Qual è il potenziale dei rivestimenti autoriparanti-per prolungare la durata delle superfici delle piastre riscaldanti?

Quando il rivestimento antiaderente-di una piastra riscaldante viene graffiato, l'umidità o gli acidi possono danneggiare il metallo sottostante. Una nuova classe di rivestimenti autoriparanti-può riparare autonomamente un graffio e ripristinare la protezione senza la necessità dell'intervento umano. Questi rivestimenti sono costituiti da piccole sfere piene di liquido che si aprono quando vengono ferite. Per molti anni, i rivestimenti protettivi per piastre riscaldanti industriali-siano essi finiture antiaderenti a base di PTFE--, rivestimenti ceramici o barriere in fluoropolimero-sono stati afflitti da uno svantaggio di base: la barriera protettiva si indebolisce irreversibilmente se viene graffiata o danneggiata. Il substrato metallico esposto è soggetto a incrostazioni, corrosione e guasti precoci. Questo paradigma sta per cambiare grazie ai rivestimenti autoriparanti, una tecnologia che è passata dalla curiosità di laboratorio alla commercializzazione iniziale in alcuni settori. Le implicazioni per le superfici delle piastre riscaldanti vanno ben oltre la semplice durabilità e includono rivestimenti riparabili che prevengono attivamente i guasti nel lungo periodo di utilizzo.

Il processo: richiedere-microcapsule curative
Come la pelle viva, il rivestimento guarisce se stesso. Un rivestimento autoriparante-è un sistema composito intelligente anziché un singolo materiale. Miliardi di minuscole capsule, ciascuna con un agente riparatore liquido e, in alcune formulazioni, un catalizzatore disperso, sono incorporati all'interno della matrice di rivestimento. Queste capsule hanno solitamente un diametro compreso tra 10 e 100 micrometri. Questo disegno viene definito sistema di autoguarigione estrinseca-poiché gli agenti esterni, in contrapposizione alle qualità materiali intrinseche, forniscono la capacità di guarigione-13.

Le microcapsule che ostacolano la frattura si rompono quando un graffio, una crepa o un altro danno meccanico attraversa il rivestimento. L'agente curativo viene rilasciato da questa rottura ed entra nell'area lesa attraverso l'azione capillare. Quando la sostanza chimica rilasciata entra in contatto con il catalizzatore disperso nella matrice del rivestimento, viene quindi avviata una reazione di polimerizzazione. Entro 15-30 secondi, l'ingrediente curativo nelle formulazioni create per uso industriale polimerizza, sigillando il graffio, chiudendo lo spazio vuoto e restituendo dall'85 al 95% delle proprietà originali del materiale-1. La barriera guarita riprende quindi il suo ruolo protettivo, impedendo ai mezzi corrosivi di penetrare nel metallo sottostante e, nel caso di rivestimenti antiaderenti, preservando le caratteristiche di rilascio attraverso la regione sigillata.

Si stanno studiando altre architetture di autoriparazione-oltre ai dispositivi basati su-microcapsule. Per fornire protezione anticorrosiva a lungo termine-a-termine, i rivestimenti-strato-strato che utilizzano legami covalenti dinamici-come i legami di base di Schiff-nelle matrici di polidimetilsilossano-sono stati abbinati a finiture in PTFE. Questi rivestimenti forniscono capacità di riparazione dei danni-ripetibili. Gli elastomeri che si autoriparano in pochi minuti pur mantenendo le superfici antiaderenti sono stati prodotti utilizzando sistemi polimerici fluorurati che utilizzano la segregazione repulsiva delle catene laterali fluoroalchiliche-65. Questi metodi mostrano la varietà di tecniche di autoriparazione-in fase di sviluppo, anche se sono ancora per lo più in fase di ricerca per applicazioni ad alta temperatura.

Dalla funzionalità della superficie alla protezione dalla corrosione
La convalida più ampia della tecnologia autorigenerante è stata riscontrata nei rivestimenti anti-corrosione. Ogni anno, la corrosione causa più di 700 miliardi di dollari in perdite economiche in tutto il mondo, ovvero più del 3% del PIL globale-13. I rivestimenti anticorrosione convenzionali-fungono semplicemente come barriere passive, offrendo protezione fino al verificarsi del danno, momento in cui la corrosione inizia e si diffonde anche da una minuscola area esposta-13. Al contrario, i rivestimenti autoriparanti imitano i sistemi immunitari biologici fornendo ai materiali una reazione attiva che riconosce le lesioni e avvia la riparazione alla fonte-13.

