Nanodeeltjes hebben zich bewezen als krachtige middelen om de corrosiebescherming van coatings te verbeteren. Vooral grafeen en de derivaten ervan, ondanks hun hogere kosten, bieden uitzonderlijke prestaties en vormen waardevolle additieven voor het verbeteren van de corrosieweerstand van coatings op schepen, bruggen en andere metalen structuren. De unieke eigenschappen van deze nanodeeltjes maken ze bijzonder effectief, zelfs bij gebruik in dunne lagen, wat ze ideaal maakt voor toepassingen waar duurzaamheid en prestaties cruciaal zijn.

Zinkoxide (ZnO) nanodeeltjes zijn een goed voorbeeld van hoe nanopartikels de barrière-eigenschappen van coatings verbeteren. De grotere oppervlakte van deze deeltjes biedt meer bindingsplaatsen voor moleculen zoals water en zuurstof, die anders de corrosie zouden versnellen. Door hun verhoogde oppervlaktespanning kunnen deze deeltjes het transport van corrosieve moleculen vertragen of zelfs volledig blokkeren. Bovendien functioneren ZnO nanodeeltjes als offeranodes, wat betekent dat ze eerst corroderen en zo het onderliggende staal beschermen tegen verdere schade. Dit effect wordt versterkt door hun reactiecapaciteit die optreedt bij nanomateriaalgroottes, waardoor hun vermogen om de oxidatie te remmen significant toeneemt.

Ceriumdioxide (CeO2) nanodeeltjes worden vaak als vervangend materiaal voor chroom in coatings gekozen, vooral vanwege hun vermogen om te schakelen tussen twee valenties (Ce3+ en Ce4+) via snelle redoxreacties. Dit stelt ze in staat om staal actief te beschermen tegen corrosie, met name in omgevingen die anders snel degradatie zouden veroorzaken. Het verkleinen van de deeltjesgrootte van ceriumoxide naar de nanogrootte versnelt het reductie-oxidatieproces, waardoor de effectiviteit in coatings nog verder wordt vergroot. Zo blijken deze deeltjes, wanneer toegevoegd aan epoxycoatings, de corrosiesnelheid van staal met meerdere ordes van grootte te verminderen.

Andere nanodeeltjes, zoals SiO2, ZnO, klei en Fe2O3, vertonen ook significante anticorrosieve eigenschappen wanneer ze worden toegevoegd aan epoxycoatings, met een deeltjesgrootte tussen de 10 en 20 nanometer. Deze deeltjes werken op twee manieren: ten eerste vullen ze de poriën van de coating op, waardoor de diffusie van corrosieve moleculen moeilijker wordt. Ten tweede verbeteren ze de hechting van de coating aan het stalen substraat, wat de levensduur van de coating aanzienlijk verlengt. Polyurethaancoatings met nanodeeltjes hebben bewezen de corrosieweerstand substantieel te verbeteren, wat ze een populaire keuze maakt voor toepassingen waarbij lange-termijn bescherming vereist is.

Naast nanodeeltjes spelen conversiecoatings een essentiële rol in de bescherming van aluminium tegen corrosie. De conventionele chroomhoudende primers zijn sinds 2017 in veel westelijke landen verboden vanwege de schadelijkheid van hexavalent chroom. Dit heeft de verfindustrie ertoe aangezet om alternatieven te zoeken, zoals sol-gel gebaseerde coatings, die met succes de anticorrosie-eigenschappen van traditionele chroomhoudende coatings nabootsen. Sol-gel coatings, die vaak worden gevormd uit silaan- of zirkonaatprecursoren, bieden niet alleen anticorrosieve bescherming, maar helpen ook bij het verbeteren van de hechting van de coating aan het onderliggende oppervlak.

