innovazii3

Влияние наноматериалов на свойства специализированных покрытий

Автор: Н.С. Чернова, ООО «Фактория ЛС», г. Санкт-Петербург, Россия.

В данном докладе представлено описание воздействия наноматериалов на покрытия типа лакокрасочных, изготовленных на различных по своей природе полимерах и обладающих специализированными свойствами: огнезащитными, вибро-шумопоглощающими, антиобледенительными.


 В последнее время все большее распространение получает направление по использованию наноматериалов в полимерных покрытиях, различных по своему назначению и обладающих рядом отличных друг от друга свойств. Так в 2004 г проф. Мнацакановым С.С. и к.т.н. Зыбиной О.А. впервые в России было предложено использование углеродных каркасных структур в огнезащитных вспучивающихся композициях с целью улучшения адгезионных свойств последних [1]. К сожалению, широкого практического применения это открытие в нашей стране не получило. Зато на западе использование наночастиц в тех же огнезащитных и огнеупорных покрытиях активно эксплуатируется [2,3] причем с высоким положительным эффектом. Весьма вероятно, что подобное явление связано с высокой стоимостью наноразмерных частиц в нашей стране и исследования влияния наноматериалов на свойства покрытий, не говоря уже об их промышленном производстве, является процессом весьма дорогостоящим. Тем не менее, обладая возможностью проведения подобного рода исследований, хочется остановиться непосредственно на тех особенностях и характеристиках, которые приобретают различные полимерные покрытия при использовании при их производстве наноматериалов.
 1) Огнезащитные вспучивающиеся покрытия. Принцип огнезащитного действия этих покрытий основан на образовании в процессе термолиза (при пожаре) реакционно-активными ингредиентами композиции вспученного ячеистого слоя (пенококса), имеющего объем во много раз превосходящий начальный объем покрытия, обладающего низкой теплопроводностью и предохраняющего защищаемую поверхность от воздействия пламени и теплового излучения в течение заданного времени. Очевидно, что чем большее время пенококс удерживается на подложке, чем выше его выход (толщина вспученного слоя) и прочность, тем наибольшей огнезащитной эффективностью он обладает. Время удерживания пенококса на поверхности во время пожара определяется его адгезией к защищаемому материалу. По-видимому, не требует специальных доказательств и тот факт, что все адгезионные процессы, основанные на явлениях адсорбции и электростатических взаимодействий, при температурах более 150-200 оС утрачивают свой вклад до исчезающе малых величин [4]. Вместе с тем отсутствие адгезии или недостаточное ее значение делает бессмысленным применение конкретного материала: т.к. сформировавшийся при горении защитный карбонизированный слой обрушится, не выполнив своего предназначения. Таким образом, этому слою необходимо придать, во-первых, достаточную прочность, т.е. устойчивость к действию воздушно-газовых потоков, неизбежных при пожаре, и, во-вторых, адгезию к постоянно нагревающемуся материалу. Для этого необходимо увеличить прочностные (адгезионно-когезионные) показатели пенококса и его плотность, от которой напрямую зависит время выгорания, а, следовательно, и разрушения вспученного слоя.
 Применение нанотел в производстве огнезащитных вспучивающихся композиций дает возможность получать покрытия, одновременно сочетающие такие свойства, как эластичность и высокую твердость; изготавливать материалы, обладающие высокой адгезией к поверхностям различной природы (металл, дерево, пластик и т.п.). Также наноматериалы, введенные в огнезащитную композицию в ничтожно малых количествах, позволяют в значительной степени (от 2 до 10 раз) увеличить выход пенококса, т.е. его толщину, и улучшить такие характеристики пенококсового слоя, как его плотность и однородность. Увеличение выхода пенококса позволяет провести коррекцию рецептурных количеств реакционно-активных ингредиентов огнезащитной композиции в сторону их минимизации, что позволяет нивелировать экономические затраты на использование при изготовление покрытия наноматериалов.

 2) Огнезащитное вибро-шумопоглощающее покрытие. Механизм снижения уровня шума и вибраций при использовании подобных покрытий основан на превращении колебательной энергии звуковой волны в тепловую за счет трения компонентов, входящих в состав композиции [5]. Эти материалы для реализации процесса вибро- и шумопоглощения должны отвечать определенным требованиям: они должны быть пористыми, высоковязкими, упругими, эластичными, содержать в своем составе легкие волокнистые наполнители (например, вермикулит, стеклянную нить, минеральное или базальтовое волокно и т.п.). Принцип же огнезащитного действия этого покрытия описан выше.
 Известно, что был предпринят ряд попыток совместить огнезащитные и вибро-шумопоглощающие свойства в одном материале [6], но данные покрытия обладают скорее огнеупорными (т.е. являются негорючими в принципе), а не огнезащитными за счет вспучивания свойствами, и для их полноценной работы необходима большая толщина наносимого слоя (около 5 см). Применение наноматериалов позволило разработать покрытие, которое не только является вибро- и шумопоглощающим (при относительно малой толщине 10-20 мм ), но и обладает полноценными огнезащитными свойствами. Это стало возможным именно за счет описанной выше возможности минимизации рецептурных количеств коксообразующих ингредиентов композиции. Помимо вышеперечисленного применение при изготовлении указанной композиции наноматериалов позволяет в существенной степени упростить технологический процесс производства огнезащитного вибро-шумопоглощающего материала за счет ускорения некоторых технологических стадий вследствие высокой реакционной способности нанотел.

