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用于装饰塑料的智能表面的智能涂料

AutoNewTech

2022-03-27

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智能涂料没有普遍接受的定义，因此，很难确定和理解选项的范围。此外，也很难衡量市场应用的规模和范围。作为一个工作定义，智能涂层是一种功能涂层，它具有一种或多种特性，可以通过外部刺激以受控的方式显著改变。这些材料有时被称为智能或响应材料。智能涂层可以包括自排列（分层）涂层和自修复材料。

一些人认为智能涂料和材料是一种新的大趋势，而另一些人则认为它们是一种新事物，几乎没有商业适用性，现实情况介于这两个极端之间。要成为智能涂层，涂层必须提供额外的功能，超出核心的装饰和耐久性要求。这个功能是由一些外部行动或力量激活的。为了成为一种有用的智能涂层，它需要通过具有成本竞争力的解决方案或通过其他可用方法无法实现的解决方案来增加最终表面的价值。

从建筑到化妆品，智能涂料在塑料之外的许多行业和应用中都有应用。最近，智能材料、智能表面应用最引人注目的展示之一是宝马iX概念车。这款车在2022年的消费电子展(CES)上亮相，展示了使用创新的电子墨水膜改变汽车颜色的能力(图1)。

图 1.BMW iX Flow 概念车采用了一种智能表面应用程序，通过电子墨水包装改变车辆颜色。

智能涂层可以应用于任何数量的塑料装饰技术，从物理气相沉积到传统的油漆工艺。考虑到选项的范围，本文将主要关注传统的涂层应用——如油漆。

激活智能涂料

由于它们是由外部刺激控制的，有几种激活源的选择。它可以是环境(如环境中的阳光或热量)，也可以是有目的的应用，以改变涂层或表面的表现方式。如果需要外部电源，它可以集成到被涂覆的表面。这种解决方案使得智能表面不仅仅是外观和性能，而且可以在智能涂层中激活预期的结果。这些智能表面可以包括增加的功能和照明、开关、传感和改进性能的集成平台。

为了发挥作用，智能涂层被设计成保持被动状态，直到展示出所需的功能或根据刺激发生变化。他们必须能够在产品的整个生命周期内多次重复该过程，这很容易会持续数年。

做出明智的选择

智能涂料是解决特定问题的一套可行方案之一。任何特定应用的正确答案都取决于对所有产品需求的理解。修复或防止损坏的高光泽，钢琴黑色表面提供了一个应用的例子，其中各种传统和智能涂层选项是可用的。正确的选择是最能满足特定应用需求的选择，包括成本和所需的现场性能。为了做出正确的决定，要了解可用的选项和应用程序的性能需求。

智能涂层应用类别

智能涂层的列表似乎是永无止境的：抗菌、防冰、自清洁、自修复、变色、自分层热致变色、压电和许多其他涂层（图 2）。下面我们回顾了一些适用于塑料和复合材料的内容。

图2. 部分智能涂层技术列表

抗菌

抗菌涂料一直是一个重要的目标应用。COVID-19 的出现显著增加了人们对自我消毒表面在医疗设施和食品加工之外的应用的兴趣和渴望。在过去几年中取得了重大的进展，并且人们对与之相关的成本有了更大的接受度。

他们的董事会申请存在几个障碍——需要环境保护署 (EPA) 批准索赔就是其中之一。根据《农药登记改进法案》，EPA 有责任制定衡量抗菌表面（如涂漆表面）功效的标准。为此，该机构发布了具有明确期望的临时指南。将病毒减少3个对数所需的时间必须少于两个小时，而效果的持续时间必须是数年。

实用性和公众接受度也将受到可能影响或清洁污垢妨碍智能表面的性能的影响。任何的抗菌性能将需要考虑实际的环境生活条件。

防指纹

防指纹是一个很好的应用示例，由于在显示器中使用电容式开关以及作为按钮和旋钮的替代品，该应用的需求增加了。在显示器的情况下，光学失真是问题所在。高光面处理的问题是多余的和非常明显的指纹。存在许多策略。一旦指纹被转移到表面，由于防油防水的功能，它可以很容易地去除。理论上，如果功能极度防油防水，转移是可以阻止的。

另一种解决方案是使用亲油功能，将有问题的印刷品散开，使其变得不那么明显。最后，由于添加剂和阳光的辅助，转移的指纹会随着时间的推移发生化学分解。不幸的是，这些都不能提供即时解决方案，并且在依靠化学分解的情况下，可能会非常缓慢，并且需要数小时或数天才能将表面恢复到其原始状态。

