ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ КРАСОК Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

С \

УДК 667.6

Голубчик Э.М., Полякова М.А., Гулин А.Е., Сафуанов А.И., Узбеков Н. Е., Низамутдинов Р.Р.

ч_:_/

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ КРАСОК

Аннотация. В настоящее время получает широкое развитие применение наноматериалов в строительной индустрии. Одним из таких примеров могут служить технологии изготовления лакокрасочных материалов с нанодобавками и покрытий на их основе. Учеными ФГБОУ ВО «МГТУ им.Г.И. Носова» в кооперации со специалистами ОП ЗАО «АВС Фар-бен» (г. Магнитогорск, Россия) проводятся исследования по разработке и освоению инновационной технологии производства водно-дисперсионных красок с добавками полимерных нановолокон и углеродных нанотрубок (УНТ) различных по своему назначению и обладающих рядом отличных друг от друга свойств. В работе представлены результаты комплексных опытно-промышленных исследований влияния добавок УНТ и полученных методом электроспиннинга нановолокон пеноп-листирола в водно-дисперсионные краски на их потребительские свойства.

Ключевые слова: углеродные нанотрубки, нановолокна, электроспиннинг, водно-дисперсионная краска, свойства, вязкость, укрывистость

Постановка проблемы

В последние годы в различных областях науки, промышленности и строительства все шире используют новые материалы, объединенные размерными особенностями, а именно нанокристаллы, нанопористые материалы, наноструктуры, нано-композиты. Ассортимент современных нанообъек-тов чрезвычайно широк и непрерывно увеличивается, что позволяет получать новые каталитические системы в химии, машиностроительные материалы с уникальными материаловедческими характеристиками, структуры с нанометровой геометрией для записи информации, преобразователи различных видов энергии, сверхпроводниковые материалы в физике, новые лекарственные препараты и их носители в медицине и т.д. Новые материалы расширяют потребительские и эксплуатационные свойства разрабатываемых изделий [1 - 4].

Одним из активно развивающихся направлений применения новых наноматериалов является строительная промышленность и, в частности, лакокрасочная индустрия. В условиях появления новых агрессивных сред вследствие деятельности человечества требования к строительным материалам значительно вырастают. В связи с этим идет постоянный поиск новых строительных материалов, которые бы свели к минимуму возможный ремонт и технологическое обслуживание зданий и сооружений. Поэтому широко востребованными становятся новые лакокрасочные материалы (ЛКМ), в том числе с применением нанотехноло-гий.

Под нанотехнологиями применительно к лакокрасочной промышленности понимают использование в ЛКМ свойств мельчайших частиц с размерами порядка нанометров. При этом возможно обеспечение упрочнения поверхности как у покрытий, стойких к царапанью и истиранию, и, кроме

того, может быть получен фото- и термокаталитический эффект в ЛКМ для внутренних и наружных работ, а также в лакокрасочных материалах промышленного назначения. Примерами такого использования наноматериалов в красках являются технологии изготовления коррозионностойких гидрофобных автомобильных красок с применением углеродных нанотрубок (УНТ), а также порошковых наночастиц [1, 5 - 8].

В тоже время на сегодняшний день достаточно мало данных по исследованию влияния на потребительские и технологические свойства добавок полимерных наноматериалов в «традиционные», широко востребованные на рынке стройин-дустрии водно-дисперсионные краски (ВДК).

Расширение сферы применения изделий из ЛКМ с добавками полимерных наноматериалов приводит к повышению требований к их качеству, что обусловливает интерес к разработкам, посвященным различным методам улучшения свойств исходного сырья и применению новых ингредиентов.

Теоретическое обоснование

ВДК в основном применяются в отделке интерьеров и фасадов зданий, как один из наиболее качественных и долговечных материалов.

Водно-дисперсионная краска представляет собой отделочный лакокрасочный состав, главным компонентом в котором выступают синтетические полимеры, зачастую ими является смола, либо нефть. Растворителем краски выступает вода, именно поэтому материал считается экологичным, безвредным и пожаробезопасным. Особенность отделки стен водно-дисперсионной краской заключается в том, что через несколько часов после вскрытия тары с краской с поверхности вода испаряется, а твердые частицы образуют плотный не-

проницаемый слой, устойчивый к влаге и воздействию огня.

