ОПТИМАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОДОБАВОК В ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Научная статья УДК 691.17

ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_2_12

ОПТИМАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОДОБАВОК В ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ

© Авторы 2023 ПЧЕЛЬНИКОВ Александр Владимирович

SPIN: 1658-0511 кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой Надежности и ремонта

AuthorlD: 900532 Новосибирский государственный аграрный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: pchelaleksandr@maii.ru)

Аннот ация. В данной статье рассматриваются вопросы определения оптимальности использования нанодобавок в лакокрасочных материалах по важнейшим показателям для агропромышленного комплекса: адгезия, огнестойкость, антистатичность, тепловая защита, радиационная защита, химическая стойкость. Для оценки эффективности применения нанодобавок в различных условиях эксплуатации принят коэффициент оптимальности их использования (Коп), который учитывает относительный срок службы/долговечность наномодифицированного покрытия в условиях эксплуатации, оптимальное количество введения нанодобавок в лакокрасочный материал, стоимость нанодобавок. Коэффициент оптимальности использования нанодобавок позволяет оценить эффективность применения того или иного типа нанодобавок с учетом влияния на определенные характеристики покрытий. Оценка эффективности применения наномодифици-рованных лакокрасочных материалов показала, что одними из наиболее оптимальных нанодобавок для введения в лакокрасочный материал являются углеродные нанотрубки, диоксид кремния, оксид висмута. По коэффициенту оптимальности определены наилучшие сочетания при совместном введении добавок: углеродные нанотрубки (0,1 %) и оксид висмута (1 %), углеродные нанотрубки (0,1 %) и диоксид кремния (1 %), диоксид кремния (0,5 %) и цеолит (1 %). Бинарная модификация оказывает комплексное воздействие на эксплуатационную стойкость защитных покрытий, улучшается большее количество характеристик по сравнению с моно модификацией. При сравнении наномодифицированной эмали АК-1301 с традиционными специальными красками определено, что затраты на получение наномодифицированного покрытия более чем в пять раз ниже.

Ключевые слова:лакокрасочные материалы; наноразмерные добавки; адгезионная прочность; огнестойкость; тепловая защита; радиационная защита; химическая стойкость; строительные материалы

Благодарност иавтор выражает благодарность заслуженному работнику высшей школы РФ, доктору технических наук, профессору Пичугину Анатолию Петровичу за консультацию и поддержку при проведении данного исследования.

Дляцит ирования:Пчельников А.В. Оптимальность использования нанодобавок в лакокрасочных материалах // Эксперт: теория и практика. 2023. № 2 (21). С. 12-16. doi:10.51608/26867818_2023_2_12.

Original article

OPTIMAL USE OF NANO-ADDITIVES IN PAINT AND VARNISH MATERIALS

© The Author(s) 2023 PCHELNIKOV Alexander Vladimirovich

Candidate of Technical Sciences

Novosibirsk State Agrarian University

(Russia, Novosibirsk, e-mail: pchelaleksandr@mail.ru)

Abstract This article discusses the issues of determining the optimal use of nano-additives in paints and varnishes according to the most important indicators for the agro-industrial complex: adhesion, fire resistance, antistatic, thermal protection, radiation protection, chemical resistance. To assess the effectiveness of the use of nanoadditives in various operating conditions, the coefficient of optimal use of their use was adopted. It takes into account the relative service life/durability of the nano-modified coating under operating conditions, the optimal amount of introduction of nano-additives into the paintwork material, and the cost of nano-additives. The optimality coefficient for the use of nano-additives makes it possible to evaluate the effectiveness of the use of one or another type of nano-additives, considering the effect on certain characteristics of coatings. Evaluation of the effectiveness of the use of nano-modified paintwork materials showed that one of the most optimal nano-additives for

il

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 2 (21)

EXPERT: THEORY AND PRACTICE

introduction into the paintwork material are carbon nanotubes, silicon dioxide, bismuth oxide. According to the optimality coefficient, the best combinations were determined with the joint introduction of additives: carbon nanotubes (0.1%) and bismuth oxide (1%), carbon nanotubes (0.1%) and silicon dioxide (1%), silicon dioxide (0.5%) and zeolite (1%). Binary modification has a complex effect on the operational durability of protective coatings, a greater number of characteristics are improved compared to mono-modification. Comparing nano-modified enamel AK-1301 with traditional special paints, it was determined that the cost of obtaining a nano-modified coating is more than five times cheaper.

Keywords: paints and varnishes; nanoscale additives; adhesive strength; fire resistance; thermal protection; radiation protection; chemical resistance; building materials

Acknowledgments: the author expresses gratitude to the Honored worker of the Higher School of the Russian Federation, Doctor of Technical Sciences, Professor Pichugin Anatoly Petrovich for advice and support during this research.