Sol-gel coatings vormen een solide alternatief door de metaaloppervlakken te passiveren en om te zetten in een inerte polymere laag. Deze coatings worden vaak verbeterd met behulp van ceriumoxide nanodeeltjes, die bijdragen aan zowel de barrière-eigenschappen als aan de zelfherstellende eigenschappen van de sol-gel coating. Hoewel volledige anorganische sol-gel coatings uitstekende anticorrosie-eigenschappen bieden, kunnen ze soms problemen vertonen met flexibiliteit, wat kan leiden tot delaminatie en scheuren. Het toevoegen van organische groepen in de sol-gelstructuur kan deze problemen helpen verhelpen, waardoor de coatings zowel bestand zijn tegen scheuren als effectief blijven in het beschermen van het oppervlak tegen corrosie.

Wat betreft het gebruik van conversiecoatings in de luchtvaartindustrie, is aluminium een veelgebruikt materiaal dankzij zijn hoge sterkte, goede vermoeiingsweerstand en lage gewicht. Aluminiumlegeringen zoals 2024 en 7075 worden veel gebruikt in vliegtuigen, maar zijn bijzonder gevoelig voor corrosie vanwege de aanwezigheid van koper in de legering. De ontwikkeling van sol-gel coatings biedt een veelbelovende oplossing voor dit probleem, aangezien ze niet alleen de corrosiebescherming verbeteren, maar ook de algehele prestaties van de coating verhogen, zelfs in uitdagende omgevingen zoals die in de luchtvaart.

Naast de bescherming tegen corrosie zijn er ook coatings die specifiek zijn ontwikkeld om ijsvorming te voorkomen, wat in bepaalde omstandigheden cruciaal is. Het voorkomen van ijsvorming op oppervlakken is belangrijk om te voorkomen dat de functionaliteit van apparaten en structuren wordt verminderd of zelfs gevaarlijk wordt. Bijvoorbeeld, ijs op vliegtuigvleugels kan de werking van stuurvlakken belemmeren, wat de veiligheid van het vliegtuig in gevaar kan brengen. In de voedingsindustrie kan ijs op verpakkingen de toegankelijkheid bemoeilijken, en in de energie-industrie kan het leiden tot gevaarlijke situaties bij windturbines of elektriciteitsleidingen.

Ijsafstotende coatings, of icephobic coatings, maken gebruik van verschillende mechanismen om de hechting van ijs aan oppervlakken te verminderen. De effectiviteit van deze coatings wordt gemeten aan de hand van de vermindering van de hechtingssterkte van ijs aan een oppervlak. Hoe lager de hechtingssterkte, hoe minder kans er is dat ijs zich zal vormen en vasthouden, wat de veiligheid en prestaties van het oppervlak aanzienlijk verbetert.

Bij de ontwikkeling van dergelijke coatings worden vaak nanodeeltjes gebruikt om de eigenschappen van de coating verder te verbeteren. Deze nanodeeltjes kunnen het oppervlak hydrophober maken, waardoor het moeilijker wordt voor water of sneeuw om zich te hechten. Zo kunnen ze een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van coatings die de ophoping van ijs voorkomen, met toepassingen variërend van de luchtvaart tot energieopwekking en infrastructuurbeveiliging.

Hoe Anti-icing Coatings Werken: Een Diepgaande Analyse van Materialen en Technologieën

De preventie van ijsvorming en het verminderen van ijshechting zijn cruciaal voor een breed scala aan toepassingen, van vliegtuigen en vliegtuigmotoren tot infrastructuur en elektronica. Het begrijpen van de principes achter anti-icing en icephobic coatings biedt inzichten in de ontwikkeling van technologieën die dergelijke problemen effectief aanpakken. In dit hoofdstuk wordt dieper ingegaan op de verschillende soorten coatings en hun werking, met bijzondere aandacht voor elektrische geleidende coatings, vriespuntverlagende middelen en de rol van nanotechnologie.

Icephobic en anti-icing coatings vertonen een aantal fundamentele eigenschappen die ervoor zorgen dat water zich niet ophoopt als ijs, of, wanneer het zich wel ophoopt, de snelheid waarmee het ijs zich vormt, wordt vertraagd. Een belangrijk kenmerk van zulke oppervlakken is dat ze de hechting van ijs verminderen. Dit maakt het gemakkelijker om het ijs fysiek te verwijderen zonder grote krachten te hoeven uitoefenen. De hechtingskracht van ijs speelt een sleutelrol in het bepalen van de effectiviteit van een coating. Wanneer de hechtingskracht van ijs onder de 100 kPa ligt, kan het ijs relatief eenvoudig worden verwijderd, bijvoorbeeld door de werking van wind of de kracht van de zwaartekracht. Bij lagere waarden, zoals 12 kPa of minder, kan het ijs zelfs vanzelf van het oppervlak vallen.

