涂料行业已经发生了巨大的变化自1950年代以来,在有机溶剂性涂料逐渐取代水性乳液乳胶聚合物涂料。水性涂料为健康和环境提供巨大的优势,但仍然存在挑战的涂层性能,包括抗水性、稳定性和表面硬度。克服这些挑战的主要障碍躺在干燥前后所需的属性的矛盾。例如,它是有益的对乳胶粒子被吸引到水(亲水)来维持稳定的分散应用之前涂层表面。然而,相反的是所需的涂层被应用和干后,当水抵抗性(疏水性)是必需的。因此,一个解决方案,可以创建一个疏水表面干燥后需要在剩下的主要是亲水性色散使水性涂料技术更多功能。

另一个例子是影响树脂的玻璃化转变温度(Tg)。为提高成膜在干燥过程中,低Tg所需。然而,对于提高表面硬度油漆干后,高Tg是必需的。一个潜在的解决方案是将一层high-Tg粘结剂粒子的表面膜层硬度提高,同时保持较低的大多数散装颗粒粘结剂Tg良好的成膜性能。最近发展的小说Janus粒子添加剂提供了应对这些挑战的承诺通过一个独特的简述自分过程。

爱荷华州立大学最近的研究已经开发出一种创新的涂料添加剂制成的两亲性Janus粒子可以改变表面性能的水性涂料系统。¹Janus粒子命名的古罗马神,有不同的化学成分单粒子的每一面。这意味着,一个粒子的一侧是疏水亲水而另一侧。图1显示了杰纳斯粒子结构。与亲水性粘合剂混合粒子时,Janus迅速迁移到粒子表面的涂层,这一过程被称为“积极简述自分。“一旦分层,亲水的一半Janus粒子将继续坚持活页夹,其余的涂层。疏水一半所面临的空中接口,创建一个完美的单层干燥的涂层表面。因此,涂层的表面有不同的属性比散装(耐水)。因此,这个新的添加剂提供了一个有效的和可伸缩的解决方案直接改变涂料层的表面性质不改变大部分材料。188金宝搏bet官网这将有助于解决的许多问题在当前水性涂料技术。

实验

我们发现的独特的“积极简述自分”行为Janus粒子和成功创建持久的疏水性涂料。我们合成的新颖性在于Janus的精细控制粒子的大小和形态通过改变溶剂和表面活性剂浓度用于种子乳液聚合,使我们能够获得两亲性Janus粒子大小不同。因此,当Janus粒子添加剂和粘合剂混合粒子或商业引物,self-stratifying效应。Janus粒子大力积累在快速动力学、空气与接口与疏水性定向向空中。自Janus粒子坚持强烈的亲水性粘合剂粒子,这个新系统解决了弱传统疏水性涂料的附着力问题。我们的合成方法是符合经济和可伸缩的乳液聚合技术,已广泛采用了涂料行业。188BET竞彩

如图2所示,我们的方法Janus粒子制定作为一个简单的插入的添加剂,可以直接应用于水性乳胶涂料体系。这意味着我们的方法是完全兼容目前的商业产品。优点是显而易见的,不需要完全重新设计当前涂料体系,和制造商可以很快适应新方法通过添加Janus粒子在他们的产品线。

周围环境下混合涂料完全干后,从图3中我们可以看出,Janus粒子表面完全覆盖和改变surface-related涂料性能(图3 c)。从完全亲水表面涂层矩阵转换(水接触角~ 0°),这是由底漆颗粒充分疏水表面水接触角(~ 120°)。大部分材料的涂层膜188金宝搏bet官网保存,强调我们的技术的潜在优势:不需要使用一个典型的two-coat系统提高涂料性能,成本额外的时间、努力和材料。²

性能测试

本研究的目的是验证添加Janus粒子不会影响涂层的原始属性矩阵。有机溶剂(EtOH /四氢呋喃)被用来冲洗表面的涂层的电影。涂层均匀疏水粒子形成的电影(相同的表面化学Janus粒子)和粘结剂粒子被选为控制。横截面上的涂层的图片电影冲洗后在图4中清楚地表明,self-stratified涂层表面保持其结构完整性和表面疏水性是不变的。阻力亮点密集的完整性单层两亲性在简述自分Janus粒子形成过程和提供的附着力强磷酸盐粘结剂粒子。相比之下,控制样本并不拥有分层结构(图4 b)被毁在清洗溶剂(图4 d)。随机自疏水粒子均匀分散在活页夹矩阵,它们充当的缺陷,大大削弱了涂层完整性和附着力。

进一步测试Janus粒子与商业涂料产品的性能,Janus粒子被应用于一个共同的商业底漆。分层的成功证明了我们的方法的轻松集成到现有的产品。Janus粒子(干重的15%)直接添加到商业底漆。图5清楚显示简述自分Janus粒子表面的商业底漆涂层。自引物粘结剂粒子有一个玻璃化转变温度比室温低得多,他们形成一个连续的薄膜涂层干后。大部分的涂层表面满是self-stratified Janus粒子,和接触角增加从0°- 105°。力特征也表明,Janus粒子的表面形成后除了不太俗气,因为Janus粒子添加剂Tg远高于大部分粘结剂粒子。

结论

在这项研究中,我们将演示一种新的涂料添加剂制成Janus粒子。这些粒子可以在大量生产与成本效益的乳液聚合。更好的是,这些添加剂颗粒可以直接用于当前水性涂料系统。Janus粒子的数量相对较少,他们可以迅速self-stratify表面并创建持久的疏水涂层附着力强。这里演示的方法是经济和商业可伸缩。Janus粒子的成功应用在商业涂料产品展示了我们的方法的通用性和有效性,并打开一个新的功能化涂层前,可能会发现广泛应用不同的涂料相关产品。

引用

李¹y;刘,f;陈,美国;Tsyrenova, a;米勒,k;奥尔森,大肠;莫特,r;手掌,d;香,c;勇,x; Jiang, S. Self-Stratification of Amphiphilic Janus Particles at Coating Surfaces. Materials Horizons. 2020; 7(8):2047-55.

²江,美国;范Dyk, a;莫里斯,a;波尔,j .;法、d;布劳内尔,美国设计胶粒形态和自组装涂层的应用程序。化学学会评论。2017;46 (12):3792 - 807。