Nesteen pisara kiinteällä pinnalla muuttuu vain vähän, kun nestettä työntää tai vetää pinnan yli. Tämä tarkoittaa, että pisara kohtaa minimaalista vastustusta liikkeelle ja pysyy mahdollisimman pyöreänä. Hierarkkiset rakenteet ovat erityisen tehokkaita kontaktikulman hystereesin vähentämisessä, mikä on tärkeää matalille vierimis- ja kulmille ja olennaista kaikkia nesteitä hylkiville pinnoitteille. Tällaisilla rakenteilla varustetut pinnoitteet osoittavat usein parempia kaikille nesteille hylkiviä ominaisuuksia (Kuvat 4.4 ja 4.5) [115]. Vertailussa tasaisiin pintoihin, joissa kontaktikulma on alhaisin (vaikkakin edelleen yli 100°), mikro- ja nanorakenteet sekä hierarkkiset rakenteet näyttävät kontaktikulmia, jotka ovat hyvin yli 150°.

Vaikka hierarkkiset rakenteet ovat nykyään eturintamassa saavuttamassa superomniphobisia pintoja, kolmas tekijä on noussut tärkeäksi tutkimusalueeksi. Nykyinen tutkimus keskittyy uudelleen sisäänpäin kääntyviin rakenteisiin (kutsutaan myös ”juhlapöytä”-rakenteiksi), jotka voivat tehdä minkä tahansa pinnan omniphobiseksi riippumatta sen kemiallisesta koostumuksesta (Kuva 4.6) [117]. Uudelleen sisäänpäin kääntyvillä pinnoilla on teksturoitu pinta, joka luo pieniä ilmakuplia estäen nestettä pääsemästä suoraan kosketuksiin pinnan kanssa. Ilmakuplat luovat hylkivän voiman, joka työntää nestettä pois pinnalta. Suuri etu uudelleen sisäänpäin kääntyvillä pinnoilla on, että pinnan energia ei ole riippuvainen pinnan kemiallisesta koostumuksesta, vaan se perustuu ainoastaan ilmakuplien luomaan rakenteeseen. Tämän lisäksi, superomniphobisten ominaisuuksien ja mahdollisten sormenjälkien hylkimisominaisuuksien lisäksi, tällaiset pinnat ovat kiinnostavia korroosionesto- ja saastumisenestokäytössä. Tämä tutkimus on tärkeää, koska pinnan kemian riippumattomuus voi siirtää pinnoitejärjestelmiä pois perinteisistä fluoripohjaisista kemikaaleista, joita useat hallitukset tarkastelevat.

Superhydrofobisia pintoja voidaan valmistaa useilla menetelmillä, kuten litografisella kaavoituksella [118, 119], plasmavärähtelyllä [120], kemiallisella höyrystysdeponoinnilla (CVD) [121], sol-geelimenetelmillä [122] ja kerros kerrokselta -kokoamisella sekä faasierottelulla [123]. Näistä menetelmistä sol-geeli menetelmä tarjoaa yksinkertaisen reitin, sillä prosessi synnyttää pallomaisia hiukkasia, jotka ovat ihanteellisia nanomorfologian luomiseen ja korkeiden kontaktikulmien saavuttamiseen [124, 125]. Superhydrofobisen pinnoitteen valmistusprosessi on havainnollistettu kuvassa 4.7.

Tyypillisesti silaani- tai titanaatitavallisia esiasteita yhdistetään nanopartikkelien tuottamiseksi, jotka ovat vain muutamia kymmeniä nanometrejä kokoisia. Nämä hiukkaset muodostavat lujia, yhteen liitettyjä verkkoja. Sol-geelimateriaalin avulla voidaan muodostaa nanorakenteita, jotka parantavat pinnan vedenhylkivyyttä. Itse puhdistumisen mekanismi perustuu siihen, että vesipisara valuu pinnan yli, koska sen affiniteetti pintaa kohtaan on pieni, ja ottaa mukaansa likaa ja saastetta, kuten kuvassa 4.8 esitetään. On tärkeää, että pinta on jollain tavalla kalteva, ja että kaltevuus on mieluiten suurempi kuin liukumiskulma (kulma, jossa pisara alkaa liikkua pois pinnalta). Superhydrofobisilla pinnoitteilla liukumiskulma on yleensä 10°–15° välillä, mikä tarkoittaa, että itse puhdistuminen toimii jopa melko matalissa kaltevuuksissa.

