Понятие о нанонауке и нанотехнологии

     5.Роль нанотехнологий в производстве лакокрасочных материалов

В последнее  время разработаны и успешно  применяются в производстве ЛКМ  молекулярные нанотехнологии, в которых  используются специальные нанороботы-сборщики, или ассемблеры. При изготовлении эмали сейчас используют фишинг-процесс. В водной пасте с ПАВ производится на обычных жерновых мельницах перетир  пигментов. Этот процесс является переводом  пигментов из водного состояния  в органическое. После фишинг-процесса гидрофибизированная пигментная паста с помощью ПАВ и наноассемблеров смешивается с любой лаковой составляющей.

Этот  процесс позволяет достигать  любой модульной универсальности. С его помощью получается до 30 наименований продукции на одном  оборудовании. Так же немаловажным является и получение измельчения  компонентов до состояния первичных  кристаллов, что является физико-химическим преимуществом перед другими  технологиями. Все это в совокупности позволяет достигать высокой  промышленной безопасности и экологической  культуры производства.

В данный момент производство ЛКМ остается приблизительно на одном уровне, а доля ассемблеров  растет. Это говорит о том, что  предприятия все больше используют новые технологии в производстве ЛКМ.

C помощью  нанотехнологий можно в 6 раз  увеличить экономию дорогостоящих  компонентов. Например, при использовании  наномонтажа наиболее популярных  полимеров с помощью мезоцит-ассемблеров  и хелацит-ассемблеров, достигается  6-кратная экономия пигмента двуокиси  титана, взяв за основу голографическое  увеличение показателей преломления  света и применяя исходные  молекулы жидкокристаллической  смектической фазы С.

Известные технологии предусматривают многочасовое растворение полимеров, когда как  применение нано-ассемблеров сокращает  эту процедуру до нескольких минут. Такой прирост в скорости происходит из-за использования нано-ассемблеров, которые воздействуют на СООН-содержащие сополимеры (ПФ, ГФ или акриловые  лакокрасочные материалы) в трехблочном  сополимере (терцет).

Использование турмалин-ассемблеров и крестолин-ассемблеров  позволило получить, используя дорогое  тунговое масло, высококачественные пленки ЛКМ. Это масло превосходит по качеству подсолнечное, конопляное и  льняное масла. По твердости такая  пленка не уступает пленке алкидного  лака ПФ-170. Такие качества пленки помогают достигать точного молекулярного  производства, в котором применяют  нанотехнологии.

Так же пленки олифы, полученные по этой технологии, лучше, чем пленки лаков обычных  олиф и ПФ по параметрам светостойкости. На испытательных стендах краски на основе такой олифы выдерживают  испытания более 2 сезонов подряд под воздействием прямых солнечных  лучей. В соответствии с ГОСТ-21903 на стенде для ускоренного испытания УФ-светостойкости пленка белой краски проходит испытания, не изменяя цвет более 8 часов подряд.

Применение  нанотехнологий позволяет существенно  снизить вредность производства. Это достигается путем исключения такой традиционной операции для  получения олиф, как продолжительная  продувка подогретого до 190 градусов масла, протекающая на протяжении нескольких часов. При применении нанотехнологий не выделяется акролеин, очень вредное, токсичное вещество, использование  которого является недостатком в  традиционном производственном процессе алкидных лаков и олифы.

Нанотехнологии  позволяют улучшить потребительские  свойства лакокрасочных и огнезащитных материалов. Для достижения стойкости  к атмосферным осадкам лучшие традиционные ВД-краски требуют соблюдения срока сушки до 10 дней, когда как  применение нанотехнологий в новых  красках сокращает срок воздушной  сушки и получение стойкой  к смыванию пленки всего до суток.

Нанотехнологии  увеличивают покрывающую способность  композиций. За счет этого возможно увеличить экономию дорогих пигментов  для органирастворимых красок в 6 раз, а для ВД-красок в 4 раза.

Применение  нанотехнологий устраняет низкий коэффициент  “отлипа”. Это обусловлено наличием низкомолекулярных жирных кислот (вацинальных  ОН-групп) в составе.

