CN115805185B - 润湿低表面能基材的方法以及用于该方法的系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用高表面张力液体润湿低表面能基材的方法，该方法至少包括以下步骤：提供表面能在15至45mN/m范围内的低表面能基材，表面张力在大于25至70mN/m范围内的高表面张力液体和表面张力在10至25mN/m范围内的低表面张力流体；使低表面能基材与高表面张力液体接触；在低表面能基材与高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与低表面张力流体蒸气接触；和从低表面能基材去除低表面张力流体蒸气。高表面张力液体可用作涂层材料(例如离子交换材料)的载液，该涂层材料在涂覆方法中将沉积在基材(例如ePTFE)上。还公开了用于这种涂覆方法的系统。

Description

润湿低表面能基材的方法以及用于该方法的系统
本申请是申请人W.L.戈尔及同仁股份有限公司提交的发明名称为“润湿低表面能基材的方法以及用于该方法的系统”、申请号为202080041682.4的中国专利申请(以下称为母案)的分案，所述母案是国际申请PCT/IB2020/055306的中国国家阶段，要求US62/858,159的优先权，优先权日为2019年6月6日，有效申请日为2022年6月5日。
技术领域
本公开涉及用高表面张力液体(例如水/醇混合物)润湿低表面能基材(例如膨胀聚四氟乙烯(ePTFE))的方法。润湿是通过用低表面张力流体进行处理来实现的。高表面张力液体可用作涂层材料的载液，涂层材料在涂覆方法中沉积到基材上，例如包含磺化全氟乙烯基醚基团的四氟乙烯基聚合物沉积到多孔ePTFE基材上，以制造用于质子交换膜燃料电池的膜。还公开了用于此类方法的系统。
背景
润湿是一种现象，其描述了液体与固体表面保持接触的能力，并与两种材料之间的分子相互作用有关。液体相比于固体的表面能越高，润湿性越低，两相之间的接触通常就越少。因此，低表面能固体，例如低表面能基材，例如由聚四氟乙烯(PTFE)和膨胀PTFE(ePTFE)之类的聚合物形成的固体，很难被高表面能液体(也称为高表面张力液体)如水溶液或近水溶液润湿。
因此，在诸如涂覆、浸渍、吸附或吸收相关方法的过程中出现问题，这些过程需要低表面能基材与高表面张力液体之间的接触。由于液体对固体的润湿不足和/或液体对固体的润湿速度慢得无法接受，此类过程可能难以进行。因此，需要提供一种用高表面张力液体润湿低表面能基材的改进方法及其相应的系统。
这个问题可以通过向高表面张力液体中加入添加剂来缓解，例如表面活性剂和其他可以降低液体表面张力的化合物，从而提高液体对低表面能基材的润湿性。然而，除了降低液体的表面张力之外，此类添加剂有可能破坏液体的其他特性。
例如，在涂覆过程中，固体可以与含有涂层材料的载液接触以将涂层材料沉积到固体表面上。当载液是高表面张力液体时，可以用添加剂对其进行处理，添加剂例如是另一种液体或固体，用于降低高表面张力液体的表面张力以改善对低表面能固体的润湿性。然而，添加剂在高表面张力载液中的存在可能会改变载液的其他性质，改变载液中涂层材料的稳定性，或者在除去溶剂后添加剂可能与涂层材料一起留在固体上。
例如，添加剂的存在可能降低载液中涂层材料的最大加载量，例如由于降低了载体材料在载液中的溶解度或分散性。这导致可沉积的涂层材料的最大浓度降低，从而可能必须重复涂覆过程以在固体上获得所需数量的涂层材料，例如单位面积加载量的涂层重量或密度。此外，添加剂的存在也可能改变载液的粘度，例如通过引起载体材料胶凝、增加载液的粘度和使涂覆过程复杂化而导致这种变化。
此外，为了降低载液的表面张力而引入的添加剂，例如表面活性剂，在除去载液后可能会与涂层材料一起沉积在固体上。
因此需要提供一种改进的涂覆方法，特别是一种用高表面张力液体涂覆低表面能基材的改进方法。这种方法可以使高表面张力液体的一种或多种其他性质(即高表面张力液体的除了表面张力以外的性质，例如其粘度或涂层材料的最大加载量)的改变最小化，或避免在基材上沉积不希望的添加剂。作为替代或附加方式，这种方法可以加快用高表面张力液体涂覆低表面能基材的速率。
发明内容
在第一方面，提供了一种用高表面张力液体润湿低表面能基材的方法，该方法至少包括以下步骤：
-提供表面能在15至45mN/m范围内的低表面能基材，表面张力在大于25至70mN/m范围内的高表面张力液体，和表面张力在10至25mN/m范围内的低表面张力流体；
-使低表面能基材与高表面张力液体接触；
-在低表面能基材与高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触；和
-在与作为蒸气的低表面张力流体接触之后从低表面能基材去除低表面张力流体。
低表面能基材的表面能可以小于高表面张力液体的表面张力。如果低表面能基材的表面能等于或大于高表面张力液体的表面张力，则低表面能基材可能会自发地被高表面张力液体润湿。
两个接触步骤(可能同时或可能不同时)的完成提供了被高表面张力液体润湿的低表面能基材。
低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体的接触可以以多种排列方式进行。这种接触步骤可以在低表面能基材与高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后进行。
在一个实施方式中，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触可以包括使低表面能基材与作为蒸气的低表面张力流体接触以提供接触的低表面能基材，然后使接触的低表面能基材与高表面张力液体接触以提供被高表面张力液体润湿的低表面能基材，例如，被高表面张力液体润湿的接触的低表面能基材。
在另一个实施方式中，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触可以包括使高表面张力液体与作为蒸气的低表面张力流体接触以提供接触的高表面张力液体，然后使低表面能基材与接触的高表面张力液体接触，以提供被高表面张力液体润湿的低表面能基材，例如，被接触的高表面张力液体润湿的低表面能基材。
在另一个实施方式中，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触包括使低表面能基材和高表面张力液体两者均与作为蒸气的低表面张力流体接触以提供接触的低表面能基材和接触的高表面张力液体，然后使接触的低表面能基材与接触的高表面张力液体接触以提供被高表面能液体润湿的低表面能基材，例如，被接触的高表面能液体润湿的接触的低表面能基材。
例如，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触可以包括使低表面能基材与作为蒸气的低表面张力流体接触以提供接触的低表面能基材，并使高表面张力液体与作为蒸气的低表面张力流体接触以提供接触的高表面张力液体，然后使接触的低表面能基材与接触的高表面张力液体接触以提供被高表面张力液体润湿的低表面能基材，例如，被接触的高表面张力液体润湿的接触的低表面能基材。
在另一个实施方式中，低表面能基材与高表面张力液体的接触可以在低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触之前发生。例如，低表面能基材可以与高表面张力液体接触以提供与高表面张力液体接触的低表面能基材。与高表面张力液体接触的低表面能基材随后可与作为蒸气的低表面张力流体接触以提供被高表面张力液体润湿的低表面能基材，例如被接触的高表面张力液体润湿的接触的低表面能基材。
在另一个实施方式中，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触包括在使低表面能基材与高表面张力液体接触的同时使低表面能基材和高表面张力液体同时与作为蒸气的低表面张力流体接触，以提供被高表面张力液体润湿的低表面能基材，例如被接触的高表面张力液体润湿的接触的低表面能基材。
低表面能基材是表面能在15至45mN/m，通常18至45mN/m范围内的基材。
低表面能基材可优选为选自下组中的一种或多种：有机卤化聚合物，烃聚合物和包含有机卤化聚合物的共聚物，前提是该基材具有15至45mN/m范围内的表面能。有机卤化聚合物的实例包括聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯三氟乙烯、聚氟乙烯和聚氯乙烯。包含有机卤化聚合物的共聚物可以是有机卤化聚合物和烃聚合物的共聚物。这种共聚物的例子包括聚乙烯-共-四氟乙烯和聚四氟乙烯-共-六氟丙烯。烃聚合物的例子包括聚乙烯，包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对二甲苯。
在另一个实施方式中，当低表面能基材是有机卤化聚合物时，其是膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)。ePTFE可具有0.5至500μm的厚度。ePTFE可以具有10至2000kPa的泡点。ePTFE的单位面积质量可以为0.1至500g/m2。ePTFE可具有0.1至1g/cc的表观密度。例如，ePTFE可以具有4.7g/m2的单位面积质量、14μm的厚度、0.34g/cc的表观密度和324kPa(47.0psi)的泡点。
在另一个实施方式中，当低表面能基材是烃聚合物时，其是膨胀聚丙烯(ePP)。ePP可以具有0.5至500μm的厚度。ePP可以具有10至2000kPa的泡点。ePP的单位面积质量可以为0.1至500g/m2。ePP可具有0.05至0.5g/cc的表观密度。例如，ePP可以具有17g/m2的单位面积质量、110μm的厚度、0.15g/cc的表观密度和103kPa(15.0psi)的泡点。
在另一个实施方式中，低表面能基材是低表面能多孔基材。
高表面张力液体具有大于25且小于或等于70mN/m的表面张力。如以下实验部分所述，高表面张力液体的表面张力可根据ASTM D1331-14测量。
高表面张力液体在环境温度或在进行本文所述的方法的温度下、或采用本文所述的系统的温度下为液相。
高表面张力液体可以是包含一种或多种组分的液体组合物。一种或多种组分可具有任何表面张力值，只要液体组合物具有大于25且小于或等于70mN/m的表面张力即可。
一种或多种组分可包括一种或多种高表面张力液体组分和任选的一种或多种其他组分。
一种或多种其他组分可以选自低表面张力液体组分、表面活性剂、分散剂和涂层材料或涂层材料混合物中的一种或多种，优选低表面张力液体组分、涂层材料或涂层材料混合物中的一种或多种。