Näitä superhydrofobisia pinnoitteita valmistetaan kestämään sään vaikutuksia ja kemiallisia hyökkäyksiä. Tällaisia pinnoitteita voidaan käyttää rakennusten ulkoseinissä, taloissa ja arkkitehtonisessa perinnössä, joissa pinnoitteita harvoin uusitaan. Lisäksi superhydrofobiset pinnoitteet ovat usein läpikuultavia tai hieman sameita, mikä muistuttaa pinnoitteen alla olevan materiaalin, kuten betonin tai muun mineraalipohjaisen aineen väriä ja rakennetta. Koska pinnoitetut seinät pysyvät kuivina sateen aikana, nämä pinnoitteet lisäävät rakennuksen eristysarvoa merkittävästi, pitäen sen kuivana ja vähentäen veden kapillaarisuuden vaikutuksia.

Superhydrofobisten pinnoitteiden yksi parannuskohde on kuitenkin niiden kestävyys mekaaniselle kulutukselle, erityisesti liikenteen alueilla. Jo pienet hankaukset voivat vähentää vedenhylkivyyden tehoa merkittävästi. Useita strategioita on ehdotettu superhydrofobisen vaikutuksen keston parantamiseksi. Sol-geelimateriaalissa pH:n muutokset voivat lisätä sitoutumisvoimaa substraattiin ja verkon välisiä yhteyksiä, parantaen näin kulutuskestävyyttä. Itse korjautuvat pinnoitteet tarjoavat lupaavan lähestymistavan, sillä ne voivat uusia kuluneita pintoja. Viimeisimmät tutkimukset ovat myös osoittaneet, että vitriimipohjaiset itse paranevat materiaalit voisivat integroitua superhydrofobisiin pinnoitteisiin mahdollistaen itsestään korjautuvien vaurioiden parantamisen [128].

Endtext

Miten huurtumisenestopinnoitteet toimivat ja kehittyvät nykypäivän materiaalitekniikassa?

Nykyään huurtumisenestopinnoitteet ovat keskeisiä elementtejä monilla aloilla, kuten optiikassa, autojen tuulilaseissa ja suojalaseissa. Näiden pinnoitteiden pääasiallinen tehtävä on estää huurteiden muodostumista, mikä parantaa näkyvyyttä ja turvallisuutta. Huurtumisenestopinnoitteiden toimintaperiaatteet perustuvat pääasiassa siihen, kuinka hyvin pintojen välinen kosteus saadaan hallintaan ja estetään huurteiden kertymistä. Pinnoitteet voivat koostua erilaisten materiaalien yhdistelmistä, jotka tarjoavat parhaan mahdollisen suojan, jopa vaativissa olosuhteissa.

Yksi tärkeimmistä tekijöistä huurtumisenestopinnoitteissa on niiden kyky houkutella vettä ja säilyttää pinnan kosteuden tasapaino. Tämä saavutetaan usein käyttämällä materiaaleja, joissa on runsaasti poolisia ryhmiä, kuten hydroksyyliryhmiä (OH), karboksyyliryhmiä (COOH) ja sulfonihapporyhmiä (SO3H). Nämä ryhmät pystyvät muodostamaan vetysidoksia ja dipolivuoheita veden molekyylien kanssa, mikä parantaa pinnan kykyä hylkiä vettä ja estää huurteiden muodostumista. Tällaiset materiaalit voivat olla joko orgaanisia tai epäorgaanisia.

