimenti, prodotti farmaceutici, ecc. Con la crescente domanda di riduzione dei costi e miglioramento dell'efficienza nelle imprese, l'applicazione di rivestimenti funzionali di carbonato di calcio diventerà sempre più diffusa in futuro e la tecnologia di applicazione maturerà gradualmente.