Hva er potensialet til selvhelbredende-belegg for å forlenge levetiden til varmeplateoverflater?

Når en varmeplates non-stick-belegg er ripet opp, kan fuktighet eller syrer skade metallet under. En ny klasse av selvhelbredende belegg kan selvstendig reparere en ripe og gjenopprette beskyttelse uten behov for menneskelig involvering. Disse beleggene har små kuler fullpakket med væske som sprekker opp når de blir skadet. I mange år har beskyttende belegg for industrielle varmeplater-enten det er PTFE-basert non--klebende overflatebehandling, keramiske belegg eller fluorpolymerbarrierer- vært plaget av en grunnleggende ulempe: den beskyttende barrieren svekkes irreversibelt hvis den er riper eller skadet. Det eksponerte metallsubstratet er utsatt for begroing, korrosjon og tidlig svikt. Dette paradigmet er i ferd med å endre seg takket være selvhelbredende belegg, en teknologi som har utviklet seg fra laboratorienysgjerrighet til tidlig kommersialisering i noen få bransjer. Implikasjonene for varmeplateoverflater går langt utover bare holdbarhet og inkluderer reparerbare belegg som aktivt forhindrer svikt over lange levetider.

Prosessen: Etterspør-helbredende mikrokapsler
Som levende hud helbreder belegget seg selv. Et selvhelende belegg er et smart komposittsystem i stedet for et enkelt materiale. Milliarder av små kapsler, hver med et flytende helbredende middel og, i visse formuleringer, en dispergert katalysator, er innebygd inne i beleggsmatrisen. Disse kapslene er vanligvis mellom 10 og 100 mikrometer i diameter. Denne utformingen blir referert til som et ytre selvhelbredende-system siden eksterne agenter, i motsetning til indre materielle kvaliteter, gir den helbredende evnen-13.

Mikrokapslene som er i veien for et brudd, brister når en ripe, sprekk eller annen mekanisk skade bryter gjennom belegget. Det helbredende middelet frigjøres ved denne bruddet og kommer inn i det skadede området gjennom kapillærvirkning. En polymerisasjonsreaksjon startes så når det frigjorte kjemikaliet kommer i kontakt med katalysatoren dispergert gjennom belegningsmatrisen. I løpet av 15 til 30 sekunder polymeriserer den helbredende ingrediensen i formuleringer laget for industriell bruk, forsegler ripen, lukker gapet og returnerer 85 til 95 % av de opprinnelige materialegenskapene-1. Den legede barrieren gjenopptar deretter sin beskyttende rolle, hindrer etsende medier fra å trenge inn i det underliggende metallet og, i tilfelle av non-stick belegg, bevarer frigjøringsegenskapene over det forseglede området.

Andre selvhelbredende-arkitekturer blir undersøkt i tillegg til mikrokapselbaserte-enheter. For å gi langsiktig- anti-korrosjonsbeskyttelse, har lag-}lag for-lag som bruker dynamiske kovalente bindinger-som Schiff-basebindinger i polydimetylsiloksanmatriser- blitt paret med PTFE-toppbelegg. Disse beleggene gir repeterbare skader{11}}helende evner. Elastomerer som selv-heles i løpet av få minutter mens de beholder non-{14}}flater, er produsert ved hjelp av fluorerte polymersystemer som bruker frastøtende segregering av fluoralkylsidekjeder-65. Disse metodene viser variasjonen av selvhelbredende{17}}teknikker som utvikles, selv om de fortsatt stort sett er på forskningsstadiet for høytemperaturapplikasjoner.

Fra overflatefunksjonalitet til korrosjonsbeskyttelse
Den mest omfattende valideringen av selv-helbredende teknologi er funnet i anti-korrosjonsbelegg. Hvert år forårsaker korrosjon mer enn 700 milliarder dollar i økonomiske tap på verdensbasis, eller mer enn 3 % av det globale BNP-13. Konvensjonelle anti-korrosjonsbelegg fungerer rett og slett som passive barrierer, og gir beskyttelse frem til skade skjer, og da starter korrosjon og sprer seg fra selv et lite eksponert område-13. Derimot imiterer selvhelbredende belegg biologiske immunsystemer ved å gi materialer en aktiv reaksjon som gjenkjenner skade og setter i gang reparasjon ved kilden-13.