Esimerkiksi TiO2-pohjaiset nanopartikkelit ovat osoittautuneet tehokkaiksi epäorgaanisiksi pinnoitteiksi, jotka luovat erittäin hydrofobisia pintoja, joiden kontaktikulma on alle 10°. Tämä tekee niistä erinomaisia huurtumisenestopinnoitteiden valmistuksessa, mutta haasteena on se, että TiO2-vaatii usein UV-valon aktivoinnin tehokkaan toiminnan saavuttamiseksi. Tämä voi olla rajoite, sillä monet huurtumisenestopinnoitteet, kuten sisätiloissa käytettävät pinnoitteet, eivät ole alttiita UV-valolle.

Hybridi-materiaalien kehittäminen, joissa yhdistetään orgaanisia ja epäorgaanisia komponentteja, tarjoaa lupaavan lähestymistavan. Esimerkiksi sulfobetaamiini-metakrylaatti (SBMA), joka on zwitterioninen monomeeri, voi luoda hydrophilisiä kalvoja monille pinnoille. Tätä monomeeriä voidaan yhdistää erilaisiin silaanipohjaisiin yhdisteisiin, kuten merkaptopohjaisiin silaneihin, mikä mahdollistaa superhydrofobisten pinnoitteiden luomisen. Tällaiset hybridit pinnoitteet voivat säilyttää toimintakykynsä jopa useiden päivien ajan kuuman höyryn altistuksessa.

Toinen kiinnostava kehityssuunta on sol-geelipinnoitteiden ja polysilsesquioxaanien (POSS) käyttö. Nämä aineet yhdistävät epäorgaanisten ja orgaanisten materiaalien parhaat ominaisuudet, kuten korkean kestävyyden ja kemiallisten hyökkäysten kestävyyden, jotka ovat tärkeitä pitkäkestoisten huurtumisenestopinnoitteiden valmistuksessa. Epäorgaaniset materiaalit, kuten SiO2 ja TiO2, voivat olla erittäin kestäviä kulutukselle ja naarmuuntumiselle, ja niiden hydrofiiliset ominaisuudet tekevät niistä tehokkaita huurtumisenestopinnoitteita. Näitä pinnoitteita voidaan yhdistää myös hydrophilisiin orgaanisiin polymeereihin, mikä parantaa niiden soveltuvuutta kaupallisessa tuotannossa.

Visuaaliset ominaisuudet ovat myös tärkeä tekijä huurtumisenestopinnoitteissa. Esimerkiksi, pinnan läpinäkyvyyttä on hallittava niin, että partikkelien koko pysyy valon taittumisen alapuolella, jotta näkyvyys ei heikenny. Tämä on erityisen tärkeää sovelluksissa, kuten tuulilaseissa ja aurinkolaseissa. Epäorgaaniset sol-geeli- ja POSS-pinnoitteet voivat säilyttää läpinäkyvyytensä ja estää huurteiden muodostumista, vaikka ne kestävätkin voimakasta kulutusta ja kemiallisia vaikutuksia.

Pinnoitteiden kehittyessä yhä monimutkaisemmiksi ja kestävämmiksi, niiden sovellukset laajenevat. Niitä käytetään yhä useammilla alueilla, kuten rakennuslasituksessa ja urheiluvälineissä, joissa huurtumisen estäminen on kriittistä. Uusimpien huurtumisenestopinnoitteiden kehitys ei ole pelkästään teoreettista, vaan ne ovat jo kaupallisesti saatavilla ja sovellettavissa moniin eri materiaaleihin, kuten lasiin, muoviin ja jopa tekstiileihin.

Tämän tyyppiset pinnoitteet ovat avainasemassa monilla teollisuudenaloilla, joissa näkyvyys ja turvallisuus ovat elintärkeitä. On tärkeää huomata, että tehokas huurtumisenesto ei riipu vain materiaalin valinnasta, vaan myös sen käyttötarkoituksesta, ympäristöolosuhteista ja altistumisesta UV-valolle tai muille ulkoisille tekijöille. Tämän vuoksi on olennaista valita oikea pinnoite, joka vastaa tarpeita kunkin sovelluksen osalta.