自清洁和防冰涂层

另一个新应用是由汽车传感技术的发展，以及对相机、雷达以及最终用于自动驾驶汽车的激光雷达的清洁镜头和覆盖物的需求所驱动的。车内驾驶状态感知(DSS)系统需要清洁和无损的表面，以确保最佳的性能。车辆的外部表面通常需要一定程度的伪装，以及抵抗道路损坏。最后，污垢、水和冰的堆积会降低性能。其他潜在市场包括航空航天和可再生能源市场，如太阳能电池板和风车。

在许多情况下，解决方案类似于防指纹涂层。不幸的是，超疏水涂层在防止结冰方面并不总是产生预期的结果。疏冰的其他选择包括降低冰点或油以降低涂层的表面张力。

自我修复

所有表面，包括涂层，都容易因正常使用而受到划伤和磨损。这不仅会影响外观，还会降低其他性能要求，例如提供屏障。自修复涂层更适合防腐蚀；因此，更适用的表面需要防腐蚀或屏障保护。存在几种实施自修复涂层的策略。一种是使用含有液体可聚合材料的微米或纳米胶囊，当表面受损时，它们会释放到划痕中。

图3. Natoco 用于塑料应用的自修复高光泽表面

对于具有高光泽涂层的塑料应用，日本涂料公司 Natoco 开发了一种更有效的自修复技术。它的策略是将具有高润滑性的表面和允许涂层变形而不是划伤然后随着时间的推移而恢复的大块功能相结合（图 3）。由于塑料自修复涂层的主要驱动因素仍然是耐用性和成本问题，因此仍需要进行额外的工作。当高光泽划痕成为问题时，最常见的解决方案是使用传统的高度交联 UV 和组合 UV/传统固化涂料。尽管如此，智能解决方案仍然存在机会。

被动热管理

太阳能和热管理涂料在飞机和建筑行业都有广泛的应用。来自太阳的40%的能量以红外线的形式存在，在温暖的气候中，这会导致温度显著升高。这为被动热管理中的智能材料创造了机会。屋顶和窗户的建筑行业应用很明显，但热管理对于户外使用的任何产品（包括汽车和飞机）也很重要。其他应用包括延长智能手机的电池寿命、屏蔽卫星以及在极端高温和低温环境中保护汽车。

最近的一项发展是使用二氧化钒 (VO2)，这是一种温度自适应辐射涂层中的相变材料。在67℃以下对红外光透明;当温度高于67°C时，它会反射红外光。通过添加铌，相变的范围可以在67°到-4°C之间进行调节。

实施智能涂料的问题

智能涂料的采用取决于解决方案的成本或性能优势。此外，它还取决于风险、其他理想特征的损失或绩效结果的市场合意性。

与任何塑料装饰技术一样，智能涂料具有一系列限制，但也提供了一些优势。主要的问题是这些涂料的经济性和耐久性。汽车和航空航天仍然是最困难的环境，以及成本和重量的限制。所有产品都有要求，以确保在其使用寿命内可接受的外观和性能。

为了确保成功实施，应评估新的或意外故障模式的风险。除了正常和加速验证测试外，还应进行故障模式设计评审 (DRBFM) 以记录和减少任何潜在的故障模式。

许多智能涂层包含用于提供智能功能特性的金属和金属氧化物纳米颗粒。在其他情况下，他们使用昂贵且有时难以获得的奇异材料。这会推高成本，并在涂料生产过程中产生配方和安全处理问题。

智能涂料的一个重要问题适用于所有新涂料。涂料是复杂的混合物，除了粘合剂和颜料外，还含有添加剂和溶剂，以确保稳定性和可加工性。随着配方变得越来越复杂，随着响应性强的特定性能添加剂的添加，无法满足现有性能和耐久性要求的风险增加。当使用纳米技术时，制造过程还必须考虑安全处理和防止团聚(甚至分散)。

智能涂料的研究仍在继续，无论是在学术层面还是在工业研发层面。有很多参考文献，从行业杂志到科学期刊文章和书籍。值得花时间通过文献、会议和与主要涂料制造商的讨论来了解这些进展。由东密歇根大学教授Jamil Baghdachi编辑的ACS系列智能涂料是一个很好的开始阅读的地方。了解更多信息的最好方法之一是与目前的智能涂料供应商和行业领袖讨论应用。

虽然并非每一项开发都具有商业可行性，但每一项都可能为新的解决方案和应用提供线索和基础。在做任何决定之前，要花时间了解实际的成本和增值。智能涂料只有在满足应用需求并改善产品的情况下才是明智的选择。

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