Het vermogen van een oppervlak om de nucleatie en vorming van ijs te vertragen, is ook een belangrijke parameter. Dit wordt vaak gemeten door de tijd te registreren die het kost om ijs te vormen, uitgedrukt in seconden. Dit kan visueel worden waargenomen wanneer water troebel wordt door kristallisatie. Een andere manier om het ijs-ophopend vermogen van een coating te testen is door de schuifhoek te bepalen. Dit gebeurt door het oppervlak langzaam te kantelen en te bepalen wanneer een stuk gevormd ijs begint te schuiven. Hoe lager het schuifhoekgetal, hoe meer icephobic het oppervlak is.

Een van de meest populaire technologieën voor anti-icing toepassingen is de toepassing van elektrische geleidende coatings. Deze technologie wordt vaak gebruikt om bijvoorbeeld de achterruiten van voertuigen te ontdooien of om de vleugels van vliegtuigen ijsvrij te houden. Het mechanisme is eenvoudig: elektrische stroom wordt door een draad- of coating-systeem gestuurd, waardoor het oppervlak opwarmt en het ijs smelt. Bij vliegtuigen en andere voertuigen is dit proces essentieel om te voorkomen dat ijs de prestaties en veiligheid beïnvloedt. Traditioneel worden hiervoor organische coatings gebruikt, maar deze materialen zijn isolerend en kunnen de elektrische stroom niet effectief geleiden. Daarom moeten dergelijke coatings worden gemodificeerd met geleidende deeltjes, zoals koolstofnanbuizen (CNT), grafeen of zilver nanodeeltjes, die de elektrische geleidbaarheid verbeteren.

De sleutel tot het succesvol aanpassen van een coating voor elektrische toepassingen is het begrijpen van het zogenaamde "percolatie-drempel" fenomeen. Dit is het punt waarop een coating van isolerend naar elektrisch geleidende eigenschappen overgaat, zodra een voldoende hoeveelheid geleidende deeltjes in de matrix is toegevoegd. Bij de juiste concentratie geleidende deeltjes ontstaat een continu pad voor elektriciteit, waardoor het oppervlak effectief kan worden verwarmd. Het verlagen van de hoeveelheid benodigde deeltjes om deze drempel te bereiken kan worden bereikt door gebruik te maken van deeltjes met een hoog aspectratio, zoals koolstofnanobuizen, die aanzienlijk efficiënter zijn dan andere deeltjes bij het verbeteren van de geleidbaarheid.

Nanotechnologie speelt een essentiële rol in het verbeteren van de eigenschappen van zulke coatings. Het gebruik van deeltjes van nanometerformaat maakt het mogelijk om de elektrische geleidbaarheid van polymeren aanzienlijk te verbeteren. De invloed van deeltjesgrootte is zo groot dat deeltjes met een grootte van minder dan 20 nm zelfs quantum-effecten kunnen veroorzaken, wat de efficiëntie van de percolatie verder verhoogt. Door gebruik te maken van nanodeeltjes kunnen coatings veel dunner worden aangebracht, terwijl ze toch uitstekende prestaties bieden. De mate van dispersie van de deeltjes in de polymeren speelt hierbij een belangrijke rol, aangezien goed verdeelde systemen doorgaans betere elektrische prestaties vertonen.