一种或多种高表面张力液体组分可以选自下组：水、二碘甲烷、甲酰胺、甘油、2,2'-硫代双乙醇、2-呋喃甲醇、乙二醇、2-氨基乙醇、1,3-丁二醇、丙二醇、1,2,3-三溴丙烷、1,5-戊二醇、N-甲基-2-吡咯烷、苯胺、2-氨基乙醇、二甲亚砜、碳酸丙烯酯、邻氨基苯甲酸乙酯、邻氨基苯甲酸甲酯、苯甲醇、苯甲酸苄酯、溴仿、喹啉、1,3-二碘甲烷、二甘醇、糠醛、六氯丁二烯、碘苯、间硝基甲苯、甲基萘、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、硝基苯、硝基甲烷、邻硝基甲苯、对硝基甲苯、异硫氰酸苯酯、邻苯二甲酸二乙酯、聚乙二醇、吡啶、3-吡啶甲醇、吡咯、四溴乙烷、磷酸三甲苯酯、α-溴萘、α-氯萘、1,2-二氯乙烷、1,4-二噁烷、二硫化碳、氯苯、环己醇、环戊醇、萘烷、二丙二醇、十二烷基苯、富马酸二乙酯、硝基乙烷、硝基丙烷、乙腈、丙酸、二甲苯及其异构体、二丙二醇单甲醚、甲苯、丁腈、乙酸、氯仿、丙烯腈、2-丁氧基乙醇、四氯化碳、2-庚酮、二氯甲烷、四氢呋喃、己醇或其异构体、庚醇及其异构体、辛醇及其异构体、和异戊腈。上述所列中的高表面张力液体组分具有大于25mN/m的表面张力，并且除水外具有大于25且小于或等于70mN/m的表面张力。一种或多种高表面张力液体组分的表面张力可以超过高表面张力液体所需的上限70mN/m，例如具有约72mN/m表面张力的水，只要高表面张力液体组合物具有大于25且最高达70mN/m的表面张力。
高表面张力液体组合物还可包含一种或多种低表面张力液体组分(相对于水)以提供大于25且小于或等于70mN/m的液体组合物所需的表面张力，任选地与涂层材料和涂层材料混合物中的一者或两者组合。
一种或多种低表面张力液体组分可选自下组，包括可优选自以下化合物中的一种或多种：醛、醇、胺、酮、醚、环醚、酯、有机卤化物，条件是上述所列中的低表面张力液体组分具有10至25mN/m范围内的表面张力。
一种或多种低表面张力液体组分可以是选自下组中的一种或多种：三氟乙醇、乙醚、二甲氧基甲烷、四氯化硅、丁基氯及其异构体、丙醇及其异构体、乙醇、甲醇、丁醇及其异构体、戊醇及其异构体、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基酮、乙酸丙酯、甲乙酮、甲基丙烯酸甲酯、乙酸甲酯、丙酮、甲基氯仿、乙醛、丙醛、丁醛、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺和戊胺。上述所列中的低表面张力液体组分具有10至25mN/m范围内的表面张力。
在一个实施方式中，高表面张力液体组合物包含水和乙醇，条件是组合物具有大于25且小于或等于70mN/m的表面张力。例如，高表面张力液体组合物可包含在水中的1重量％至65重量％的乙醇。
任选的涂层材料可以是无机或有机材料。涂层材料可以是颗粒或溶解物(溶质)。涂层材料可以是离子导电或离子交换材料(IEM)，例如包含磺化全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物。合适的离子交换材料包括例如全氟磺酸聚合物，全氟羧酸聚合物，全氟膦酸聚合物，苯乙烯型离子交换聚合物，氟苯乙烯型离子交换聚合物，磺化聚醚醚酮离子交换聚合物，聚芳醚酮离子交换聚合物，聚砜离子交换聚合物，双(氟烷基磺酰基)酰亚胺，(氟烷基磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺，聚乙烯醇，聚环氧乙烷，具有或不具有聚合物的金属盐，以及它们的混合物。在示例性实施方式中，离子交换材料包括通过四氟乙烯和全氟磺酰基乙烯基酯共聚并转化为质子形式而制备的全氟磺酸(PFSA)聚合物。用于燃料电池应用的合适的全氟磺酸聚合物的例子包括(美国特拉华州威明顿市的E.I.杜邦内穆尔公司(E.I.DuPont de Nemours,Inc.,Wilmington,Del.,US))，(日本东京的旭硝子玻璃有限公司(Asahi Glass Co.Ltd.,Tokyo,JP))，(日本东京的朝日化学有限公司(Asahi Kasei Corporation,Tokyo,JP))，(意大利苏威苏莱克斯公司(SolvaySolexis S.P.A,Italy))和3MTM(美国3M创新有限公司(3M InnovativeProperties Company,USA))，它们是可商购的全氟磺酸共聚物。用于燃料电池应用的合适的全氟磺酸聚合物的其他例子包括全氟化的磺酰基聚合物或共聚物，例如在美国专利第5,463,005号中描述的那些。
在一个实施方式中，在不存在低表面张力流体的情况下，高表面张力液体不会自发润湿低表面能基材。在一个实施方式中，高表面张力液体的表面张力可以比低表面能基材的表面能高4mN/m或更多，优选高7mN/m或更多，更优选高10mN/m或更多，甚至更优选高15mN/m或更多。
在另一个实施方式中，高表面张力液体可以润湿低表面能基材，但通过添加低表面张力流体增加润湿速率。
低表面张力流体，当其为液体形式时，具有10至25mN/m范围内的表面张力。如以下实验部分所述，当低表面张力流体呈液体形式时，其表面张力可根据ASTM D1331-14测量。
低表面张力流体，例如作为蒸气的低表面张力流体，可以优选自以下化合物中的一种或多种：醛、醇、胺、酮、醚、环醚、酯和有机卤化物，前提是所述化合物具有10至25mN/m范围内的表面张力。
低表面张力流体，例如作为蒸气的低表面张力流体，可以是选自下组中的一种或多种：三氟乙醇、乙醚、二甲氧基甲烷、四氯化硅、丁基氯及其异构体、丙醇及其异构体、乙醇、甲醇、丁醇及其异构体、戊醇及其异构体、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基酮、乙酸丙酯、甲乙酮、甲基丙烯酸甲酯、乙酸甲酯、丙酮、甲基氯仿、乙醛、丙醛、丁醛、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺和戊胺。上述所列中的低表面张力流体具有10至25mN/m范围内的表面张力。
低表面张力流体，例如作为蒸气的低表面张力流体，可以更优选地选自下组中的一种或多种：2,2,2-三氟乙醇、1-丁醇、乙酸乙酯和乙醚。这种优选的低表面张力流体当呈液体形式时，具有10至25mN/m范围内的表面张力。
在另一个实施方式中，低表面张力流体是2,2,2-三氟乙醇，其具有约17mN/m的表面张力。
在另一个实施方式中，从低表面能基材去除低表面张力流体，例如低表面张力流体蒸气或液体的步骤可以进一步包括去除高表面张力液体，即去除低表面张力流体(作为蒸气或液体)和高表面张力液体。
在第二方面，第一方面及其实施方式的方法是用包含涂层材料的高表面张力液体涂覆低表面能基材的方法，该方法至少包括以下步骤：
-提供表面能在15至45mN/m范围内的低表面能基材，表面张力在10至25mN/m范围内的低表面张力流体蒸气和表面张力大于25其小于或等于70mN/m的高表面张力液体，所述高表面张力液体包含涂层材料；
-使低表面能基材与包含涂层材料的高表面张力液体接触；
-在低表面能基材与高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后，使低表面能基材和包含涂层材料的高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触；和
-在与作为蒸气的低表面张力流体接触之后从低表面能基材去除低表面张力流体。
两个接触步骤(可能同时或可能不同时)的完成提供了被包含涂层材料的高表面张力液体涂覆的低表面能基材。
在第二方面及其实施方式的方法的一个实施方式中，该方法还包括从低表面能基材去除高表面张力液体以提供涂覆有涂层材料的低表面能基材的步骤。
在另一个实施方式中，涂层材料是如上定义的离子交换材料(IEM)。
在第二方面及其实施方式的方法的另一个实施方式中，低表面能基材是用于燃料电池应用的多孔ePTFE膜。
在第二方面及其实施方式的方法的另一个实施方式中，涂层材料是离子交换材料，例如包含磺化全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物。用包含全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物浸渍的多孔ePTFE膜是用于质子交换膜燃料电池的理想膜材料。
在另一个实施方式中，第一或第二方面及其实施方式的方法可以是连续过程，例如卷到卷过程，或不连续过程，例如分批过程。
在第三方面，提供了一种用高表面能液体润湿低表面能基材的系统，其包括：
-高表面张力液体施加器，其包含表面张力大于25且小于或等于70mN/m的高表面张力液体，以使表面能在15至45mN/m范围内的低表面能基材与高表面张力液体接触；
-低表面张力流体蒸气施加器，其包含表面张力在10至25mN/m范围内的低表面张力流体，使得在低表面能基材与高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触；
-分离器，使得在与低表面张力流体接触之后将低表面张力流体与低表面能基材分离。
第三方面的系统可以用于第一和第二方面及其实施方式的方法。
第三方面的系统可以连续或不连续地运行。连续系统的例子是卷到卷系统，例如下面讨论的那些。或者，不连续系统的例子是分批系统。
如本文所用，高表面张力液体施加器可使高表面张力液体与低表面能基材接触，或者可以是用于将高表面张力液体与低表面能基材接触的装置，或者可适于将高表面张力液体与低表面能基材接触。高表面张力液体施加器可以是选自下组的一种或多种：喷涂器，喷射涂布器，卷到卷释放衬垫施加器，浸涂器，正向或反向辊涂布器，直接或偏移凹版印刷辊，挤压辊涂布器，刮刀(comma)，棒，气刀涂布器，辊衬刮刀涂布器，狭缝模头，包括多腔狭缝模头，和滑动模头。
如本文所用，低表面张力流体蒸气施加器可使低表面能基材和高表面张力液体中的一者或两者与作为蒸气的低表面张力流体接触，或者可以是用于该接触的装置，或者可适于该接触。低表面张力流体蒸气施加器可以是选自蒸发器和减压阀中的一种或多种。当低表面张力流体在环境温度和压力下为液体时，可以使用蒸发器。当低表面张力流体在环境温度和压力下是气体并且在压力下储存(例如作为加压液体)时，可以使用减压阀。
如本文所用，分离器可以从低表面能基材去除低表面张力流体，或者是从低表面能基材去除低表面张力流体的装置，或者可以适于从低表面能基材去除低表面张力流体。在一个实施方式中，分离器进一步将高表面张力流体与低表面能基材分离。
优选地，分离器从低表面能基材去除低表面张力流体和高表面张力液体。如果不存在涂层材料，分离器可以是机械分离器。或者，分离器可降低压力和/或增加温度以使低表面张力流体和任选的高表面张力液体蒸发，特别是如果存在涂层材料时。优选地，所述分离器是加热装置，例如对流烘箱、热风机或红外灯。
在该系统的一个实施方式中，提供接触室以使得低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与低表面张力流体蒸气接触。接触室至少包括低表面张力流体蒸气施加器。在一些实施方式中，接触室还包括高表面张力液体施加器。
在该系统的另一个实施方式中，高表面张力液体施加器包括：
-包含高表面张力液体的释放衬垫，所述释放衬垫能够可逆地吸收高表面张力液体；和
-使低表面能基材与包含高表面张力液体的释放衬垫接触的接触器。
如本文所用，接触器可以使低表面能基材与释放衬垫接触，或者可以是用于将低表面能基材与释放衬垫接触的装置，或者可以适于将低表面能基材与释放衬垫接触。
