Поверхностная модификация и применение наночастиц диоксида кремния в лакокрасочных покрытиях

УДК544.77, 667.6

П. В. Гришин

ПОВЕРХНОСТНАЯ МОДИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

В ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЯХ

Ключевые слова: диоксид кремния, поверхностные явления,наночастицы, наполнители, полимерные пленки.

Исследовано влияние метода получения наноразмерных объектов на физико-механические и оптические свой-ствалаковыхпокрытий. Описана возможность и целесообразность модифицирования поверхности наноча-стиц, вводимых в полимерные материалы.

Keywords: silica, surface phenomena, nanoparticles, fillers, polymeric film.

The influence of the method for producing nano-sized objects on the physical, mechanical and optical properties of lacquer. Describes the possibility and feasibility of modifying the surface of nanoparticles introduced into the polymeric materials.

В полимерной и лакокрасочной промышленности для улучшения эксплуатационных характеристик и снижения стоимости материалов применяют высокодисперсные минеральныепорошковые наполнители, как правило, представляющие собой оксиды металлов и неметаллов. Высокая стоимость и специфические свойства наноразмерных наполнителей обуславливают ограниченность их применения в составе лакокрасочных рецептур, как правило, их используют в качестве функциональных добавок. При этом существуют разные методы получения наночастиц, которые влияют на физико-химические свойства наноразмерных продуктов.

В данной работе исследовано влияние способа получения наноразмерного диоксида кремния на свойства наполненных им полимерных композиционных покрытий. В качестве пленкообразующих систем использовались водные акрилатные и урета-новые дисперсии. Для получения наночастиц использовались химический (золь-гель [1]) и физический (плазменный[2]) методы. Для контроля размерного распределения и стабильности наночастиц использовался анализатор частиц 90Plus/BI-MAS производства Brookhaven. Оптические свойствана-носуспензий и покрытий определяли при помощи спектрофотометра ProscanMC122. Контроль эксплуатационных свойств покрытий осуществляли по методикам, утвержденным в ГОСТ.

Размерное распределение наночастиц, полученных разными методами, представлено на рис. 1.

Плазменный синтез наночастиц диоксида кремния проводился на высокочастотной индукционной (ВЧИ) плазменной установке при атмосферном давлении в «лаборатории плазменных методов получения наночастиц» при центре коллективного пользования «Наноматериалы и нанотехнологии» ФГБОУ ВПО «КНИТУ».

Суть метода состоит в том, что исходный порошок, попадая в поток ВЧИ-плазмы, сублимируется, после чего в результате резкого охлаждения в зоне выхода потока из кварцевого плазмотрона, конденсируется на внутренних стенках реакционной камеры, оставшаяся часть наночастиц улавливается в барботере, заполненном водным раствором стабилизирующих и модифицирующих добавок [3-5].

На полидисперсность и размерное распределение получаемого нанопорошка сильно влияют параметры работы плазменной установки, а именно, напряжение и сила тока на индукторе, расход порошка и плазмообразующего газа, соотношение компонентов газовой смеси, способ подачи порошка и улавливания наночастиц. В связи с этим были подобраны оптимальные параметры работы установки, при которых достигается получение высокой доли наноразмерных частиц при максимальной загрузке исходного сырья.

Для получения высокодисперсных суспензий из синтезированного нанопорошка, необходимо разрушение агрегатов путем дополнительного диспергирующего воздействия и сепарирования для избавления от крупнодисперсных фракций, которые могут присутствовать из-за транзита некоторых частиц исходного порошка через плазму без сублимации. При использовании в технологической схеме плазменной установки барботера, данные стадии можно исключить, если не предъявляется требование к более высокой степени дисперсности суспензий, поскольку при данной схеме агрегации наноча-стиц практически не происходит.

Синтезированный нанопорошо^Ю2 был опробован в качестве наполнителя в составе прозрачных полимерных покрытий на основе водных акрилатных и уретановых дисперсийНарис. 2 приведены концентрационные зависимости потери массы при абразивном истирании (а) и прозрачности (б) полиуретановых покрытий при использовании в качестве наполнителя наноразмерного диоксида кремния, полученного разными методами.

В ряде других работ [6-8] было исследовано влияние модифицирования поверхности нанораз-мерных частиц диоксида кремния на свойства наполняемых им материалов. Исследования показали, что полимерные материалы имеют области оптимальных концентраций наночастиц диоксида кремния, при которых достигается существенное улучшение эксплуатационных характеристик без изменения их оптических свойств.

Se mpl« О Dele - Time Operator О Elapsed Tme Medjn Diam. Mean Cam Polydisperstfy 0.324 GSO 1.696

5Ю2_ая*л_

Jun 3 2014 14:06:05

Pavel

00:03:00

37.1 nm

42 4 nm

d(<im) G(d> Cfd d(nm) GW) Cid d(nm) G(d) C(d

16.9 26 s 32.£ 97 40 626 so 76

19.2 44 10 346 99 4S 57.3 70 SO

21 8 58 15 37.1 100 50 633 58 85

24.1 70 20 39.6 99 SS 71.8 44 90

26,2 SO 25 42,3 97 Si К,6 2S 95

284 87 30 453 93 65

30S 93 25 486 87 70

|Vc*jme 3

Cow f« Spreadsheet |

. JiFi 3. 3014 M ГйИ1

мо/ гоь.агн

"Ш

|ftal. vm. ' 10000 Cum. Vol  66П Dem (nm) « £9.22

:

а б

Рис. 1 - Размерные распределения водных золей, полученных золь-гель (а) и плазменным (б) методами соответственно

а

R, % 100,25

C(siO2), %

б

Рис. 2 - Зависимость абразивногоизноса (а) и светопропускания (б) покрытий на основе ПУ ВД от содержания диоксида кремния, полученного золь-гель (1) и плазменным (2) методами соответственно

Таким образом, способ получения наноча-стиц влияет на свойства наполняемых им покрытий, а предварительная поверхностная модификация на-ночастицсилановыми аппретами позволяет увеличить степень сродства полимерной матрицы неорганическими наночастицами.

Литература

1. Е. Суслова, Н. ТуроваЖурнал неорганической химии. 51, 12, 1963 (2006).

2. П.В. Гришин, В.Е. Катнов, Р.Р. Катнова, В сб. Перспективное развитие науки, техники и технологий. 1, 342346 (2013).

3. С. Староверов, П. Нестеренко, Г. ЛисичкинВестник Московского университета. Серия 2. Химия, 21, 4, 370-373

4.А. Киселев, Б. Кузнецов, С. Ланин.Коллоидный журнал, 44, 3, 456-464 (1982).

5. Г. Лисичкин.Соросовский образовательный журнал, 1, 4, 52-59 (1996).

6. В.Е. Катнов, С.Н. Степин, Катнова, Р.Р. Мингалиева, П.В. Гришин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 7, 95-96 (2012).

7. В.Е. Катнов, П.В. Гришин, В.С. Чапчина, в Мат-лах Науч. школы «Технические решения и инновации в технологиях переработки полимеров и композиционных материалов»,Ихлас, Казань, 2012. С. 167-168;

8. М.С. Петровнина, П.В. Гришин, В.Е. Катнов, в сб. Перспективное развитие науки, техники и технологий. 3, 2013. С. 70-74.

© П. В. Гришин - асс. каф. химической технологии лаков, красок и лакокрасочных покрытий КНИТУ, PVGrishin@live.ru. © P. V. Grishin - Assistant of thedepartment "Chemical Technology of paints, lacquers and coatings" KNRTU, PVGrishin@live.ru.

2