CC BY
24
УДК544.77, 667.6
Р. Р. Катнова, П. В. Гришин, В. Е. Катнов, С. Н. Степин
ВЛИЯНИЕ МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ИМИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ
Ключевые слова: диоксид кремния, наноразмерные наполнители, эксплуатационные характеристики.
Исследовано влияние наноразмерного диоксида кремния, полученного двумя разными методами на эксплуатационные и оптические характеристики водных полиуретановых покрытий. Показано превосходство плазменного метода получения наноразмерного наполнителя перед химическим.
Keywords: silicon dioxide, nanoscale fillers, performance.
The influence of nano-sized silicon dioxide obtained by two different methods on the operational and optical characteristics of aqueous polyurethane coatings is investigated. The superiority of the plasma method of producing nano-sized filler before chemical is shown.
Для финишной отделки различных изделий часто применяют лаки, представляющие собой растворынатуральных или синтетических смол с функциональными добавками в среде органических растворителей. Однако их использование сопряженно с безвозвратной утерей растворителей в процессе сушки и сильным загрязнением атмосферы. Поэтому в последние годы с ужесточением требований экологической безопасности широкое применение получили лакокрасочные материалы на водной основе, в которых в качестве связующего и пленкообразующего веществ используются водные дисперсии органических полимеров. Естественно, преимущества в экологической полноценности подобных материалов негативно сказываются на их эксплуатационных характеристиках, в частности на барьерных, прочностных и декоративных свойствах. Поэтому работы по совершенствованию таких материалов весьма актуальны.
Одним из путей улучшения лаковых материалов на водной основе является применение в составе наноразмерных наполнителей, содержание которых, как показано в ряде работ [1-4], до определенных значений позволяет повысить стойкость покрытий (Пк) на их основе к физико-механическим воздействиям без потери прозрачности. Таким образом введение дисперсной фазы в состав прозрачной среды не способствует ее помутнению, что основано на способности видимого света огибатьчастицы с размером меньше длины его полуволны [5]. Наличие же в составе Пкмикроразмерных наполнителей, также приводит к улучшению физико-механических характеристик, однако снижает их прозрачность.
Для получения наноразмерных
наполнителей используют различные методы, при этом, часто, продукты одной химической природы, полученные разными методами, имеют различающиеся свойства.
В данной работе исследовано влияние нанодисперсного наполнителя на основе диоксида кремния (8Ю2), полученного двумя разными методами, на эксплуатационные и оптические свойства полимерных покрытий. В качестве
пленкообразующей основы Пк была использована водная полиуретановая дисперсия «Аквапол 24» производства ООО НПП «Макромер» (г. Владимир). Наполнителем служили наночастицьйЮ2, полученные плазменным (КП) [2,6] и золь-гель (КЗ) [7,8] методами, представляющие собой водные наносуспензии.
Средний размер частиц в использованных золях, определенный спектрофотометрическим методом [5] (сперктрофотометр Prosean MC 122), составил при КП получения наночастиц SiO2 - 25 нм, а при КЗ - 27 нм. При этом дисперсный состав наносуспензийSiO2,полученный при помощи лазерного дифракционного анализатора MalvernZetasizerNano ZS, фотонного
корреляционного спектрофотометра Photocor Сотр1ех, а также анализатора частиц ZetaPALS/BI-MAS, практически совпадает (КП: 19,3-35,1 нм, КЗ 15,2-31,7 нм).
Композиции для получения Пк готовили смешением расчетных количеств
пленкообразующей дисперсии и наносуспензии при помощи лабораторного перемешивающего устройства. Пк наносили на стеклянные подложки различных размеров при помощи
краскораспылительного пистолета (с технологией HVLP) в несколько слоев с промежуточной сушкой в течение 1 ч и окончательной в течение 4 часов. Толщина сформированных Пк составляла 50±5 мкм (150±5 мкм, для определения износостойкости). Блеск Пк оценивали с помощью сперктрофотометра Prosean MC 122 под углом падения света 45о, а для определения коэффициента диффузного отражения Пк использовали ручной спектрофотометр Х-RiteColorDigitalSwatchbook®. Оценку
сопротивления вдавливанию Пк проводили по глубине отпечатка сферического наконечника с диаметром наконечника 1 мм, твердость по Персозу - на маятниковом приборе ТМЛ типа А (ГОСТ 5233-89). Стойкость к абразивному износу определяли при помощи прибора Taber 5155. Критерием износостойкости служило значение потери массы Пк от числа оборотов, соответствующее усредненному значению
Сщ
количества оборотов, необходимого для износа (потери) 1 мг Пк (I).
На первом этапе работы исследовали оптические свойства покрытий. Из представленных на рис. 1а концентрационных зависимостей блеска (Б) видно, что данный параметр уменьшается при увеличении концентрации оксида кремния, полученного КЗ, и остается практически неизменным при наполнении полимерного Пк оксидом кремния, полученным КП. Наблюдаемая для Пк, наполненных (КЗ), зависимость, а
именно снижение блеска при Сэю2>3%, может быть вызвана увеличением шероховатости поверхности за счет увеличения доли наполнителя, особенно в приповерхностном слое покрытия.