在该系统的一个实施方式中，接触器是包括释放衬垫和接触装置的旋转元件装置。旋转元件装置可以包括至少第一和第二接旋触转元件，例如第一辊和第二辊。可以利用至少第一和第二释放衬垫旋转元件使包含高表面张力液体的释放衬垫与低表面能基材接触。
在另一个实施方式中，旋转元件装置还可包括至少一个、优选两个压缩旋转元件以压缩释放衬垫并将高表面张力液体与其分离，并将其转移到低表面能基材。
在第三方面的另一个实施方式中，该系统还包括分离室，该分离室包括分离器以从润湿的低表面能基材去除至少低表面张力流体和任选的高表面张力液体。分离室可以将低表面张力流体和任选的高表面张力液体置于减压和/或升高的温度(与环境相比)下，以使低表面张力流体和任选的高表面张力液体蒸发。分离室可包括加热器，例如对流烘箱、热风机或红外灯。
在该系统的另一个实施方式中，高表面张力液体包括要沉积在低表面能基材上的涂层材料。
附图说明
为了进一步说明本发明及其优点，下面结合附图所示的实施方式进行更详细的说明。应当理解，这些图涉及本发明的典型实施方式及其优点，因此不应被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。
图1A和1B显示了固-液界面和液-蒸气界面之间的接触角的示意图，其代表了液体对固体的润湿程度。图1B显示了比图1A更低的接触角，表明润湿性提高。
图2显示了可用于本文所述方法的系统的示意图。
图3显示了可用于本文所述方法的另一个系统的示意图。
具体实施方式
本文公开了一种用高表面张力液体润湿低表面能基材的方法和系统。该方法和系统利用作为蒸气的低表面张力流体来促进润湿和/或加快润湿。
术语“润湿”是指液体在与固体表面(例如基材表面)接触时扩散的能力。这种接触是由液体和固体在一起时的分子相互作用引起的。润湿的程度，即液体和固体之间的接触程度，取决于液体和固体之间的粘附力与液体或固体中原子或分子相互吸引所产生的内聚力之间的平衡。
这种粘附力和内聚力的平衡决定了接触角θ，其是液-气界面与固-液界面的夹角。小于90°的低接触角表示高度润湿。90°至小于180°的接触角表明润湿程度低。图1A和1B说明了固体10、液体20和气氛(蒸气)30之间的接触角θ的两个例子。图1A显示了接触角θ1，其大于图1B中所示的接触角θ2，表明与图1B中的相比，图1A中的固体10和液体20之间的润湿性较差。
在本上下文中，接触角是高表面张力液体-气氛界面与低表面能基材-高表面张力液体界面相交的角度。
接触角可通过本领域已知的多种方法测量，例如静态或动态座滴法、悬滴法、单纤维Wilhemy法或单纤维弯月面法。
本文公开的方法和系统使用低表面张力流体蒸气增加高表面张力液体和低能张力基材之间的接触。这种接触的增加反映在接触角的减小上(与不存在低表面张力流体时高表面张力液体和低表面能基材之间的接触角相比)。
液体中原子或分子之间的内聚力可以用液体的表面张力来表征。这是液体表面的弹性趋势，使其获得尽可能小的表面积。液体表面上的原子或分子与本体中的原子或分子所经历的环境不同，因为表面上的原子或分子的所有侧面都没有液体分子，因此会受到向内的拉力。表面张力具有每单位长度的力的量纲(例如mN/m)，也可以表示为每单位面积的能量。在此使用前者，即每单位长度的力的量纲。术语液体的表面张力可以与表面能互换使用。如本文所用，表面张力用于液体和蒸气，而表面能用于固体。
类似地，固体的表面能反映了在创建表面时发生的分子间键的破坏。
固体表面的润湿程度反映了固体与液体接触时表面能的变化。固体的表面能越低，液体的表面张力越高，润湿程度越低。
可以对固体进行表面处理以增强润湿性，例如通过电晕处理、等离子体处理或酸蚀刻来进行表面处理。这种处理增加了固体的表面能。然而，这样的处理可能与固体不相容，或者可能永久地改变固体的表面能，这会不合需要地改变特定目的所需的固体的性质。
类似地，可以处理液体以增强润湿性，例如通过添加诸如表面活性剂的添加剂来进行。添加表面活性剂可以降低液体的表面张力。然而，这些添加剂可能具有难以从液体或从与液体接触的固体去除的问题。例如，在涂层材料存在于液体载体中的涂覆工艺中，在去除液体载体后，除了涂层材料之外，添加剂如表面活性剂也可能沉积到固体上。这种添加剂可能具有低蒸气压，因此可能难以从固体去除，尤其是在不去除涂层材料的情况下。
本文公开的方法和系统使得具有低表面能的基材能够被具有高表面张力的液体润湿，而不需要基材的表面处理和/或向液体中添加表面活性剂。因此，本文公开的方法和系统改进了用高表面张力液体润湿低表面能基材。
用高表面张力液体润湿低表面能基材的方法可以是改善高表面张力液体对低表面能基材的润湿的方法。这种改善可以通过与无低表面张力流体蒸气的情况下(i)低表面能基材和高表面张力液体界面与(ii)高表面张力液体和蒸气(气氛)界面之间的接触角相比，在接触低表面张力流体蒸气时(i)低表面能基材和高表面张力液体界面与(ii)高表面张力液体和蒸气(气氛)界面之间的接触角减小来衡量。
或者，润湿的改善可以通过以下实施例中使用的基材澄清方法来测量。
作为替代或者附加的方式，用高表面张力液体润湿低表面能基材的方法可以是增加高表面张力液体对低表面能基材的润湿速率的方法。
在本文公开的方法的一个步骤中，低表面能基材与高表面张力液体接触。
如本文所用，术语“接触”旨在表示使高表面张力液体与低表面能基材接触以使它们触碰。与不存在低表面张力流体时的接触程度相比，所描述的方法和系统可以改善高表面张力液体和低表面能基材之间的接触程度。
低表面能基材
如本文所用，术语“低表面能基材”是指表面能范围为15至45mN/m，通常为18至45mN/m的基材。优选地，低表面能基材的表面能范围为15至40mN/m，通常为18至40mN/m。更优选地，低表面能基材的表面能范围为15至35mN/m，通常为18至35mN/m。甚至更优选地，低表面能基材的表面能范围为15至30mN/m，通常为18至30mN/m。如以下实验部分所述，基材的表面能可根据ASTM D7490-13测量。
低表面能基材可以是包括薄膜、膜或带的组中的一种或多种形式。
如本文所用，带是厚度比宽度或长度小至少一个数量级的基材。
低表面能基材的厚度范围为：0.5到500μm；0.5到250μm；0.5到100μm；0.5到50μm；5到30μm；或3到20μm。
低表面能基材的单位面积质量在以下范围内：0.1-500g/m2；0.1-250g/m2；0.1-100g/m2；0.1-50g/m2；0.1-25g/m2；0.1-10g/m2；0.5-6g/m2；或1-5g/m2。
低表面能基材可优选为选自下组中的一种或多种：有机卤化聚合物、烃聚合物和包含有机卤化聚合物的共聚物。有机卤化聚合物的实例包括聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯三氟乙烯、聚氟乙烯和聚氯乙烯。包含有机卤化聚合物的共聚物可以是有机卤化聚合物和烃聚合物的共聚物。这种共聚物的例子包括聚乙烯-共-四氟乙烯和聚四氟乙烯-共-六氟丙烯。烃聚合物的例子包括聚乙烯，包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对二甲苯。
低表面能基材可以是选自下组中的一种或多种：聚三氟乙烯、聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷、等规聚丙烯、聚异丁烯、聚偏二氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚四氢呋喃(polytetramethylene oxide)、聚碳酸酯、线性聚乙烯、支化聚乙烯、聚α-甲基苯乙烯、聚氟乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧乙烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺-12和聚醚醚酮。这种低表面能基材具有18至45mN/m范围内的表面能。
低表面能基材可以优选是选自下组中的一种或多种：聚三氟乙烯、聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷、等规聚丙烯、聚异丁烯、聚偏二氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚四氢呋喃、聚碳酸酯、线性聚乙烯、支化聚乙烯、聚α-甲基苯乙烯、聚氟乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸乙酯和聚甲基丙烯酸乙酯。这些优选的低表面能基材具有18至40mN/m范围内的表面能。
低表面能基材可以更优选是选自下组中的一种或多种：聚三氟乙烯、聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷、等规聚丙烯、聚异丁烯、聚偏二氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚四氢呋喃和聚碳酸酯。这些优选的低表面能基材具有18至35mN/m范围内的表面能。
低表面能基材甚至可以更优选为选自下组中的一种或多种：聚三氟乙烯、聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷。这些优选的低表面能基材具有18至30mN/m范围内的表面能。
最优选地，低表面能基材是膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)。ePTFE可具有0.5至500μm的厚度。ePTFE可以具有10至2000kPa的泡点。ePTFE的单位面积质量可以为0.1至500g/m2。ePTFE可具有0.1至1g/cc的表观密度。例如，ePTFE可以具有4.7g/m2的单位面积质量、14μm的厚度、0.34g/cc的表观密度和324kPa(47.0psi)的泡点。
高表面张力液体
如本文所用，术语“高表面张力液体”是指表面张力大于25且小于或等于70mN/m的液体。优选地，高表面张力液体具有在35至50mN/m范围内的表面张力。优选地，高表面张力液体的表面张力大于25且小于或等于70mN/m，更优选地大于25且小于或等于65mN/m，还更优选地大于25且小于或等于60mN/m。或者，高表面张力液体的表面张力优选为30至60mN/m，更优选为30至50mN/m。如以下实验部分所述，高表面张力液体的表面张力可根据ASTMD1331-14测量。
高表面张力液体可以是包含一种或多种组分的液体组合物。一种或多种组分可具有任何表面张力值，只要液体组合物具有大于25且小于或等于70mN/m的表面张力即可。
一种或多种组分可包括一种或多种高表面张力液体组分和任选的一种或多种其他组分。
一种或多种其他组分可以选自低表面张力液体组分、涂层材料和涂层材料混合物中的一种或多种。当涂层材料或涂层材料混合物存在于高表面张力液体组合物中时，低表面张力液体组分可充当涂层材料的共溶剂。