For citation: Pchelnikov A.V. Optimal use of nano-additives in paint and varnish materials // Expert: theory and practice. 2023. № 2 (21). Pp. 12-16. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2023_2_12.

Введение

Использование нанодобавок позволяет повышать эффективность применения различных строительных материалов без существенных материальных вложений [1-9]. Особую значимость в современных условиях имеет место применение отечественного сырья и технологий, которые не должны заметно влиять на стоимость конечного продукта. Ранее авторами был получен ряд результатов применения нанодобавок в лакокрасочных материалах, которые показали эффективность применения нанодобавок для получения защитных покрытий стойких к различным условиям эксплуатации по следующим характеристикам: адгезия, огнестойкость, антистатичность, тепловая защита, радиационная защита, химическая стойкость [9-12].

Большое значение для продвижения и реализации результатов экспериментальных исследований является определение оптимальности или степени эффективности их применения [13-14]. Исходя из этого, целью исследования являлось определение оптимальности использования нанодобавок в лакокрасочных материалах.

Материалы и методы

При проведении исследований принималась эмаль АК-1301, широко распространенная для окрашивания металлоконструкций, которая определена по результатам других исследованиях авторов [9-12]. Для модификации лакокрасочных материалов применялся состав с углеродными нанотрубками Ма1:пх-204, наночастицы оксида висмута, диоксида, кремния, диоксида титана, оксида цинка, оксида церия, гидроксида алюминия, гидроксида магния и природного цеолита отечественных производителей.

Результаты и их обсуждения

Оценка эффективности применения наномо-дифицированных лакокрасочных материалов осуществлялась по результатам проведенных исследований [9-12]. Таким образом, определены наиболее оптимальные для применения нанодобавки и их со-

четание. Для оценки эффективности в различных условиях эксплуатации принят коэффициент оптимальности использования нанодобавок (Коп) (формула 1), учитывающий относительный срок службы/долговечность наномодифицированного покрытия (Тс отн) в условиях эксплуатации, оптимальное количество введения в лакокрасочный материал (Р), стоимость нанодобавки за 1 кг (С) и позволяющий оценить эффективность применения того или иного типа нанодобавок с учетом влияния на определенные характеристики покрытий.

Ko

РС

•100

(1)

где Тс отн - относительный срок службы/долговечность модифицированного покрытия в эксплуатационных условиях,

Р - оптимальное количество введения в материал, % по массе,

С - стоимость нанодобавки за 1 кг., тыс.руб.

Актуальная стоимость нанодобавок рублей за 1 кг. принималась в соответствии с известными ценами производителей (ноябрь 2022 г.) [15-16]: состав с углеродными нанотрубками - 10000 руб., диоксид кремния - 5000 руб., цеолит природный - 680 руб., оксид висмута -6200 руб., диоксид титана -9000 руб., оксид цинка - 7000 руб., оксид церия -15000 руб., гидроксид алюминия - 10000 руб., гид-роксид магния- 12000 руб..

При расчетах коэффициентов оптимальности использования нанодобавок принимались следующие эксплуатационные характеристики: адгезия, химическая стойкость, огнестойкость, тепловая защита и радиационная защита. Для эксплуатационных характеристики параметр Тс отн определялся в каждом конкретном случае.

Для параметра адгезии Тс отна - относительная долговечность покрытия по показателю адгезионной прочности определялась в соответствии с формулой 2:

Тсотн а Тса Тса0 (2)

где Тс отн а - относительная долговечность покрытия по показателю адгезионной прочности,

Тса - адгезионная прочность модифицированного покрытия, МПа,

Тсао - адгезионная прочность немодифицированного покрытия, МПа.

Для параметра химическая стойкость Тс отн хс-относительная долговечность покрытия по степени равновесного набухания определялась в соответствии с формулой 3:

= t-(1-a)

(3)

ния нанодобавок на эксплуатационную характеристику. Чем существеннее положительное влияние, тем большее количество знаков «+» в ячейке.

Таблица 1 - Влияние мономодификации на коэффициент оптимальности введения нанодобавок

где Тс отн хс - относительная долговечность покрытия по степени равновесного набухания, ! - время набухания, мин (60 мин), а - равновесная степень набухания покрытия.

Для параметра огнестойкость Тс отно - относительный срок службы покрытия по показателю воспламенения определялся в соответствии с формулой 4:

Тсотно Тсо Тсо0 (4)

где Тс отно - относительный срок службы покрытия по показателю воспламенения Тсо - время до воспламенения модифицированного покрытия, с.

