En la naturaleza, una gran cantidad de materiales a base de carbonato de calcio exhiben excelentes propiedades mecánicas. Mantiene una composición simple y despierta un gran interés científico. Mediante una investigación exhaustiva sobre los mecanismos de nucleación y crecimiento del carbonato de calcio, se ha logrado el control de la biomineralización. Ofrece amplias posibilidades de aplicación en antiincrustantes, prevención de incrustaciones, autolimpieza y separación de aceite y agua.
Las superficies superhidrofóbicas, gracias a sus propiedades únicas, tienen amplias aplicaciones en impermeabilización, antiempañamiento, autolimpieza, resistencia a la corrosión, antihielo y reducción de la fricción. Sin embargo, lograr la producción a gran escala de recubrimientos superhidrofóbicos de bajo costo, baja toxicidad, fácil aplicación y alta durabilidad sigue siendo un desafío importante.
Numerosos estudios han demostrado que la baja energía superficial y las estructuras rugosas son los principales factores que influyen en el rendimiento superhidrofóbico. Esta es un área de investigación clave en la tecnología de modificación del carbonato de calcio. En resumen, la modificación del carbonato de calcio busca reducir la energía superficial manteniendo la dispersión, aumentar el ángulo de contacto y garantizar la hidrofobicidad.
¿Qué tipo de carbonato de calcio es más adecuado para recubrimientos funcionales? ¿Cómo se debe modificar? ¿Cuáles son sus efectos reales?
Gu Weile y sus colegas sintetizaron dos formas cristalinas diferentes de carbonato de calcio en polvo. Se mezclaron con polidimetilsiloxano (PDMS) de baja energía superficial y se aplicaron por pulverización para crear recubrimientos superhidrofóbicos. Posteriormente, se evaluó la capacidad de autolimpieza y la resistencia al impacto de estos recubrimientos.
Los resultados experimentales mostraron que el efecto de modificación óptimo y la mejor hidrofobicidad se lograron al utilizar estearato de sodio 5% (NaSt) u oleato de sodio 5% (NaOL) como surfactante. Específicamente, el ángulo de contacto del carbonato de calcio tipo aragonito modificado con estearato de sodio 5% fue de 127,5°. Y el del carbonato de calcio tipo calcita modificado con oleato de sodio 5% fue de 115,4°.
Estudios posteriores exploraron la influencia de diferentes formas cristalinas de carbonato de calcio en el rendimiento hidrofóbico de los recubrimientos. Se encontró que los ángulos de contacto de los recubrimientos de carbonato de calcio a base de calcita y aragonito eran de 151,4° y 153,2°, respectivamente.
Finalmente, se examinó la autolimpieza y la resistencia al impacto de los recubrimientos superhidrofóbicos. Los resultados demostraron que, incluso tras una prueba de impacto con una gota de agua de 500 ml, los ángulos de contacto de ambas formas cristalinas se mantuvieron por encima de 140°, manteniendo excelentes propiedades hidrofóbicas.
Cheng Yuan et al. utilizaron filamentos de carbonato de calcio (CCW) y nanocarbonato de calcio (CCNP) como rellenos para preparar recubrimientos superhidrofóbicos. Optimizaron la modificación de la superficie del polvo, la formulación del recubrimiento y las técnicas de aplicación. Esto se logra mediante la adopción de un enfoque de "imprimación-capa de acabado" y métodos de pulido comúnmente utilizados en la construcción de recubrimientos. El estudio reveló que, tras 15 ciclos de fricción, el recubrimiento alcanzó un ángulo de contacto de 153,88° y un ángulo de rodadura de 9,20°, demostrando excelentes propiedades de autolimpieza y reparabilidad artificial.
¿Sobre qué sustratos se pueden aplicar recubrimientos funcionales de carbonato de calcio?
Fibras
La tecnología de recubrimiento húmedo basada en fibras de desecho de poliamida es el método principal para producir productos textiles recubiertos, como las cintas de marca. También es una forma importante de reciclar físicamente las fibras de poliamida. Ofrece ventajas como bajos costos de producción y un excelente rendimiento del producto. El carbonato de calcio, un polvo inorgánico económico, no tóxico y ecológico, se utiliza ampliamente como relleno en el proceso de recubrimiento húmedo de fibras de desecho de poliamida. Mejora el grosor, la blancura y la resistencia de la superficie recubierta de las cintas de marca.
Lei Pengfei et al. sintetizaron carbonato de calcio como relleno de recubrimiento mediante un método de ácido oleico in situ y lo aplicaron a recubrimientos húmedos de poliamida. Los resultados mostraron una disminución del ángulo de contacto de la película de recubrimiento de 8,29°, una reducción de la longitud de la marca de tinta en el tejido recubierto de 10,42 mm y un pH del tejido de 7,27, lo que mejoró la absorción de la tinta y mejoró el cumplimiento del pH con las normas de seguridad textil.