Нанотехнологии  снабжают фон окрашенных поверхностей большого размера равномерностью цвета. Полученные с помощью молекулярных нанотехнологий краски на основе олифы  обладают таким же уровнем светостойкости, что и пленки алкидных лаков.

Нанотехнологии  позволяют получать из уже известных  молекул новые соединения, отличающиеся как количественно, так и качественно. Это становится достижимым благодаря  применению программ ассемблеров или  благодаря введению в их структуры  иных заместителей-эффекторов. 
 
 

6.Определение и виды лакокрасочных покрытий

Для получения  лакокрасочные покрытия применяют  разнообразные лакокрасочные материалы (ЛКМ), различающиеся по составу и  химической природе пленкообразователя:

     ЛКМ на основе термопластичных пленкообразователей (битумные, эфироцеллюлозные лаки);

     ЛКМ на основе термореактивных пленкообразователей (полиэфирные, полиуретановые лаки);

     ЛКМ на основе масел (олифы, масляные лаки, масляные краски);

     ЛКМ, модифицированные маслами (алкидные лаки).

     Большинство лакокрасочные покрытия получают нанесением ЛКМ в несколько слоев (рис. 1). Толщина однослойных лакокрасочных  покрытий колеблется в пределах 3-30 мкм, многослойных - до 300 мкм. Для получения  многослойных, например защитных, покрытий наносят несколько слоев разнородных  ЛКМ (комплексные лакокрасочные  покрытия), при этом каждый слой выполняет  определенную функцию: нижний слой - грунт - обеспечивает адгезию комплексного покрытия к подложке, замедление электрохимической коррозии металла; промежуточный - шпатлевка - выравнивание поверхности; верхние, покровные, слои (эмали; иногда для повышения блеска последний слой - лак) придают декоративные и частично защитные свойства. 

     Рисунок 1. Примечание: Защитное лакокрасочное покрытие (в разрезе): 1 -фосфатный слой; 2 - грунт; 3 - шпатлевка. 4 и 5 - слои эмали.  

     При получении прозрачных покрытий лак  наносят непосредственно на защищаемую поверхность. Технологический процесс  получения комплексного лакокрасочного покрытия включает до нескольких десятков операций, связанных с подготовкой  поверхности, нанесением ЛКМ, их сушкой (отверждением) и промежуточной обработкой. Выбор технологического процесса зависит от типа ЛКМ и условий эксплуатации лакокрасочного покрытия, природы подложки, формы и габаритов окрашиваемого объекта. Качество подготовки окрашиваемой поверхности в значительной степени определяет адгезионную прочность лакокрасочного покрытия к подложке и его долговечность. Подготовка металлических поверхностей заключается в их очистке ручным или механизированным инструментом, пескоструйной либо дробеструйной обработкой или др., а также химическими способами. Последние включают:

     1) обезжиривание поверхности;

     2) травление - удаление окалины, ржавчины и др. продуктов коррозии с поверхности (обычно после ее обезжиривания);

     3) нанесение конверсионных слоев  (изменение природы поверхности;  используется при получении долговечных  комплексных лакокрасочных покрытий). К нему относятся: фосфатирование, которое заключается в образовании  на поверхности стали пленки  нерастворимых в воде трехзамещенных  ортофосфатов; оксидирование (чаще всего электрохимическим способом на аноде);

     4) получение металлических подслоев - цинкование или кадмирование (обычно  электрохимическим способом на  катоде).

     Химические  методы обеспечивают высокое качество подготовки поверхности, но сопряжены  с последней промывкой водой  и горячей сушкой поверхностей, а следовательно, с необходимостью очистки сточных вод.

7.Свойства лакокрасочных покрытий

     Свойства  покрытий определяются составом ЛКМ (типом пленкообразователя, пигментом и др.), а также структурой покрытий. Наиболее важные физико-механические характеристики лакокрасочного покрытия - адгезионная прочность к подложке, твердость, прочность при изгибе и ударе. Кроме того, лакокрасочные покрытия оцениваются на влагонепроницаемость, атмосферостойкость, химстойкость и другие защитные свойства, комплекс декоративных свойств, например прозрачность или укрывистость (непрозрачность), интенсивность и чистота цвета, степень блеска. Укрывистость достигается введением в ЛКМ наполнителей и пигментов. Последние могут выполнять также и другие функции: окрашивать, повышать защитные свойства (противокоррозионные) и придавать специальные свойства покрытиям (электропроводимость, теплоизолирующую способность).

