VÝVOJOVÉ TRENDY V POUŽITÍ OCHRANNÝCH POVLAKŮ EVOLUTIONARY TRENDS IN USING OF PROTECTIVE COATING

Transkript

1 VÝVOJOVÉ TRENDY V POUŽITÍ OCHRANNÝCH POVLAKŮ EVOLUTIONARY TRENDS IN USING OF PROTECTIVE COATING Jitka Podjuklová a, Tomáš Laník b, Kamila Hrabovská c, Lenka Dobrovodská d Kateřina Pelikánová e, Vladimír Viktorovič Menšikov f a VŠB TU Ostrava,17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, jitka.podjuklova@vsb.cz b VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, tomas.lanik.st@vsb.cz c VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, kamila.hrabovska@vsb.cz d VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, lenka.dobrovodska.st@vsb.cz e VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, katerina.pelikanova.st@vsb.cz f VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR Abstrakt Příspěvek se zabývá rozborem dostupných informací o použití částic velikosti nanorozměru a jejich vlivu na vlastnosti ochranných povlaků, zejména organických povlaků na bázi nátěrových hmot a sklovitých smaltových povlaků. Vývoj směřuje zejména k nalezení tenkých adhézních mezivrstev na bázi silanu a fosfátu, ve kterých budou zabudovány částice o velikosti nanorozměru, a které při porušení povlaků dočasně zajistí ochranu před korozním napadením. U povlaků je vývoj zaměřen na použití pigmentů železa, zirkonu a vápníku o velikosti nanorozměru tak, aby tvar a uspořádání pigmentů zajistilo minimální průnik korozního prostředí k substrátu. Příspěvek uvádí výsledek působení adhézní nanomezivrstvy aplikované pod alkydový nátěr, kdy díky této adhézní mezivrstvě vykazoval nátěr nejlepší přilnavost oproti klasickým fosfátovým adhézním mezivrstvám. Dále je uveden vliv velikosti částic jílu v nanorozměru na zvýšení tvrdosti sklovitých smaltových povlaků. Tyto závěry lze uplatnit v dalším vyvoji ochranných povlaků. Rozvíjí se intenzivně vědecko výzkumná práce ve studiu struktury adhezních vrstev na povrchu kovů. Na jejich základě se rozpracovává nové progresivní ekologické čištění povrchu a jeho příprava k aplikaci povlaku. A contribution behind-go analysis of moderate information on using of element nanosizes and their influence over characteristics of protective coatings, especially of viterous enamel coatings and organic coatings and vitreous enamel coatings Evolution is headed especially to location of thin adhesion interlayer on base silane and phosphate in which will installation element about nanosizes and which at failure of coating temporarily ensure protection before corrosive charging. At coating is evolution specialized on using pigmentation of iron, zircon and calcium about nanosizes to form and ordering of pigmentations reserve minimum of penetration corrosive environment at substrate. The contribution show in result incidence adhesion nanointerlayer applied below alkyde paint when thanks those adhesion interlayer embody paint the best adhesion opposite to classical phosphated adhesion interlayer. Further come is state size effect of element clay in nanosize on increasing of hardness vitreous enamel coating. These findings it is possible apply in next evolution of protective coatings. Evolve hard scientist exploratory work in studies of structure adhesion layers on the surface of metals. On their basis worked new progressive ecological surface cleaning and his preparation at application of coating