高表面张力液体组分可以是选自下组中的一种或多种：水、二碘甲烷、甲酰胺、甘油、2,2'-硫代双乙醇、2-呋喃甲醇、乙二醇、2-氨基乙醇、1,3-丁二醇、丙二醇、1,2,3-三溴丙烷、1,5-戊二醇、N-甲基-2-吡咯烷、苯胺、2-氨基乙醇、二甲亚砜、碳酸丙烯酯、邻氨基苯甲酸乙酯、邻氨基苯甲酸甲酯、苯甲醇、苯甲酸苄酯、溴仿、喹啉、1,3-二碘甲烷、二甘醇、糠醛、六氯丁二烯、碘苯、间硝基甲苯、甲基萘、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、硝基苯、硝基甲烷、邻硝基甲苯、异硫氰酸苯酯、邻苯二甲酸二乙酯、聚乙二醇、吡啶、3-吡啶甲醇、吡咯、四溴乙烷、磷酸三甲苯酯、α-溴萘、α-氯萘、1,2-二氯乙烷、1,4-二噁烷、二硫化碳、氯苯、环己醇、环戊醇、萘烷、二丙二醇、十二烷基苯、富马酸二乙酯、硝基乙烷、硝基丙烷、乙腈、丙酸、二甲苯及其异构体、二丙二醇单甲醚、甲苯、丁腈、乙酸、氯仿、丙烯腈、2-丁氧基乙醇、四氯化碳、2-庚酮、二氯甲烷、四氢呋喃、己醇或其异构体、庚醇及其异构体、辛醇及其异构体和异戊腈。上述所列中的高表面张力液体组分具有大于25mN/m的表面张力。
高表面张力液体组分可以优选是选自下组中的一种或多种：水、二碘甲烷、甲酰胺、甘油、2,2'-硫代双乙醇、2-呋喃甲醇、乙二醇、2-氨基乙醇、1,3-丁二醇、丙二醇、1,2,3-三溴丙烷、1,5-戊二醇、N-甲基-2-吡咯烷、苯胺、2-氨基乙醇、二甲亚砜、碳酸丙烯酯、邻氨基苯甲酸乙酯、邻氨基苯甲酸甲酯、苯甲醇、苯甲酸苄酯、溴仿、喹啉、1,3-二碘甲烷、二甘醇、糠醛、六氯丁二烯、碘苯、间硝基甲苯、甲基萘、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、硝基苯、硝基甲烷、邻硝基甲苯、异硫氰酸苯酯、邻苯二甲酸二乙酯、聚乙二醇、吡啶、3-吡啶甲醇、吡咯、四溴乙烷、磷酸三甲苯酯、α-溴萘、α-氯萘、1,2-二氯乙烷、1,4-二噁烷、二硫化碳、氯苯、环己醇、环戊醇、萘烷、二丙二醇、十二烷基苯、富马酸二乙酯、硝基乙烷。在上述所列中，除水以外的高表面张力液体组分的表面张力在30至70mN/m的范围内。
一种或多种高表面张力液体组分的表面张力可以超过高表面张力液体所需的上限70mN/m，例如具有约72mN/m表面张力的水，只要高表面张力液体组合物具有大于25且等于或小于70mN/m的表面张力即可。
高表面张力液体组分甚至可以更优选是选自下组中的一种或多种：水、乙二醇、2-氨基乙醇、1,3-丁二醇、丙二醇、1,2,3-三溴丙烷、1,5-戊二醇、N-甲基-2-吡咯烷、苯胺、2-氨基乙醇、二甲亚砜、碳酸丙烯酯、邻氨基苯甲酸乙酯、邻氨基苯甲酸甲酯、苯甲醇、苯甲酸苄酯、溴仿、喹啉、1,3-二碘甲烷、二甘醇、糠醛、六氯丁二烯、碘苯、间硝基甲苯、甲基萘、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、硝基苯、硝基甲烷、邻硝基甲苯、异硫氰酸苯酯、邻苯二甲酸二乙酯、聚乙二醇、吡啶、3-吡啶甲醇、吡咯、四溴乙烷、磷酸三甲苯酯、α-溴萘、α-氯萘、1,2-二氯乙烷、1,4-二噁烷、二硫化碳、氯苯、环己醇、环戊醇、萘烷、二丙二醇、十二烷基苯、富马酸二乙酯和硝基乙烷。在上述所列中，除水外的高表面张力液体组分的表面张力在30至50mN/m的范围内。
低表面张力液体组分可以是选自下组中的一种或多种：三氟乙醇、乙醚、二甲氧基甲烷、四氯化硅、丁基氯及其异构体、丙醇及其异构体、乙醇、甲醇、丁醇及其异构体、戊醇及其异构体、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基酮、乙酸丙酯、甲乙酮、甲基丙烯酸甲酯、乙酸甲酯、丙酮、甲基氯仿、乙醛、丙醛、丁醛、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺和戊胺。上述所列中的低表面张力液体组分具有10至25mN/m范围内的表面张力。
因此，高表面张力液体组合物可包含水和乙醇，其中液体组合物的表面张力大于25且小于或等于70mN/m。示例性的高表面张力液体组合物包含在水中的约1至约65重量％的乙醇。
涂层材料可以是离子交换材料(IEM)，例如包含磺化全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物。下文更详细地描述了合适的离子交换材料。
作为蒸气的低表面张力流体(在本文中与低表面张力流体蒸气同义使用)用于处理低表面能基材和/或高表面张力液体。
如本文所用，术语“用作为蒸气的低表面张力流体处理低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者”旨在表示使作为蒸气的低表面张力流体与低表面能基材和高表面张力液体中的一者或两者接触，以使它们触碰。例如，用低表面张力流体蒸气处理低表面能基材可导致低表面张力流体冷凝到低表面能基材上。这种冷凝可以包括吸附和/或吸收过程。在一个实施方式中，在低表面能基材上，特别是在基材的表面上和任何孔中形成冷凝的低表面张力流体的单层。
类似地，高表面张力液体与低表面张力流体蒸气的接触可包括低表面张力流体至少吸附和/或吸收到高表面张力液体-气氛界面上，从而降低高表面张力液体在界面处的表面张力。然而，不排除将低表面张力流体引入到高表面张力液体的主体中，尽管这不是实现高表面张力液体的表面张力降低所必需的。
尽管低表面张力流体蒸气在接触过程中可能冷凝成液体，但它从不存在于固相中，并且随后从低表面能基材除去。在一个实施方式中，在完成两个接触步骤之后，从低表面能基材基本上去除低表面张力流体。在另一个实施方式中，在完成两个接触步骤之后，从低表面能基材完全去除低表面张力流体。
不希望受理论束缚，低表面张力流体可以改变低表面能基材的表面能和高表面张力液体的表面张力中的一者或两者。例如，低表面能基材与低表面张力流体蒸气的接触可以使低表面能基材的表面与作为液体的低表面张力流体接触，从而增加基材的表面能。高表面张力液体与低表面张力流体蒸气的接触可将低表面张力流体引入高表面张力液体与气氛的界面，降低高表面张力液体的表面张力。接触的低表面能基材的表面能的这种增加和/或接触的高表面张力液体的表面张力的这种降低可以改善液体对基材的润湿。
如本文所用，术语“接触的低表面能基材”表示已与低表面张力流体蒸气接触的低表面能基材。这种接触的低表面能基材可包括由低表面张力流体蒸气在基材上冷凝形成的低表面张力流体液体。低表面张力流体液体可以存在于低表面能基材的表面上。如果低表面能基材是多孔材料，则低表面张力流体液体可存在于基材的孔中。
如本文所用，术语“接触的高表面张力液体”表示已与低表面张力流体蒸气接触的高表面张力液体。这种接触的高表面张力液体可以是混合物并且包含一种或多种低表面张力液体。低表面张力流体液体可以存在于高表面张力液体和气氛的界面处。
低表面张力流体
如本文所用，术语“低表面张力流体”是指当呈液体形式时具有10至25mN/m范围内的表面张力的流体。优选地，当呈液体形式时，低表面张力流体的表面张力在10至20mN/m的范围内，更优选在15至20mN/m的范围内。或者，低表面张力流体，当为液体形式时，优选具有15至25mN/m范围内的表面张力，更优选20至25mN/m范围内的表面张力。如以下实验部分所述，当低表面张力流体呈液体形式时，其表面张力可根据ASTM D1331-14测量。
与作为蒸气的低表面张力流体进行接触。如本文所用，术语“蒸气”旨在包括分子气体或气体和液体的分子混合物。例如，气溶胶是包含液滴的部分冷凝的气体，因此落入本文所用术语蒸气的含义内。
低表面张力流体，例如作为蒸气的低表面张力流体，可以优选自以下化合物中的一种或多种：醛、醇、胺、酮、醚、环醚、酯和有机卤化物，前提是所述化合物具有10至25mN/m范围内的表面张力。
低表面张力流体，例如作为蒸气的低表面张力流体，可以是选自下组中的一种或多种：三氟乙醇、乙醚、二甲氧基甲烷、四氯化硅、丁基氯及其异构体、丙醇及其异构体、乙醇、甲醇、丁醇及其异构体、戊醇及其异构体、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基酮、乙酸丙酯、甲乙酮、甲基丙烯酸甲酯、乙酸甲酯、丙酮、甲基氯仿、乙醛、丙醛、丁醛、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺和戊胺。
低表面张力流体，例如作为蒸气的低表面张力流体，可以更优选地选自下组中的一种或多种：2,2,2-三氟乙醇、1-丁醇、乙酸乙酯和乙醚。这种优选的低表面张力流体当呈液体形式时，具有10至25mN/m范围内的表面张力。
低表面张力流体，例如低表面张力流体蒸气，可以是2,2,2-三氟乙醇，其具有约17mN/m的表面张力。
在两个接触步骤之后，从低表面能基材除去低表面张力流体，例如可以以蒸气或液体形式存在的低表面张力流体。这种低表面张力流体的去除可以是主动的或被动的。
从低表面能基材去除低表面张力流体，例如低表面张力流体蒸气或液体的步骤可以是被动的。例如，低表面张力流体，当作为低表面能基材上或高表面张力液体表面上的液体存在时，可在环境温度和压力下蒸发。通常，低表面张力流体可具有足够高的蒸气压以允许被动去除。
或者，从低表面能基材去除低表面张力流体，例如低表面张力流体蒸气或液体的步骤可以是主动的。
从低能基材去除低表面张力流体，例如低表面张力流体蒸气或液体的步骤可以在不去除高表面张力液体的情况下发生，例如通过选择性降低压力和升高温度中的一种或两种进行分馏来实现。这允许将低表面张力流体与高表面张力液体分离，使得它可以被回收和再利用，例如在本文的方法中。
例如，可以依次去除低表面张力流体和高表面张力液体，先去除低表面张力流体，然后去除高表面张力液体。这可以通过降低压力和升高温度中的一者或两者来实现，以达到足够的程度，使得这两种化合物中更易挥发的低表面张力流体更大程度地浓缩到蒸汽中，留下液态的高表面张力液体。随后，可进一步降低压力和/或进一步升高温度以使高表面张力液体蒸发。在从低表面能基材分离高表面张力液体(作为蒸气)之后，可以冷凝蒸气以提供高表面张力液体。这允许低表面张力流体和高表面张力流体彼此分离，使得各自可以在本文公开的方法中再循环和再利用。
或者，从低表面能基材去除低表面张力流体，例如低表面张力流体蒸气或液体的步骤可以进一步包括去除高表面张力液体，即去除低表面张力流体(作为蒸气或液体)和高表面张力液体。通常，可以在去除低表面张力流体(作为蒸气或液体)的同时从低表面能基材除去高表面张力液体。例如，至少一部分低表面张力流体可以存在于高表面张力液体中。
从低表面能基材去除低表面张力流体液体,任选地连同高表面张力液体一起除去的步骤可以包括从低表面能基材蒸发和/或机械分离低表面张力流体。
低表面张力流体，任选地与高表面张力液体一起，从低表面能基材蒸发可以通过升高温度和降低压力中的一者或两者来实现，例如降低低表面能基材表面处或周围的压力以引起低表面张力流体，任选地连同高表面张力液体一起蒸发。温度可以通过任何合适的加热方式升高，例如烘箱、热风机、红外灯等。
低表面张力流体，任选地与高表面张力液体一起的机械分离，可以通过挤压、擦拭或吸收来实现。例如，可以冷凝的低表面张力流体或高表面张力液体的一部分(任选地与高表面张力液体一起)可以从低表面能基材的表面擦去，或从低表面能基材的表面被吸收到吸收材料上，或者可以压缩低表面能基材，例如膜。