Naast de elektrische eigenschappen van coatings, wordt de werking van vriespuntverlagende middelen steeds belangrijker voor anti-icing toepassingen. Substanties zoals zouten, glycols en alcoholen worden vaak gebruikt om het vriespunt van water te verlagen. Dit zorgt ervoor dat ijs niet kan vormen of dat het zich in een langzamer tempo vormt, waardoor het gemakkelijker te verwijderen is. Coatings die vriespuntverlagende middelen bevatten, kunnen bijvoorbeeld het smelten van ijs bevorderen bij temperaturen net onder het vriespunt. Polyethyleenglycol (PEG) is een veelgebruikte stof die het vriespunt verlaagt en al bij een concentratie van 5% kan bijdragen aan het verlagen van de ijsvorming. Kleine moleculen zoals glycols en glycerols kunnen worden geïntegreerd in netwerken van polymeren, wat hen helpt om langzaam naar het oppervlak te migreren en zo hun effectiviteit langer te behouden.

De interpenetrerende polymeren (IPN) technologie is een interessante benadering voor het verbeteren van coatings die vriespuntverlagende stoffen bevatten. Door gebruik te maken van IPN’s, die uit twee of meer polymeren bestaan die in elkaar verweven zijn maar niet chemisch gebonden, kunnen deze stoffen langzaam door de coating migreren, wat hun effectiviteit op de lange termijn verhoogt.

Het is belangrijk om te begrijpen dat de effectiviteit van een anti-icing coating niet alleen afhankelijk is van de juiste keuze van materialen, maar ook van de specifieke toepassing en omgevingsfactoren. De optimale werking van coatings wordt sterk beïnvloed door de temperatuur, luchtvochtigheid en mechanische belasting die het oppervlak ondergaat. Daarnaast spelen de mate van verontreiniging en het onderhoud van de coating een rol in de prestaties op lange termijn. Coatings moeten regelmatig worden gecontroleerd en onderhouden om hun effectiviteit te behouden.

Hoe kunnen coatings worden versterkt tegen kras- en slijtagebestendigheid?

Coatings worden vaak gebruikt om materialen te beschermen tegen verschillende vormen van slijtage, waaronder krassen en mechanische belasting. Er zijn verschillende technieken ontwikkeld om de kras- en slijtvastheid van coatings te verbeteren. Een van de belangrijkste benaderingen is het gebruik van nanodeeltjes, die op verschillende manieren de eigenschappen van coatings versterken.

De sol-gel methode speelt een cruciale rol in de ontwikkeling van coatings met verbeterde krasbestendigheid. Het biedt de mogelijkheid om de samenstelling en microstructuur van coatings op een gedetailleerd niveau te controleren. Door de sol-gel chemie kunnen hybride coatings worden ontwikkeld die zowel de voordelen van organische als anorganische materialen combineren. Dit resulteert in coatings die niet alleen harder zijn, maar ook in staat zijn om beter bestand te zijn tegen krassen en slijtage, wat hun levensduur aanzienlijk verlengt.

PVD-technieken (Physical Vapor Deposition), zoals magnetron sputteren of gepulste laserdepositie, maken het mogelijk om dunne films van harde materialen op oppervlakken aan te brengen. Titaniumnitraat en titaniumaluminiumnitraat zijn enkele van de materialen die vaak worden gebruikt om deze harde films te creëren. De resulterende films bieden uitzonderlijke kras- en slijtvastheid, wat ze ideaal maakt voor toepassingen waar hoge mechanische eisen gesteld worden.

Voor transparante coatings, zoals die gebruikt worden in de auto-industrie, is het een bijzonder uitdaging om de slijtvastheid en krasbestendigheid te verbeteren zonder afbreuk te doen aan de helderheid en glans van de coating. Dit is vooral moeilijk wanneer het gaat om afwerkingscoatings, waar de mogelijkheid om na de toepassing aanvullende behandelingen uit te voeren vaak beperkt is. In dergelijke gevallen bieden traditionele coatingtechnieken, die dunne lagen aanbrengen, vaak onvoldoende bescherming tegen oppervlaktedefecten. De oplossing ligt in het gebruik van nanodeeltjes die in staat zijn om de mechanische eigenschappen van de coating te verbeteren zonder de transparantie te verminderen.

