Каков потенциал самовосстанавливающихся покрытий для продления срока службы поверхностей нагревательных пластин?

Если антипригарное покрытие нагревательной пластины-поцарапано, влага или кислоты могут повредить металл под ним. Новый класс самовосстанавливающихся покрытий-может автономно устранять царапины и восстанавливать защиту без участия человека. Эти покрытия представляют собой небольшие сферы, заполненные жидкостью, которые взрываются при повреждении. На протяжении многих лет защитные покрытия промышленных нагревательных пластин,-будь то антипригарные покрытия на основе ПТФЭ-, керамические покрытия или барьеры из фторполимера-, имели один основной недостаток: защитный барьер необратимо ослабляется, если его поцарапать или повредить. Открытая металлическая подложка подвержена загрязнению, коррозии и преждевременному выходу из строя. Эта парадигма вот-вот изменится благодаря самовосстанавливающимся покрытиям — технологии, которая прошла путь от лабораторного любопытства до ранней коммерциализации в нескольких отраслях. Последствия для поверхностей нагревательных пластин выходят далеко за рамки простой долговечности и включают в себя ремонтопригодные покрытия, которые активно предотвращают отказы в течение длительного срока службы.

Процесс: спрос на-лечебные микрокапсулы
Подобно живой коже, покрытие самовосстанавливается. Самовосстанавливающееся-покрытие – это продуманная композитная система, а не одиночный материал. Миллиарды крошечных капсул, каждая из которых содержит жидкий лечебный агент и, в некоторых рецептурах, дисперсный катализатор, встроены в матрицу покрытия. Эти капсулы обычно имеют диаметр от 10 до 100 микрометров. Эта конструкция называется внешней системой самовосстановления-, поскольку внешние факторы, в отличие от внутренних материальных качеств, обеспечивают способность к исцелению-13.

Микрокапсулы, находящиеся на пути разрушения, разрываются при прорыве покрытия царапиной, трещиной или другим механическим повреждением. Лечебный агент высвобождается в результате этого разрыва и попадает в поврежденную область под действием капилляров. Затем начинается реакция полимеризации, когда выделившееся химическое вещество вступает в контакт с катализатором, диспергированным по всей матрице покрытия. В течение 15–30 секунд лечебный ингредиент в составах, созданных для промышленного использования, полимеризуется, запечатывая царапину, закрывая зазор и возвращая от 85 до 95 % первоначальных свойств материала-1. Затем заживленный барьер возобновляет свою защитную роль, удерживая коррозионную среду от проникновения в нижележащий металл и, в случае антипригарных покрытий, сохраняя характеристики отделения во всей герметизированной области.

Помимо устройств на основе микрокапсул-исследуются и другие самовосстанавливающиеся архитектуры. Чтобы обеспечить долговременную-анти-защиту от коррозии, послойные--покрытия, в которых используются динамические ковалентные связи,-такие как связи Шиффа-основ в полидиметилсилоксановых матрицах-сочетаются с верхними покрытиями из ПТФЭ. Эти покрытия обеспечивают повторяющиеся возможности-заживления повреждений. Эластомеры, которые самовосстанавливаются-за считанные минуты, сохраняя при этом не-поверхности, были получены с использованием фторированных полимерных систем, в которых используется отталкивающее разделение фторалкильных боковых цепей-65. Эти методы демонстрируют разнообразие разрабатываемых методов самовосстановления, хотя в основном они все еще находятся на стадии исследований для применения при высоких температурах.

От функциональности поверхности к защите от коррозии
Наиболее обширная проверка технологии самовосстановления-была проведена в области анти-коррозионных покрытий. Ежегодно коррозия наносит экономический ущерб во всем мире на сумму более 700 миллиардов долларов, или более 3 % мирового ВВП-13. Обычные анти-коррозионные покрытия просто служат пассивными барьерами, обеспечивая защиту до тех пор, пока не произойдет повреждение, после чего коррозия начинается и распространяется даже из незначительного открытого участка-13. Напротив, самовосстанавливающиеся покрытия имитируют биологические иммунные системы, давая материалам активную реакцию, которая распознает повреждение и инициирует восстановление в источнике-13.