然后可以将携带所吸收的低表面张力流体(任选地连同高表面张力液体)的吸收材料与低表面能基材分离。在另一任选步骤中，低表面张力流体，任选地与高表面张力液体一起，可以从吸收材料释放，例如通过加热、降低压力和压缩吸收材料中的一者或多者来进行该释放。
从低表面能基材去除低表面张力流体之后可以是再循环低表面张力流体的步骤，以使其可以例如以连续或分批方法重新使用。当低表面张力流体与高表面张力液体一起存在时，再循环低表面张力流体的步骤可包括将低表面张力流体与高表面张力液体分离。
例如，当低表面张力流体和高表面张力液体存在于液相中时，例如从气相冷凝后，或者如果其作为高表面张力液体的一部分被除去，它们可以通过分馏分离以提供低表面张力流体蒸气。
或者，如果通过蒸发将低表面张力流体和高表面张力液体从低表面能基材去除，则高表面张力液体可以通过将其冷却至其液化温度以下来选择性地冷凝，同时将低表面张力流体保持为蒸气。
涂层
涂层材料通常从液体载体沉积到基材上，其作为固体涂层材料在液体载体中的分散体或悬浮液，或者如果涂层材料可溶于液体载体，则作为溶液。因此，涂层材料和液体载体之间的相容性很重要。例如，极性液体载体如水可能具有高表面张力，例如由于液体分子之间的氢键而具有高表面张力。正如已经讨论过的，这种高表面张力液体可能对低表面能基材的润湿性很差，使得载体材料从高表面张力液体沉积到低表面能基材上可能会在除去高表面张力液体后在基材上提供不均匀的涂层材料分布，或者可能无法到达基材表面内的孔。本文所述的润湿方法和系统可用于将承载在高表面张力液体中的涂层材料沉积到低表面能基材上，特别是在涂层材料的分布方面改善这种涂层材料的沉积，以及将涂层材料分布到基材表面的任何孔中。
当高表面张力液体包含涂层材料时，本文公开的方法可用于在低表面能基材上施加涂层材料。以此方式，接触提供了涂覆有包含涂层材料的高表面张力液体的低表面能基材。
这种方法可以进一步包括从低表面能基材去除高表面张力液体以提供涂覆有涂层材料的低表面能基材的步骤。
如本文所用，术语“涂层”或“涂覆”旨在表示施加到基材上的覆盖物。覆盖物包括基材的表面并且可以通过诸如孔的表面开口延伸到基材的内部。涂层可覆盖基材的整个表面或可仅覆盖基材的部分，包括仅部分表面和通向基材内部的开口例如孔。
涂层材料可以是一种或多种选自下组的化合物：离子交换材料(IEM)，例如上述的那些，特别是包含磺化全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物。合适的离子交换材料包括例如全氟磺酸聚合物，全氟羧酸聚合物，全氟膦酸聚合物，苯乙烯型离子交换聚合物，氟苯乙烯型离子交换聚合物，磺化聚醚醚酮离子交换聚合物，聚芳醚酮离子交换聚合物，聚砜离子交换聚合物，双(氟烷基磺酰基)酰亚胺，(氟烷基磺酰基)(氟磺酰基)酰亚胺，聚乙烯醇，聚环氧乙烷，具有或不具有聚合物的金属盐，以及它们的混合物。在示例性实施方式中，离子交换材料包括通过四氟乙烯和全氟磺酰基乙烯基酯共聚并转化为质子形式而制备的全氟磺酸(PFSA)聚合物。用于燃料电池应用的合适的全氟磺酸聚合物的例子包括(美国特拉华州威明顿市的E.I.杜邦内穆尔公司(E.I.DuPont de Nemours,Inc.,Wilmington,Del.,US))，(日本东京的旭硝子玻璃有限公司(Asahi GlassCo.Ltd.,Tokyo,JP))，(日本东京的朝日化学有限公司(Asahi KaseiCorporation,Tokyo,JP))，(意大利苏威苏莱克斯公司(SolvaySolexisS.P.A,Italy))和3MTM(美国3M创新有限公司(3M Innovative Properties Company,USA))，它们是可商购的全氟磺酸共聚物。用于燃料电池应用的合适的全氟磺酸聚合物的其他例子包括全氟化的磺酰基聚合物或共聚物，例如在美国专利第5,463,005号中描述的那些。
通常，低表面能基材可以是用于燃料电池的多孔ePTFE膜。
优选地，涂层材料是离子交换材料，例如包含磺化全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物。用包含全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物浸渍的多孔ePTFE膜是用于质子交换膜燃料电池的理想膜材料。
图2显示了用高表面张力液体润湿低表面能基材110的系统100和方法的示意图。显示了卷到卷类型的连续加工方法，但也可以使用其他连续方法或不连续方法，例如分批方法。
可以在基材供应辊105上提供低表面能基材110，例如多孔含氟聚合物，例如ePTFE。
ePTFE基材，例如膜或薄膜，可以通过授予戈尔的美国专利第8,757,395号中教导的方法生产。通过该方法形成的多孔ePTFE具有由原纤维互连的结点的微结构，表现出比未膨胀PTFE更高的强度，并保留了未膨胀PTFE的化学惰性和宽的可用温度范围。因此，它可用作质子交换膜燃料电池的膜材料的基础。
基材供应辊105可安装在基材供应旋转元件115上，该旋转元件115可由马达驱动或可自由旋转。低表面能基材110，例如ePTFE，可以通过第一基材旋转元件120从基材供应辊105释放，第一基材旋转元件120引起基材以圆周运动从供应辊105解卷并将低表面能基材110引导到可旋转弹性承载带125上。可旋转弹性承载带125在工艺期间支撑低表面能基材110。可旋转弹性承载带125具有供应低表面能基材110的第一端140和去除涂覆有涂层材料225的低表面能基材的第二端145。
在可旋转弹性承载带125的第二端145处的第二基材旋转元件150将涂覆有涂层材料的低表面能基材引导至包括涂覆有涂层材料的低表面能基材的涂覆基材产品卷155。在工艺期间，第一和第二基材旋转元件120、150一起将低表面能基材保持在平坦状态。这可以通过将低表面能基材保持在低张力下来实现，低张力例如低于50N/m。
可旋转弹性承载带125可以是弹性承载带环，在第一和第二承载旋转元件130、135的作用下旋转。第一和第二承载旋转元件130、135连同第一和第二基材旋转元件120、150可以由一个或多个马达(例如电动马达)独立或同步驱动。
低表面能基材110可被弹性承载带125拉入接触室160。接触室160包括高表面张力液体施加器165和低表面张力流体蒸气施加器180。
高表面张力液体施加器165可以是用于将高表面张力液体施加到低表面能基材，特别是其表面的任何合适的装置。图2显示了作为高表面张力液体施加器165的喷头。喷头通过高表面张力液体供应管线170与高表面张力液体罐175流体连通。足够的压力迫使高表面张力液体通过喷头，该压力可由高表面张力液体泵(未示出)提供，或者通过将高表面张力液体罐175在重力方向上置于喷头上方来实现。高表面张力液体泵可以将正确剂量的高表面张力液体计量添加到被拉到喷头下方的低表面能基材110上。以此方式，低表面能基材110的表面与高表面张力液体210接触。高表面张力液体可以是例如水/乙醇混合物，例如包含1至65重量％乙醇的高含水混合物。
当将涂层材料施加到低表面能基材110时，涂层材料存在于高表面张力液体中。例如，可以将适当量的涂层材料添加到高表面张力液体槽175中。涂层材料可以是离子交换材料，例如包含磺化全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物。
尽管ePTFE基材是多孔的，但其表面能很低，约为19-20mN/m。具有高表面张力的液体无法通过ePTFE基材的孔。水的表面张力约为72mN/m，因此无法进入ePTFE基材的孔。
类似地，具有超过25mN/m的表面张力的含有65重量％或更少乙醇的水/乙醇混合物也表现出对ePTFE基材的润湿不足。因此，当水或水/乙醇混合物用作ePTFE涂层材料的液体载体时，水中携带的涂层材料不会进入孔，并且/或者不会充分润湿基材，并且/或者基材的润湿将不可接受的缓慢。
为了提高与高表面张力液体210接触的低表面能基材110的润湿性，特别是使高表面张力液体能够渗透基材的孔，可使基材和液体中的一者或两者与低表面张力流体蒸气接触。
低表面张力流体蒸气由低表面张力流体蒸气施加器供应，该施加器可以是适合将作为蒸气的低表面张力流体施加到低表面能基材110和高表面张力液体中的一者或两者上的任何装置。图2示出了作为低表面张力流体蒸气施加器180的蒸发器。蒸发器通过低表面张力流体供应管线185与低表面张力流体罐190流体连通。低表面张力流体可以作为液体储存在低表面张力流体供应罐190中，并作为液体沿着低表面张力流体供应管线185被转移到蒸发器。可以提供低表面张力流体泵(未示出)以将液相中的低表面张力流体从供应罐传送到蒸发器。蒸发器装有加热元件195以加热和蒸发作为液体供应的低表面张力流体。这样，接触室160中的气氛包括低表面张力流体蒸气。在一些实施方式中，接触室160中的气氛可以被低表面张力流体蒸气饱和。低表面张力流体可以是例如2,2,2-三氟乙醇、乙酸乙酯、乙醚或1-丁醇。2,2,2-三氟乙醇的沸点为74℃，表面张力约为16.5mN/m，因此是理想的低表面张力流体。
低表面能基材110和高表面张力液体210暴露于接触室160中的低表面张力流体蒸气。
低表面张力流体蒸气可以接触位于接触室160中高表面张力液体施加器165上游的低表面能基材的部分205，因此未与高表面张力液体210接触。接触室中的低表面张力流体蒸气可以冷凝在低表面能基材的部分205的表面上以提供包含冷凝的低表面张力流体的接触的低表面能基材。低表面能基材与低表面张力流体的接触可增加基材的表面能和/或降低界面能，改善后续高表面张力液体对基材的润湿。
低表面张力流体蒸气也可接触高表面张力液体210。接触室160中的低表面张力流体蒸气可在液体-气氛界面处被高表面张力液体吸收和/或吸附，该高表面张力液体离开喷头时或在其接触低表面能基材110之后作为高表面张力液体的液滴。不希望受理论的束缚，高表面张力液体与低表面张力流体的接触降低了高表面张力液体的表面张力，改善了接触的高表面张力液体对低表面能基材110的润湿。
因此，接触室160提供被接触的高表面张力液体215润湿的接触的低表面能基材。然后可以将被接触的高表面张力液体215润湿的接触的低表面能基材传送到分离室220。分离室160包括分离器以去除低表面张力流体，优选与高表面张力液体一起，并从润湿的低表面张力基材去除。通常，分离室160保持在升高的温度和/或降低的压力(与环境相比)下以使高表面张力液体和低表面张力流体蒸发。分离器优选是红外灯。
分离室160还可包括用于从室中去除蒸发的高表面张力液体和低表面张力流体的装置，例如连接到泵(未示出)的出口。然后可以将蒸发的高表面张力液体和低表面张力流体蒸气再循环(未示出)。例如，蒸发的高表面张力液体可优先冷凝以将其与低表面张力流体蒸气分离并传送至高表面张力液体罐175。然后剩余的低表面张力流体蒸气可冷凝并作为液体传送至低表面张力流体罐190。
再看图2，如果高表面张力液体包含涂层材料，则分离室将去除高表面张力液体和低表面张力流体以提供涂覆有涂层材料225的低表面能基材。如果低表面能基材是多孔的，例如ePTFE，则涂层材料通常会浸渍基材的孔。
然后，涂覆有涂层材料225的低表面能基材可以通过第二基材旋转元件150从可旋转弹性承载带125移除并且传送到涂覆基材旋转元件230，在此其可以被卷绕以提供涂覆基材产品卷155。