Nanodeeltjes hebben een zeer groot oppervlak, wat hen in staat stelt om effectiever in coatings te worden opgenomen. Het gebruik van de sol-gel techniek bij de ontwikkeling van nanodeeltjes maakt het mogelijk om de compatibiliteit tussen de anorganische deeltjes en de organische coatingmatrix te verbeteren. Het resultaat is een hybride systeem waarin de deeltjes stevig verankerd zijn in de organische matrix, wat hun neiging om samen te klonteren of flocculeren voorkomt. Dit draagt bij aan een betere stabiliteit van de coating, zelfs bij hoge belasting.

De grootte van de deeltjes is van groot belang voor de effectiviteit van de coating. Nanodeeltjes moeten doorgaans een gemiddelde grootte van minder dan 100 nm hebben om transparantie te behouden. In coatings die op deze manier zijn ontwikkeld, kan de hardheid van de coating aanzienlijk worden verhoogd, en de krasbestendigheid kan tot wel tien keer verbeteren, afhankelijk van de toevoegingsgraad van nanodeeltjes. Zo werd in een specifiek geval de hardheid van een coating verhoogd van 6 naar 10 op de H-potlodenhardheidsschaal, terwijl de krasbestendigheid meer dan 10 N bereikte bij een toevoeging van slechts 1% nanodeeltjes.

Er zijn echter ook nadelen verbonden aan het gebruik van nanodeeltjes in coatings. Hoewel ze de mechanische eigenschappen aanzienlijk verbeteren, kan de toevoeging van deze deeltjes de chemische en weersbestendigheid van de coating verminderen, vooral als er te veel surfactanten nodig zijn om de deeltjes te stabiliseren. Het is dus essentieel om een balans te vinden tussen de voordelen van de nanodeeltjes en de potentiële nadelen op het gebied van de algehele prestaties van de coating.

De sol-gel methode biedt een effectief middel om de kras- en slijtvastheid van coatings te verbeteren, maar het vereist een zorgvuldige controle van de deeltjesgrootte en de mate van integratie tussen de anorganische en organische componenten van de coating. Alleen dan kunnen coatings worden ontwikkeld die zowel hoge mechanische prestaties leveren als voldoen aan de eisen van transparantie en visuele aantrekkingskracht.

Bij het ontwikkelen van coatings die bestand zijn tegen slijtage en krassen, is het niet alleen belangrijk om naar de fysieke eigenschappen van de coating zelf te kijken, maar ook naar de technieken die worden gebruikt om deze coatings aan te brengen. Coatings kunnen op verschillende manieren worden aangebracht, zoals door gebruik te maken van de eerder genoemde PVD-technieken, maar het proces van aanbrengen en het type substraten waarop ze worden aangebracht, speelt een even grote rol in hun uiteindelijke prestaties.

Daarnaast is het belangrijk te beseffen dat coatings altijd een balans moeten vinden tussen verschillende eigenschappen: mechanische sterkte, chemische bestendigheid, esthetische kwaliteiten en de kosten van de toegepaste technologieën. In veel gevallen zal een combinatie van technieken, zoals het gebruik van sol-gel geoptimaliseerde nanodeeltjes samen met PVD of andere technieken, de beste resultaten opleveren voor specifieke toepassingen.

Hoe Nanodeeltjes de Eigenschappen van Coatings Veranderen

De fenomenen van oppervlakteresonantie-plasmonen (SPR) en kwantumbeperkingen zijn essentieel voor het begrijpen van de interacties van nanodeeltjes met licht en de effecten die deze hebben op hun fysieke en chemische eigenschappen. Het gedrag van SPR is sterk afhankelijk van de brekingsindex van het omringende materiaal. Zelfs een kleine wijziging in de brekingsindex kan SPR belemmeren, wat de gevoeligheid van deze techniek verhoogt. Dit maakt SPR een krachtige analysemethode, die bijvoorbeeld de oppervlaktesensitiviteit van spectroscopische analyses, zoals fluorescentie en Raman-spectroscopie, verbetert. Zilver- en goudnanodeeltjes vertonen dit SPR-fenomeen, waarbij ze licht sterk absorberen en verstrooien bij specifieke golflengten, afhankelijk van hun grootte, vorm en het omringende medium. Dit resulteert in levendige kleuren variërend van rood tot blauw en geel tot bruin.