Korrosjonsforebygging er bare en fordel for varmeplateoverflater. Ikke-klebende eller lav-friksjonsoverflatekvaliteter er også avgjørende for mange industrielle varmeplater, spesielt i applikasjoner som involverer polymerbehandling, matkontakt eller limhåndtering. I tillegg til å utsette metallsubstratet for korrosjon, gir en ripe som trenger inn i et non{4}}klebende PTFE-belegg et lokalt område hvor bearbeidede materialer kan feste seg, noe som resulterer i forbrenning-, forurensning og ujevn oppvarming. For å opprettholde både beskyttelse og ytelse kan selv-helbredende versjoner av disse beleggene automatisk gjenopprette non-{8}}klebende funksjonalitet på ripestedet.

Vanskeligheten: Å operere ved høye temperaturer
Selv om denne teknologien for driftsinnstillinger for høye- temperaturer fortsatt er i sin spede begynnelse, er ideen spennende. Termisk stabilitet er den største hindringen for å bruke selv-helbredende belegg på varmeplateoverflater. De fleste vellykkede mikrokapselbaserte-helbredende systemer ble laget for bruk i omgivelsestemperaturer eller litt høyere temperaturer, ved å bruke kjernematerialer som dicyklopentadien, epoksyharpikser, isocyanater eller tørkende oljer-13. Ved temperaturer over omtrent 150–200 grader begynner deres helbredende midler og kapselveggmaterialer å forringes eller briste for tidlig.

Avhengig av applikasjonen kan imidlertid varmeplater kjøre konstant ved temperaturer fra 80 grader til godt over 200 grader. Anti-beleggene laget av PTFE er vanligvis vurdert for kontinuerlig bruk opp til 260 grader, med kort eksponering for høyere temperaturer. Under disse forholdene vil ikke et selvhelbredende additiv som brytes ned ved 180 grader være veldig nyttig.

Fremskritt innen termisk stabilitet
Studiet av termisk stabile selvhelbredende-systemer utvikler seg raskt. Sammenlignet med tradisjonelle kapsler, har mikrokapsler med polymetylmetakrylat-skall forsterket med funksjonaliserte flerveggede karbon-nanorør vist høyere termisk stabilitet. Skallmaterialene er laget for å tåle prosesserings- og brukstemperaturer så høye som 200 grader -39. For å lage lagdelte strukturer av borosilikatglass, har oksider og silikater som viser selv-helbredende egenskaper ved temperaturer mellom 1400 og 1600 grader -mye høyere enn utvalget av polymer-baserte varmeplater-keramikk-baserte{13}}gnistbaserte{13}-baserte selv{1000-baserte{100-1600 grader blitt utviklet ultra-applikasjoner med høy temperatur.

Det neste trinnet er enten å designe mikrokapsler med termisk stabile skallmaterialer (som kryss-bundet urea-formaldehyd eller melamin-formaldehydharpikser) eller bytte til iboende selv-helbredende mekanismer som ikke er avhengige av innkapslede væsker for mellomliggende temperaturområde{4}, som er relevant for mellomvarme{4}. omtrent 100–260 grader. En lovende egenstrategi som fungerer ved høye temperaturer uten innkapsling av kjemikalier er representert av fluoropolymer selvhelende elastomerer, som oppnår rask helbredelse gjennom frastøtende segregering av fluoralkylsidekjeder-65.

Nåværende situasjon og applikasjonsruter
Selv-helbredende anti-korrosjonsbelegg har gått fra akademiske studier til tidlig industribruk i bransjer som rørledningsbeskyttelse, bilindustri og marine-13. Effektive industrielle applikasjoner forblir imidlertid sjeldne, og oversettelsen fra laboratorieprestasjoner til kommersiell virkelighet fortsetter å møte utfordringene-13. Spesielt for varmeplateoverflater er kommersielt tilgjengelige selvhelbredende PTFE-belegg for tiden ikke et vanlig produkttilbud.