图3示出了用于本文公开的方法的替代系统300的示意图。图3中与图2等效或相同的那些特征已被赋予相同的附图标记。
图3的系统在高表面张力液体施加器365方面与图2的系统不同。高表面张力液体施加器365不是喷头，该高表面张力液体施加器365包括释放衬垫370释放衬垫370包含高表面张力液体，第一、第二和第三释放衬垫旋转元件375、390和395用于引导释放衬垫370，并且接触器用于使低表面能基材110与包含高表面张力液体的释放衬垫370接触。接触器可以包括第一和第二接触器旋转元件380、385。
释放衬垫可以被配置为环。第三释放衬垫旋转元件395将释放衬垫370浸入储存在高表面张力液体罐410中的高表面张力液体405中。高表面张力液体可以是水/乙醇混合物，例如包含1至65重量％乙醇的含水混合物。优选地，高表面张力液体包含涂层材料，例如离子交换材料，如包含磺化全氟乙烯基醚基团的基于四氟乙烯的聚合物。
释放衬垫可以是吸收性材料，例如多孔织造和非织造网。当浸入高表面张力液体405中时，释放衬垫370吸收高表面张力液体和其中携带的任何涂层材料。然后，包含高表面张力液体的释放衬垫通过第一释放衬垫旋转元件370被引导至低表面能基材。然后，第一和第二接触旋转元件380、385将包含高表面张力液体的释放衬垫与低表面能基材110接触。
然后，与包含高表面张力液体370和任何涂层材料的释放衬垫接触的低表面能基材110被传送到接触室160。接触室160包括与图2的实施方式所述的相似的低表面张力流体蒸气施加器180。低表面张力流体蒸气施加器180包括用于液相的低表面张力流体的蒸发器，以在接触室160中提供包含低表面张力流体蒸气的气氛。低表面张力流体可以是例如2,2,2-三氟乙醇、乙酸乙酯、乙醚或1-丁醇。
因此，位于接触室160内的包含高表面张力液体和任何涂层材料的释放衬垫的部分420暴露于低表面张力流体蒸气。低表面张力流体因此接触保持在释放衬垫上的高表面张力液体，该释放衬垫与接触室160内的低表面能基材110接触。低表面张力流体蒸汽可以吸收和/或吸附到高表面张力液体与气氛之间的界面上。然后,低表面张力流体可以扩散到高表面张力液体-低表面能基材界面或附近以降低高表面张力液体的表面张力，从而增加液体和基材之间的接触和润湿。
第二接触旋转元件385可与压缩旋转元件400结合使用以将接触的高表面张力液体从释放衬垫释放到低表面能基材110上。包含接触的高表面张力液体的释放衬垫可在第二接触旋转元件385和压缩旋转元件400之间进给以被压缩，从而将接触的高表面张力液体挤出。因此，第二接触旋转元件385和压缩旋转元件400可以将可旋转弹性承载带125、低表面能基材110和包含高表面张力液体的释放衬垫压缩，以将高表面张力液体与释放衬垫分离并将分离的高表面张力液体210传送到低表面能基材。第二接触旋转元件385和压缩旋转元件400之间的压缩挤压了包含高表面张力液体的释放衬垫以将高表面张力液体释放，与低表面张力流体210接触。
从释放衬垫370释放并接触低表面能基材110的高表面张力液体210也暴露于接触室160中的低表面张力流体蒸气。低表面张力流体蒸气因此接触从释放衬垫释放的高表面张力液体210。
如已经讨论的，接触室160中的低表面张力流体蒸气可以在液体-气氛界面处被高表面张力液体吸收和/或吸附。
与低表面张力流体接触的高表面张力液体润湿低表面能基材110。因此，接触室160提供被高表面张力液体215润湿的低表面能基材。
在图3中未示出的替代实施方式中，第一和第二接触旋转元件380、385都可以位于接触室内。在这样的实施方式中，低表面能基材的一部分在与释放衬垫上的高表面张力液体接触之前可以暴露于低表面张力流体蒸气。以这种方式，低表面能基材可在与释放衬垫接触之前与低表面张力流体蒸气接触，随后高表面张力液体与低表面张力流体蒸气接触。
本发明的其他方面和实施方式提供了上文描述的方面和实施方式，其中术语“包括”被术语“由……组成”代替，并且上文描述的方面和实施方式中术语“包括”被术语“基本上由……组成”代替。
应当理解，除非上下文另有要求，否则本申请公开了上述任何方面和实施方式彼此的所有组合。类似地，除非上下文另有要求，本申请单独或与任何其他方面一起公开了优选和/或任选特征的所有组合。
本说明书中提及的所有文件出于所有目的通过引用整体并入本文。
本文使用术语“和/或”时应视作具体公开了两种特定特征或组分中的任一种，有或没有另一种。例如，“A和/或B”或“A和B中的一者或两者”应该理解成具体公开了(i)A、(ii)B以及(iii)A和B中的每一种，就如同各自在本文中单独列出一样。
现在将通过示例说明本发明的某些方面和实施方式。
实施例中使用的测试程序和测量方案
泡点
根据ASTM F316-86的程序测量泡点。使用异丙醇作为润湿流体以填充测试试样的孔。泡点是产生第一连续气泡流所需的空气压力，该气泡流可通过其上升通过覆盖微孔聚合物基质的异丙醇层来检测。这种测量提供了对最大孔径的估计。
格利数(Gurley Number)
根据ASTM D-726-58，使用格利密度计(Gurley Densometer)测量气流阻隔性能。该程序包括将样品夹在格利密度计的透气板之间。然后释放已知重量的可自由滑动的内缸。格利数定义为释放的内缸通过样品材料置换密度计中一定体积的空气所花费的时间(以秒为单位)。
气体渗透率(ATEQ)
使用ATEQ公司(ATEQ Corp.)的Premier D紧凑型流量测试仪测量受到1.2kPa(12mbar)的压差时通过每个微孔聚合物结构的空气流量(升/小时)。将样品以一定的方式夹在两块板之间，使得限定流动路径的截面积为2.9cm2。
非接触厚度
将微孔聚合物结构的样品放置在平坦的光滑金属砧上，并张紧以去除皱纹。使用非接触式Keyence LS-7010M数字千分尺测量并记录砧上微孔聚合物结构的高度。接下来，记录没有微孔聚合物基质的砧的高度。微孔聚合物结构的厚度被视为砧上存在和不存在微孔结构的千分尺读数之间的差。
单位面积质量
将每种微孔聚合物结构拉伸至足以消除皱纹，然后使用模具将其切成10cm2的块。在常规实验室规模下称量10cm2的块。然后将单位面积质量(M/A)计算为测得的质量与已知面积的比值。重复该过程2次，并计算M/A的平均值。
微孔层的表观密度
利用以下公式，使用非接触厚度和单位面积质量数据计算微孔聚合物结构的表观密度：
离子交换材料(IEM)溶液的固体浓度
在本文中，当提及IEM时，术语“溶液”和“分散体”可互换使用。该测试程序适用于其中IEM为质子形式且其他固体的量可忽略不计的溶液。将体积为2立方厘米的IEM溶液吸入注射器中，并通过在固体分析仪(购自美国CEM公司(CEM Corporation))中的天平测量具有溶液的注射器的质量。还测量并记录了两片玻璃纤维纸(从美国CEM公司获得)的质量。然后将IEM溶液从注射器中沉积到两层玻璃纤维纸中。将具有离聚物溶液的玻璃纤维纸放入固体分析仪中，并加热到160℃以除去溶剂液体。一旦玻璃纤维纸和残余固体的质量随着温度和时间的增加而停止变化，就记录下该质量。假定残留的IEM不含水(即，对应于0％RH的离聚物质量)。然后，使用与之前相同的天平测量并记录空注射器的质量。溶液中的离聚物固体根据下式计算：
IEM的当量重量(EW)
以下测试程序适用于由单一离聚物树脂或离聚物树脂混合物组成的IEM，其为质子形式(即，含有可忽略不计量的其他阳离子)，并且在溶液中，该溶液含有可忽略不计的其他离子物质，包括质子酸和解离盐。如果不满足这些条件，则在测试之前，必须按照本领域普通技术人员已知的合适方法，纯化溶液以去除离子性杂质，或者必须对杂质进行表征，并校正其对EW测试结果的影响。
如本文所用，IEM的EW是指当IEM在0％RH下为其质子形式且杂质可忽略不计的情况。IEM可以包含质子形式的单一离聚物或离聚物的混合物。将一定量的含有0.2克固体的具有如上所述确定的固体浓度的IEM溶液倒入塑料杯中。通过常规实验室天平(从美国梅特勒-托莱多有限责任公司(Mettler Toledo，LLC，USA)获得)测量离聚物溶液的质量。然后，将5ml去离子水和5ml 200度(proof)变性乙醇(SDA 3C，美国西格玛-奥尔德里奇公司(Sigma Aldrich))添加到杯中的离聚物溶液中。然后，将55ml 2N氯化钠水溶液添加到IEM溶液中。然后在持续搅拌下使样品平衡15分钟。平衡步骤后，将样品用1N氢氧化钠溶液滴定。记录中和样品溶液至pH值为7所需的1N氢氧化钠溶液的体积。IEM的EW(EWIEM)计算如下：
将多种IEM组合在一起制成复合膜时，可使用以下公式计算复合膜中IEM的平均EW：
其中，各IEM的质量分数是相对于所有IEM的总量。该公式既用于包含离聚物混合物的复合膜，也用于包含离聚物层的复合膜。
固体表面能
固体的表面能可根据ASTM D7490-13在25℃的标准温度下测量。
表1：低表面能多孔膜的表征
多孔膜#3，多孔聚丙烯，库存单位(sku)PP022005，购自美国斯特里特公司(Sterlitech Corporation)。
液体表面张力
液体的表面张力可根据ASTM D1331-14在25℃的标准温度下测量。
表2：所选流体的表面张力表征
比较例1
根据以下程序制备比较例1.1-1.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接着，将0.1ml具有约72mN/m的表面张力的去离子水以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上。水涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL液体以液滴形式输送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的水滴上以提供水和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。层压件用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内的气氛流通。60分钟后没有观察到水液体渗透多孔低表面能膜基材的迹象，多孔膜保持不透明。
比较例2
根据以下程序制备比较例2.1-2.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接着，将表面张力为48mN/m的组成为90重量％水和10重量％乙醇的水-乙醇混合物的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上。液体涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL液体递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的低表面能多孔膜放置在单独的液体液滴上以提供液体和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。层压件用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃容器内的气氛流通。60分钟后没有观察到水-乙醇混合物渗透多孔低表面能膜基材的迹象，多孔膜保持不透明。
