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 Lenka Dobrovodská a, Jitka Podjuklová b, Kamila Hrabovská c, Tomáš Laník d, Kateřina Pelikánová e, Vladimír Viktorovič Menšikov f a VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, lenka.dobrovodska.st@vsb.cz b VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, jitka.podjuklova@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, tomas.lanik.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 adhezních 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 adhezní nanomezivrstvy aplikované pod alkydový nátěr, kdy díky této adhezní mezivrstvě vykazoval nátěr nejlepší přilnavost oproti klasickým fosfátovým adhezním mezivrstvám. Dále je uveden vliv velikosti částic jílu v nanorozměru na zvýšení tvrdosti sklovitých smaltových povlaků. Tyto závěry lze uplatnit v dalším vývoji 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. Abstract A contribution behind-go analysis of moderate information on using of element nanosizes and their influence over characteristics of protective coatings, especially of vitreous 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 1

2 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. 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). Tab 1. Oblasti povrchu [1] 2

3 2.1. Smáčecí schopnost Jednou z důležitých vlastností zajištění dobré adheze povlaku k substrátu je smáčecí schopnost substrátu zajišťující stejnoměrné kvalitní očištění povrchu a stejnoměrné pokrytí povrchu nátěrovou hmotou. Tab 2. Smáčení povrchu [5] θ = 0 0 < θ < 90 Typ smáčení Dokonalé smáčení Dobré smáčení Typ povrchu Tuhý povrch je lyofilní (např. sklo, oxidy a hydroxidy kovů atd...) 90 < θ < 180 Špatné smáčení Tuhý povrch je lyofobní (např. pevné uhlovodíky a fluorované deriváty, polymery, listy rostlin) 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. Obr. 1. Uspořádání molekul vody při smáčení znečištěného hydrofobního povrchu [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. 3

4 Obr. 2. Znázornění hydrofobní plochy [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 Zajištění adheze povlaku vrstvou na bázi silanu Pro zajištění lepší adheze nátěrového systému k substrátu se ověřují technologie aplikace tenkých adhezních 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. Obrázek č. 3 schematicky znázorňuje výsledek úpravy povrchu se vznikem SiOMe vazeb. Obr.3. Schéma kondenzace silanů s hydroxylovými skupinami na povrchu skla nebo kovu [3] 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 4

5 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, Fe2O3, Fe3O4 a FeO přinášejí kvalitativní skok do mnoha oborů pro jejich elektrické, magnetické a optické vlastnosti, které jsou odlišné od klasických mikročástic. Obr. 4. Oxidy železa [3] 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. 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. 5

6 Obr. 5. Křížový řez, povlakováno a hodnoceno na NII LKP Choťkovo Na obrázku 5a je zobrazeno hodnocení přilnavosti alkydového nátěrového systému aplikovaného na povrch substrátu, který je opatřen tenkou nanometrickou adhezní vrstvou na bázi silanů. Na obrázku 5b a 5c je zobrazeno hodnocení přilnavosti alkydového nátěrového systému aplikovaného na standardní adhezní vrstvu na bázi fosfátu. Příspěvek byl zpracován za podpory projektu MŠMT KONTAKT ME 08083, KAN (AV ), IGS 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, 1994, 71 s., ISBN [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 < > [5] DOBROVODSKÁ, L.; Studium vlivu drsnosti ocelového substrátu na vlastnosti povlaků plněných malými částicemi. Teze doktorské disertační práce. Obhájeno na VŠB TU Ostrava, FS, , 59s. 6