Подобный материал изготавливается в виде густой суспензии, которую при необходимости можно разводить водой до нужной консистенции. Водно-дисперсионная краска может иметь белый цвет, а может быть окрашена в самые различные оттенки. Традиционно в составе такой краски присутствуют следующие компоненты [9]:

1.Пленкообразующие материалы (связующий элемент) - это основа краски, благодаря которой на поверхности возникает полимерная пленка, не пропускающая воду и стойкая к истиранию.

2.Красители (пигменты) - компоненты, которые придают краске определенный оттенок и отвечают за декоративность материала.

3.Наполнители - отвечают они за эксплуатационные и технические особенности краски. В качестве таких компонентов выступает кальцит, тальк, доломит, медь, мраморная крошка и т.п.

4.Специальные добавки (аддивы) придают водно-дисперсионной краске дополнительные свойства, например, отвечают за скорость высыхания состава на поверхности, ускоряют процесс диспергирования красителей и т.д.

Традиционный компонентный состав ВДК выглядит следующим образом (в процентном соотношении): связующий элемент - от 7 до 50%; растворитель - вода - от 30 до 40%; пигмент - минеральный (оксиды металлов) или органический (синтетические вещества) - от 4 до 20%; наполнитель - от 30 до 45%; - технологическая примесь (аддивы) - от 2 до 4%.

Основными техническими характеристиками ВДК, определяющими качество лакокрасочного материала и контролируемые производителем, являются:

1) степень белизны краски - отвечает за ее декоративность. Изначально водно-дисперсионная краска должна быть белой, впоследствии в нее вносятся пигменты, и она приобретает нужный оттенок. Степень белизны зависит от чистоты двуокиси титана, который выступает в качестве пигмента;

2) укрывистость краски - отвечает за способность материала покрывать обрабатываемую поверхность наименьшим количеством слоев. С данным свойством тесно связаны также такие свойства как плотность краски, ее вязкость;

3) стойкость к механическим воздействиям -говорит о том, насколько прочным и долговечным будет покрытие. С данным показателем связано такое технологическое свойство ВДК как величина сухого остатка.

Также могут нормироваться такие свойства как: водостойкость, светостойкость, время высыхания краски, морозостойкость, степень перетира сухих компонентов и т.д.

Методика проведения исследований

Учеными ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» на промышленной площадке ОП ЗАО «АВС Фарбен» (г. Магнитогорск) были проведены комплексные исследования по влиянию добавок углеродных нанотрубок и полимерных нановолокон в ВДК на их потребительские свойства.

Нановолокна были получены методом электроспиннинга на установке SNAN - 01A. В качестве полимерного материала использовался пенопласт (пенополистирол), а в качестве его растворителя была смесь ацетона и ксилола. Раствор пено-полистирола применялся в концентрациях 10% и 15%. В табл. 1 представлены технологические режимы электроспиннинга получения нановолокон из раствора пенополистирола в ацетоне и ксилоле.

Таблица 1 Параметры процесса электроспиннинга

Параметры Номер образца

1 2 3 4 5 6 7 8

Напряжение ^ кВ 30 27 25 22 30 27 25 22

Скорость подачи раствора V , мл/ч под. 4,5

Концентрация раствора, % 10 15

Расстояние от сопла до коллектора ^ мм 160

Полученные образцы нановолокон исследовались в условиях НИИ НАНОстали ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» на растровом электронном микроскопе, чтобы получить увеличенные изображения их микроструктуры для дальнейшего анализа и выявлении влияния технологических параметров на их морфологию. Также проводился анализ полученных изображений с помощью компьютерных программ для определения диаметра полимерных волокон. В зависимости от режима получения диаметр волокон составлял 250 - 850 нм [10].