比较例3
根据以下程序制备比较例3.1-3.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接下来，将表面张力为32mN/cm的IEM溶液的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立的位置上，该IEM溶液具有离聚物，EW＝810克/摩尔当量(从旭硝子玻璃公司(Asahi Glass Company)获得，产品号IW100-800),包含61.6重量％的水，26.4重量％的乙醇，12重量％的固体。IEM涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL IEM溶液以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的低表面能多孔膜放置在单独的IEM溶液液滴上以提供溶液和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在具有层压件的PVC框的顶部上以保持层压结构。层压件用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃容器内的气氛流通。60分钟后没有观察到IEM液体渗透多孔低表面能膜基材的迹象，多孔膜保持不透明。
比较例4
根据以下程序制备比较例4.1-4.7。将如上表1中定义的低表面张力膜1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接着，将0.1ml表面张力为29mN/m的乙腈以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立的位置上。乙腈涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL溶液以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的乙腈液滴上以提供乙腈和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。层压件用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内的气氛流通。由于乙腈的表面张力低于由聚丙烯制成的多孔膜#3的表面能，因此乙腈自发渗透多孔膜#3，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。乙腈没有渗透由PTFE制成的多孔膜#1,2和4-7，这由3600秒后膜的视觉澄清缺乏证明，多孔膜保持不透明。
实施例1
根据以下程序制备实施例1.1-1.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接着，将0.1ml的组成为90重量％水和10重量％乙醇的水-乙醇混合物以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上。水-乙醇涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL液体混合物以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的乙醇-水混合物的液滴上以提供混合物和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。接着，在室温下，将高5cm、顶部直径3cm的陶瓷坩埚置于由层压件限定的圆的中心。将实验室薄纸(Kimwipes，金伯利克拉克公司(Kimberly Clark))用手揉皱并放入坩埚中。接着，通过刻度注射器将1ml 2,2,2-三氟乙醇样品递送到擦拭巾上。层压件和坩埚用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于含有2,2,2-三氟乙醇蒸气的环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内含有2,2,2-三氟乙醇蒸气的气氛流通。90重量％水和10重量％乙醇的混合物在低表面张力流体2,2,2-三氟乙醇的蒸气的帮助下渗透由PTFE和聚丙烯制成的多孔膜#1-7，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。表3给出了每个层压件的由2.5cm内径的PVC框限定的整个膜区域澄清化所需的时间。
表3实施例1.1-1.7
*RT＝室温。
实施例2
根据以下程序制备实施例2.1-2.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接下来，将EW＝810克/摩尔当量的IEM溶液(从旭硝子玻璃公司(AsahiGlass Company)获得，产品号IW100-800)的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上，该IEM溶液包含61.6重量％的水，26.4重量％的乙醇，12重量％的固体。IEM溶液涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL IEM溶液以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的IEM溶液的液滴上以提供混合物和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。接着，在室温下，将高5cm、顶部直径3cm的陶瓷坩埚置于由层压件限定的圆的中心。将实验室薄纸(Kimwipes，金伯利克拉克公司(KimberlyClark))用手揉皱并放入坩埚中。接着，通过刻度注射器将1ml 2,2,2-三氟乙醇样品递送到擦拭巾上。层压件和坩埚用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于含有2,2,2-三氟乙醇蒸气的环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内含有2,2,2-三氟乙醇蒸气的气氛流通。IEM溶液在低表面张力流体2,2,2-三氟乙醇的蒸气的帮助下渗透由PTFE和聚丙烯制成的多孔膜#1-7，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。表4给出了每个层压件的由2.5cm内径的PVC框限定的整个膜区域澄清化所需的时间。
表4：实施例2.1-2.7
*RT＝室温。
实施例3
根据以下程序制备实施例3.1-3.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接着，将组成为90重量％水和10重量％乙醇的水-乙醇混合物的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上。水-乙醇混合物涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL水-乙醇混合物以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的水-乙醇混合物的液滴上以提供混合物和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。接着，在室温下，将高5cm、顶部直径3cm的陶瓷坩埚置于由层压件限定的圆的中心。将实验室薄纸(Kimwipes，金伯利克拉克公司(Kimberly Clark))用手揉皱并放入坩埚中。接着，通过刻度注射器将1ml 1-丁醇样品递送到擦拭巾上。层压件和坩埚用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于含有1-丁醇蒸气的环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内含有1-丁醇蒸气的气氛流通。水-乙醇混合物在低表面张力流体1-丁醇的蒸气的帮助下渗透由PTFE和聚丙烯制成的多孔膜#1-7，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。表5给出了每个层压件的由2.5cm内径的PVC框限定的整个膜区域澄清化所需的时间。
表4：实施例3.1-3.7
*RT＝室温。
实施例4
根据以下程序制备实施例4.1-4.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接下来，将EW＝810克/摩尔当量的IEM溶液(从旭硝子玻璃公司(AsahiGlass Company)获得，产品号IW100-800)的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上，该IEM溶液包含61.6重量％的水，26.4重量％的乙醇，12重量％的固体。IEM溶液涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL IEM溶液以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的IEM溶液的液滴上以提供混合物和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。接着，在室温下，将高5cm、顶部直径3cm的陶瓷坩埚置于由层压件限定的圆的中心。将实验室薄纸(Kimwipes，金伯利克拉克公司(KimberlyClark))用手揉皱并放入坩埚中。接着，通过刻度注射器将1ml 1-丁醇样品递送到擦拭巾上。层压件和坩埚用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于含有1-丁醇蒸气的环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内含有1-丁醇蒸气的气氛流通。IEM溶液在低表面张力流体1-丁醇的蒸气的帮助下渗透由PTFE和聚丙烯制成的多孔膜#1-7，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。表6给出了每个层压件的由2.5cm内径的PVC框限定的整个膜区域澄清化所需的时间。
表6：实施例4.1-4.7
*RT＝室温。
实施例5
