Структура и технология нанокомпозиционных покрытий автомобильных агрегатов

Эффективность новой технологии покрытия продемонстрирована как в экстремальных испытаниях, проводимых в лабораторной мойке, так  и при обычных условиях. После  десяти циклов в лабораторной мойке, эквивалентных разрушительному  влиянию приблизительно 50 – 100 обычных  моек, датчики блеска показали для  обычной краски только 35% из 100% максимально  возможных по шкале блеска, а для  нанокраски – 72%.

 

«Эффект лотоса»

Наиболее  широкое распространение технология на основе «эффекта лотоса» получила в автомобильной промышленности при нанесении лакокрасочных  покрытий, специальной обработки окраски и остекления автомобиля. Автомобильная нанополироль, реализующая эффект лотоса – в большинстве случаев двухкомпонентный препарат, состоящий из подготовительной жидкости (растворителя) и собственно полироли, представляющий собой смесь частиц наноматериала (алмаз, оксиды титана, кремния, вольфрама и т.д.) в специальной среде из растворителей и наполнителей.[9]

Она предназначена  для оптической маскировки локальных  потертостей и царапин, восстановления первоначального цвета и свойств  лакокрасочного покрытия или остекления автомобиля, а также придания им самоочищающихся свойств.

На рис. 2. представлен механизм «самоочищения» стекла автомобиля, обработанного специальными нанопленками или нанополиролями. Поверхность 1 модифицирована таким образом, что капля воды 2 катится по ней, собирая загрязнения 3, тогда как на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.

Рис. 2. Схема реализации лотос-эффекта: 1 – нанопокрытие; 2 – капля жидкости (воды); 3 – загрязнение; 4 – поверхность (стекло, краска.)

При применении таких покрытий дождь, снег и грязь  не удерживаются на поверхности стекла или краски, а уносятся встречным потоком воздуха, а попавшие на них битум, растительные смолы, масляная пленка, прилипшие насекомые и т.д. легко удаляются.

 

Самовосстанавливающиеся покрытия

Разработано полиуретановое покрытие, на котором  при воздействии солнечных лучей  исчезают царапины.  Одним из ингредиентов самовосстанавливающегося покрытия является хитозан - вещество, обнаруженное в  крабовых и креветочных панцирях. Молекула хитозана содержит в себе большое количество свободных аминогрупп, что позволяет ему связывать ионы водорода и приобретать избыточный положительный заряд. Отсюда и идёт свойство хитозана, как хорошего катионита. [10]

Это также  объясняет способность хитозана связывать и прочно удерживать ионы различных материалов. После того, как на покрытии образуется царапина, хитозан реагирует на ультрафиолетовое излучение, создавая химические цепочки, которые связываются с другими материалами и сглаживают поверхность. Повреждение затягивается в течении суток.  В ходе испытаний выяснено, что повреждение на одном и том же месте самостоятельно устраняется только один раз.

 Так  же разработано  полимерное  покрытие, состоящее  из веществ-катализаторов и «заживляющих» агентов, инкапсулированных в микроскопические сферы диаметром менее 100 микрон. Далее оба типа капсул рассеиваются в лакокрасочном покрытии. Механизм действия самовосстанавливающегося полимера следующий: когда царапина нарушает целостность покрытия, в зоне повреждения лопаются капсулы с заживляющими агентами и капсулы с катализаторами, которые тут же вступают в химическую реакцию, захватывающую близлежащие молекулы краски и основы, на которую она нанесена. Полученное вещество, неотличимое по своей структуре и цвету от утраченного участка покрытия, заполняет царапину. И в течение минут, максимум часа, царапина полностью изглаживается.

Создан  материал состоящий из нескольких слоёв полимера, между которыми находится слой эпоксидной смолы. При повреждении покрытия смола вытекает наружу, заполняет трещину, разрез и затем затвердевает под воздействием ультрафиолетового излучения. Данная технология применяется с 2005 года на автомобилях марки "Nissan».

 

 

 

 

 

Глава 2. Патентный обзор по теме: нанокомпозиционные  наполнители, технологии получения лакокрасочных композиций, структурные особенности строения

 

Для защиты автомобильных агрегатов от образования ржавчины, большое влияние оказывают  антикоррозионные пигменты, образованные из солей металла и фосфорной или фосфоновой кислоты [11] . Металлами являются те, которые образуют водонерастворимые соли кислот, например магний, кальций, стронций, барий, алюминий, олово, титан, цирконий, ванадий, железо, кобальт и цинк. Установлено,  что пигменты, образованные с использованием некоторых фосфороорганических кислот и органических фосфоновых кислот, дают улучшенное ингибирование коррозии при использовании их в красящих композициях.

