Физико-химические свойства грунтовок с функциональной добавкой на основе углеродных нанотрубок

DOI:

Углеродные нанотрубки являются структурами, где в силу идеальности их строения не происходит рассеяния электронов на дефектах кристаллической структуры, вследствие чего они обладают высокой проводимостью и низким выделением тепла при прохождении тока. Таким образом, углеродные нанотрубки, которые хорошо проводят тепло, представляют собой материал, используя который можно добиваться высоких теплоизоляционных свойств [4; 6: 7].

Исключительные физико-механические свойства углеродных нанотрубок (УНТ) дают возможность использовать их в качестве нанонаполнителей с целью получения новых материалов с заранее прогнозируемыми свойствами и характеристиками. Благодаря своей структуре и геометрии УНТ обладают уникальными механическими, сорбционными и другими свойствами. Уникальная структура УНТ обеспечивает им высокую поверхностную активность, из-за которой они находят широкое применение в качестве наполнителей и функциональных добавок. Модифицирование материала нанотубуленами может привести к значительному улучшению физико-механических характеристик исходных систем, а также к повышению их энергосберегающих свойств. На сегодняшний день создание композиционных материалов на основе углеродных нанотрубок является одним из самых актуальных вопросов, и изучение физико-химических и механических характеристик нанокомпозитов остается актуальным, имеет научную и практическую значимость, так как создание такого рода материалов открывает большие возможности их использования в различных областях промышленности [2; 3; 5].

Важным достоинством данной работы является то, что углеродные нанотрубки предлагается использовать в наиболее значимом для промышленности строительных материалов температурном диапазоне. В данном диапазоне в углеродных нанотрубках отсутствует межзонное поглощение (между зоной проводимости и валентной зоной), и, следовательно, не будет происходить потерь тепловой энергии. В свою очередь, это не приводит к дополнительному нагреву сре- ды из углеродных нанотрубок и увеличивает ее энергосберегающие свойства.

Все вышесказанное и стимулировало интерес к написанию данной статьи.

В качестве подготовительных работ готовились исходные смеси функциональной добавки в двух различных концентрациях углеродных нанотрубок, в виде 1 %-ного и 5 %-ного растворов. Растворы функциональной добавки тщательно перемешивались на протяжении порядка четырех часов при комнатной температуре в ультразвуковой ванне для получения высокодисперсной взвеси.

Далее полученные функциональные добавки, состоящие из грунтовки ГФ-021 и углеродных нанотрубок, с помощью кисти наносились на предварительно подготовленные и очищенные поверхности, а именно кирпич, дерево, гипсокартон. Полученные образцы высыхали естественным путем при комнатной температуре. Контролировалось и сравнивалось время высыхания образцов, на которые были нанесены чистая грунтовка без примесей, 1 %-ный и 5 %-ный растворы функциональных добавок на основе углеродных нанотрубок.

Также в соответствии с ГОСТ 9.40380, п. 2.4, была проведена оценка стойкости пленок к статическому воздействию 3%-ного раствора хлористого натрия. Образцы поме- щали в раствор хлористого натрия на 24 ч при температуре 25 °С. После чего помещали в сушильный шкаф, нагретый до температуры 60 ± 2 °С. Через 8 ч образцы были извлечены из термошкафа и выдержаны при температуре 20 ± 2 °С в течение 16 ч. Затем образцы были промыты проточной водой. Далее осуществлялся макроосмотр образцов для выявления изменений в структуре образцов или их отсутствия по ГОСТу 9.403-80 (п. 2.4 настоящего стандарта) [1]. Осмотр образцов показал, что изменения поверхности пленки грунтовки с функциональной добавкой на основе углеродных нанотрубок не произошли.

После проведения серии экспериментов были получены образцы кирпича, дерева и гипсокартона с нанесенными на них грунтовками без примесей, а также с функциональной добавкой на основе углеродных нанотрубок (1 %-ный и 5 %-ный растворы). Полученные образцы представлены на рисунках 1–3.

Как показали результаты эксперимента, время высыхания грунтовок при температуре 25 °С на кирпиче: а) без добавления УНТ составляет 80 мин.; б) с функциональной добавкой на основе УНТ (1 %-ный раствор) – 70 мин.; в) с функциональной добавкой на основе УНТ (5 %-ный раствор) – 55 мин.

А                Б               В

Рис. 1. Древесная поверхность, покрытая грунтовкой:

А – без примесей; Б – с функциональной добавкой с 1 %-ным содержанием УНТ;

В – с функциональной добавкой с 5 %-ным содержанием УНТ

А                     Б                     В

Рис. 2. Поверхность гипсокартона, покрытая грунтовкой:

А – без примесей; Б – с функциональной добавкой с 1 %-ным содержанием УНТ;

В – с функциональной добавкой с 5 %-ным содержанием УНТ

А

Б

В

Рис. 3. Кирпичная поверхность, покрытая грунтовкой:

А – без примесей; Б – с функциональной добавкой с 1 %-ным содержанием УНТ;

В – с функциональной добавкой с 5 %-ным содержанием УНТ

Время высыхания грунтовок при температуре 25 °С на дереве: а) без добавления УНТ составляет 60 мин.; б) с функциональной добавкой на основе УНТ (1 %-ный раствор) – 40 мин.; в) с функциональной добавкой на основе УНТ (5 %-ный раствор) – 45 мин.

Время высыхания грунтовок при температуре 25 °С на гипсокартоне: а) без добавления УНТ составляет 70 мин., б) с функциональной добавкой на основе УНТ (1 %-ный раствор) – 60 мин., в) с функциональ- ной добавкой на основе УНТ (5 %-ный раствор) – 65 мин.

На основании проведенных исследований можно сделать следующий вывод.

Введение функциональной добавки на основе углеродных нанотрубок уменьшает время высыхания пленки примерно на 15–20 % на всех образцах. При этом для гипсокартона и древесины наиболее предпочтительной является концентрация нанотрубок 1 %, а на поверхности кирпича время засыхания существенно уменьшается при повышении концентрации до 5 %.