Предотвращение коррозии – это лишь одно из преимуществ поверхностей нагревательных пластин. Не-неприлипаемость или низкое-качество поверхности трения также важны для многих промышленных нагревательных пластин, особенно при обработке полимеров, контакте с пищевыми продуктами или работе с клеем. Царапина, проходящая через антипригарное покрытие из ПТФЭ, не только подвергает металлическую подложку воздействию коррозии, но и образует локализованную область, к которой могут прилипать обработанные материалы, что приводит к возгоранию-, загрязнению и неравномерному нагреву. Чтобы сохранить как защиту, так и производительность, самовосстанавливающиеся версии этих покрытий могут автоматически восстанавливать антипригарные функции-в месте царапины.

Сложность: работа при высоких температурах
Хотя эта технология для работы в условиях высоких-температур все еще находится в зачаточном состоянии, идея интригует. Термическая стабильность является самым большим препятствием для использования самовосстанавливающихся покрытий на поверхности нагревательных пластин. Большинство успешных лечебных систем на основе микрокапсул-было создано для применения при температуре окружающей среды или слегка повышенных температурах с использованием материалов сердцевины, таких как дициклопентадиен, эпоксидные смолы, изоцианаты или олифы-13. При температуре выше примерно 150–200 градусов их целебные вещества и материалы стенок капсул начинают портиться или преждевременно разрушаться.

Однако, в зависимости от применения, нагревательные пластины могут постоянно работать при температуре от 80 до более 200 градусов. Антипригарные покрытия из ПТФЭ обычно рассчитаны на непрерывное использование при температуре до 260 градусов с кратковременным воздействием более высоких температур. В таких условиях самовосстанавливающаяся добавка,-которая разрушается при 180 градусах, будет не очень полезна.

Достижения в области термической стабильности
Исследования термостабильных самовосстанавливающихся систем-быстро развиваются. По сравнению с традиционными капсулами микрокапсулы с оболочкой из полиметилметакрилата, армированной функционализированными многостенными углеродными нанотрубками, показали более высокую термическую стабильность. Материалы корпуса изготовлены так, чтобы выдерживать температуры обработки и эксплуатации до 200 градусов -39. Для создания слоистых структур из боросиликатного стекла, оксидов и силикатов, которые проявляют свойства самовосстановления при температурах от 1400 до 1600 градусов, -намного выше, чем диапазон нагревательных пластин на основе полимеров-,-керамических-самовосстанавливающихся-покрытий с использованием искрового плазменного спекания для сверх-применение при сверхвысоких температурах.

Следующим шагом является либо разработка микрокапсул с термостабильными материалами оболочки (такими как поперечно--сшитая мочевина-формальдегидная или меламиновая-формальдегидная смола), либо переход на внутренние механизмы самовосстановления-, которые не полагаются на инкапсулированные жидкости для промежуточного температурного диапазона, характерного для нагревательных пластин с тефлоновым покрытием-, который составляет примерно 100–260 градусов. Многообещающая внутренняя стратегия, которая работает при высоких температурах без инкапсулирования химических веществ, представлена ​​фторполимерными самовосстанавливающимися эластомерами, которые обеспечивают быстрое заживление за счет отталкивающего разделения фторалкильных боковых цепей-65.

Текущая ситуация и пути применения
Самовосстанавливающиеся анти-коррозионные покрытия перешли от академических исследований к раннему промышленному использованию в таких отраслях, как защита трубопроводов, автомобильная и морская промышленность-13. Однако эффективное промышленное применение остается редким, а переход от лабораторных достижений к коммерческой реальности по-прежнему сталкивается с проблемами-13. В частности, для поверхностей нагревательных пластин коммерчески доступные самовосстанавливающиеся покрытия из ПТФЭ в настоящее время не являются распространенным продуктом.

Однако технологическая траектория очевидна. Покрытия, которые сочетают в себе присущие ПТФЭ антипригарные свойства и химическую-стойкость, а также способность к самовосстановлению-, находятся в центре активных исследований. Например, двухслойный метод сочетает в себе самовосстанавливающуюся полидиметилсилоксановую матрицу в качестве первичного защитного слоя и тонкую пленку из ПТФЭ, добавляемую на поверхность для предотвращения взаимодействия с водой и сохранения-долгосрочных эксплуатационных характеристик-66. Исследования показали, что такие двухслойные структуры обеспечивают эффективную защиту от коррозии-без царапин и обеспечивают долговременную металлическую защиту.