Так же для  зашиты от коррозии металлических поверхностей в составе лакокрасочных покрытий, применяют наполнители, основу которых составляют одеревеневшие отходы растительного сырья, измельченного до порошкообразного состояния, и аминосодержащую добавку.[12] В качестве одеревеневших отходов растительного сырья используют косточки фруктов (абрикосов, персиков, вишен, слив) и/или скорлупу орехов (грецких, миндальных, фисташковых, кокосовых, кедровых, арахиса) или их композиции в сочетании с косточками ягод (винограда, граната, кизила), измельченные до фракции 5-40 мкм. В качестве аминосодержащей добавки используют моноэтеноламин или триэтаноламин. Наполнитель обладает высокими противокоррозионными свойствами и свойствами преобразователя ржавчины.

В лакокрасочное покрытие так же вводят углеродные нанотрубки, заполненные  цинком.[13] Длина нанотрубок составляет десятки и сотни микронов, а диаметр - от 20 до 50 нм (разброс диаметра нанотрубок должен быть небольшим для получения одинаковых физико-химических свойств). Количество цинка в нанотрубках зависит от их длины и диаметра, так как внутренний объем нанотрубок заполняется полностью, а заполнение нанотрубок основано на явлении капиллярного втягивания жидких веществ.

Покрытие может быть как однослойным, так и многослойным. Однослойное покрытие выполнено из лакокрасочного материала на основе пленкообразующего, содержащего углеродные нанотрубки. Многослойное антикоррозионное покрытие для защиты металлоконструкций, содержит грунтовочный слой с углеродными нанотрубками, заполненными цинком в количестве от 40 до 86% объема и толщиной 40-100 мкм, промежуточный слой представляет собой грунтовочный слой, содержащий углеродные нанотрубки, заполненные цинком в количестве от 40 до 86% объема, и толщиной 70-90 мкм, а покрывной слой выполнен из лакокрасочного материала, содержащего углеродные нанотрубки, не заполненные цинком и общей толщиной многослойного антикоррозионного покрытия 90-240 мкм.

Введение  углеродных нанотрубок, заполненных цинком, в лакокрасочное покрытие позволяет не только снизить стоимость производства антикоррозионных материалов, но и увеличить продолжительность безремонтной эксплуатации до 30-35 лет.

Широко используются грунтовки, включающие полимерное связующее на основе акриловой смолы, модифицирующую добавку, пигмент и смесь органических растворителей - бутилацетат, ацетон, ксилол, бутанол, отличающиеся тем, что в качестве полимерного связующего содержат акриловый сополимер на основе бутилового эфира метакриловой кислоты.[14] В качестве модифицирующей добавки - меламиноформальдегидную смолу, в качестве пигмента - стронций хромовокислый. Смесь органических растворителей дополнительно содержит этиловый спирт и толуол.

  Водно-дисперсионные грунт-эмали, включающие  компоненты: эпоксидно-диановые смолы (ЭД-20), а также  каучук синтетический олигопипериленовый в качестве пленкообразователя, полиоксиэтиленовый эфир алкилфенола в качестве поверхностно-активного вещества, окись хрома (III), а также гидроокись алюминия в качестве антикоррозионных пигмента.[15] Полиэтиленполиамин в качестве отвердителя, дибутилфталат в качестве пластификатора, ортофосфорную кислоту в качестве модифицирующей добавки, воду. Такая грунт-эмаль позволяет повысить внешниq вид покрытия, а также стойкость к воздействию масел, бензина, смазочно-охлаждающей жидкости и агрессивных сред.

Широкое применение получили полимерные композиции.[16]  Композиция содержит пигмент и/или краситель, наполнитель, в качестве пленкообразующего - смесь эпоксикаучукового аддукта, полученного соконденсацией по функциональным группам в стехиометрическом соотношении низкомолекулярной эпоксидной смолы и жидкого нитрильного каучука, а в качестве отвердителя, содержащего аминогруппы, используют смесь полиамина или смеси полиаминов с аминосиланом, при соотношении на 100 мас.ч состава 2-22 мас.ч. отвердителя. В отвердителе в качестве полиамина или смеси полиаминов используют диэтилентриамин (ДЭТА), и/или триэтилентетрамин (ТЭТА), и/или полиэтиленполиамин (ПЭПА), и/или циклоалифатический аминовый аддукт, и/или полиамидокислоты, а в качестве аминосилана - -аминопропилтриэтоксисилан (АГМ-9) или продукт гидролитической поликонденсации -аминопропилтриэтоксисилана в циклогексаноне или толуле (АСОТ-2 или АСОТ-4). Отвердитель дополнительно может содержать УФ-абсорбер, в качестве которого используют фенол, 2-(2Н-бензотриазол-2-ил),4,6-бис-(1-метил-1-фенилэтил)-(9CI). Технический результат - получение покрытия с повышенной степенью антикоррозийной защиты металлических, бетонных, железобетонных и деревянных поверхностей от воздействи кислот, оснований, газообразных окислов и улучшенной стойкостью обработанных поверхностей к атмосферным воздействиям при солнечном свете, повышенной морозостойкости и улучшенного внешнего вида.

