自然界には、優れた機械的特性を示す炭酸カルシウム系材料が数多く存在します。その組成はシンプルで、科学者の幅広い関心を集めています。炭酸カルシウムの核生成・成長メカニズムに関する詳細な研究により、バイオミネラリゼーションの制御が実現し、防汚、スケール防止、セルフクリーニング、油水分離など、幅広い応用の可能性を秘めています。
超撥水性表面は、その独特な特性により、防水、防曇、セルフクリーニング、耐腐食性、防氷、抗力低減など幅広い用途に用いられています。しかしながら、低コスト、低毒性、適用性、耐久性に優れた超撥水性コーティングの大量生産を実現することは、依然として大きな課題となっています。
多くの研究により、低い表面エネルギーと粗い構造が超撥水性に影響を与える主な要因であることが示されています。これは炭酸カルシウム改質技術における重要な研究分野です。簡単に言えば、炭酸カルシウムの改質は、分散性を維持しながら表面エネルギーを低下させ、接触角を増加させ、撥水性を確保することを目的としています。
機能性コーティングに適した炭酸カルシウムの種類は？ どのように改良すべきか？ 実際の効果は？
Gu Weileらは、2種類の異なる結晶形態の炭酸カルシウム粉末を合成した。これらを低表面エネルギーポリジメチルシロキサン（PDMS）と混合し、スプレーコーティングすることで超疎水性コーティングを作製した。そして、これらのコーティングの自己洗浄性と耐衝撃性を試験した。
実験結果から、5%ステアリン酸ナトリウム（NaSt）または5%オレイン酸ナトリウム（NaOL）を界面活性剤として使用した場合、最適な改質効果と最高の疎水性が得られることが示されました。具体的には、5%ステアリン酸ナトリウムで改質したアラゴナイト型炭酸カルシウムの接触角は127.5°でした。また、5%オレイン酸ナトリウムで改質した方解石型炭酸カルシウムの接触角は115.4°でした。
さらなる研究により、炭酸カルシウムの異なる結晶形態がコーティングの疎水性に及ぼす影響が調査されました。方解石系およびアラゴナイト系の炭酸カルシウムコーティングの接触角は、それぞれ151.4°と153.2°であることがわかりました。
最後に、超撥水性コーティングのセルフクリーニング性と耐衝撃性を検証しました。その結果、500mLの水滴衝撃試験後でも、両結晶形態の接触角は140°以上を維持し、優れた撥水性を維持していることが示されました。
Cheng Yuanらは、炭酸カルシウムウィスカー（CCW）とナノ炭酸カルシウム（CCNP）をフィラーとして用い、超撥水性コーティングを作製した。彼らは、粉末表面改質、コーティング配合、および塗布技術を最適化した。これは、コーティング構築で一般的に用いられる「プライマートップコート」アプローチと研磨法を採用することで実現した。この研究の結果、15サイクルの摩擦試験後、コーティングは接触角153.88°、転がり角9.20°を達成し、優れた自己洗浄性と人工修復性を示した。
炭酸カルシウム機能性コーティングはどのような基材に適用できますか?