La prevenzione della corrosione è solo uno dei vantaggi del riscaldamento delle superfici delle piastre. Anche le qualità superficiali antiaderenti o a basso{2}}attrito sono essenziali per molte piastre riscaldanti industriali, in particolare nelle applicazioni che implicano la lavorazione dei polimeri, il contatto con gli alimenti o la manipolazione di adesivi. Oltre a esporre il substrato metallico alla corrosione, un graffio che penetra in un rivestimento antiaderente in PTFE fornisce un'area localizzata in cui i materiali lavorati possono aderire, provocando ustioni, contaminazione e riscaldamento irregolare. Per mantenere sia la protezione che le prestazioni, le versioni autoriparanti di questi rivestimenti potrebbero ripristinare automaticamente la funzionalità antiaderente nel punto graffiato.

La difficoltà: operare a temperature elevate
Sebbene questa tecnologia per ambienti operativi ad alta-temperatura sia ancora agli inizi, l'idea è intrigante. La stabilità termica è l'ostacolo più grande all'utilizzo di rivestimenti autoriparanti-sulle superfici delle piastre riscaldanti. La maggior parte dei sistemi di guarigione basati su microcapsule-di successo sono stati creati per applicazioni a temperatura ambiente o leggermente aumentata, utilizzando materiali centrali come diciclopentadiene, resine epossidiche, isocianati o oli essiccanti-13. A temperature superiori a circa 150-200 gradi, gli agenti curativi e i materiali delle pareti delle capsule iniziano a deteriorarsi o a rompersi prematuramente.

Tuttavia, a seconda dell'applicazione, le piastre riscaldanti possono funzionare costantemente a temperature che vanno da 80 gradi a ben oltre 200 gradi. I rivestimenti antiaderenti- in PTFE sono generalmente adatti all'uso continuo fino a 260 gradi, con breve esposizione a temperature più elevate. In tali condizioni, un additivo autoriparante che si rompe a 180 gradi non sarebbe molto utile.

Progressi nella stabilità termica
Lo studio dei sistemi di autoriparazione termicamente stabili-si sta sviluppando rapidamente. Rispetto alle capsule tradizionali, le microcapsule con gusci di polimetilmetacrilato rinforzati con nanotubi di carbonio funzionalizzati a pareti multiple-hanno mostrato una maggiore stabilità termica. I materiali del guscio sono realizzati per resistere a temperature di lavorazione e di servizio fino a 200 gradi -39. Per creare strutture stratificate di vetro borosilicato, ossidi e silicati che mostrano proprietà autoriparanti a temperature comprese tra 1.400 e 1.600 gradi, -molto più elevate rispetto alla gamma di piastre riscaldanti a base polimerica-, sono stati sviluppati rivestimenti autoriparanti a base ceramica-a base di polimeri-utilizzando la sinterizzazione al plasma a scintilla per applicazioni a temperature ultra-elevate.

Il passo successivo è progettare microcapsule con materiali del guscio termicamente stabili (come resine di urea-formaldeide o melammina-formaldeide reticolata) o passare a meccanismi di autoriparazione intrinseca che non si basano su liquidi incapsulati per l'intervallo di temperatura intermedio relativo alle piastre riscaldanti rivestite in PTFE-, che è di circa 100-260 gradi. Una promettente strategia intrinseca che funziona a temperature elevate senza incapsulare sostanze chimiche è rappresentata dagli elastomeri autoriparanti fluoropolimerici-, che ottengono una guarigione rapida attraverso la segregazione repulsiva delle catene laterali fluoroalchiliche-65.

Situazione attuale e percorsi applicativi
I rivestimenti anticorrosivi-autoriparanti-sono passati dallo studio accademico al primo utilizzo industriale in settori quali la protezione delle condutture, l'automotive e il settore marittimo-13. Tuttavia, le applicazioni industriali efficaci rimangono rare e la conversione dai risultati di laboratorio alla realtà commerciale continua a soddisfare le sfide-13. Per quanto riguarda specificamente le superfici delle piastre riscaldanti, i rivestimenti in PTFE autoriparanti disponibili in commercio non sono attualmente un'offerta di prodotti comune.

La traiettoria tecnologica è evidente, però. I rivestimenti che combinano le qualità intrinseche di anti-aderenza e resistenza chimica-del PTFE con le capacità di autoriparazione-sono al centro di studi attivi. Un metodo a doppio strato, ad esempio, combina una matrice di polidimetilsilossano auto-riparabile come strato protettivo primario, con una pellicola sottile di PTFE aggiunta alla superficie per prevenire l'interazione con l'acqua e preservare le-prestazioni a lungo termine-66. Gli studi hanno rivelato che tali strutture a doppio strato forniscono una resistenza alla corrosione efficace e priva di graffi-e un percorso per la schermatura metallica a lungo termine.

