Bề mặt siêu kỵ nước có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chống thấm, chống sương mù, tự làm sạch, chống ăn mòn, chống đóng băng và giảm khả năng cản dòng chảy do đặc tính độc đáo của chúng. Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt các lớp phủ siêu kỵ nước có độ bền cao, chi phí thấp, độ độc thấp, dễ thi công và bền vẫn còn là một thách thức.
Trong tự nhiên, có rất nhiều vật liệu canxi cacbonat có tính chất cơ học vượt trội và thành phần đơn giản đã thu hút được sự quan tâm rộng rãi của các nhà khoa học. Dựa trên nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế tạo mầm và tăng trưởng của canxi cacbonat, đã đạt được quy định về khoáng hóa sinh học, có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chống bám bẩn, chống cặn, tự làm sạch và tách dầu-nước.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng năng lượng bề mặt thấp và cấu trúc thô là những yếu tố chính ảnh hưởng đến tính siêu kỵ nước và đây luôn là chủ đề nghiên cứu chính trong công nghệ biến đổi canxi cacbonat. Nói một cách đơn giản, hướng sửa đổi của canxi cacbonat là giảm năng lượng bề mặt và duy trì khả năng phân tán, đồng thời tăng góc tiếp xúc để đảm bảo tính kỵ nước.
Loại canxi cacbonat nào phù hợp hơn cho lớp phủ chức năng? Làm thế nào tôi có thể sửa đổi nó? Kết quả thực tế là gì?
Gu Weile và cộng sự đã tổng hợp hai dạng tinh thể khác nhau của bột canxi cacbonat, sau đó được trộn với polydimethylsiloxane năng lượng bề mặt thấp (PDMS) để phủ một lớp siêu kỵ nước lớp phủ. Chúng đã được thử nghiệm về khả năng tự làm sạch và khả năng chống va đập. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng khi liều lượng chất hoạt động bề mặt natri stearat (NaSt) và natri oleat (NaOL) là 5%, hiệu ứng biến tính và tính kỵ nước của canxi cacbonat là tốt nhất. Góc tiếp xúc của canxi cacbonat loại aragonit được biến tính bởi natri stearat 5% là 127,5 ° và góc tiếp xúc của canxi cacbonat loại canxit được biến tính bởi natri oleat 5% là 115,4 °. Nghiên cứu sâu hơn đã được tiến hành về tác động của các lượng canxi cacbonat tinh thể khác nhau đến tính kỵ nước của lớp phủ, với góc tiếp xúc lần lượt là 151,4 ° và 153,2 ° đối với lớp phủ canxi cacbonat loại canxit và aragonit. Cuối cùng, các đặc tính tự làm sạch và khả năng chống va đập của lớp phủ siêu kỵ nước đã được đánh giá. Kết quả cho thấy sau thử nghiệm va đập với giọt nước 500mL, góc tiếp xúc của hai lớp phủ siêu kỵ nước canxi cacbonat tinh thể vẫn duy trì ở mức trên 140°, duy trì tính kỵ nước tuyệt vời.
Cheng Yuan và nhóm của ông đã sử dụng canxi cacbonat (CCW) và nano canxi cacbonat (CCNP) làm chất độn để chuẩn bị lớp phủ siêu kỵ nước thông qua sửa đổi bề mặt bột, tối ưu hóa tỷ lệ lớp phủ, tham khảo “lớp sơn lót trên cùng” và phương pháp đánh bóng trong công nghệ xây dựng lớp phủ . Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi chịu 15 chu kỳ ma sát, góc tiếp xúc của lớp phủ có thể đạt tới 153,88 ° và góc lăn có thể đạt tới 9,20 °. Lớp phủ có khả năng tự làm sạch tuyệt vời và có thể dễ dàng sửa chữa.
Lớp phủ chức năng canxi cacbonat có thể được áp dụng cho những chất nền nào?
Chất xơ
Công nghệ phủ ướt sử dụng sợi polyamit phế thải là phương pháp chính để chuẩn bị hàng dệt tráng phủ như băng dệt có nhãn hiệu và cũng là một phương pháp quan trọng để tái chế vật lý sợi polyamit. Nó có chi phí sản xuất thấp và hiệu suất sản phẩm tuyệt vời. Canxi cacbonat là một loại bột vô cơ rẻ tiền, không độc hại và vô hại thường được sử dụng làm chất độn trong công nghệ phủ ướt sợi thải polyamit, có thể nâng cao độ dày, độ trắng và độ bền của lớp phủ bề mặt của băng dệt thương hiệu.
Lôi Bằng Phi và cộng sự. đã sử dụng phương pháp tổng hợp tại chỗ axit oleic để chuẩn bị chất độn phủ canxi cacbonat cho lớp phủ ướt polyamit. Góc tiếp xúc của màng phủ giảm 8,29 °, chiều dài mực của vải tráng giảm 10,42mm và giá trị pH của vải tráng giảm xuống 7,27. Khả năng hấp thụ mực được cải thiện và giá trị pH phù hợp hơn với tiêu chuẩn an toàn dệt may.
Jiang Jikang và cộng sự. đã sử dụng chất biến tính tổng hợp DOPO để ghép canxi cacbonat biến tính, đạt được độ phân tán đồng đều trong lớp phủ polyamit với cấu trúc lỗ rỗng của lớp phủ trong suốt và mịn. Độ pH của vải tráng trong môi trường ẩm ướt là 7,02, đáp ứng yêu cầu về môi trường. Thời gian hút mực là 89 giây, chiều dài mực là 53,4mm, mã vạch in rõ ràng, không bị vỡ, xếp hạng đạt mức A.