 3) Антиобледенительное покрытие. Принцип действия всех антиобледенительных композиций основан на их повышенной гидрофобности (несмачиваемости водой), т.е. они не сорбируют на собственной поверхности воду и ее пары. Все известные изобретения [7,8], затрагивающие проблему создания антиобледенительных покрытий, в качестве основного ингредиента предлагают использование кремнийорганических соединений, как веществ наиболее всего не подверженных смачиванию водой. Однако использование подобных покрытий на практике весьма несущественно по причине отсутствия четких рекомендаций по эксплуатации поверхностей, обработанных данными материалами, а также вследствие недостаточности номенклатурных данных, определяющих использование антиобледенительной композиции в конкретных условиях. Также большинство описываемых покрытий не обладают такими немаловажными свойствами, как износо-, ударопрочность и атмосферостойкость, т.е. период эксплуатации данных материалов является незначительным и требует более или менее регулярного возобновления целостности покрытия.
 Использование наноразмерных частиц в составе композиции, а также в процессе ее изготовления открывает возможности по приданию антиобледенительным покрытиям ряда новых, порой неожиданных, свойств. Наноматериалы позволяют получать покрытия,
 устойчивые к большинству агрессивных сред и в то же время обладающие высокой гидрофобностью. При этом появляется возможность контролировать гомогенность распределения органических и неорганических частиц на молекулярном уровне, что, разумеется, благотворно сказывается на конечных характеристиках покрытия. Разработанные антиобледенительные покрытия обладают высокой адгезионной прочностью, износо- и атмосферостойкостью, антикоррозионными и проводниковыми свойствами, термоустойчивостью (выдерживает температуры до 300 оС). Следует также отметить, что описываемые покрытия одновременно обладают таким свойством как самоочистка от грязи за счет фотокатализа. Это явление известно уже достаточно давно, но реализовать его в совокупности с вышеуказанными свойствами до настоящего момента не удавалось. Процесс самоочищения проходит за счет генерации на поверхности наночастиц под действием ультрафиолетовых лучей (в частности тех, которые входят в солнечный спектр) свободных радикалов, способных окислять органические соединения до воды, углекислого газа и к тому же уничтожать микроорганизмы. А именно органические соединения, находящиеся, например, в городской пыли, и предопределяют прилипание грязи [9].
 В заключение хочется добавить, что влияние наноматералов на различные свойства лакокрасочных покрытий определяется совокупностью различных факторов: природой полимера, на основе которого изготавливается композиция, физико-химическими свойствами ингредиентов, входящих в состав материала, типом используемых наночастиц, температурным режимом и т.п. Отрабатывая технологический процесс или проводя исследования какого-либо рода, нельзя также забывать о невероятной реакционной активности нанотел и их природе. Именно ими определяются те свойства материала, которые, в конечном счете, и приобретает покрытие. Причем номенклатура этих свойств и область их приложения поражают своим многообразием. Изменение за счет использования наноразмерных частиц свойств и функций тех немногих композиций, которые были затронуты в настоящем докладе, является отражением лишь незначительной части тех возможностей, которые открывают нам наноматериалы и нанотехнологии.


 Литература


 1. Зыбина О.А. Адгезия огнезащитных вспучивающихся полимерных материалов к поверхности металлических конструкций при повышенных температурах: Дис. канд. техн. наук (05.17.06. – технология и переработка полимеров и композитов) / О.А. Зыбина; рук. работы С. С. Мнацаканов. – СПб, 2004. – 143с.
 2. Пат. US20080293877 А1, США, МКИ C08L83/04; C08L83/00. Огнезащитная композиция./Александрэ М., Дюдоис Ф., Девалкинейр М., Клайс М., заявитель и патентообладатель Александрэ М., Дюдоис Ф., Девалкинейр М., Клайс М.- 12/090560. Заяв. 03.10.2006. Опубл. 27.11.2008.
 3. http://www.faqs.org/patents/app/20090148637.
 4. Журавлев Г.И. Химия и технология термостойких неорганических покрытий. - Л.: Химия, 1975. – 169 с.
 5. Л.Г. Осипов, В.Н. Бобылев, Л.А. Борисов и др. Звукоизоляция и звукопоглощение. Учебное пособие для студентов вузов / Под ред. Г.Л. Осипова, В.Н. Бобылева. М., 2004.
 6. Пат. 2155727 РФ МПК С04В28/00, С04В14:12, С04В18:20, С04В24:20, С04В111:20. Огнезащитная штукатурная композиция./ Рахманов В.А.; Мелихов В.И.; Козловский А.И.; Девятов В.В.; Ланюк А.Н., заявитель и патентообладатель АООТ Всероссийский федеральный головной технологический институт ВНИИ железобетон – 98121889/03 Заяв. 01.12.1998. Опубл. 10.09.2000.
 7. Пат. 2162872 РФ МПК C09K3/18. Гидрофобная антиобледенительная композиция. / Алесковская Е.В.; Дубинский Я.А.; Токарев В.В., заявитель и патентообладатель ООО Фирма "Северная пирамида"; Дубинский Яков Абрамович; Токарев Вячеслав Викторович - 99114484/04 Заяв. 07.07.1999. Опубл. 10.02.2001.
 8. Полимерные кровельные и гидроизоляционные материалы. Под редакцией Шульженко Ю.П. - М., ВНИИЭСМ, 1993.
 9. http://www.businessclub.by/business/index.php?n=1&;er=News&subaction=showfull&id=1228295123&archive=&start_from=&ucat=5&.

banner2footer3IRIS Blau iris2

Адрес:

Россия, 195213, Санкт-Петербург,
ул. Латышских Стрелков, дом 25
Телефон/факс: +7 (812) 327-24-02