Den teknologiske banen er imidlertid tydelig. Belegg som kombinerer PTFEs iboende ikke-klebende og kjemiske-resistente egenskaper med selvhelbredende-evner er fokus for aktive studier. En tolagsmetode kombinerer for eksempel en selv-helbar polydimetylsiloksanmatrise som det primære beskyttende laget, med en tynn PTFE-film lagt til overflaten for å forhindre vanninteraksjon og bevare-ytelse på lang sikt-66. Studier har avdekket at slike tolagsstrukturer gir effektiv, ripefri-korrosjonsmotstand og en vei for langsiktig metallskjerming.

For produsenter av varmeplater og industrielle sluttbrukere, kan den største umiddelbare fordelen med selv-helende belegg være lengre tid mellom overmaling. Nåværende PTFE-belegg på varmeplater krever ofte påføring eller utskifting etter flere års bruk, avhengig av alvorlighetsgraden av mekanisk slitasje, kjemisk eksponering og temperatursvingninger. Et selvhelbredende belegg som autonomt reparerer små riper og slitasjeskader når de oppstår, kan doble eller tredoble den effektive levetiden før overmaling blir nødvendig. Et sterkt verdiforslag for industrielle operasjoner med høy-gjennomstrømning er reduksjonen i arbeidskostnader, nedetid og bruk av malingsmateriale.

Bio-Inspirasjon og prospekter
Materialforskning blir mer og mer bio-inspirert, og tar stikkord fra den naturlige verden. Selv-helbredelse er en naturlig egenskap i plante- og dyreriker med biologisk mangfold, finpusset av evolusjon-49. Planter begrenser skade gjennom oppdeling; pattedyr oppnår helbredelse gjennom koagulering; begge bruker sirkulasjonsnettverk eller kapsler for å distribuere reparasjonskjemikalier til sårsteder-49. Det mikrokapselbaserte selvhelbredende belegget er en direkte teknisk oversettelse av disse naturlige strategiene - et syntetisk "vaskulært system" innebygd i belegget, klar til å reagere når overflatebarrieren brytes.

Når vi ser fremover, vil selvhelbredende belegg for varmeplater sannsynligvis utvikle seg langs ulike akser:

Helingskapasitet for flere-sykluser: De fleste eksisterende systemer kan helbrede hvert skadet sted bare én gang, fordi mikrokapslene i den regionen er konsumert. Formminnepolymerer og reversible kovalente forbindelser blir slått sammen for å tillate flere helbredelsessykluser på samme sted-1.

Stimulus-utløst versus autonom helbredelse: Selv om autonom heling (skade-utløst frigjøring uten ekstern intervensjon) er å foretrekke, kan noen applikasjoner dra nytte av termisk utløste eller pH-utløste frigjøringssystemer, som kan startes ved behov-56.

Integrasjon med tilstandsovervåking: Innebygde fluorescerende eller kolorimetriske indikatorer i mikrokapsler kan gi visuell advarsel om skade, slik at operatører kan oppdage steder der helbredelse har funnet sted-eller hvor det helbredende middelet er utarmet.

Bærekraftig kjemi: Bio-baserte terapeutiske midler og miljøvennlige kapselmaterialer er under forskning, og samsvarer med bredere industrielle trender mot redusert miljøfotavtrykk.

Avslutningsvis
Selv-helbredende belegg representerer den neste utviklingen innen beskyttende overflater, og lover varmeplater som trekker av seg små skader og varer lenger. Mekanismen-mikrokapsler av helbredende midler som sprekker og polymeriserer ved riper-har blitt påvist i laboratorier og utvalgte kommersielle innstillinger for korrosjonsbestandige-applikasjoner. Den primære tekniske barrieren for bruk av varmeplater er å utvide den termiske stabiliteten til disse systemene til 100–260 graders driftsområde av PTFE-belagte overflater, en utfordring som løses gjennom termisk robuste kapselskall, selvhelende matriser av fluorpolymer-og keramiske{{10}alternativbaserte{{10}alternativer. Selv om selvhelende PTFE-belegg foreløpig ikke er et råvareprodukt, forbedres den underliggende materialvitenskapen raskt, og tidlige brukere i spesifikke industrielle oppvarmingsapplikasjoner kan se kommersielle alternativer i løpet av de neste årene. For en bransje som måler utstyrslevetid i år og overmaling i måneder, er mulig utvidelse av serviceintervaller gjennom autonom, bio{15}}inspirert reparasjon en trend som er verdt å se.