Chen Zhijie và cộng sự. đã sử dụng các thành phần chống cháy phốt pho silicon trong các bộ điều chỉnh khớp nối để tăng cường khả năng phân tán và mang lại cho nó chức năng chống cháy bằng cách tạo ra một lớp phủ polyamit mịn và phẳng, xốp và mỏng trên vải. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng canxi cacbonat biến tính có tính ưa mỡ tốt và vải phủ polyamit 6 của nó có tác dụng chống cháy tốt.
Bê tông
Công nghệ phủ bề mặt là biện pháp hữu hiệu nhằm nâng cao độ bền của bê tông, và lớp phủ siêu kỵ nước với đặc tính chống thấm, chống đóng băng, tự làm sạch hiện đang là một trong những điểm nóng được nghiên cứu.
Xu Huafeng và cộng sự. đã sử dụng polydopamine để tạo ra quá trình khoáng hóa canxi cacbonat trên bề mặt bê tông và khử các ion bạc tại chỗ thành bạc nano, nhằm tạo ra các cấu trúc thô hỗn hợp micro nano. Họ kỵ nước đã biến đổi chúng bằng silane năng lượng bề mặt thấp để thu được lớp phủ siêu kỵ nước sinh học canxi cacbonat có chức năng. Kết quả cho thấy trong cả môi trường nước biển bình thường và mô phỏng, lượng hấp thụ nước của các mẫu phủ composite giảm lần lượt là 90,3% và 93,44% so với các mẫu chưa được xử lý, thể hiện đặc tính chống thấm và không thấm nước tốt. Sau nhiều lần ma sát mẫu lớp phủ composite trên bề mặt giấy nhám với khoảng cách tương đương 5 mét, góc tiếp xúc của lớp phủ vẫn lớn hơn 140°, giảm chỉ 6,87%, thể hiện khả năng chống mài mòn tốt.
Để cải thiện khả năng chống ăn mòn và ô nhiễm của các tòa nhà bằng đá sa thạch ngoài trời, Wen Yaping et al. đã tổng hợp lớp phủ biến tính axit béo gốc canxi cacbonat sử dụng canxi cacbonat làm vật liệu cơ bản và axit béo làm vật liệu biến tính kỵ nước thông qua phản ứng pha lỏng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng kích thước hạt trung bình của canxi cacbonat vaterite biến đổi axit octadecanoic là tương đối lớn (31nm), và độ nhám bề mặt của đá sa thạch rất khác nhau. Góc kỵ nước có thể đạt tới 119 °, mức độ chống ô nhiễm là 5 và tốc độ hấp thụ nước chỉ là 1,0%. So với các mẫu đá sa thạch được xử lý bằng lớp phủ không biến tính, nó cải thiện hiệu quả khả năng chống ô nhiễm bề mặt của đá sa thạch.
Thủy tinh
Yuan Zhiqing và cộng sự. đã phát triển một phương pháp đơn giản và khả thi để điều chế polydimethylsiloxane (PDMS)/CaCO3 dựa trên lớp phủ siêu kỵ nước. Lớp phủ thu được có thể được áp dụng cho các chất nền khác nhau, chẳng hạn như giấy kraft, tấm kính và tấm đồng. Sau khi phủ lên bề mặt thủy tinh và sấy khô ở nhiệt độ phòng, góc tiếp xúc của bề mặt lớp phủ có thể đạt tới 160 ° và góc trượt nhỏ hơn 3 °. Thử nghiệm cắt cho thấy lớp phủ P3 siêu kỵ nước có khả năng chống cắt và bám dính cơ học cao, đồng thời có thể thu được bề mặt siêu kỵ nước ổn định. Các thí nghiệm ngoài trời đã chỉ ra rằng việc chuẩn bị lớp phủ tự làm sạch bằng nhựa silicone và canxi cacbonat biến tính bằng axit stearic có thể giữ lại hơn 85% độ trong suốt của tấm kính, với góc tiếp xúc khoảng 110 ° và hiệu suất chống sương mù tốt. Sau khi phơi ngoài trời 4 tháng, hiệu suất tự làm sạch về cơ bản không bị hư hại.
Kim loại
Hiện nay, hành vi tự làm sạch của vật liệu tấm ốp tường đang được quan tâm rất nhiều và hành vi tự làm sạch này thường có thể đạt được bằng cách xây dựng các bề mặt kỵ nước. Liu Changyang và cộng sự đã lắng đọng đồng đều một lớp màng canxi cacbonat dày khoảng 20 micron trên bề mặt hợp kim magiê neodymium, cải thiện khả năng chống ăn mòn của hợp kim trong chất lỏng lỗ rỗng bê tông mô phỏng có chứa ion clorua. Việc sử dụng perfluorodecyltriethoxysilane cho hóa chất Việc sửa đổi các mẫu phủ có thể tăng cường khả năng tự làm sạch của chúng.
Hiện nay, đã có những trường hợp ứng dụng lớp phủ chức năng canxi cacbonat trong nhiều lĩnh vực như bao bì, bộ đồ ăn, vật liệu xây dựng, vật liệu thân thiện với môi trường, dệt may, sơn phủ, dược phẩm, v.v. Với nhu cầu giảm chi phí và nâng cao hiệu quả trong các doanh nghiệp ngày càng tăng, việc ứng dụng lớp phủ chức năng canxi cacbonat sẽ ngày càng trở nên phổ biến trong tương lai và công nghệ ứng dụng sẽ dần trưởng thành.