Een ander fenomeen dat optreedt in nanodeeltjes is het kwantumbeperkings-effect, veroorzaakt door de beperking van de beweging van elektronen in nanodeeltjes. Het kwantumbeperkings-effect wordt waargenomen wanneer de grootte van het deeltje kleiner is dan de golflengte van het elektron (Broglie-golflengte), wat typisch gebeurt bij deeltjes kleiner dan 5 nm. Dit betekent dat de elektronbeweging wordt beperkt en niet willekeurig kan bewegen. Het elektron is gevangen en kan alleen van de ene naar de andere discrete band springen, wat resulteert in een toegenomen bandgap-energie en de observatie van halfgeleider-eigenschappen. Dit effect biedt een krachtige manier om de elektronische structuur van materialen op nanoschaal te manipuleren. Door de grootte, vorm en samenstelling van nanostructuren te beheersen, kunnen hun halfgeleider-eigenschappen precies worden ontworpen.

Een belangrijk toepassingsgebied van het kwantumbeperkings-effect is de ontwikkeling van quantum dots, die nanodeeltjes van halfgeleiders zijn die grootte-afhankelijke optische eigenschappen vertonen. Kleinere quantum dots zenden licht uit op kortere golflengten (blauw), terwijl grotere dots licht op langere golflengten (rood) uitzenden. Quantum dots zijn bekend om hun heldere, afstelbare fluorescentie. Hoewel ze nog in ontwikkeling zijn, worden quantum dots al gebruikt in hoogwaardige displays en verlichting vanwege hun instelbare emissie en zeer hoge efficiëntie. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt in displaytechnologieën en energiezuinige verlichtingsoplossingen, en zijn recentelijk commercieel verkrijgbaar in vloeibare vorm via verschillende verkoopkanalen.

Bij de chemisch gemodificeerde nanodeeltjes speelt de oppervlakte-aktieve rol van nanodeeltjes een belangrijke rol in hun functionaliteit. Zoals eerder besproken, neemt het oppervlak van een nanopartikel toe naarmate de deeltjesgrootte afneemt. Voor titaniumdioxide (TiO₂) bijvoorbeeld neemt het oppervlak 30 keer toe wanneer de deeltjesgrootte afneemt van 1 µm tot onder 15 nm. Dit verhoogde oppervlak betekent een toenemend aantal actieve sites op de deeltjes, wat het mogelijk maakt om de chemische eigenschappen van de deeltjes te manipuleren. De buitenste laag van de nanodeeltjes kan relatief eenvoudig worden omgevormd tot actieve sites door het toevoegen van functionele en reactieve precursoren tijdens het productieproces van de deeltjes.

Een andere aanpak is het toevoegen van specifieke chemische groepen aan reeds bestaande deeltjes. De variëteit van chemische groepen is bijna oneindig en kan onder andere katalytische centra, hydrofobe of bioactieve groepen, of groepen voor het verbeteren van de compatibiliteit met het medium bevatten. Een veelgebruikte techniek voor het produceren van chemisch gemodificeerde nanodeeltjes is de sol-gel-methode. Bij deze methode worden metalen alkoxiden gehydrolyseerd en gekruist om deeltjes te vormen. Door specifieke chemische functies in de metalen alkoxiden te integreren, kunnen nanodeeltjes met de gewenste eigenschappen worden geproduceerd.

Met nanodeeltjes kunnen coatings ook worden verrijkt met antimicrobiële eigenschappen. Het modificeren van silica nanodeeltjes met kwaternaire ammoniumzouten kan bijvoorbeeld leiden tot coatings die bacteriële groei met 2 logeen verminderen in vergelijking met niet-behandelde silica. Dit type coating is nuttig in toepassingen waar antibacteriële eigenschappen gewenst zijn, zoals in medische en voedselverpakkingen. Het mechanisme achter deze antimicrobiële werking is gebaseerd op de interactie van de kwaternaire ammoniumzouten met microorganismen, waarbij de alkylketen van de zouten micro-organismen aantrekt en vervolgens hun celmembraan beschadigt.

