КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПРИДАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СВОЙСТВ САМООЧИЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ЛОТОСА
COMPOSITION FOR GIVING SURFACE PROPERTIES OF SELF-CLEANING BASED ON LOTUS EFFECT

Изобретение относится к области химической технологии получения лакокрасочных материалов, а именно материалов способных к самоочищению за счет свойств обеспечивающих возникновение эффекта лотоса. Изобретение может найти применение в тех областях техники где необходимо придание поверхности свойств самоочищения, а также в бытовом применении например для обработки стекол и кузова автомобиля.
Эффект лотоса - эффект практически полной несмачиваемости поверхности твердого тела жидкостью, возникающий из-за особенностей рельефа данной поверхности на микро- и наноуровне, приводящих к снижению площади контакта жидкости с поверхностью данного тела.
Природное явление плохой смачиваемости водой и, как следствие, эффект самоочистки поверхности наблюдается для листьев и цветков ряда растений, таких, как лотос, люпин и др., а также крыльев насекомых. При помощи электронной микроскопии было обнаружено, что подобные поверхности имеют особый рельеф в виде «шипов», образованных гидрофобными веществами. Капля воды на такой поверхности имеет малую площадь соприкосновения (менее 1% от всей площади капли), не может удерживаться на ней и скатывается, унося с собой пыль, сажу, споры грибов и другие загрязнения поверхности, что и приводит к эффекту самоочищения.
В настоящее время известно большое количество лакокрасочных материалов, обладающих свойством самоочищения благодаря эффекту лотоса.
2
2
2
3
2
2
Известно самоочищающееся лакокрасочное покрытие, содержащее базовый слой лака, и верхний слой, содержащий частицы. Верхний слой имеет структурированную поверхность возвышенностей и углублений, образованных частицами, которые имеют средний диаметр менее 100 нанометров, высота которых меньше 50 нм, поверхность или верхний слой которых по крайней мере частично гидрофобные и где весовое соотношение системы связующего и частиц может варьироваться от 1:50 до 10:1. В качестве частиц используются оксиды из ряда SiO, ТiO, АlО, ZrO, SnO, и их комбинации, а в качестве связующего верхнего слоя - фторсодержащие алкоксисиланы и алкоксисилоксаны [1].
2
2
3
2
Известна композиция, включающая наночастицы оксидов металлов (TiO, АlО, SiO, ZnO), имеющие размер частиц менее 300 нм и гидрофобный модификатор поверхности (фторполимеры, фторсодержащие модификаторы, алкоксисиланы, алкоксисилоксаны) [2]. Известен состав содержащий коллоидный кремнезем, с размерами частиц от 7 до 26 нм и силиконовую жидкость (например, декаметилциклопентасилоксан) [3].
Описан [4] ЛКМ образующий покрытие, где в качестве связующего выступает полиметилметакрилат, а в качестве частиц образующих специфический рельеф используются частицы пирогенного оксида кремния марки Aerosil R 974.
Существует материал, получаемый согласно [4], где в качестве связующего используется УФ-стабильные гидрофобные полимеры класса полисилоксанов, а в качестве частиц образующих специфический рельеф используются гидрофобные частицы оксидов титана, цинка, обработанные для придания гидрофобности органосиланами, алкилсиланами, фторированными силанами или дисилазанами.
Известна композиция [5], представляющая собой смесь продуктов полного гидролиза тетраэтоксисилана, растворителя (этанола), гидрофобизирующего агента (полидиметилсилоксана) и связующего (эпоксидной смолы)).
Рассмотренные выше лакокрасочные материалы способные придавать обрабатываемой поверхности свойства самоочищения за счет проявления эффекта лотоса, представляют собой заранее синтезированные наноразмерные частицы и связующие. Недостатками этих материалов является то, что они склонны к агрегации частиц при хранении, и образуют достаточно толстые пленки которые различимы визуально. По этой причине в ряде случаев их применение может быть ограниченным. Кроме того, образуемые ими покрытия относительно не устойчивы к внешним механическим воздействиям.
17-46
Наиболее близким аналогом заявляемого состава является материал марки 6СФК-180-05 [6]. Материал представляет собой раствор амидов и эфиров перфторполиоксаалкиленсульфо- или перфторполиоксаалкиленкарбоновых кислот из ряда C в органическом растворителе (смеси Хладона-113 и изопропилового спирта), и помимо прочих областей применения он может быть применен для придание поверхности свойств самоочищения за счет резкого снижения энергии ее поверхности и придание ей гидрофобных свойств. Механизм действия материала [6] основан в образовании на обрабатываемой поверхности чрезвычайно устойчивых к внешним факторам молекулярных пленок Ленгмюра-Блоджета. При этом молекулярные пленки могут быть образованы практически на любой защищаемой поверхности, без какого либо изменения ее внешнего вида.
Недостаток материала [4] состоит в том, что его действие основано только на одном из физических явлений обеспечивающих возникновения эффекта лотоса, а именно на придании поверхности гидрофобных свойств. Это в свою очередь снижает эффективность его применения для придания поверхности самоочищающихся свойств.