2 1. VLASTNOSTI POVRCHŮ A JEJICH OVLIVŇOVÁNÍ POMOCÍ NANO-VRSTEV Vývoj nanotechnologií vysvětlil člověku některé, pro něj do té doby, nepochopitelné jevy. Jedním z těchto jevů jsou i obdivuhodné vlastnosti povrchů některých rostlin a živočichů. Např. každá kapka vody, která dopadne na lotosový list, po něm steče, aniž by povrch namočila a navíc ho očistí. Teprve bližším zkoumáním přišel člověk na to, že tyto povrchy mají určitou strukturu, která nedovoluje vodě vniknout a navíc vodu využije ke svému samočištění. Poznatky získané v laboratořích, se nyní začínají přenášet do každodenního života a jejich využití může být pro každého z nás mnohem širší a užitečnější, než jsme si kdy dovedli představit. Vrstvy získané pomocí nanotechnologií mohou obyčejné povrchy během několika okamžiků proměnit v povrchy, které mají následující vlastnosti: Jednoduchost čištění a samočisticí schopnost Odolnost proti oděru a poškrábání Impregnace - odpudivost vody a olejů Ochrana proti korozi Ochrana proti otiskům prstů Odolnost proti bakteriím a plísním Ochrana proti stárnutí materiálu Nezamlžování 2. POVRCH A JEHO DEFINICE Povrch je hodnocen jako obálka makroskopického objektu, která tvoří hranici mezi základním materiálem a okolím. Povrch objektu určuje jeho vzhled a tvoří rozhraní mezi dvěma fázemi. U velkých objektů s malým poměrem povrchu k jeho objemu jsou fyzikální a chemické vlastnosti povrchu určeny především vlastnostmi základního materiálu. U malých objektů s velkým poměrem jsou jejich vlastnosti výrazně ovlivněny povrchem. Funkční vlastnosti povrchu nejsou závislé jen na vnější vrstvě, která tvoří rozhraní, ale také na oblasti směřující pod povrch. Využití charakteristik povrchu směrem do hloubky materiálu je jistým stupněm klasifikace povrchu, kterému odpovídá i rozdělení oblastí povrchu (Tabulka 1). Tabulka 1. Oblasti povrchu [1] Table 1. Areas of surface [1] 2.1 Technologické povrchy Mezi technologické povrchy patří povrchy substrátu získané např. po obrábění, chemických úpravách a po aplikaci ochranných vrstev. Vývoj směřuje k povlakování substrátu tenkými vrstvami o tloušťkách několika jednotek a desítek nanometrů. Tenké vrstvy nacházejí své uplatnění v řadě mikroelektromechanických systémech, kde se řeší problémy tření a změna mechanických vlastností. Tenké povrchové vrstvy nanesené na substrát kopírují topografii substrátu a mohou v některých případech zvýraznit jejich nepravidelnosti. Jestliže se sledují vlastnosti povrchové vrstvy, potom je velmi obtížné nebrat v úvahu strukturu substrátu. Příprava povrchu materiálu je jedním ze základních faktorů významně ovlivňujícím kvalitu a životnost následné povrchové úpravy. 2.2 Smáčecí schopnost Jednou z důležitých vlastností zajištění dobré adhéze povlaku k substrátu je smáčecí schopnost substrátu zajišťující stejnoměrné kvalitní očištění povrchu a stejnoměrné pokrytí povrchu nátěrovou hmotou. Dobrá smáčivost podkladu je předpokladem uspokojivého čistícího procesu. Čistý povrch zbavený mastnoty a nečistot se snadno smáčí vodou. Naproti tomu znečištěný povrch je značně hydrofobní (tj. vodu odpuzující) v důsledku mastné vrstvy a podstatně zvětšuje úhel styku. Když se hraniční plocha voda - mastnota nahradí jinou plochou, která je v jednom směru hydrofobní, např. adsorpční vrstvou povrchově aktivní látky, mohou se molekuly vody přiblížit k částicím mastnoty a smáčet je

3 Obr. 1. Uspořádání molekul vody při smáčení znečištěného hydrofobního povrchu [2] Fig. 1. Form of molecules waters at wetting polluted of hydrophobic surface [2] Z obrázku č. 1 je patrné, že molekuly vody nejsou k hydrofobnímu povrchu orientovány polárně, nýbrž se orientují na hraniční ploše libovolně vlivem kohezních sil, a to ve vzdálenosti asi 0,3 až 0,4 nm. Obr. 2. Znázornění hydrofobní plochy [2] Fig. 2. Illustration hydrophobic of surface [2] Na obrázku č. 2 je zobrazena stejná hydrofobní plocha, která se stává vlivem adsorpce povrchově aktivní látky smáčivou. Vzdálenost molekuly vody je v tomto případě 0,1 0,15 nm. Funkce povrchově, popř. mezipovrchově aktivních látek spočívá převážně ve snížení mezipovrchového napětí fáze čisticí prostředek - nečistota. Dosažení tohoto stavu (do určité míry pomocí smáčedel) velmi příznivě ovlivňuje uvolnění nečistot z povrchu. Smáčedla jsou velmi významným pomocníkem při odmašťování a čištění různých tuhých povrchů. 2.3 Zajištění adhéze povlaku vrstvou na bázi silanu Pro zajištění lepší adhéze nátěrového systému k substrátu se ověřují technologie aplikace tenkých adhézních nano-vrstev na bázi silanů, které tuto přilnavost zajistí. Je to jeden ze způsobů povrchové úpravy před aplikací nátěrového systému. Tyto nanovrstvy by měly nahradit vrstvy na bázi klasického fosfátu