     Адгезия (прилипание, притяжение) – сцепление  поверхностей разнородных тел (подложки и лакокрасочные материалы), определяется силой химического взаимодействия молекул на поверхности раздела двух фаз. Адгезия является основополагающим свойством лакокрасочных пленок, которое основательно влияет на показатели практически всех других свойств и определяет пригодность использования данной краски для конкретной подложки. Степень адгезии зависит не только от прочности химических связей, но и от количества таковых. Пористость или шероховатость поверхности увеличивает адгезию, поскольку площадь поверхности взаимодействия краски и подложки в разы превышает линейную площадь окрашиваемого предмета. Для определения степени адгезии краски на практике используют два метода: решетчатого надреза (DIN 53151) и отрыва (ISO 4624).

     Твердость лакокрасочного покрытия – способность пленки противостоять вдавливанию или проникновению в нее твердого тела. Важный параметр практически для всех видов красок и лаков, для промышленных материалов также очень важен такой параметр, как скорость набора твердости, напрямую связан с готовностью изделия к эксплуатации. Для измерения твердости используются три типа методов: устойчивость к царапанью (ASTM D3363), с помощью маятника (ISO 1522, ASTM D2134) и вдавливанием (ASTM D1474); при этом, каждый метод может быть реализован несколькими способами.

     Эластичность  – определяет способность лакокрасочной  пленки принимать свою прежнюю форму  после снятия деформирующего усилия. Для лакокрасочной пленки, это  способность следовать за деформацией  подложки без отслаивания и растрескивания. Изменение линейных размеров подложки могут возникать в результате изменения температуры и относительной  влажности окружающей среды. Для  измерения эластичности чаще всего  применяют испытания на изгиб. Существуют также методы испытания эластичности на вдавливание (ISO 1520) либо проводят испытания  на свободных пленках.

     Износостойкость или абразивостойкость – физическое свойство, характеризующее устойчивость лакокрасочного покрытия к истиранию, является одним из основных параметров определяющих долговечность пленки. Для определения значения износостойкости  используют различные абразивные среды, скорость воздействия и силу нагрузки. Самый распространенный способ –  метод вращающегося диска (ISO 7784), когда  абразивный диск с определенной скоростью, нагрузкой и временем воздействует на покрытие.

     Следует отметить, что ни один из методов  испытания не измеряет указанные  величины в чистом виде. Например, измеряя  твердость, можно получить удовлетворительные результаты царапаньем и плохие на маятнике, подобный пример можно продемонстрировать и для износостойкости. Происходит это потому, что на результаты оказывают  влияния все указанные свойства, а также несколько других. Например: когезия, сила сцепления молекул  внутри покрытия, влияет на показатели адгезии; пластичность, способность  покрытия сохранять форму после  снятия деформирующих сил, вносит серьезный  вклад при измерении эластичности. В то же время износостойкость  по природе своей совокупность физических параметров.

     Большинство ЛКМ содержат органические растворители, поэтому производство лакокрасочного покрытия является взрыво- и пожароопасным. Кроме того, применяемые растворители токсичны (ПДК 5-740 мг/м3). После нанесения  ЛКМ требуется обезвреживание растворителей,; при больших расходах ЛКМ и  использовании дорогостоящих растворителей  целесообразна их утилизация - поглощение из паровоздушной смеси (содержание растворителей не менее 3-5 г/м3) жидким или твердым (активированный уголь, цеолит) поглотителем с последующей  регенерацией. В этом отношении преимущество имеют ЛКМ, не содержащие органических растворителей (водоэмульсионные краски, порошковые краски), и ЛКМ с повышенным содержанием твердых веществ. В  то же время наилучшими защитными  свойствами (на единицу толщины), как  правило, обладают лакокрасочные покрытия из ЛКМ, используемых в виде растворов.