Для производителей нагревательных пластин и промышленных конечных-пользователей наибольшим непосредственным преимуществом самовосстанавливающихся покрытий может стать увеличение времени между нанесением повторных покрытий. Современные покрытия из ПТФЭ на нагревательных пластинах часто требуют повторного нанесения или замены после нескольких лет эксплуатации, в зависимости от степени механического истирания, химического воздействия и циклических температур. Самовосстанавливающееся покрытие-, которое самостоятельно устраняет крошечные царапины и повреждения от истирания по мере их возникновения, может удвоить или утроить эффективный срок службы, прежде чем потребуется повторное покрытие. Серьезным преимуществом для высокопроизводительных промышленных предприятий является снижение трудозатрат, времени простоев и использования материалов покрытия.

Биография-Вдохновение и перспективы
Исследования материалов становятся все более био-инспирированными, опираясь на мир природы. Самоисцеление-является естественной чертой биоразнообразных растений и животных, отточенной эволюцией-49. Растения ограничивают ущерб за счет разделения; млекопитающие достигают исцеления посредством свертывания крови; оба используют кровеносные сети или капсулы для распределения ремонтных химикатов к местам ран-49. Самовосстанавливающееся покрытие на основе микрокапсул- представляет собой прямой инженерный перевод этих природных стратегий — синтетическую «сосудистую систему», встроенную в покрытие, готовую реагировать при нарушении поверхностного барьера.

В будущем самовосстанавливающиеся покрытия для нагревательных пластин-, скорее всего, будут развиваться по разным направлениям:

Возможность многоциклового-восстановления. Большинство существующих систем могут лечить каждое поврежденное место только один раз, поскольку микрокапсулы в этом участке расходуются. Полимеры с памятью формы и обратимые ковалентные связи объединяются, чтобы обеспечить возможность проведения нескольких циклов заживления в одном и том же месте-1.

Исцеление, запускаемое-стимулом, по сравнению с автономным восстановлением. Хотя автономное восстановление (высвобождение, вызванное-повреждением, без внешнего вмешательства) предпочтительнее, для некоторых применений могут быть полезны системы высвобождения, запускаемые по температуре или-рН, которые могут быть инициированы по требованию-56.

Интеграция с мониторингом состояния. Встроенные флуоресцентные или колориметрические индикаторы внутри микрокапсул могут визуально предупреждать о вреде, позволяя операторам определять места, где произошло заживление-или где исчерпался лечебный агент.

Устойчивая химия. Терапевтические средства на био-основе и экологически безопасные материалы для капсул находятся в стадии исследований, что соответствует более широким промышленным тенденциям по снижению воздействия на окружающую среду.

В заключение
Самовосстанавливающиеся покрытия-представляют собой следующую разработку в области защитных поверхностей: обещают нагревательные пластины, которые выдерживают небольшие повреждения и служат дольше. Механизм-микрокапсул восстанавливающих агентов, которые разрываются и полимеризуются при царапинах-был доказан в лаборатории и выбранных коммерческих условиях для применения в области защиты от коррозии-. Основным техническим барьером для применения нагревательных пластин является расширение термической стабильности этих систем до рабочего диапазона 100–260 градусов для поверхностей с покрытием из ПТФЭ-, и эта проблема решается с помощью термостойких оболочек капсул, фторполимерных самовосстанавливающихся матриц и-высокотемпературных-альтернативных решений на основе керамики. Хотя самовосстанавливающиеся покрытия из ПТФЭ в настоящее время не являются массовым продуктом, лежащие в их основе материаловедения быстро совершенствуются, и первые специалисты по конкретным промышленным применениям в области отопления могут увидеть коммерческие варианты в течение следующих нескольких лет. Для отрасли, в которой срок службы оборудования измеряется годами, а повторное покрытие — месяцами, возможное увеличение интервалов технического обслуживания за счет автономного био-ремонта — это тенденция, за которой стоит следить.