4 Obr.3. Schéma kondenzace silanů s hydroxylovými skupinami na povrchu skla nebo kovu [3] Fig. 3. Chart condensing of silane with Hydroxyl groups on surface of glass or metal [3] Obrázek č. 3 schematicky znázorňuje výsledek úpravy povrchu se vznikem SiOMe vazeb. 3. NANONÁTĚRY S NOVÝMI FUNKCEMI Konvenční nátěr sestává z organických molekul s dlouhými uhlíkovými řetězci. Nanonátěr však obsahuje anorganické křemíkové částice, vázané organickými polymery. Anorganické částice mohou být vzhledem k jejich velikosti hustě propojeny, což má za následek zvýšenou tvrdost a odolnost proti poškrábání. Mimo nabízenou ochranu proti potenciálně ničivým mechanickým procesům, mohou křemíko-organické nanonátěry pomoci v boji s korozí. Mohou poskytnout bariéru, chránící proti vodní páře a chemikáliím. Tato bariéra může být navíc zkonstruována tak, aby vyhověla jakýmkoli potřebám. Nanonátěry mohou plnit i širokou paletu nových funkcí mimo obvyklou ochranu. Použití superhydrofilních a superhydrofobních povrchů otevírá cestu k vytváření snadno čistitelných produktů. Nanočástice Fe, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 a FeO přinášejí kvalitativní skok do mnoha oborů pro jejich elektrické, magnetické a optické vlastnosti, které jsou odlišné od klasických mikročástic. Významné jsou i jejich katalytické vlastnosti, zejména pro schopnost pokrýt z gramu látky relativně velkou plochu a pro chemickou stabilitu oxidů (na rozdíl od nanočástic čistých kovů). Nanočástice Fe mají vynikající redukční účinek, který se využívá při dekontaminacích a detoxikacích. Využívají se proto jako pigmenty laků, barev a nátěrových hmot, dále v kosmetice, v lékařství, jako UV filtry, katalyzátory, absorbery, senzory, ferity, jako abrazivo atd. Obr. 4. Oxid železa [2] Fig. 4. Ferric oxide [2] - 4 -