На рис. 1 и 2 представлены фотографии образцов полимерных нановолокон, полученных при скорости подачи раствора 4,5 мл/ч и при концентрации раствора 10% и 15% соответственно.

ш

20кУ Х1500 Юрт

б

Х1.500 Юрт 16 40 ЭЕ1

Рис. 1. Образцы, полученные при концентрации раствора 10%, скорости подачи 4,5 мл/ч и напряжении 30 (а), 27 (б), 25 (в) и 22 кВ (г), х1500

Рис. 2. Образцы, полученные при концентрации раствора 15%, скорости подачи 4,5 мл/ч и напряжении 30 (а), 27 (б), 25 (в) и 22 кВ (г), х1500

а

в

г

б

а

в

г

Далее полученные волокна пенополистирола вводились в ВДК в различном соотношении компонентов и исследовались технологические и потребительские свойства красок. Отдельно производилось введение УНТ в состав водно-

дисперсионных красок. Внешний средний диаметр УНТ составлял 2+0,5 нм.

В табл. 2 представлены нормативные требования и нормируемые методы испытания и анализа исследуемых водно-дисперсионных красок в условиях их производства.

Таблица 2

требования к ВДК

Наименование Значение показателя Метод испытания

показателя Для потолков/для стен и потолков

1. Внешний вид краски Густая тиксотропная масса без посторонних включений

2. Массовая доля нелетучих веществ, % 53-58/55-65 по ГОСТ 17537-72 Материалы лакокрасочные. Методы определения массовой доли летучих и нелетучих, твердых и пленкообразующих веществ

3. Сухой остаток, % 65,5

4.Укрывистость высушенной пленки, по предварительно загрунтованной поверхности, г\м2, не более 170,5/200-250 по ГОСТ 8784-75 Материалы лакокрасочные. Методы определения укрывистости

3 5. Плотность, г/см 1,66 по ГОСТ 31992.1-2012, ГОСТ 28513-90

6. Вязкость, сП* 10500 - 11200

7. Степень перетира, мкм, не более 40 по ГОСТ 31973-2013, ГОСТ 6589-74 (метод Б). Материалы лакокрасочные. Метод определения степени перетира прибором «Клин» (гриндометром)

' Сантипуаз (centipoise) — единица динамической вязкости, равная 0,01 пуаза или 1 мПас.

Взвешивание компонентов для приготовления краски производилось на весах неавтоматического действия AJ фирмы ViBRA. Смешивание компонентов ВДК для проведения исследований осуществлялось на лабораторной диспергирующей установке ЛДУ-3МПР. Определение вязкости производилось на программируемом вискозиметре Брукфильда (Viscometer Brookfield DV-ll+PRO). Измерение плотности состава производилось с помощью пикнометра металлического («Константа П»). Степень перетира оценивали с помощью грин-дометра (Клина) 100. Для определения сухого остатка и укрывистости использовался сушильный шкаф SNOL 58/350. Для определения рН исследуемого состава краски применялся рН-метр фирмы «HANNA instruments».

При этом смешивание компонентов краски с нановолокнами осуществлялось двумя способами. Первый способ предусматривал введение волокон в готовую краску непосредственно в диспергирующей установку. Второй способ предусматривал предварительное перемешивание нановолокон пе-нополистерола с сухим кальцитом (CaCOз) с последующим добавлением всех компонентов в диспергирующую установку.

Обсуждение полученных результатов В табл. 3 представлены полученные результаты комплексных исследований влияния добавок нановолокон пенополистирола в водно-дисперсионную краску для потолков на некоторые нормируемые показатели качества краски.