Per i produttori di piastre riscaldanti e gli utenti finali-industriali, il più grande vantaggio immediato dei rivestimenti autoriparanti-potrebbe essere il tempo prolungato tra un rivestimento e l'altro. Gli attuali rivestimenti in PTFE sulle piastre riscaldanti spesso richiedono una riapplicazione o una sostituzione dopo diversi anni di servizio, a seconda della gravità dell'attrito meccanico, dell'esposizione chimica e dei cicli di temperatura. Un rivestimento autoriparante-che ripara autonomamente piccoli graffi e danni da abrasione non appena si verificano potrebbe raddoppiare o triplicare la durata effettiva prima che il rivestimento diventi necessario. Una proposta di forte valore per le operazioni industriali ad alta-produzione è la riduzione delle spese di manodopera, dei tempi di inattività e dell'utilizzo dei materiali di rivestimento.

Bio-Ispirazione e prospettive
La ricerca sui materiali si sta ispirando sempre più alla bio-ispirazione, prendendo spunto dal mondo naturale. L'auto-guarigione è una caratteristica naturale dei regni animali e vegetali ricchi di biodiversità, affinata dall'evoluzione-49. Le piante limitano i danni attraverso la compartimentazione; i mammiferi ottengono la guarigione attraverso la coagulazione; entrambi utilizzano reti circolatorie o capsule per distribuire sostanze chimiche riparatrici nei siti della ferita-49. Il rivestimento autoriparante basato su microcapsule- è una traduzione ingegneristica diretta di queste strategie naturali: un "sistema vascolare" sintetico incorporato all'interno del rivestimento, pronto a rispondere quando la barriera superficiale viene violata.

Guardando al futuro, è probabile che i rivestimenti autoriparanti-per le piastre riscaldanti si evolvano lungo vari assi:

Capacità di guarigione a cicli multipli-: la maggior parte dei sistemi esistenti può curare ogni punto ferito solo una volta, perché le microcapsule in quella regione vengono consumate. Polimeri a memoria di forma e connessioni covalenti reversibili vengono uniti per consentire più cicli di guarigione nella stessa posizione-1.

Stimolo-attivato rispetto alla guarigione autonoma: sebbene la guarigione autonoma (rilascio-indotto dal danno senza intervento esterno) sia preferibile, alcune applicazioni possono trarre vantaggio da sistemi di rilascio attivati ​​termicamente o attivati ​​dal pH-, che possono essere avviati su richiesta-56.

Integrazione con il monitoraggio delle condizioni: gli indicatori fluorescenti o colorimetrici incorporati all'interno delle microcapsule possono fornire un avviso visivo di danni, consentendo agli operatori di rilevare i punti in cui è avvenuta la guarigione-o dove l'agente curativo è stato esaurito.

Chimiche sostenibili: sono in fase di ricerca agenti terapeutici a base biologica-e materiali per capsule rispettosi dell'ambiente, in linea con le tendenze industriali più ampie verso una riduzione dell'impatto ambientale.

Insomma
I rivestimenti autoriparanti rappresentano il prossimo sviluppo delle superfici protettive, promettendo piastre riscaldanti che resistono a lievi danni e durano più a lungo. Il meccanismo delle-microcapsule degli agenti curativi che si rompono e polimerizzano in seguito ai graffi-è stato dimostrato in laboratorio e in ambienti commerciali selezionati per applicazioni resistenti alla corrosione-. Il principale ostacolo tecnico per le applicazioni con piastre riscaldanti è l'estensione della stabilità termica di questi sistemi all'intervallo operativo di 100-260 gradi delle superfici rivestite in PTFE-, una sfida che viene affrontata attraverso gusci di capsule termicamente robusti, matrici autoriparanti-in fluoropolimeri e alternative ad alta-temperatura a base di ceramica-. Sebbene i rivestimenti in PTFE autoriparanti non siano attualmente un prodotto di base, la scienza dei materiali sottostanti sta migliorando rapidamente e i primi ad adottarli in specifiche applicazioni di riscaldamento industriale potrebbero vedere opzioni commerciali entro i prossimi anni. Per un settore che misura la durata delle apparecchiature in anni e il rivestimento in mesi, la possibile estensione degli intervalli di manutenzione attraverso riparazioni autonome e bioispirate è una tendenza che vale la pena tenere d'occhio.