Naast de gemodificeerde nanodeeltjes zijn er ook polyoctasilsesquioxanen (POSS), een bijzondere klasse van nanomaterialen die op siliconen zijn gebaseerd. POSS bestaat uit silicium- en zuurstofatomen met hydrocarbongroepen, wat het een unieke structuur geeft. Dit materiaal is bijzonder vanwege zijn kleine afmetingen (minder dan 3 nm) en kan als nanofiller in coatings en composieten worden gebruikt. Door het toevoegen van specifieke functionele groepen via de R-groepen van POSS kan de waterbestendigheid of de compatibiliteit met organische harsen worden verbeterd. Bovendien heeft POSS eigenschappen die de brandwerendheid en thermische stabiliteit van materialen verbeteren, wat het bijzonder nuttig maakt voor epoxyharsen.

De toepassingen van POSS en andere nanodeeltjes in coatings en composieten zijn veelbelovend. Door nanoreinforcing kan de mechanische sterkte van materialen worden verhoogd, waarbij stress gelijkmatiger over het materiaal wordt verdeeld, waardoor de kans op breuken of falen wordt verminderd. Deze eigenschappen maken nanodeeltjes onmisbaar voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen met verbeterde prestaties en duurzaamheid in een breed scala van industrieën, van elektronica tot bouwmaterialen.

Hoe Nano-Titaan Dioxide en Vitrimers de Toekomst van Slimme Coatings Vormgeven

Nano-titaan dioxide heeft zichzelf bewezen als een uiterst effectief materiaal voor fotokatalytische toepassingen, met name in de afbraak van organische verontreinigingen zoals oliezauren onder invloed van UV-licht. Dit wordt mogelijk gemaakt door de unieke elektronische structuur van nano-titaan dioxide, die zowel de reductie als de oxidatie van watermoleculen faciliteert. Deze reacties zijn essentieel voor water splitsing en kunnen tegelijkertijd plaats vinden, doordat de OH-groepen op het oppervlak fungeren als donoren die reageren met valentieband gaten en hydroxylradicalen (OH•) genereren. Deze radicalen hebben een zeer hoog oxidatiepotentieel, ongeveer 2,27 eV, en zijn cruciaal voor foto-oxidatiereacties.

De fotokatalytische reactie van titaan dioxide kan worden beschreven als volgt: de fotokatalysator absorbeert fotonen (hν), wat resulteert in de vorming van elektronen (e−) en gaten (h+). Deze gaten kunnen reageren met water, wat leidt tot de vorming van hydroxylradicalen (OH•) en waterstofionen (H+). De hydroxylradicalen kunnen vervolgens organische verontreinigingen afbreken, waardoor kleinere moleculen zoals CO2 en H2O worden geproduceerd. Dit proces is uiterst effectief, wat kan worden aangetoond door de ISO-norm EN27448, die de zelfreinigende werking van oppervlakken gecoat met nano-titaan dioxide meet. In een test wordt de afbraak van oleïnezuur, een model van organische verontreiniging, onder invloed van UV-licht geëvalueerd. Na verloop van tijd neemt de contacthoek van het oppervlak af, wat duidt op de volledige afbraak van de oliezuurlaag, met als eindproducten CO2 en H2O.

Naast fotokatalyse vertoont titaan dioxide bij lichtactivatie ook een tweede effect: de breuk van de Ti–O–Ti-binding in titaan dioxide, wat resulteert in de vorming van Ti–OH-groepen. Dit leidt tot de overgang van het materiaal naar een superhydrofiele toestand, waarbij de contacthoek aanzienlijk lager is dan 10°. Dit fenomeen is van belang voor toepassingen waarbij waterdruppels zich efficiënt verspreiden over het oppervlak, zoals bij zelfreinigende coatings.

De effectiviteit van nano-titaan dioxide wordt verder versterkt door de toegenomen oppervlaktestructuur die gepaard gaat met kleinere deeltjesgrootten. Nano-titaan dioxide heeft een groter aantal katalytische centra, die in staat zijn om organische stoffen om te zetten in hun primaire elementen. Daarnaast speelt de porositeit van de nano-titaan dioxide-film een cruciale rol in de efficiëntie van de afbraak van verontreinigingen. Een meer poreuze film vergroot de contacttijd tussen de verontreinigingen en de actieve sites, wat de afbraak versnelt.