Таблица 3

Результаты исследований введения нановолокон к ВДК

Способ введения волокон в краску Кол-во полимерных нановолокон, г Укрывистость, г/м Вязкость, сП Сухой остаток, % Плотность, 3 г/см

В процессе 1 0,020 155,83 12100 65,6 1,66

2 0,060 179,9 12400 65,6 1,66

3 0,070 184,35 11700 66,8 1,66

4 22 189,48 11500 65,9 1,66

Смесь CaC03 + нановолокно 1 0,929 175 15900 65,5 1,66

Нормируемые параметры 170,5 10500 -11200 65,5 1,66

Добавление углеродных нанотрубок в краску осуществлялось непосредственно в процессе смешивания компонентов в диспергирующей установке. При этом исследование свойств краски производилось в два этапа: непосредственно сразу после смешения и приготовления краски, а также через 3

Результаты исследований

месяца хранения краски на складе. Последнее исследование было обусловлено необходимостью оценки влияния степени коагуляции УНТ на свойства краски. Результаты исследований представлены в табл. 4.

Таблица 4

введения нановолокон к ВДК

Вид испытания свойств Вязкость, сП Сухой остаток, % Укрывистость, г/м3 Плотность, г/см3

Сразу после добавления УНТ в краску 15900 65,5 175 1,66

После хранения образца приготовленной краски с УНТ 12900 65 175 1,67

Нормируемые параметры 10300 65,5 170,5 1,66

На рис. 3 представлены фотографии образцов краски с УНТ, полученные с помощью растро-во-электронной микроскопии.

Рис. З.Образцы водно-дисперсионной краски с добавками УНТ при исследовании методом РЭМ

Выводы

Анализ результатов проведенных исследований позволил сформулировать следующие основные выводы.

1. Введение наноматериалов в ВДК практически не изменяет такие нормируемые показатели качества как плотность и сухой остаток.

2. При добавлении нановолокон пенополи-стерола и УНТ значительно повышается вязкость и укрывистость краски. При этом влияние нановоло-кон на данные показатели существенно выше, чем УНТ, что, очевидно, связано с различием значений краевого угла смачивания этих наноматериалов. Причем, укрывистость, как один из основных потребительских показателей качества краски при введении УНТ повышается очень незначительно и находится практически в нормируемых пределах. Следует отметить, что незначительное повышение вязкости водно-дисперсионных красок в процессе производства при сохранении остальных параметров является для производителя положительным,

т.к. позволяет для снижения вязкости краски разбавлять ее водой для обеспечения нормируемого качества, а это, в свою очередь, удешевляет производство и повышает его эффективность.

3. Добавление УНТ в процессе производства краски значительно повышает ее вязкость. Однако после длительного хранения вязкость краски снижается практически до нормируемых значений. Этот эффект может быть положительно использован производителем при длительном хранении или дальней транспортировке краски к потребителю.

Проведенный комплекс исследований позволил определить характер влияния вводимых в водно-дисперсионные краски инновационных нанома-териалов на изменчивость нормируемых показателей красок, что позволяет формировать новый комплекс потребительских свойств ВДК с одновременным повышением эффективности процесса их промышленного производства.

Список литературы

1. Шашок Ж. С., Прокопчук Н. Р. Применение углеродных наноматериалов в полимерных композициях. - Минск: БГТУ, 2014. - 232 с.

2. Колокольцев В.М., Чукин М.В., Голубчик Э.М., Родионов Ю.Л., Бухвалов Н.Ю. Освоение новых технологий производства многофункциональных сплавов инварного класса с повышенными эксплуатационными свойствами / Металлургические процессы и оборудование. 2013. №3. С.47-52.

3. Голубчик Э.М. Адаптивное управление качеством металлопродукции / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014, №1. (46). С. 63-69.

4. Polyakova M.A., Efimova Yu., Gulin A.E., Golubchik E.M. Modern engineering techniques for designing materials with a specified set of properties Key Engineering Materials. 2017. Vol. 724. pp. 77-83.

5. Гофман И. В., Иванькова Е. М., Абалов И. В., Смирнова В. Е., Попова Е. Н., Orell O., Vuorinen J., Юдин В. Е.. Сравнительный анализ влияния наночастиц-наполнителей различного типа на механические свойства блочных образцов теплостойкого полиамидного мате-

риала / Высокомолекулярные соединения. Серия А, 2016, том 58, № 1, с. 73-81.

6. Chronakis I. S. Micro-/Nano-Fibers by Electrospinning Technology: Processing, Properties and Applications. Micromanufacturing Engineering and Technology. Boston: Elsevier. 2010. P. 264-286.

