УДК 667.6 + 534-8

Немущенко Д.А., Ларичкин В.В., Мальков А.С.

Лакокрасочные материалы модифицированные наноразмерными частицами

Новосибирский государственный технический университет (НГТУ)

Данное научное исследование посвящено изучению возможности повышения потребительских свойств лакокрасочных материалов за счет модификации их наноразмерными частицами. Статья содержит краткий литературный обзор и результаты некоторых поисковых экспериментов. 

Ключевые слова: наноматериалы, лакокрасочные материалы, ультразвук.

This scientific investigation dedicated to research rising possibilities of consumer’s properties of paints at the expense of modification them by nano-scale particles. This article includes short bookish review and results of some research experiments.

Key words: nanomaterials, paints, ultrasonic.

Из литературных источников известно, что введение функциональных добавок с размером частиц порядка нанометра может значительно улучшить свойства лакокрасочной пленки. В качестве наномодификаторов и нанонаполнителей [1] используют частицы оксидов металлов, синтетические алмазы, нанотрубки и т. д. В полимерные композиции вводят от 0,1-1,0 до 50 % по массе нанонаполнителя. При одинаковой объемной доле число наночастиц в полимере в 10⁵-10⁹ раз больше, чем микрочастиц и поэтому большая часть полимерной матрицы оказывается в сфере влияния поверхности наночастиц. Внедрение наноразмерных частиц [1] в полимерные пленки позволит получить покрытия со значительно более высокими эксплуатационными и совершенно новыми полезными свойствами, например, электропроводные и поглощающие электромагнитное излучение пленки, антипирены нового поколения и т. п.

В [2], [3], [4] авторы описывают водную акриловую дисперсию, полимерные молекулы которой содержат наноразмерные частицы диоксида кремния. Введение наночастиц (размер 10-20 нм) в полимер (около 40 % по массе) осуществляется в процессе эмульсионной полимеризации. Данная дисперсия выпускается концерном BASF и используется в качестве основы водно-дисперсионных лакокрасочных материалов. Авторы статьи отмечают следующие положительные результаты введения наноразмерного SiO₂: повышение стойкости к загрязнениям, снижение изменения цвета в процессе эксплуатации, увеличение твердости покрытия даже при повышенных температурах (до 100 ºС), снижение трещинообразования, повышение сопротивляемости распространению пламени.

Более конкретные результаты приведены в работах [5], [6]. В [5] было исследовано влияние добавки нанопорошка SiO₂ (размер первичных частиц 22 нм) на износостойкость (ГОСТ 20811-75), адгезию к грунтовке (метод решетчатых надрезов, ГОСТ 15140-78), микротвердость (прибор ПМТ-3) алкидной и поливинилхлоридной эмалей. Концентрация порошка в готовой краске составляла от 0,25 до 12,5 % по массе. Метод введения наночастиц в ЛКМ не указан. В результате проведенных экспериментов сообщается о возрастании адгезии, микротвердости, снижении истираемости.

Работа [6] является продолжением [5], приводятся исследования изменения основных свойств перхлорвиниловой краски ХВ-16, применяемой в авиационной промышленности, в зависимости от концентрации наноразмерного SiO₂ (размер первичных частиц 22 нм). Порошок вводился в готовую краску в количестве 0,005-0,5 % по массе. Отмечается увеличение микротвердости, износостойкости лакокрасочного покрытия; эластичность пленки и адгезия к подложке своих значений не изменили. Поясняется физический механизм полученных экспериментальных зависимостей.

Анализ литературных источников говорит о перспективности данного научного направления. В рамках работы были проведены поисковые эксперименты. В краски вводились наноразмерный порошок диоксида кремния (размер первичных частиц 23 нм), произведенный в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, и углеродные нанотрубки (УНТ) производства Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. Концентрация частиц составляла от 0,1 до 5,0 % по массе. Введение частиц в готовые ЛКМ (на основе силикатного связующего «жидкого стекла», пентафталевая и алкидная эмаль) простым перемешиванием приводит к значительному ухудшению поверхности лакокрасочной пленки нанесенной на металлическую подложку. Ухудшение выражается в изменении шероховатости поверхности и значительном уменьшении блеска. Это связано с тем, что исходный продукт представляет собой конгломерат нано-SiO₂ или УНТ, который при перемешивании невозможно разбить. В связи с этим был сделан вывод о необходимости создания эффективного метода диспергирования наноразмерных наполнителей в полимерном связующем лакокрасочного материала.