Jiang Jikang et al. modificaron el carbonato de calcio injertándolo con el modificador sintético DOPO, logrando una dispersión uniforme en recubrimientos de poliamida. El recubrimiento presentó una estructura transparente y porosa con una textura esponjosa. En condiciones de humedad, el tejido recubierto mantuvo un pH de 7,02, cumpliendo con las normas ambientales. El tiempo de absorción de la tinta fue de 89 segundos, con una longitud de marca de 53,4 mm. El código de barras impreso se mantuvo claro e intacto, alcanzando una calificación de grado A.
Chen Zhijie et al. modificaron el carbonato de calcio mediante injerto superficial con un agente de acoplamiento retardante de llama de silicio-fósforo para mejorar la dispersión y conferirle propiedades ignífugas. Este método creó con éxito un recubrimiento de poliamida liso, delgado y poroso sobre tejidos. El estudio demostró que el carbonato de calcio modificado exhibió una excelente oleofilicidad, y el tejido resultante, recubierto con poliamida 6, logró importantes efectos ignífugos.
Concreto
La tecnología de recubrimiento de superficies es un método eficaz para mejorar la durabilidad del hormigón. Los recubrimientos superhidrofóbicos con propiedades impermeabilizantes, antihielo y autolimpiantes se encuentran entre los temas más investigados actualmente.
Xu Huafeng et al. utilizaron polidopamina para inducir la mineralización de carbonato de calcio en superficies de hormigón, reduciendo in situ los iones de plata a nanoplata para construir una estructura rugosa micro-nanocompuesta. Posteriormente, la superficie se modificó con silano de baja energía superficial para obtener un recubrimiento de carbonato de calcio superhidrofóbico, biomimético y funcionalizado. Los resultados mostraron que la tasa de absorción de agua de la muestra recubierta con el compuesto disminuyó en 90,31 TP³T en entornos normales y en 93,441 TP³T en entornos simulados de agua de mar, en comparación con las muestras sin tratar, lo que demuestra una excelente impermeabilidad y resistencia a la penetración. Tras una distancia equivalente a cinco metros de fricción repetida sobre papel de lija, el ángulo de contacto del recubrimiento se mantuvo por encima de 140°, con una disminución de tan solo 6,871 TP³T, lo que indica una alta resistencia al desgaste.
Para mejorar la resistencia a la corrosión y a las manchas de los edificios de arenisca en exteriores, Wen Yaping et al. sintetizaron un recubrimiento modificado con ácidos grasos a base de carbonato de calcio mediante una reacción en fase líquida, donde los ácidos grasos actúan como modificador hidrofóbico. El estudio reveló que el carbonato de calcio vaterita modificado con ácido esteárico presentó un mayor tamaño promedio de grano cristalino (31 nm), alteró significativamente la rugosidad superficial de la arenisca, alcanzó un ángulo hidrofóbico de 119°, obtuvo una clasificación de resistencia a las manchas de 5 y redujo la absorción de agua a tan solo 1,01 TP3T. En comparación con recubrimientos sin tratar sobre muestras de arenisca, este método mejoró eficazmente la resistencia a las manchas de las superficies de arenisca.
Vaso
Yuan Zhiqing et al. desarrollaron un método sencillo para preparar recubrimientos superhidrofóbicos a base de polidimetilsiloxano (PDMS)/CaCO₃. Los recubrimientos resultantes fueron aplicables a diversos sustratos, como papel kraft, portaobjetos de vidrio y placas de cobre. Al aplicarse sobre sustratos de vidrio y secarse a temperatura ambiente, el recubrimiento alcanzó un ángulo de contacto de 160° con un ángulo de deslizamiento inferior a 3°. Las pruebas de cizallamiento demostraron que el recubrimiento superhidrofóbico P3 exhibió alta resistencia mecánica al cizallamiento y adhesión, asegurando una superficie superhidrofóbica estable. Experimentos en exteriores demostraron que los recubrimientos autolimpiantes preparados con resina de silicona y carbonato de calcio modificado con ácido esteárico conservaron más del 85% de la transparencia del panel de vidrio, alcanzaron un ángulo de contacto de aproximadamente 110° y mantuvieron propiedades antivaho eficaces. Tras cuatro meses de exposición al aire libre, la función autolimpiante del recubrimiento se mantuvo prácticamente intacta.
Metal
La autolimpieza en materiales para paneles de pared se ha convertido en un área de gran interés, generalmente lograda mediante la construcción de superficies hidrófobas. Liu Changyang et al. depositaron una película uniforme de carbonato de calcio de 20 micras de espesor sobre una superficie de aleación de magnesio y neodimio, lo que mejoró la resistencia a la corrosión de la aleación en soluciones de poros simulados de hormigón con cloruro. Una modificación química adicional de la muestra recubierta con perfluorodeciltrietoxisilano confirió a la superficie la capacidad de autolimpieza.
Conclusión
Los recubrimientos funcionales de carbonato de calcio se han aplicado en numerosos campos, como envases, vajillas, materiales de construcción, materiales de protección ambiental, textiles, recubrimientos y productos farmacéuticos. A medida que las empresas buscan reducir costes y aumentar la eficiencia, se prevé un aumento de la demanda de recubrimientos funcionales de carbonato de calcio, con tecnologías de aplicación cada vez más sofisticadas.
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