Miten älykkäät ja toiminnalliset pinnoitteet parantavat rakennusten energiaeffektiivisyyttä ja suojaa materiaaleja

Älykkäiden ikkunoiden, kuten SPD-pohjaisten (Suspended Particle Device) lasien, käyttö on kasvanut merkittävästi rakennusteollisuudessa. SPD-teknologia perustuu mikrohiukkasiin, jotka voivat muuttaa lasin läpinäkyvyyttä sähkövirran voimakkuuden mukaan. Kun sähkökenttää säädetään, SPD-ikkunat voivat automaattisesti säätää varjostustaan, estäen liiallisen auringonvalon pääsyn sisälle rakennukseen. Tämä mahdollistaa paitsi auringonvalon määrän säätelemisen myös yksityisyyden hallinnan, sillä ikkuna voi vaihtaa läpinäkyvyydestään opakiksi tarpeen mukaan.

SPD-ikkunoiden etuja verrattuna perinteisiin elektro-kromisiin ikkunoihin on niiden parempi kestävyys, alhaisempi hinta ja helpompi valmistettavuus. Tämä teknologia on erityisesti houkutteleva, koska se voi vähentää energian kulutusta. Esimerkiksi Koreassa on todettu, että rakennusten jäähdytysenergian kulutus väheni 29,1 % SPD-pinnoitetuilla ikkunoilla verrattuna tavallisiin ikkunoihin. Vuosittainen sähkönkulutus laski 4,1 %.

Tällaisilla älykkäillä pinnoitteilla on positiivinen vaikutus energiatehokkuuteen, sillä ne estävät tehokkaasti infrapunasäteilyn pääsyn sisälle, mikä puolestaan vähentää lämmityksen tarvetta talvella ja jäähdytyksen tarvetta kesällä. Älykkäiden lasien avulla voidaan säädellä lämpöä ja valoa dynaamisesti, mikä tekee rakennuksista paitsi energiatehokkaampia myös mukautuvampia ympäristön olosuhteisiin.

Thermochromic-pinnoitteet, kuten vanadioksidi (VO2), ovat toinen esimerkki älykkäistä pinnoitteista, jotka voivat reagoida lämpötilan muutoksiin. Vanadioksidi pystyy muuttamaan väriään ja läpinäkyvyyttään, kun lämpötila ylittää tietyn kynnysarvon, joka on tyypillisesti 68 °C. Tällöin materiaali menee yksiklinisesta faasista tetragoniseen faasiin, jolloin valoa heijastuu sen sijaan, että se pääsisi läpi. Tällainen teknologia mahdollistaa ikkunoiden toimimisen älykkäinä itsehimmentävinä pinnoitteina, jotka mukautuvat ympäristön lämpötilan mukaan.

Älykkäitä lasiratkaisuja hyödynnetään myös ylellisissä autoissa ja suurissa lasirakennuksissa, joissa tarvitaan lämmön ja valon säätelyä. Näiden pinnoitteiden käyttämät tekniikat, kuten PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) ja sol-gel menetelmät, tarjoavat tehokkaita tapoja valmistaa materiaaleja, jotka reagoivat lämpötilan muutoksiin.

Samalla, kun teknologia kehittyy ja älykkäiden pinnoitteiden hyödyllisyys kasvaa, on tärkeää huomata, että niiden käyttö voi myös tuoda mukanaan haasteita. Esimerkiksi, vaikka SPD-lasien käyttö vähentää energiankulutusta, se ei täysin poista tarpeen käyttää perinteisiä jäähdytysratkaisuja, erityisesti alueilla, joissa lämpötilat voivat nousta äärimmäisiksi. Tällöin älykkäiden lasien täytyy toimia yhdessä muiden teknologioiden kanssa, kuten tehokkaan ilmanvaihdon ja passiivisen lämmönhallinnan järjestelmien kanssa.