Тсоо - время до воспламенения немодифицированного покрытия, с.

Для параметра тепловая защита Тс отн тз - относительная долговечность покрытия по изменению температуры при воздействии тепла определялась в соответствии с формулой 5:

Тсотн тз Тстз Тстз0 (5)

гдеТс отн тз - относительная долговечность покрытия по изменению температуры при воздействии тепла, Тстз - температура на поверхности образца модифицированного покрытия при времени воздействия тепла на образец 200 с, С°,

Тстзо - температура на поверхности образца немодифицированного покрытия при времени воздействия тепла на образец 200с, С°.

Для параметра радиационная защита Тс отн рз - Относительная долговечность покрытия по изменению температуры при воздействии тепла определялась в соответствии с формулой 6:

Тсотнрз = "£(аэ -а) (6)

где Тс отн рз - относительный срок службы покрытия по степени радиационного загрязнения на образце; ! - время выдержки образца в радиационной среде, мин (180 мин.);

а - уровень радиоактивного а-загрязнения на образце с модифицированным покрытием, альфа-част/см2*мин.;

аэ - уровень радиоактивногоа-загрязнения на образце с немодифицированным покрытием, альфа-част/см^мин.

Результаты расчетов по вышеприведенным формулам представлены в таблицах 1 и 2. В ячейках таблицы показано значение Коп, а также показана степень влияния конкретной нанодобавки/сочета-

Эксплуатационные характеристики МОНОМОДИФИКАЦИЯ

УНТ Оксид висмута Диоксид кремния Диоксид титана

1 2 3 4 5

Адгезия ++++ Кгщ=0,020 +++ Кор=0,014 ++ Кор=0,012 ++ Кор=0,007

Химическая стойкость ++++ Кпп=1,080 +++ Кор=0,590 +++ Кор=0,900 ++ Кор=0,470

Огнестойкость +++ Kop=0,200 ++++ Кпп=0,230 + Кор=0,040 + Кор=0,011

Тепловая защита ++ Kop=0,100 +++ Кор=0,150 +++ Кпп=0,190 ++ Кор=0,033

Радиационная защита ++ Kop=0,320 ++ Кор=0,160 +++ Кгщ=0,610 + Кор=0,100

Эксплуатационные характеристики Оксид цинка Оксид церия Гидрок-сид алюминия Гидрок-сид магния

Адгезия ++ Кор=0,006 + Кор=0,001 + Кор=0,001 ++ Кор=0,003

Химическая стойкость ++ Кор=0,620 + Кор=0,290 + Кор=0,080 ++ Кор=0,070

Огнестойкость ++ Кор=0,070 ++ Кор=0,033 +++ Кор = 0,020 +++ Кор = 0,017

Тепловая защита ++ Кор=0,086 +++ Кор=0,070 +++ Кор=0,016 ++ Кор=0,010

Радиационная защита ++ Кор=0,180 + Кор=0,010 + Кор=0,010 + Кор=0,010

Исходя из таблиц 1 и 2, можно сделать вывод, что наиболее оптимальные нанодобавками для моно введения являются углеродные нанотрубки, диоксид кремния, оксид висмута. При этом оказывается положительное влияние на две-три эксплуатационные характеристики из пяти. При бинарном введении наиболее оптимальные сочетания: углеродные нанотрубки совместно с оксидом висмута, углеродные нанотрубки совместно с диоксидом кремния, диоксид кремния совместно с цеолитом. В этом же случае возможно оказывать более существенное положительное влияние сразу на три-четыре эксплуатационные характеристики из пяти.

Таким образом, бинарным введением добавок возможно добиться более существенного повышения эксплуатационных характеристик, в некоторых случаях практически по всем показателям, при этом повышается значение Коп, что говорит об экономической целесообразности применения нанодобавок при совместном введении.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 2 (21)

Таблица 2 - Влияние бинарной модификации на коэффициент оптимальности введения нанодобавок

Эксплуатационные характеристики БИНАРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ

УНТ+ Оксид висмута УНТ+ диоксид кремния Диоксид крем-ния+ Цеолит Оксид висмута+ диоксид кремния

1 2 3 4 5

Адгезия +++++ Кпп=0,032 +++ Kop=0,012 ++ Kop=0,019 ++ Kop=0,005

Химическая стойкость +++++ Kop=0,380 +++ Kop=0,470 +++ Kon=1,400 ++ Kop=0,350

Огнестойкость +++++ Кпп=0,200 +++ Kop=0,150 +++ Kop=0,170 +++ Kop=0,080

Тепловая защита +++++ Kop=0,230 +++++ IKm=0,300 +++ Kop=0,190 ++++ Kop=0,18

Радиационная защита ++ Kop=0,170 ++++ Kop=0,490 +++++ Kog=2,600 +++ Kop=0,150

Эксплуатационные характеристики УНТ+ Оксид церия УНТ+ гидрок-сид алюминия УНТ+ гидрок-сид магния УНТ+ диоксид титана

