De wetenschap van: keramische coatings
Bij IGL Coatings houden wij ervan om dieper in te gaan op wat we doen en onze bevindingen met jullie te delen. Daarom hebben we samen met ons R&D-team in Maleisië een nieuwe blogserie gelanceerd onder de naam “De wetenschap van”, waarin we dingen vanuit een technisch perspectief uitleggen. We hopen dat je geniet van deze onvervalste content van ons R&D-team!
Wat zijn keramische coatings?
Keramische coatings, ook wel bekend als glascoatings, nano coatings, silica coatings en hydrofobe coatings, worden gedefinieerd als een semi-permanente, niet-metallische, anorganische beschermende coating die wordt aangebracht op verschillende soorten oppervlakken. Keramische coatings worden gebruikt in verschillende industrieën zoals de auto-industrie, de scheepvaart en de architectuur, voornamelijk vanwege de eenvoudig te reinigen eigenschappen en de bescherming tegen verwering.
De basisformulering van elke keramische coating omvat:
1.)hars (polymeer materiaal dat de ruggengraat van de coating vormt);
2.)oplosmiddel(en)
3.)additieven
Hars is een van de belangrijkste componenten van een keramisch coatingsysteem. Veel voorkomende harsen zijn op siliconen gebaseerde polymeren zoals polydimethylsiloxanen (PDMS). PDMS wordt vaak gebruikt in de formulering van keramische coatings omdat het over het algemeen niet giftig, inert, niet brandbaar, optisch helder met uitstekende thermische en UV-stabiliteit is.
PDMS wordt meestal gebruikt als hoofdcomponent in een keramisch coatingsysteem dat zorgt voor de harde, glanzende en hydrofobe eigenschappen. De structuur en vorming van een keramische coating op basis van PDMS wordt hieronder geïllustreerd.
Helaas heeft PDMS op zichzelf een slechte hechting aan verf, kunststof, metaal en houten substraten. Met de toevoeging van silaan additieven aan de formulering om de hechting te bevorderen, is PDMS in staat om een verbinding te creëren tussen PDMS en het substraat om een semi-permanente dunne beschermende film te vormen, zoals hieronder weergegeven.
De silaan functionele groep (-Si-O-R) reageert met het oppervlak om een sterke covalente binding te vormen, die bijdraagt aan de verbetering van de algehele hechting van de coating en helpt de duurzaamheid van de keramische coating te verbeteren, vooral wanneer deze wordt blootgesteld aan mechanische slijtage zoals wassen en wrijven.
Hoe vormt PDMS een beschermende coating met zijn specifieke eigenschappen zoals hardheid, waterafstotendheid en bestendigheid tegen chemicaliën?
PDMS begint uit te harden wanneer het in contact komt met vocht in de lucht. Het uithardingsproces duurt lang en wordt meestal versneld door de aanwezigheid van katalysatoren. Gewoonlijk is de keramische coating binnen enkele uren handdroog, maar het volledige uithardingsproces duurt gewoonlijk 5 tot 7 dagen. Als het PDMS begint te hydrolyseren, zal elk PDMS monomeer zich binden en een langere keten vormen, wat resulteert in een dunne maar stijve beschermlaag op het oppervlak. De hydrolysereactie wordt hieronder weergegeven.
Tijdens de hydrolysereactie komt methanol (of een andere alcoholverbinding) vrij als bijproduct van de reactie, afhankelijk van de kwaliteit van het gebruikte PDMS. Dit bijproduct staat algemeen bekend als vluchtige organische stoffen of VOC. Terwijl de meeste coatings in de industrie “sterk ruikend” zijn, hebben de coatings geformuleerd door IGL Coatings weinig of geen VOC’s, wat betekent dat er minder VOC-bijproducten vrijkomen tijdens het uitharden.
De hardheid van de keramische coating op basis van PDMS is afhankelijk van de crosslinkmiddelen in de formule. Zonder toevoeging van de crosslinking agent aan het keramische coatingsysteem zal het monomeer van het PDMS de neiging hebben om te reageren langs de hoofdketen, waardoor een langere keten wordt gevormd met minimale crosslinking. Dit resulteert in coatings met een gemiddelde hardheid. Dit type coatingsysteem is op de markt verkrijgbaar als 1-component (1-K) producten met een langere verwerkingstijd.
Opmerking: Pot-life betekent het tijdsinterval waarin het mengsel nog steeds geschikt is voor gebruik.
Wanneer een crosslinking-agent wordt toegevoegd, worden de intermoleculaire bindingen tussen aangrenzende PDMS-ketens gevormd, zoals hieronder weergegeven.
Dit resulteert in een keramische coating met een hogere crosslinkdichtheid, waardoor keramische coatings ontstaan met een potloodhardheid tot 10H, zoals IGL Coatings ecocoat KENZO.
De verwerkingstijd van PDMS met crosslinking agent is echter zeer beperkt (enkele uren tot 1 dag). Daarom moet de formuleerder een coating formuleren met twee afzonderlijke componenten (2-K) (zoals ecocoat Window) om vroegtijdige reactie tijdens opslag te voorkomen. Bij 2K-producten moet de eindgebruiker de twee componenten mengen.
De waterafstotendheid van de keramische coating op basis van PDMS wordt gevormd tijdens het uithardingsproces wanneer de -Si-O-Si-binding wordt gevormd.
Tijdens dit uithardingsproces worden de methylgroepen zodanig georiënteerd dat ze naar het coatingoppervlak gericht zijn, zoals hieronder getoond, wat resulteert in superieure hydrofobe/waterafstotende eigenschappen. Afhankelijk van de formulering van de keramische coating varieert de watercontacthoek van 91° tot 120°.
Door de hydrofobe eigenschappen van het keramisch gecoate oppervlak kunnen de meeste verontreinigingen zoals vuil, insectenvlekken en vogelpoep het keramisch gecoate oppervlak minder snel of niet binnendringen, waardoor het oppervlak gemakkelijker schoon te maken en te onderhouden is.
Bovendien staat PDMS bekend om zijn chemische inertie en uitstekende thermische en UV-bestendigheid. De hoge dichtheid van de crosslinking draagt bij aan de chemische weerstand. Keramische coatings, in het bijzonder de keramische coatings in de ecocoat serie, zijn geformuleerd om sterke zuren, bijtende stoffen en ook oplosmiddelen zoals benzine en diesel te weerstaan. Bovendien helpen keramische coatings kleurvervaging te voorkomen die wordt veroorzaakt door UV-stralen die het pigment in geverfde oppervlakken zoals auto’s en gebouwen afbreken.
Alle keramische coatings hebben specifieke eigenschappen zoals hardheid, waterafstotendheid en duurzaamheid. Afhankelijk van de formulering van elke individuele coating en het doel waarvoor deze is gemaakt, zal elke coating verschillende niveaus van gemeenschappelijke kenmerken vertonen. Ecocoat KENZO is bijvoorbeeld een gespecialiseerde formulering met een hardheid van 10H (potloodschaal). De belangrijkste kenmerken zijn een watercontacthoek van 120°, een zijdeachtige glans en een lange levensduur. ecocoat wheel daarentegen is ontworpen voor een hoge hittebestendigheid, verhoogde duurzaamheid en hardheid.