100 99 98 97 96 95 94 93 92 -91
0% 2% 4% 6% 8% 10%
87 И, %
86 -85 -84 -83 -82 81 80 79 -78 -77
Рис. 1 - Зависимость блеска (а) и коэффициента диффузного отражения (б) полиуретановых Пк от содержания наноразмерного 8Ю2, полученного КП (1) и КЗ (2)
Однако при этом не наблюдается увеличение диффузного отражения этих Пк (рис. 1 б), что, как правило, нехарактерно при увеличении шероховатости данных систем. В случае же полиуретановых Пк, наполненных оксидом кремния, полученным КП, существенное изменение их оптических характеристик не наблюдается.
На следующем этапе работы исследовали физико-механические свойства покрытий. Анализ данных, приведенных на рис. 2а, показывает, что с увеличением содержания оксида кремния, полученного КЗ, в составе Пк снижается их твердость по Персозу сопротивление вдавливанию. казалось бы, схожих параметров, по-видимому, связано с увеличением шероховатости поверхности
и особенностями методик измерения. Однако данные, представленные на рис. 2б и характеризующие Пк, наполненные SiO2 (КП), показывают экстремальную концентрационную зависимость сопротивления вдавливанию и плавное снижение твердости по Персозу, причем максимальное значение сопротивления вдавливанию наблюдается для Пк, содержащих 3-4% наноразмерного оксида кремния. Данное обстоятельство может быть интерпретировано различным влиянием наноразмерного SiO2 на структуру Пк в момент его формирования.
Исследование стойкости сформированных покрытий к износу (рис. 3) показало наличие экстремальной зависимости данного параметра при использовании в качестве наполнителя наноразмерного оксида кремния, полученного плазменным методом.
0.51 0.49 0.47 0.45 0.43 0.41 0.39 0.37 0.35
4% 6%
б
52-| Тк ,МПа
и увеличивается Такое различие,
0% 2% 4% 6% 8% 10%
Рис. 2 - Зависимость сопротивления вдавливанию (1) и твердости по Персозу (2) полиуретановых Пк от содержания наноразмерного 8Ю2, полученного КЗ (а) и КП(б)
Введение в состав Пк данного наполнителя способствует увеличению износостойкости до 4,7 оборот/мг (в 2 раза) при 7%-ном содержании. Увеличение содержания наноразмерного SiO2, полученного КЗ, в составе Пк не приводит к изменению данного показателя.
а
70
65
60
55
50
45
40
35
50
48
2%
4%
6%
8%
10%
46
44
42
40
Рис. 3 - Зависимость износостойкости полиуретановых Пк от содержания наноразмерного SiO2, полученного КП(1) и КЗ (2)
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о влиянии способа получения наноразмерного 8Ю2 на свойства полиуретановых покрытий. Из результатов экспериментов видно, что использование в качестве наполнителя наноразмерного оксида кремния, полученного плазмодинамическим методом, до определенного его содержания приводит к улучшению физико-
механических характеристик полиуретановых Пк без ухудшения оптических свойств.
Литература
1. В.Е. Катнов, С.Н. Степин, Катнова, Р.Р. Мингалиева, П.В. Гришин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 7, 95-96 (2012);
2. П.В. Гришин, В.Е. Катнов, Р.Р. Катнова, В сб. Перспективное развитие науки, техники и технологий. ИП Кащеев Олег Витальевич, Курск, Т.1, 2013. С. 342346;
3. М.С. Петровнина, П.В. Гришин, В.Е. Катнов, В сб. Перспективное развитие науки, техники и технологий. ИП Кащеев Олег Витальевич, Курск, Т.3, 2013. С. 70-74;
4. G. Michael, ЛКМ и их применение, 6, 42-47 (2007);
5. В.Е. Катнов, С.Н. Степин, Вестник Казанского технологического университета, 6, 275-279 (2010);
6. В.Е. Катнов, Е.В.Петрова, С.Н.Степин, А.Ф.Дресвянников, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 14, 220-223 (2011);
7.Р.К АйлерДимия кремнезема. Мир, Москва, 1982. 712с;
8. Н.А. ШабановаДимия и технология нанодисперсных оксидов. ИКЦ «Академкнига», Москва, 2006. 309с.
© Р. Р. Катнова - асп. каф. химической технологии лаков, красок и лакокрасочных покрытий КНИТУ, rimza1988@mail.ru; П. В. Гришин - инж. «Управления по получению и модификации наночастиц» ЦКП «Наноматериалы и нанотехнологии» КНИТУ, pvgrishin@live.ru; В. Е. Катнов - канд. хим. наук, докторант каф. химической технологии лаков, красок и лакокрасочных покрытий КНИТУ, vkatnov@yandex.ru; С. Н. Степин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. химической технологии лаков, красок и лакокрасочных покрытий КНИТУ, stepin@kstu.ru.
© R. R. Katnova - graduate student of «Chemical Technology of paints, lacquers and coatings» Department, FSEI HPE KNRTU, rimza1988@mail.ru; P. V. Grishin - an engineer of the«Nanoparticles preparation and modification management» of CCU «Nanomaterials and Nanotechnology», FSEI HPE KNRTU, pvgrishin@live.ru; V. E. Katnov - Ph.D., doctoral candidateof «Chemical Technology of paints, lacquers and coatings» Department, FSEI HPE KNRTU, vkatnov@yandex.ru; S. N. Stepin - Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of. «Chemical Technology of paints, lacquers and coatings» Department, FSEI HPE KNRTU, stepin@kstu.ru.