Адгезия ++ Kop=0,003 + Kop=0,001 ++ Kop=0,003 + Kop=0,001

Химическая стойкость +++ Kop=0,240 + Kop=0,280 + Kop=0,250 + Kop=0,300

Огнестойкость ++ Kop=0,030 +++ Kop=0,070 ++++ Kop=0,100 ++ Kop=0,030

Тепловая защита ++ Kop=0,030 ++ Kop=0,030 +++ Kop=0,060 + Kop=0,010

Радиационная защита ++ Kop=0,050 + Kop=0,010 + Kop=0,010 + Kop=0,010

Таблица 3 - Сравнение затрат на создание лакокрасочного покрытия площадью 1 м2

№ п/п Наименование ЛКМ/добавки Средняя стоимость (ноябрь 2022) руб за 1 кг Расход материалов, кг Стоимость материалов на 1 кв.м, руб Итоговая стоимость ЛКМ, руб

1 Акриловая эмаль АК- 1301 951 0,1 95,1 95,1

2 Спец краска Ог-неза-Ум 1295 0,46 559,7 559,7

Акриловая эмаль АК- 1301 951 0,1 95,1

3 Состав с УНТ Matrix 204 10000 0,0001 (0,1%) 10 111,3

Наночастицы Оксида висмута Bi2O3 6200 0,001 (1%) 6,2

При проведении сравнения затрат на создание защитного покрытия на площади 1 м2 (таблица 3) учитывались технологические рекомендации и параметры исходных лакокрасочных материа-

EXPERT: THEORY AND PRACTICE

лов (укрывистость, вязкость и др.), которые влияют на их расход.

В результате приведенных сравнений установлено, что затраты на создание покрытия акриловой эмалью АК-1301 без нанодобавок составляют 85,1 рублей. При введении наномодификаторов оксида висмута и состава с углеродными нанотрубками стоимость создания покрытия возрастает на 16,2 рубля, при этом долговечность покрытия по большинству показателей возрастает более чем в 2 раза.

В случае сравнения, в качестве примера, со специальной краской «Огнеза-Ум», обладающей повышенной атмосферостойкостью и огнестойкостью разница затрат, по сравнению с наномодифициро-ванной акриловой эмалью АК-1301, составляет более чем 5 раз (448,4 рубля). Аналогичная разница наблюдается и по сравнению с другими специальными красками. Стоит отметить, что специальные краски обладают целенаправленным эффектом и способны обеспечить повышение одной-двух эксплуатационных характеристик. Применение наномо-дифицированной акриловой эмали АК-1301 позволяет получать защитные покрытия с повышенной эксплуатационной стойкостью, которые обладают комплексным эффектом (высокие физико-механические характеристики, химическая стойкость, огнестойкость и пр.).

Заключение

Оценка эффективности применения наномо-дифицированных лакокрасочных материалов показала, что одними из наиболее оптимальных нанодобавок для введения в лакокрасочный материал являются углеродные нанотрубки, диоксид кремния и оксид висмута. По коэффициенту оптимальности (Коп) определены наилучшие сочетания при совместном введении добавок: углеродные нанотрубки (0,1 %) и оксид висмута (1 %), углеродные нанотрубки (0,1 %) и диоксид кремния (1 %), диоксид кремния (0,5 %) и цеолит (1 %). Бинарная модификация оказывает комплексное воздействие на эксплуатационную стойкость защитных покрытий, улучшается большее количество характеристик по сравнению с моно модификацией. При сравнении наномодифицированной эмали АК-1301 с традиционными специальными красками определено, что затраты на получение наномодифицированного покрытия более чем в пять раз ниже. Таким образом, наномодификация лакокрасочных материалов позволяет повысить срок службы и долговечность лакокрасочных покрытий по большинству важнейших эксплуатационных характеристик.

Библиографический список

1. Хозин, В. Г. Общая концентрационная закономерность эффектов наномодифицирования строительных

материалов / В. Г. Хозин, Л. А. Абдрахманова, Р. К. Низамов // Строительные материалы. - 2015. - № 2. - С. 25-33. -EDN TJDRBF.