Lisäksi, älykkäiden pinnoitteiden valmistusprosessit voivat sisältää ympäristövaikutuksia, joita on tärkeää arvioida huolellisesti. Esimerkiksi joidenkin teknologioiden, kuten nanohiukkasten tai grafiinin, käyttö voi nostaa valmistuskustannuksia ja edellyttää tarkkaa käsittelyä niiden turvallisuuden varmistamiseksi. Näiden materiaalien tehokas kierrätys ja jätteiden hallinta ovat tärkeitä osia kestävän kehityksen tavoittelussa.

Samalla on tärkeää huomioida, että vaikka älykkäät pinnoitteet voivat parantaa energiatehokkuutta, niiden pitkäaikaisvaikutuksia ja elinkaarikustannuksia on tutkittava enemmän. Näin voidaan varmistaa, että teknologian kehitys tukee ympäristöystävällisempää rakentamista ja toimii osana kokonaisratkaisua, joka sisältää rakennusten energianhallinnan, kestävän kehityksen ja turvallisuuden näkökulmat.

Nanomateriaalit, kuten grafiini, ovat nousseet esiin myös korroosionsuojassa, erityisesti metallipinnoitteissa. Grafiini on tunnettu erinomaisista esteominaisuuksistaan, jotka estävät hapen ja veden pääsyn metallipinnoille ja näin vähentävät korroosiota. Grafiinin käytön etuna on sen poikkeuksellisen hyvä sähkönjohtokyky, joka perustuu sen ainutlaatuiseen elektronirakenteeseen. Tämä tekee siitä tehokkaan lisäaineen korroosionestopinnoitteissa, erityisesti epoksi- ja polyuretaaniseoksissa.

Grafiini, erityisesti pelkistetty grafiinioksidi, on suosittu materiaali, koska se on hyvin dispersoitavissa ja sopii moniin teollisiin pinnoiteseoksiin. Sitä käytetään laajasti, sillä se parantaa pinnoitteiden korroosionestokykyä ja pidentää materiaalien käyttöikää. Tätä teknologiaa hyödynnetään erityisesti lentokonesuunnittelussa ja autoteollisuudessa, joissa metalleilta vaaditaan korkeaa korroosionkestävyyttä.

Kuinka intumesenssikohteet parantavat rakennusten tulenkestävyyttä ja suojaavat terästä tulipalolta?

Intumesenssikohteet ovat erikoistuneita palonsuojapinnoitteita teräkselle, jotka laajenevat ja muodostavat suojaavan hiiltymiskerroksen kuumuuden vaikutuksesta. Tämä kerros eristää alla olevan materiaalin ja hidastaa tulen leviämistä. Intumesenssikohteet, joita käytetään teräkselle, voivat merkittävästi parantaa sen palonkestävyyttä, jolloin teräs säilyttää rakenteellisen eheytensä pidempään ja rakennuksen romahtaminen viivästyy. Teräksen pehmenemispiste, joka on usein 600 °C, tekee intumesenssikohteista erityisen tärkeitä, sillä niiden tehtävä on eristää metalli mahdollisimman pitkään tulen kuumuudelta.

Tämä suojaava hiiltymiskerros on siis elintärkeä palonsuojapinnoitteissa, sillä sen on tarjottava riittävän kestävää suojaa pitkän ajan kuluessa. Nanohiukkaset tunnetaan siitä, että ne parantavat intumesenssikohteiden suorituskykyä, ja ne voivat viivästyttää metallin pehmenemispistettä useilla minuuteilla. Tämä perustuu siihen, että nanohiukkaset johdetaan lämmön vaikutuksesta aktivoituvilla kemiallisilla ankkureilla. Nämä ankkurit pitävät hiiltymiskerroksen koossa, mikä puolestaan mahdollistaa teräksen pidemmän suojauksen.

Hiiltymiskerros, joka pysyy metallissa pidempään, säilyttää rakenteensa ja estää teräksen valumisen, tarjoten näin lisää suojaa tulipalossa. Tämä suoja, joka tunnetaan intumesenssikerroksena, on ratkaiseva tekijä teräksen kestävyyden ylläpitämisessä ja rakennuksen rakenteen suojelemisessa, estäen sen romahtamista. Yksinkertaisesti sanottuna, mitä vakaampi hiiltymiskerros on, sitä pidempään palonsuojaus toimii, ja sen seurauksena jää enemmän aikaa poistua rakennuksesta hätätilanteessa.