5 4. NOVÉ PERSPEKTIVY V rámci doposud prováděných experimentálních zkoušek bylo ověřeno, že plnění nátěrů částicemi, jejichž rozměry nepřesahují 100 nm, se jeví jako efektivní, a to jak pro zvýšení výsledné tvrdosti, tak pro zlepšení bariérových vlastností. Při použití nanočástic o objemu jednotlivých hmotnostních procent lze ovlivnit výsledné vlastnosti až o desítky procent. Podmínkou pro správnou funkci nátěru je pečlivý výběr částic (tvar, velikost, povrchová úprava) a jejich dokonalé rozmísení v pojivu. Ke zlepšení vlastností pomáhají nanoprášky kovů, SiO 2, TiO 2, sulfát baria, oxidy hliníku a zirkonu. Taktéž se mohou použít organické prášky. Zvláštní zájem představují nanomateriály na bázi uhlíku typu fullerenů, nanotrubic. Jsou prováděny práce na výrobě ekologicky odolných barev proti obrůstání mikroorganismy. Jsou rozpracovány nanotechnologie čištění povrchu podkladu před aplikací povlaků. Pomocí sběrných modifikátorů dojde k nanotechnologické přestavbě molekul olejů spolu se zabudováním do struktury povrchu fragmenty Si-OH a Fe-OH viz. obrázek č. 3. Dále jsou rozpracovány vodouředitelné základní laky s hloubkovou účinností na základě nanolatexu typu Lakroten. Např. Lakroten E-21 s rozměrem částic 20 nm, který je možné aplikovat při teplotách od 5 C. V současné době ve spolupráci s NII LKP Choťkovo-Ruská federace se intenzivně rozvíjí vědecko - výzkumné práce ve studiu struktury adhezních vrstev na povrchu kovů, které sestávají z nanoinhibitorních korozních procesů a na jejich základě se rozpracovává nové progresivní ekologické čištění povrchu a jeho příprava k aplikaci povlaku. Provádějí se práce na tvorbě inhibitorů na organické a neorganické bázi pro použití v pigmentovaných nátěrech. Dále se jedná o vývoj nátěrů s odolností proti agresivnímu prostředí. Jedná se o vývoj nových laků a barev, povlaků s odolností proti obrůstání, moderní metody přípravy povrchu před aplikací povlaků a moderní metody hodnocení kvality povlaků. a b c Obr. 8. Křížový řez, povlakováno a hodnoceno na NII LKP Choťkovo Fig. 8. Crosscut, treatment and assessed on NII LKP Chotkovo Na obrázku 8a je zobrazeno hodnocení přilnavosti alkydového nátěrového systému aplikovaného na povrch substrátu, který je opatřen tenkou nanometrickou adhézní vrstvou na bázi silanů. Na obrázku 8b a 8c je zobrazeno hodnocení přilnavosti alkydového nátěrového systému aplikovaného na standardní adhézní vrstvu na bázi fosfátu. V rámci zkoušení vlivu velikosti částic na vlastnosti povlaků byly experimentálně odzkoušeny sklovité smaltové povlaky s jílovitou složkou velikosti menší než 5 µm s jedním D rozměrem velikosti 400 nm, která byla přidána do smaltéřské suspenze - břečky pro aplikaci základního a krycího smaltového povlaku. Jeden druh jílu byl českého výrobce a druhý druh zahraničního výrobce. V tabulce č. 2 je - 5 -

6 uváděno český jíl a zahraniční jíl normální velikosti standardní v µm a velikosti s 1D rozměrem 400 nm označené jako normální jíl a jemný jíl. Nanometrická velikost jílu zvýšila u obou typů sklovitých smaltových povlaků jejich tvrdost viz. tabulka 2. Tabulka 2. Mikrotvrdost sklovitého smaltového povlaku Table 2. Microhardness of vitreous enamel coating základní smalt (bassic vitreous enamel) HV 0,1 [MPa] krycí smalt (top vitreous enamel) HV 0,1 [MPa] normální jíl (normal clay) 5493,0 normální jíl (normal clay) 5336,0 jemný jíl - český (nano clay CZ) 6278,1 jemný jíl - český (nano clay CZ) 6245,3 jemný jíl - zahraniční (nano clay abroad) 5955,9 jemný jíl zahraniční (nano clay abroad) 6913,1 Příspěvek byl zpracován za podpory projektu MŠMT KONTAKT ME 08083, KAN (AV ), IGS 2009, VŠB-TUO, HGF-516. LITERATURA [1] BUMBÁLEK, L.; BUMBÁLEK, B. [online]. [cit ]. Dostupné z < [2] PODJUKLOVÁ, J.: Speciální technologie povrchových úprav I. Učební texty, VŠB-TU Ostrava, FS, Ostrava, [3] Čerpáno z vědecko - výzkumné práce Rozpracování ekologických procesů přípravy povrchu kovových výrobků k aplikaci nátěrů autora K. G. Bogoslovského, NII LKP Chťkovo, Ruská federace, 2008, 48 str. [4] KALENDOVÁ, A.; VESELÝ, D.; STEJSKAL, J.; TRCHOVÁ, M.. Progress in Organic Coatings. [online]. [cit ]. Dostupné z < > - 6 -