Диспергировать частицы наноразмерного наполнителя в жидком связующем предлагается посредством воздействия интенсивного ультразвукового поля. При наложении акустического поля ультразвукового диапазона частот на жидкую среду возможно не только создать интенсивное перемешивание связующего, нанонаполнителей, пигментов и т. п. под действием акустических течений, но и благодаря эффекту кавитации возможно разбиение конгломератов нано-SiO₂ и УНТ. Зародыши кавитации [7] – пузыри микронных размеров – сосредотачиваются на взвешенных в жидкости твердых частицах (в том числе конгломератах нано-SiO₂ и УНТ), проникают в микропустоты в конгломератах. При наложении на жидкость интенсивного ультразвукового поля зародыши и образованные ими полости начинают пульсировать, растягиваясь в фазе разрежения ультразвуковой волны и сжимаясь в фазе сжатия. При схлопывании кавитационного пузыря в микрообъеме жидкости формируется ударная волна, обладающая большой мощностью. Разрушающее действие ударной волны приходится на поверхность твердых тел (и пространство внутри пор), оказавшихся в зоне захлопывания пузыря. Наилучшим образом эффект кавитации проявляется на небольших частотах ультразвука (20-100 кГц) и при определенной температуре, характерной для данной жидкости.

В рамках данной работы проводились эксперименты с указанными выше ЛКМ и наноразмерными добавками в ультразвуковой ванне при частоте колебаний акустического поля 28 кГц и подводимой акустической мощности ~30 Вт. Эксперименты показали эффективность данного метода: уже после 2-3 мин обработки определенного объема ЛКМ ультразвуковым полем на покрытии, после нанесения на подложку, не наблюдается видимых невооруженным глазом вкраплений конгломератов, не теряется блеск и не увеличивается шероховатость покрытия. Обработка ультразвуком «жидкого стекла» с введенными в него УНТ в течение 10 мин приводит к потемнению первоначально прозрачного силикатного связующего, что говорит об активном разрушении конгломератов (размер частиц 2-7 мм) на отдельные частицы.

Испытания лакокрасочных пленок (алкидной эмали), модифицированных наноразмерным SiO₂ в сравнении с немодифицированными покрытиями, на адгезию к металлической подложке (ГОСТ 27890-88) и микротвердость (прибор Бухгольца, ГОСТ 22233-2001) показали:

- снижение сопротивления вдавливанию лакокрасочного покрытия с 87 до 67 пунктов, причем микротвердость меняется в зависимости от времени обработки ЛКМ ультразвуковым полем;

- отсутствие значительного влияния наноразмерного SiO₂ на адгезию к подложке.

Литературные источники и результаты испытаний говорят об эффективности применения ультразвукового метода для введения наноразмерных наполнителей в лакокрасочные композиции. В рамках данной работы планируется дальнейшее изучение влияния различных режимов воздействия ультразвукового поля (изменение частоты, интенсивности, статического давления, температуры жидкой среды и т. п.) на свойства покрытий, подбор наиболее оптимального соотношения параметров поля и свойств различных полимеров.

Литература:

1. Шевердяев О.Н. Нанотехнологии и наноматериалы. – М., 2009. – 111 с.

2. Веретенникова В.В. BASF предлагает дисперсию COL.9® на основе нанотехнологий для фасадных покрытий. // Лакокрасочные материалы и их применение. – 2008. – №3. – С. 9-11.

3. Pföhler Peter. Нанотехнологии для производства фасадных покрытий. // Полимерные композиционные материалы и покрытия: материалы III международной научно-технической конференции. – Ярославль, 2008. – С. 13-14.

4. Дисперсии с наночастицами – новаторский подход в области покрытий на водной основе. / Ф. Тиаркс, Дж. Лейнингер, Х. Визе, Б. Шулер. //Украинский лакокрасочный журнал. – 2010. – С. 45-51.

5. Влияние нанопорошка таркосила на свойства эмалей. / С.П. Бардаханов, В.Н. Говердовский, В.И. Лысенко, А.В. Номоев, Д.Ю. Труфанов, В.Ц. Лыгденов. // Лакокрасочные материалы и их применение. – 2009. – №7. – С. 32.

6. Номоев А.В., Лыгденов В.Ц. Повышение износостойкости перхлорвиниловой краски нанопорошком диоксида кремния. // Вестник Восточно-Сибирского государственного технологического университета. – 2010. – №3. – С. 20-23.

7. Ультразвук в порошковой металлургии. / Б.А. Агранат, А.П. Гудович, Л.Б. Нежевенко. – М.: Металлургия, 1986. – 168 с.