Так же, в качестве полимерного наполнителя может выступать Фторопласт-4 — политетрафторэтилен. На него совершенно не действуют кислоты, окислители,  щелочи. Он практически не смачивается водой. Имеет низкий коэффициент трения. Размеры частиц порошка фторопласта  не превышают 20-40 мкм, что наряду с его уникальными гидрофобными свойствами делает его хорошим гидрофобизирующим материалом для лакокрасочных покрытий.

Способы увеличения  коррозионной стойкости, абразивостойкости, гидрофобности защитных покрытий на основе ЛКМ разнообразны, и зависят от состава покрытия, вида добавок, наполнителей, растворителей,  модификаторов и т.д. Необходимо учитывать условия эксплуатации тех или иных  автомобильных агрегатов,  перед тем как нанести защитный слой, иначе покрытие не выдержит технические характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Рецептуры: состав, технология, режимы

 

Состав лакокрасочных материалов

Связующие (пленкообразующие) вещества - жидкие или доведенные до жидкого состояния твердые материалы (в основном синтетические полимеры и смолы), которые после высыхания связывают между собой частицы пигментов и наполнителей и образуют пленку, прочно сцепляющуюся с окрашиваемой поверхностью.

Пленкообразующие  вещества ответственны за создание пленки, адгезию ее к поверхности окрашиваемого  предмета, удерживание внутри слоя покрытия частиц пигмента и наполнителя. Помимо этого, хорошее пленкообразующее вещество обеспечивает покрытию водонепроницаемость, но в то же время позволяет ему "дышать", препятствует размножению микроорганизмов, не являясь ядовитым для человека, задерживает ультрафиолетовые лучи и т д.

 

Пигменты

Пигменты - очень мелкие твердые частицы, нерастворимые  в несущей основе. Они производятся посредством измельчения органических и неорганических веществ. Определяют в первую очередь такие качества краски, как цвет и светопроницаемость.

Делятся на следующие группы:

• Антикоррозийные пигменты: защищают окрашиваемую поверхность (например сталь, алюминий, медь) от коррозии.
• Покрывные пигменты

Представляют  собой светонепроницаемые частицы  определенного цвета (красные, зеленые, синие пигменты). Они служат для  придания цвета покрытию. Различные  особенности состава или структуры  пигментов, создают цветовые или оптические эффекты. Эффект «Металлик» - заслуга алюминиевых частиц, «перламутр» - слюдяных.

• Пигменты-наполнители

Эти пигменты имеют определенное назначение. Служат наполнителем, для придания им большей  удельной плотности.

• Пигменты с особыми свойствами

Придают краскам особые качества, например, огнестойкость, влагостойкость.

Наиболее  широкое распространение в лакокрасочной  промышленности получили неорганические пигменты, такие как диоксид титана, сурик железный, охра и др.

Растворители

Добавляют до момента нанесения на поверхность, во избежание высыхания (коагуляции) несущей основы и сохранения поддержки  в жидком состоянии. После нанесения  растворители, при сушке, испаряются. В сущности, являются частью основы краски, до определенного момента.

Так же разбавляют краску растворителем для снижения вязкости, иногда такие средства называют разжижителями. Необходимо чтобы растворители и разжижители имели совместимые  с основой химические качества.

Различают две группы красок на основе растворителей (растворители состоят из летучих  органических соединений - ацетона, бутилацетата, ксилола, спирта) и водной основе (вода является основной составной частью растворителей и разжижителей).[4]

 

Добавки

Качество  краски определяется характером несущей  основы, концентрацией в краске и  свойствами добавок. Cвойства лакокрасочного покрытия ограничены без добавок и покрытие не может отвечать заданным требованиям.

Назначение  добавок:

• Наполнители — неорганические сухие тонкодисперсные не растворимые в жидкостях вещества преимущественно белого цвета, добавляемые в лакокрасочные составы для придания, им особых свойств и экономии пигментов. Наполнители повышают сцепление пигментов с основанием, придают окрасочным покрытиям прочность, водо-, огне, гидро- и атмосферостойкость, блеск или матовость, ускоряют высыхание пленки и пр. Наполнителями служат: баритовый концентрат, каолин, тяжелый и легкий шпаты, тальк,мел, кремний и молотый песок, пылевидный кварц, асбестовая пыль и волокно, молотая слюда, диатомит, некоторые молотые каменные породы — андезит,   диабаз, трепел и др.
• Отвердители

Служат  для упрочнения и укрепления слоя краски. 

• Эластификаторы

Определяют  эластичность и пластичность лакокрасочного покрытия.

• Загустители