繊維
ポリアミド廃繊維を原料とするウェットコーティング技術は、トレードマークリボンなどのコーティング繊維製品を製造するための主要な方法です。また、ポリアミド繊維を物理的にリサイクルする重要な方法でもあります。生産コストの低減、優れた製品性能などの利点があります。炭酸カルシウムは、安価で無毒、環境に優しい無機粉末であり、ポリアミド廃繊維のウェットコーティング工程において充填剤として広く使用されています。炭酸カルシウムは、トレードマークリボンのコーティング面の厚み、白さ、強度を向上させます。
雷鵬飛らは、オレイン酸in-situ法を用いてコーティングフィラーとして炭酸カルシウムを合成し、ポリアミドウェットコーティングに適用した。その結果、コーティング膜の接触角は8.29°減少し、コーティングされた布地のインク痕の長さは10.42mm短縮し、布地のpH値は7.27に低下した。これによりインク吸収性が向上し、繊維安全基準へのpH適合性が向上した。
蒋継康らは、合成改質剤DOPOをグラフト重合することで炭酸カルシウムを改質し、ポリアミドコーティング中に均一に分散させた。コーティングは透明で多孔質な構造を示し、ふわふわとした質感を示した。湿潤条件下でもコーティングされた布地のpHは7.02を維持し、環境基準を満たした。インク吸収時間は89秒、インクマーク長は53.4mmであった。印刷されたバーコードは鮮明で途切れることなく、A級評価に達した。
Chen Zhijieらは、シリコン-リン系難燃性カップリング剤を表面グラフト化することで炭酸カルシウムを改質し、分散性を向上させて難燃性を付与しました。この手法により、布地上に滑らかで薄く、多孔質のポリアミドコーティングを形成することに成功しました。この研究では、改質炭酸カルシウムが優れた親油性を示し、得られたポリアミド6コーティング布地は顕著な難燃効果を発揮することが実証されました。
コンクリート
表面コーティング技術は、コンクリートの耐久性を向上させる効果的な方法です。防水性、防氷性、セルフクリーニング性を備えた超疎水性コーティングは、現在最も活発に研究されているテーマの一つです。
Xu Huafengらは、ポリドーパミンを用いてコンクリート表面の炭酸カルシウムの鉱化を誘導すると同時に、銀イオンをその場でナノ銀に還元することで、マイクロナノ複合粗構造を構築した。その後、低表面エネルギーシランで表面を改質し、機能化された生体模倣超疎水性炭酸カルシウムコーティングを得た。その結果、複合コーティングされたサンプルの吸水率は、未処理サンプルと比較して、通常環境では90.3%、模擬海水環境では93.44%減少し、優れた防水性と耐浸透性を示した。サンドペーパー上で5メートル相当の距離を繰り返し摩擦した後も、コーティングの接触角は140°以上を維持し、わずか6.87%の減少にとどまり、優れた耐摩耗性を示した。
温亜平らは、屋外砂岩建造物の耐腐食性と耐汚染性を向上させるため、液相反応を用いて炭酸カルシウムをベースとした脂肪酸改質コーティングを合成した。脂肪酸は疎水化剤として機能した。この研究では、ステアリン酸改質バテライト炭酸カルシウムは平均結晶粒径が大きく（31nm）、砂岩表面粗さが著しく変化し、疎水角は119°に達し、耐汚染性は5に達し、吸水率はわずか1.0%に低下したことが明らかになった。砂岩サンプルに未処理のコーティングを施した場合と比較して、この方法は砂岩表面の耐汚染性を効果的に向上させた。
ガラス
Yuan Zhiqingらは、ポリジメチルシロキサン（PDMS）/CaCO₃をベースとした超疎水性コーティングを調製する簡便な方法を開発した。得られたコーティングは、クラフト紙、スライドガラス、銅板など、さまざまな基板に適用可能であった。ガラス基板に塗布し、室温で乾燥させたところ、接触角は160°、滑り角は3°未満であった。せん断試験では、超疎水性P3コーティングは高い機械的せん断抵抗と接着性を示し、安定した超疎水性表面を確保することが示された。屋外実験では、シリコーン樹脂とステアリン酸改質炭酸カルシウムを用いて調製したセルフクリーニングコーティングは、ガラスパネルの透明性の85%以上を維持し、約110°の接触角を達成し、効果的な防曇特性を維持することが実証された。4か月間の屋外曝露後も、コーティングのセルフクリーニング機能はほぼ損なわれていなかった。
金属
壁パネル材料におけるセルフクリーニング挙動は、重要な関心領域となっており、典型的には疎水性表面の構築によって実現されます。Liu Changyangらは、マグネシウム-ネオジム合金表面に均一な厚さ20ミクロンの炭酸カルシウム膜を堆積させ、塩化物を含むコンクリート細孔溶液の模擬実験における合金の耐食性を向上させました。さらに、パーフルオロデシルトリエトキシシランを用いてコーティングした試料を化学修飾することで、表面にセルフクリーニング機能を付与しました。
結論
炭酸カルシウム機能性コーティングは、包装、食器、建築資材、環境保護材料、繊維、コーティング、医薬品など、様々な分野で応用されています。企業がコスト削減と効率向上を目指す中で、炭酸カルシウム機能性コーティングの需要は拡大すると予想され、適用技術はますます高度化しています。
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