7. Megelski S., Stephens J. S., Chase D. B., Rabolt J. F. Micro- and nanostructured surface morphology on electrospun polymer fibers. Macromolecules. 2002. № 35. P. 8456-8466.

8. Николайчик А. В., Прокопчук Н. Р. Выбор оптимального способа введения углеродных наномате-риалов в органорастворимые лакокрасочные материалы /

Труды БГТУ. Сер. IV, Химия и технология органических веществ. - 2009. - Вып. XVII. - С. 68-71.

9. http://www.spectercolor.ru/ctati/vodno-dispersionnaya-kraska-harakteristiki-dostoinstva-osobennosti-primeneniya/ Дата обращения: 03.03.2018 г.

10. Нурмахмадов А.Ф., Гулин А.Е., Полякова М.А.. Использование компьютерных программ для измерения параметров структуры полимерных волокон, полученных методом электроформования. Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 75-й международной научно-технической конференции. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2017. Т. 1. С. 73-76.

УДК 658.516:346.544.42 Бережная Г.А., Сергеева Ю.А.

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИИ В НОВОЙ ВЕРСИИ СТАНДАРТА ГОСТ Р ИСО 9001-2015 И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО АДАПТАЦИИ К НЕМУ СИСТЕМЫ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА

Аннотация. В данной работе рассмотрены изменения в новой версии стандарта ГОСТ Р ИСО 9001-2015, произведён сравнительный анализ требований новой версии стандарта с прежней, изучены новые требования в стандарт, а также подготовлен план мероприятий по переходу на новую версию ГОСТ Р ИСО 9001 -2015.

Ключевые слова: система менеджмента качества, требование, стандарт, планирование, риск, заинтересованные стороны, лидерство, среда организации

Поднимая вопрос о новой версий стандарта ГОСТ Р ИСО 9001-2015, хотелось затронуть тему системы менеджмента качества на предприятиях. Система менеджмента качества является частью общей системы управления компанией, функционирующая с целью обеспечения неизменно высокого качества производимой продукции и оказываемых услуг.

Организация, имеющая сертификат соответствия Системы менеджмента качества ГОСТ Р ИСО 9001, имеет ряд таких преимуществ на рынке, как получение льготных условий кредитования; повышение лояльности к компании со стороны властных структур, партнеров и клиентов; предоставление товаров и услуг лучшего качества.

В сентябре 2015 года Международная организация по стандартизации (ISO) приняла пятую редакцию стандарта ISO 9001, для реализации требований, подготовку и переход к которой организациям даётся три года. Стандарт ISO 9001:2008 и 9001:2011 перестает действовать с сентября 2018 года, после чего организации смогут сертифицироваться только по новой версии стандарта.

Исходя из этого, в работе был проведён анализ требований в новой версии стандарта ГОСТ Р ИСО 9001-2015. Изменения в новой версии стандарта включают 12 элементов, которые можно условно разделить на новые и изменённые требования [1].

Рассмотрим новые требования, которые появились в стандарте.

Пункт «Понимание организации и ее среды» является новым требованием, для выполнения которого организациям необходимо провести анализ внешней и внутренней среды. В ходе выполнения анализа, организации должны принимать во внимание все факторы, которые могут повлиять на систему менеджмента качества, такие как правовые, технологические, конкурентные, рыночные, социальные, культурные, экономические, знания и опыт.

Пункт «Понимание потребностей и ожиданий заинтересованных сторон» - это также новое требование, которое требует определить заинтересованные стороны, решения которых оказывают влияние на СМК или которые зависят от решений организации. К заинтересованным сторонам, как правило, относят клиентов, собственников, инвесторов, персонал, поставщиков, партнеров, общество, государственные организации, осуществляющие надзор и контроль.

Пункт «Определение области применения СМК». Правильное и четкое определение границ применения СМК является ключевым фактором ее эффективности. Для определения области применения СМК необходимо принять во внимание контекст организации, требования заинтересованных