Sol-geeli-teknologiaa voidaan myös käyttää luomaan palonsuojapinnoitteita muille materiaaleille. Palokokeet pinnoitetuilla vaahtomuoveilla, kuten massan menetyksen kalorimetria ja UL 94 -testit, ovat osoittaneet, että optimoidut sol-geelipinnoitteet vähentävät huippulämmön vapautumisnopeutta (pHRR) jopa 60 % verrattuna käsittelemättömiin vaahtomuoveihin, ja vaahtomuovit sammuvat itsestään 30 sekunnin sisällä UL 94 -testeissä. Sol-geelit valmistetaan fosfori- ja typpipohjaisista esiasteista, kuten 3-amino-propyylitrietoksisilaanista ja dietyylifosfaatista, yhdistettynä TEOS:iin tai MTES:iin palonkestävyyden parantamiseksi.

Palossa pinnoitetut vaahtomuovit osoittavat intumesenssikäyttäytymistä, mikä tarkoittaa, että ne laajenevat ja muodostavat suojaavan hiiltymiskerroksen, joka estää rakenteen romahtamisen ja merkittävästi vähentää huippulämmön vapautumisnopeutta palamisen aikana. Erityisesti hybridi-sol-geelit (orgaaninen/epäorgaaninen) voidaan hyödyntää varmistamaan hyvä yhteensopivuus orgaanisen substraatin kanssa verrattuna epäorgaanisiin sol-geeleihin. Hybridi-sol-geelien suorituskykyä, joka perustuu fosforiin ja piihin, on analysoitu myös puuvillakankaiden pinnoitteina. Sytytysaika kaksinkertaistui, huippulämmön vapautumisnopeus väheni ja hiiltymiskerroksen muodostus lisääntyi.

Sol-geelipinnoitteiden suojaava käyttäytyminen perustuu siis siihen, että pinnoitteet muodostavat keramiikkamaisen piikerroksen puuvillakankaan pinnalle, joka toimii lämmöneristeenä ja hidastaa lämmön ja hapen siirtymistä alla olevaan materiaaliin. Fosforiyhdisteet edistävät hiiltymiskerroksen muodostumista ja edistävät hiilenmuodostusta, vähentäen näin palamiseen saatavilla olevaa palavaa materiaalia. Sol-geelipinnoitteet toimivat usein palonsuojapinnoitteina yhdistämällä useita mekanismeja. Ne laajenevat kuumetessa muodostaen suojaavan hiiltymiskerroksen, joka on yleensä hyvin vakaa korkean ristikkäisen linkityksensä vuoksi. Lisäksi sol-geelit voivat imeä ja hajottaa lämpöä estäen substraattia saavuttamasta syttymispistettään. Sol-geelien funktionalointi erityisillä esiasteilla voi vapauttaa palamattomia kaasuja, jotka auttavat sammuttamaan liekkejä tai vähentämään hapen tasoa.

Hybridi-sol-geelien etuna on se, että ne yhdistävät epäorgaanisten ja orgaanisten materiaalien hyödyt, jolloin saadaan aikaan uusia toiminnallisuuksia, kuten naarmuuntumisen kestävyys, antimikrobinen toiminta ja anti-graffiti-ominaisuudet. Nämä materiaalit tarjoavat pitkän aikavälin suorituskykyä erityisesti vaativissa sovelluksissa, joissa tarvitaan kestäviä ja luotettavia pinnoitteita. Tällöin, käyttämällä sol-geeliteknologiaa ja nanohiukkasia, voidaan saavuttaa jopa entistä tehokkaampia ja pitkäkestoisempia palonsuojaratkaisuja.

Wie man mit den unmarkierten Verlusten und versäumten Ritualen nach der Pandemie umgeht