2. Патент № 2637246 С1 Российская Федерация, МПК С04В 28/02, С04В 14/38, С04В 24/24. Наномодифика-тор строительных материалов : № 2016140311 : заявл. 12.10.2016 : опубл. 01.12.2017 / А. Г. Ткачев, Ю. Н. Точков, З. А. Михалева, Т. И. Панина ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет".

3. Перспективы применения углеродных нанотру-бок для модифицирования сварных швов в металлоконструкциях / А. М. Болдырев, А. Г. Ткачев, В. Ф. Першин [и др.] // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования Российской академии архитектуры и строительных наук по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2019 году : Сборник научных трудов РААСН / Российская академия архитектуры и строительных наук. Том 2. - Москва : Издательство АСВ, 2020. - С. 121-127.

4. Исследование структуры и свойств наномоди-фицированной строительной керамики / Ю. Н. Гинчицкая, Г. И. Яковлев, Р. Дрохитка [и др.] // Строительные материалы. - 2018. - № 1-2. - С. 27-32. - EDN YRQXTS.

5. Повышение эксплуатационных характеристик защитных композитов / В. С. Лесовик, Р. С. Федюк, А. М. Гридчин, Г. Мурали // Строительные материалы. - 2021. -№ 9. - С. 32-40. - Р01 10.31659/0585-430Х-2021-795-9-32-40. - EDN QQQYWC

6. Состав и свойства самоуплотняющегося бетона с использованием комплекса модификаторов / В. В. Нелю-бова, С. А. Усиков, В. В. Строкова, Д. Д. Нецвет // Строительные материалы. - 2021. - № 12. - С. 48-54. - РО! 10.31659/0585-430Х-2021-798-12-48-54. - ЕРЫ 1\ШЫАЖ.

7. Оптимизация составов цементных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов, содержащих углеродные наномодификаторы / Т. Низина, А. Балыков, Д. Коровкин, В. Володин // Наноиндустрия. - 2017. - № 7(78). - С. 82-91. - Р01 10.22184/1993-8578.2017.78.7.82.91. -EDN XDVQVJ.

8. Влияние размерного распределения наномоди-фицированных частиц латекса на структуру гипсовых материалов / Д. Г. Летенко, М. В. Мокрова, Л. Ю. Матвеева, Ю. М. Тихонов // Вестник гражданских инженеров. - 2019. -№ 4(75). - С. 95-101. - DOI 10.23968/1999-5571-2019-16-495-101. - EDN LWKEEC.

9. Роль нанодобавок в формировании прочного контактного слоя защитных покрытий / А. В. Пчельников, А. П. Пичугин, В. Ф. Хританков, О. Е. Смирнова // Строительные материалы. - 2022. - № 7. - С. 45-50. - DOI 10.31659/0585-430X-2022-804-7-45-50. - EDN BCJOSY.

10. Теплозащитные свойства полимерных композиций с наноразмерными и специальными добавками / А. П. Илясов, А. В. Пчельников, А. П. Пичугин [и др.] // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2022. -№ 3(759). - С. 15-24. - DOI 10.32683/0536-1052-2022-7593-15-24. - EDN DEJXPY.

11. Диэлькометрический анализ эксплуатационных характеристик и процесса старения защитных покрытий / А. В. Пчельников, А. П. Пичугин, Р. В. Луцик, С. Е. Тка-ченко // Эксперт: теория и практика. - 2022. - № 1(16). - С. 14-22. - DOI 10.51608/26867818_2022_1_14. - EDN WIQQMF.

12. Защитные свойства композиций с нанораз-мерными и специальными добавками от радиационного воздействия / А. П. Пичугин, В. Ф. Хританков, А. В. Пчельников, Д. В. Ромашев // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2021. - № 12(756). - С. 24-33.

13. Абрютина М. С. Экономический анализ деятельности / М. С. Абрютина - М: Издательство «Дело и Сервис», 2013. - 512 с.

14. Новиков А.М., Новиков Д.А. Методология научного исследования. - М: Либроком, 2010. - 284 с.

15. Целевые добавки для лакокрасочных материалов [Электрон. ресурс]. - URL: https://novosibirsk.arsenal-kama.ru/articles/lakokrasochnye-materialy/celevye-dobavki-dlya-lakokrasochnyh-materialov/ [Дата обращения: 01.02.2023].

16. Цеолит природный [Электронный ресурс]. -URL: https://chita.teplochim.ru/ceolity/ceolit_prirodnii [Дата обращения: 01.02.2023].

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила в редакцию 01.03.2023; одобрена после рецензирования 30.03.2023; принята к публикации 15.05.2023. The authors declare no conflicts of interests.

The article was submitted 01.03.2023; approved after reviewing 30.03.2023; accepted for publication 15.05.2023.