17-46
Техническим результатом заявленного изобретения является то, что предлагаемая композиция помимо раствора амидов и эфиров перфторполиоксаалкиленсульфо- или перфторполиоксаалкиленкарбоновых кислот из ряда С в органическом растворителе содержит структурообразующий компонент, образующий специфический нанорельеф поверхности обеспечивающий в сочетании с повышенной гидрофобностью реализацию эффекта лотоса. Придание поверхности специфического нанорельефа значительно повышает эффективность применения предлагаемой композиции для придания самоочищающихся свойств обрабатываемой поверхности.
17-46
Технический результат достигается за счет того, что композиция для придания поверхности свойств самоочищения на основе эффекта лотоса содержащая гидрофобизирующий компонент амиды и эфиры перфторполиоксаалкиленсульфо- или перфторполиоксаалкиленкарбоновых кислот из ряда С растворенную в органическом растворителе фреоне, изопропаноле или их смеси, дополнительно содержит структурообразующий компонент выбранный из ряда: органорастворимый силиказоль с размерами частиц 3-18 нм, тетрабутоксититан, тетраизопропоксититан, тетраэтоксисилан или продукты его частичного гидролиза, причем массовое соотношение гидрофобизирующего и структурообразующего компонента находится в пределах от 100:(0-7), а концентрация гидрофобизируещего компонента в растворителе составляет 0-8 мас.%.
Приготовление композиции осуществляется простым смешением ее компонентов. Механизм действия заявляемой композиции состоит в следующем: после нанесения композиции на обрабатываемую поверхность происходит испарение растворителя и адсорбирование молекул гидрофобизирующего компонента. В результате адсорбции гидрофобизирующего компонента на обработанной поверхности образуются молекулярные пленки Ленгмюра-Блоджета, придающие поверхности гидрофобные свойства. В случае если композиция содержит в качестве структурообразующего агента органорастворимый силиказоль с размерами частиц 3-18 нм частицы силиказоля оказываются включенными в состав молекулярной пленки Ленгмюра-Блоджета и удерживаются силами адсорбции, образуя тем самым требуемый нанорельеф, обеспечивающий возникновение эффекта лотоса. В случае, если композиция содержит в качестве структурообразующего агента тетрабутоксититан, тетраизопропоксититан, тетраэтоксисилан или продукты его частичного гидролиза, образование нанорельефа происходит следующим образом. При нанесении композиции на обрабатываемую поверхность происходит испарении растворителя и одновременный гидролиз указанных соединений за счет реакции с парами воды содержащихся в воздухе. В результате гидролиза образуются, в зависимости от исходного гидролизуемого вещества, наночастицы оксида кремния или оксида титана, создающие необходимый нанорельеф. Образованные наночастицы составляют единое целое с образованной пленкой Ленгмюра-Блоджета и удерживаются силами адсорбции.
На основе предлагаемых решений были синтезированы несколько вариантов предлагаемой композиции для придания поверхности свойств самоочищения. Некоторые из возможных рецептур композиции приведены ниже. При этом возможны любые другие варианты рецептуры, отвечающие приведенному описанию патентуемой композиции, поскольку во всех случаях будет происходить образование гидрофобной поверхности со специфическим нанорельефом. Композиции готовились путем смешения указанных компонентов. Все покрытия наносились на стеклянную подложку, после их высыхания был измеряй краевой угол смачивания, который во всех случаях составлял менее 1°.
Пример 1
17-46
Смесь эфиров перфторполиоксаалкиленкарбоновых кислот С - 1%
Изопропанол - 98,93% Тетрабутоксититан - 0,07%
Пример 2
17-46
Смесь эфиров перфторполиоксаалкиленсульфокарбоновых кислот С - 8%
Изопропанол - 82,6%
Фреон (например, марки «Хладон 113») - 9%
Тетраэтоксисилан - 0,4%
Пример 3
17-46
Смесь амидов перфторполиоксаалкиленкарбоновых кислот С - 4%
Фреон (марки «Хладон 113») тетраизопропоксититан - 95,76%
Тетраизопропоксититан - 0,24%
Пример 4
17-46
Смесь амидов перфторполиоксаалкиленсульфокарбоновых кислот С - 2%
Изопропанол - 89,92%
Фреон (марки «Хладон 113») - 8%
Продукт частичного гидролиза тетраэтоксисилана (например промышленно выпускаемый Этилсиликат-40) - 0,08%
Пример 5
17-46
Смесь эфиров перфторполиоксаалкиленсульфокарбоновых кислот C - 0,2%
Изопропанол - 87,784%
Фреон (марки «Хладон 113») - 12%
Органорастворимый силиказоль с размерами частиц 3-18 нм (растворитель - изопропанол, концентрация наночастиц кремнезема - 34%) - 0,016%
Таким образом, вышеприведенные данные подтверждают достоверность заявленного технического результата.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки на изобретение
1. United States Patent №7544411,06/09/2009
2. United States Patent №719604303/27/2007
3. United States Patent №7732497 06/08/2010
4. United States Patent Application №20030147932 08/07/2003
5. United States Patent №7744953 06/29/2010
6. ТУ №6-02-1229-82 (прототип)