根据以下程序制备实施例5.1-5.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接着，将组成为90重量％水和10重量％乙醇的水-乙醇混合物的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上。水-乙醇混合物涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL水-乙醇混合物以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的水-乙醇混合物的液滴上以提供混合物和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。接着，将在实验前才在烘箱中加热至100℃温度的高5cm、顶部直径3cm的陶瓷坩埚置于由层压件限定的圆的中心。将实验室薄纸(Kimwipes，金伯利克拉克公司(Kimberly Clark))用手揉皱并放入坩埚中。接着，通过刻度注射器将1ml 1-丁醇样品递送到擦拭巾上。层压件和坩埚用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部含有1-丁醇蒸气。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内含有1-丁醇蒸气的气氛流通。水-乙醇混合物在低表面张力流体1-丁醇的蒸气的帮助下渗透由PTFE和聚丙烯制成的多孔膜#1-7，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。表7给出了每个层压件的由2.5cm内径的PVC框限定的整个膜区域澄清化所需的时间。
表7：实施例5.1-5.7
实施例6
根据以下程序制备实施例6.1-6.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接下来，将EW＝810克/摩尔当量的IEM溶液(从旭硝子玻璃公司(AsahiGlass Company)获得，产品号IW100-800)的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上，该IEM溶液包含61.6重量％的水，26.4重量％的乙醇，12重量％的固体。IEM溶液涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL IEM溶液以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的IEM溶液的液滴上以提供混合物和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。接着，在室温下，将高5cm、顶部直径3cm的陶瓷坩埚置于由层压件限定的圆的中心。将实验室薄纸(Kimwipes，金伯利克拉克公司(KimberlyClark))用手揉皱并放入坩埚中。接着，通过刻度注射器将1ml 1-丁醇样品递送到擦拭巾上。层压件和坩埚用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于含有乙酸乙酯蒸气的环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内含有乙酸乙酯蒸气的气氛流通。IEM溶液在低表面张力流体乙酸乙酯的蒸气的帮助下渗透由PTFE和聚丙烯制成的多孔膜#1-7，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。表8给出了每个层压件的由2.5cm内径的PVC框限定的整个膜区域澄清化所需的时间。
表8：实施例6.1-6.7
*RT＝室温。
实施例7
根据以下程序制备实施例7.1-7.7。将如上表1中定义的低表面张力膜基材1-7用手拉紧以消除皱纹。接下来，将每个膜包裹在内径为2.5cm、外径为3.4cm且高度为0.5cm的圆柱形PVC塑料框的一侧上。接下来，将橡胶O形圈放置在限制在塑料框上的多孔膜上，以将膜固定到框上。接下来，将EW＝810克/摩尔当量的IEM溶液(从旭硝子玻璃公司(AsahiGlass Company)获得，产品号IW100-800)的液滴以直径约12cm的圆形图案施加到玻璃片的七个独立位置上，该IEM溶液包含61.6重量％的水，26.4重量％的乙醇，12重量％的固体。IEM溶液涂层是使用聚丙烯吸管完成的，将0.1mL IEM溶液以液滴形式递送到玻璃片上。当涂层仍然是湿的时，将预先限制在塑料框上的每个低表面能多孔膜放置在单独的IEM溶液的液滴上以提供混合物和膜的层压结构。将内径为2cm、外径为4.5cm的22.5克金属垫圈放置在PVC框的顶部上以保持层压结构。接着，在室温下，将高5cm、顶部直径3cm的陶瓷坩埚置于由层压件限定的圆的中心。将实验室薄纸(Kimwipes，金伯利克拉克公司(KimberlyClark))用手揉皱并放入坩埚中。接着，通过刻度注射器将1ml乙醚样品递送到擦拭巾上。层压件和坩埚用直径20cm、高10cm的玻璃烧杯盖住，并使内部处于含有乙醚蒸气的环境条件(22℃，40％相对湿度)下。玻璃烧杯的顶部外侧安装有磁力搅拌板，顶部内表面上安装有磁力搅拌棒，铝箔包裹在其上以形成转子。启动搅拌板以使搅拌棒以200rpm的转速旋转。这种结构使得玻璃烧杯内含有乙醚蒸气的气氛流通。IEM溶液在低表面张力流体乙醚的蒸气的帮助下渗透由PTFE和聚丙烯制成的多孔膜#1-7，如膜的视觉澄清化所证明的。膜的视觉澄清化表现为从不透明的白色膜过渡到半透明的润湿膜。表9给出了每个层压件的由2.5cm内径的PVC框限定的整个膜区域澄清化所需的时间。
表9：实施例7.1-7.7
*RT＝室温。
1使用0.15ml低表面张力流体和4ml高表面张力液体。
上述比较例1-4说明低表面能基材如PTFE和PP不会被高表面张力液体如水和水/乙醇或水/乙醇/IEM混合物自发润湿。比较例4说明低表面能PP基材被乙腈自发润湿，乙腈是一种具有相当的表面张力的液体。
上述实施例1-7说明使用低表面张力流体如2,2,2-三氟乙醇、1-丁醇、乙酸乙酯和乙醚促进低表面能基材如PTFE和PP被高表面张力液体如水/乙醇和水/乙醇/IEM混合物润湿。
通过阅读本公开，本领域技术人员将清楚上述实施方式的修改、进一步的实施方式及其修改，并且因此它们落在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种确定高表面张力液体对低表面能基材润湿的改善的方法，所述方法至少包括以下步骤：
- 提供表面能在15至45mN/m范围内的低表面能基材，表面张力大于25且小于或等于70mN/m的高表面张力液体，和表面张力在10至25mN/m范围内的低表面张力流体；
- 使低表面能基材与高表面张力液体接触；
- 测量(i)所述低表面能基材与高表面张力液体界面和(ii)所述高表面张力液体和蒸气界面之间的接触角；
- 在低表面能基材与高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触；
-测量在与作为蒸气的低表面张力流体接触的时候，(i)低表面能基材和高表面张力液体界面与(ii)高表面张力液体和蒸气界面之间的接触角; 和
-确定润湿的改善，所述润湿的改进表现为：(i)低表面能基材和高表面张力液体界面与(ii)高表面张力液体和蒸气界面之间的接触角，和在与作为蒸气的低表面张力流体接触的时候，(i)低表面能基材和高表面液体界面与(ii)高表面张力液体和蒸气界面之间的接触角之间的接触角的减小。
2.如权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
- 在与作为蒸气的低表面张力流体接触之后从低表面能基材去除低表面张力流体。
3.一种确定高表面张力液体对低表面能基材的润湿的改善的方法，所述方法至少包括以下步骤：
- 提供表面能在15至45mN/m范围内的低表面能基材，表面张力大于25且小于或等于70mN/m的高表面张力液体，和表面张力在10至25mN/m范围内的低表面张力流体；
- 使低表面能基材与高表面张力液体接触；
- 在低表面能基材与高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后，使低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触；
- 所述低表面能基材是膜的形式，在所述低表面能基材与所述高表面张力液体接触之前、接触的同时或接触之后，确定在低表面能基材和高表面张力液体中的至少一者与作为蒸气的低表面张力流体接触时，膜从不透明转变为半透明所需的时间。
4.如权利要求3所述的方法，该方法还包括以下步骤：
- 在与作为蒸气的低表面张力流体接触之后从低表面能基材去除低表面张力流体。
5.如权利要求1或3所述的方法，其中，低表面能基材是选自下组中的一种或多种：聚四氟乙烯，聚三氟乙烯，聚偏二氟乙烯，聚偏二氯乙烯，聚氯三氟乙烯，聚氟乙烯，聚氯乙烯，聚乙烯-共-四氟乙烯，聚四氟乙烯-共-六氟丙烯，聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯和聚对二甲苯。
6.如权利要求1或3所述的方法，其中，高表面张力液体是包含一种或多种高表面张力液体组分的液体组合物。
7.如权利要求6所述的方法，其中，一种或多种高表面张力液体组分选自下组：水、二碘甲烷、甲酰胺、甘油、2,2'-硫代双乙醇、2-呋喃甲醇、乙二醇、2-氨基乙醇、1,3-丁二醇、丙二醇、1,2,3-三溴丙烷、1,5-戊二醇、N-甲基-2-吡咯烷、苯胺、2-氨基乙醇、二甲亚砜、碳酸丙烯酯、邻氨基苯甲酸乙酯、邻氨基苯甲酸甲酯、苯甲醇、苯甲酸苄酯、溴仿、喹啉、二甘醇、糠醛、六氯丁二烯、碘苯、间硝基甲苯、甲基萘、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、硝基苯、硝基甲烷、邻硝基甲苯、异硫氰酸苯酯、邻苯二甲酸二乙酯、聚乙二醇、吡啶、3-吡啶甲醇、吡咯、四溴乙烷、磷酸三甲苯酯、α-溴萘、α-氯萘、1,2-二氯乙烷、1,4-二噁烷、二硫化碳、氯苯、环己醇、环戊醇、萘烷、二丙二醇、十二烷基苯、富马酸二乙酯、硝基乙烷、硝基丙烷、乙腈、丙酸、二甲苯及其异构体、二丙二醇单甲醚、甲苯、丁腈、乙酸、氯仿、丙烯腈、2-丁氧基乙醇、四氯化碳、2-庚酮、二氯甲烷、四氢呋喃、己醇或其异构体、庚醇及其异构体、辛醇及其异构体、和异戊腈。
8.如权利要求7所述的方法，其中，液体组合物还包含低表面张力液体组分，所述低表面张力液体组分选自下组中的一种或多种：三氟乙醇、乙醚、二甲氧基甲烷、四氯化硅、丁基氯及其异构体、丙醇及其异构体、乙醇、甲醇、丁醇及其异构体、戊醇及其异构体、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基酮、乙酸丙酯、甲乙酮、甲基丙烯酸甲酯、乙酸甲酯、甲基氯仿、乙醛、丙醛、丁醛、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺和戊胺。
9.如权利要求1或3所述的方法，其中，低表面张力流体选自以下化合物中的一种或多种：醛、醇、胺、酮、醚、环醚、酯、有机卤化物，前提是所述化合物具有10至25mN/m范围内的表面张力。
10.如权利要求1或3所述的方法，其中，低表面张力流体选自下组中的一种或多种：2,2,2-三氟乙醇、1-丁醇、乙酸乙酯和乙醚。
11.如权利要求1或3所述的方法，其中，低表面能基材是超高分子量聚乙烯。
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