НАНОАЛМАЗЫ В ТРЕНДЕ. Новые методы модифицирования лакокрасочных покрытий

Взаимодействие науки и производства — это путь к совершенствованию материалов, улучшению их свойств и возможность затем использовать вместо дорогостоящей импортной продукции. На кафедре полимерных композиционных материалов Белорусского государственного технологического университета провели исследование и разработали методы модифицирования лакокрасочных покрытий (ЛКП) по металлу наноалмазными частицами, которые существенно улучшили свойства ЛКП отечественного производства. Подробностями о совершенствовании покрытий, которые применяются на предприятиях с агрессивными химическими средами, нефтепроводах и т.п., поделился член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси доктор химических наук, профессор Николай ПРОКОПЧУК.

— Мы занимались разработкой весь 2020 год. Цель нашего исследования — оценка влияния углеродных наноматериалов на технологические и эксплуатационные свойства покрытий по стали на основе однокомпонентных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов. Создание антикоррозионных покрытий на металлах с повышенной устойчивостью в температурно-силовых полях и агрессивных средах — актуальная задача. Эту проблему экономически нецелесообразно решать только синтезом новых пленкообразующих веществ. Большие возможности открывают методы модифицирования, в том числе наноразмерными частицами, промышленно выпускаемых грунтовок и эмалей.

— Почему использовались именно наноуглеродные частицы?

— Наночастицы в лакокрасочных материалах находятся в связанной суспензионной форме, поэтому технологии получения защитных покрытий безопасны. Физическая основа наномодифицирования — потенциальная способность субатомных частиц с высокой поверхностной энергией образовывать ионные и координационные связи, ограничивающие подвижность звеньев и сегментов макромолекул, вступать в когезионные и адгезионные взаимодействия.

Наноалмазы уже производятся в промышленных масштабах и используются в различных матрицах, в основном термопластичных полярных. Частица наноалмаза состоит из упорядоченного кристаллического ядра и разрыхленной химически лабильной оболочки. Алмазное ядро — это носитель основных алмазных свойств, т.е. термической и химической стабильности, твердости, высокой теплопроводности и низкой электропроводности. Оболочка наноалмаза отвечает за знак и величину поверхностного заряда частиц, абсорбцию, адсорбцию, хемосорбцию. Она играет решающую роль в процессах агрегации алмазных частиц и их взаимодействии с макромолекулами и функциональными добавками матрицы композиционных наноматериалов и покрытий.

— В чем суть вашего исследования?

— Была изучена возможность улучшения технологических и эксплуатационных свойств покрытий по металлу на основе однокомпонентных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов (грунтовки и эмали) с помощью введения в их состав наноалмазных частиц. Осуществлена модификация лакокрасочных материалов наноразмерными добавками в количестве 0,005—0,100 мас. %. Исследованы время высыхания и физико-механические свойства однослойных покрытий из модифицированных лакокрасочных материалов (твердость, прочность при ударе, адгезия) на стальных подложках, а также оценены защитные свойства (стойкость к статическому воздействию воды, трехпроцентного раствора NaCl, индустриального масла, дизельного топлива) покрытий на основе модифицированных грунтовки и эмали с изначально относительно хорошими механическими свойствами.

— Уточните, пожалуйста, какие именно покрытия и наноматериалы использовались в качестве объектов исследования?

— Были выбраны промышленно производимые грунтовка и эмаль (водные дисперсии акриловых сополимеров, пигментов, наполнителей, функциональных добавок, воды) одного из белорусских предприятий. Мы использовали быстросохнущие лакокрасочные материалы для защиты металлических поверхностей железнодорожных подвижных составов, металлоконструкций, оборудования, механизмов, нефтепроводных труб с относительно высокими физико-механическими показателями, которые эксплуатируются в атмосферных условиях от минус 30 °С до плюс 50 °С. Для модификации грунтовки и эмали мы применили углеродные наноматериалы белорусского производителя — НПЗАО «Синта» (Минск) — шихту алмазосодержащую марки АШ-А и алмаз синтетический ультрадисперсный УДА. Мы получали модифицированные лакокрасочные материалы, содержащие нанодобавки в концентрациях 0,005, 0,010 и 0,100 мас. % в пересчете на сухой остаток, путем смешивания грунтовки, эмали с дисперсией нанодобавки.

Получение дисперсий наночастиц заключалось в диспергировании их в дисперсионной среде в ячейке ультразвуковой ванны Bandeline Sonorex в течение определенного времени. В качестве дисперсионной среды для АШ-А использовалась вода. Она хорошо совместима с лакокрасочным материалом. Из немодифицированных и полученных модифицированных лакокрасочных составов были сформированы однослойные покрытия на металлических подложках. Формирование покрытий из модифицированных составов осуществляли в соответствии с техническими требованиями к немодифицированным ЛКМ, соблюдая температурный режим, толщину покрытий и другие характеристики.

— Что показал анализ результатов?

— Установлено существенное сокращение наноалмазными частицами времени отверждения грунтовки и эмали (водных дисперсий акриловых сополимеров, пигментов, наполнителей, функциональных добавок, воды), нанесенных на сталь марки 08кп. Наномодифицированные грунтовка и эмаль образуют защитные покрытия с улучшенными адгезией, прочностью при ударе, твердостью, водостойкостью и стойкостью в водном растворе хлорида натрия.

Механизм защитного действия заключается в том, что наночастицы, распределившись по всему объему покрытий и взаимодействуя друг с другом, образуют физическую сетку, усиливающую межмолекулярные взаимодействия между цепочками акриловых сополимеров. Модифицированная наноалмазными частицами грунтовки и эмали надмолекулярная структура на металле представляет собой систему взаимопроникающих сеток, которая существенно повышает важные в практическом значении показатели: адгезию; прочность при ударе; твердость; стойкость к статическому воздействию воды, трехпроцентного NaCl и нефтепродуктов.

Использование наноразмерных частиц в защитных лакокрасочных материалах весьма актуально, так как правильный выбор наномодификатора, его количества и способа введения может значительно улучшить эксплуатационные свойства лакокрасочных покрытий практически без изменения технологий производства лакокрасочных материалов с минимальным увеличением стоимости.

БЕСЕДУЕТ Лана Петрова

ФОТО Виктория Анискевич-Клопоцкая