Om de effectiviteit van nano-titaan dioxide te kwantificeren, wordt de zogenaamde omloopsnelheid (TOF) gebruikt. Deze maatstaf vergelijkt de hoeveelheid moleculen die per tijdseenheid worden omgezet door een bepaalde hoeveelheid katalysator. In een vergelijking van verschillende commerciële varianten van nano-titaan dioxide, zoals P25 en Hombikat, bleek de TOF-waarde ongeveer 0,5 h−1 te zijn, wat betekent dat 0,5 mol acetaldehyde per uur wordt omgezet door 1 mol van de katalysator. Factoren die de TOF beïnvloeden, zijn onder andere de deeltjesgrootte van het nano-titaan dioxide, de porositeit van de film en de chemische modificatie van de deeltjes, die verder onderzocht en ontwikkeld moeten worden.

Hoewel er alternatieven voor nano-titaan dioxide coatings zijn onderzocht, zijn er tot nu toe weinig materialen die zowel effectiever zijn als een aantrekkelijk economisch kostenplaatje hebben. Zinkoxide (ZnO) en wolfraamtrioxide (WO3) worden vaak genoemd als alternatieven, vooral als materialen die actief zijn bij zichtbaar licht. Echter, deze materialen zijn vaak niet zo effectief of economisch haalbaar als nano-titaan dioxide.

Een andere veelbelovende ontwikkeling in de wereld van coatings zijn vitrimers. Deze nieuwe klasse van polymere materialen combineert eigenschappen van thermoharders en thermoplasten. Terwijl traditionele thermoharders niet kunnen worden hervormd na verharding, hebben vitrimers de unieke eigenschap om hun moleculaire structuur dynamisch te herschikken zonder de hoofdpolymeerketen te breken. Vitrimers vertonen thermoharder-achtig gedrag in de afwezigheid van dynamische uitwisseling van covalente bindingen, maar kunnen zich opnieuw vormen en vloeien wanneer deze uitwisselingen worden geactiveerd door warmte.

Vitrimers hebben verschillende belangrijke kenmerken, zoals hervormbaarheid en zelfherstellende eigenschappen. Ze kunnen worden gerecycled en opnieuw gevormd zonder dat de chemische bindingen in de polymeren worden verbroken. Bovendien kunnen vitrimers zichzelf herstellen wanneer ze beschadigd zijn, doordat de dynamische covalente bindingen zich opnieuw vormen. Dit kan de levensduur van vitrimer-gebaseerde producten aanzienlijk verlengen. De eigenschappen van vitrimers kunnen verder worden aangepast door de concentratie en het type van de gebruikte dynamische covalente bindingen te wijzigen, waardoor ze uiterst veelzijdige materialen zijn voor verschillende toepassingen.

Het ontwikkelen van vitrimers heeft de scheidslijn tussen thermoplasten en thermoharders doen vervagen. Dit maakt vitrimers veelbelovend voor toepassingen in zelfherstellende coatings en slimme materialen die herbruikbaar en makkelijk te bewerken zijn. Ze bieden aanzienlijke voordelen in vergelijking met traditionele thermoplasten en thermoharders, vooral op het gebied van duurzaamheid en herbruikbaarheid.

In de toekomst zou de combinatie van fotokatalytische eigenschappen van nano-titaan dioxide en de zelfherstellende eigenschappen van vitrimers kunnen leiden tot coatings die zowel zelfreinigend als zelfherstellend zijn, met toepassingen die verder gaan dan wat momenteel mogelijk is met traditionele coatings.

Hoe Vliegen Vogels? De Wonderen van Migratie en Tuinieren voor Vogels
Hoe kwam het DACA-beleid tot stand en wat zijn de gevolgen?
Hoe Donald Trump zijn Stijl van Stellingname verschilt van andere Kandidaten