Влияние нанопорошка диоксида кремния на износостойкость лакокрасочного покрытия

А.В. НОМОЕВ и др. Влияние нанопорошка диоксида кремния на износостойкость лакокрасочного покрытия дной из задач авиастроения является увеличение ресурса лакокрасочных (ЛК) покрытий изделий и конструкций, так как летательные аппараты (самолеты, вертолеты) часто эксплуатируются в экстремальных климатических условиях, в частности, песчаных ветров. Поэтому окрашенные металлические части – лопасти, элементы корпуса – должны обладать повышенной износостойкостью. Наиболее простой и эффективный способ регулирования свойств ЛК-материа-лов – введение в рецептуру небольшого количества различных функциональных добавок, способных интенсифицировать диспергирование пигментов, улучшить растекание и смачивание подложки, устранить поверхностные дефекты и придать лакокрасочным покрытиям различные специальные свойства. Такие добавки эффективны при использовании в незначительных количествах в рецептуре ЛК-материалов – от 0,01 до 5% (по массе) [1]. В качестве функциональных добавок используются ультрадисперсные нанопорошки диоксида кремния (SiO2). Например, в работе [2] исследовалось влияние нанопорошка диоксида кремния на свойства эмалей, а в [3] отражены результаты работ по повышению предела прочности мелкозернистого бетона более чем в 3–4 раза путем введения в цемент нанонаполнителя – диоксида кремния.

Введение наночастиц в лакокрасочные материалы как способ улучшения его физико-механических свойств продолжает привлекать внимание исследователей.

Целью данной работы является изучение влияния нанодисперсных частиц диоксида кремния на физико-механические свойства (износостойкость, адгезия, твердость, микротвердость) лакокрасочного покрытия модифицированной эмали ХВ-16, широко применяемой в авиационной промышленности.

В исследованиях использовалась эмаль на основе перхлорвиниловой и глифталевой смол ХВ-16 (цвет серый 842, ТУ 6-10-1301-83) и нанораз-мерный порошок диоксида кремния марки Таркосил Т-20, полученный на ускорителе электронов способом, описанным в работе [4], с удельной поверхностью 123 м2/г (по данным прибора для измерения удельной поверхности «Сорби-М») и средним размером первичных частиц около

А.В. НОМОЕВ и др. Влияние нанопорошка диоксида кремния на износостойкость лакокрасочного покрытия

22 нм. Порошок является рентгеноаморфным, без примеси кристаллической фазы. Краска распылителем наносилась на применяемую в авиационной промышленности, покрытую грунтовкой марки ВЛ-02 нержавеющую сталь марки СВГ. Исследовались образцы лакокрасочных покрытий с концентрацией нанопорошка от 0,005 до 0,1%, т. к. при большей концентрации порошка покрытия получаются сильно шероховатыми, что ухудшает внешний вид изделия и делает их непригодными для практического применения. Износостойкость эмали испытывалось с помощью пескоструйной установки. Количественной оценкой износостойкости является время начала схода краски с окрашенной поверхности. Испытания проводились в разных точках покрытия, расстояние от образца до сопла 4 см, давление на выходе компрессора 1 МПа, диаметр трубки сопла 6 мм, песок кварцевый, фильтрованный. Износостойкость ЛК-покрытия определялась визуально, по времени начала схода краски с поверхности пластины. Время начала схода краски на разных образцах изменялось от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от толщины покрытия и его износостойкости. На каждом образце время начала схода краски определялось в 6 контрольных точках. Количественным показателем износостойкости являлось удельное время начала схода краски, т. е. величина, равная отношению времени начала схода краски, к толщине покрытия. Толщина ЛК-покрытия определялась с помощью микрометра и была в пределах 10–30 мкм.

Так как экспериментальная установка была нестандартной, то за показатель износостойкости принималось удельное время начала схода ЛК-покрытия опытного образца относительно контрольного. Повышение износостойкости опытных образцов относительно контрольного образца (без нанопорошка) в разных сериях экспериментов находилось в пределах от 1,1 до 3-кратного увеличения, как показано на гистограмме (рис. 1).

Проводились измерения микротвердости ЛК-покрытий с помощью микротвердомера ПМТ-3. Максимальное значение микротвердости достигается при концентрации Таркосила Т-20 0,05 масс.% и составляет ~370 МПа (то есть в 3,5 раз больше, чем у краски без нанопорошка).

Образцы покрытий испытывались согласно ТУ 6-10-1301-83. Эластичность покрытий модифицированных красок при изгибе по сравнению с контрольным образцом не изменилась и составляет не более 1 мм. Внешний вид модифицированного ЛК-покрытия также остался

А.В. НОМОЕВ и др. Влияние нанопорошка диоксида кремния на износостойкость лакокрасочного покрытия

Рис. 1. Гистограмма зависимости износостойкости ЛК-покрытия ХВ-16 от концентрации нанопорошка диоксида кремния без изменений: без морщин, оспин, потеков и посторонних включений. Не произошло изменения водопроницаемости ЛК-покрытий. Адгезия покрытия, проведенная методом решетчатых надрезов согласно ГОСТ 15140-78, составляет не более 1 балла для модифицированного и немо-дифицированного покрытий, что также соответствует ТУ.

На фотографиях (рис. 2) показаны атомно-силовые изображения (АСМ) поверхности покрытия краской ХВ-16 без нанопорошка (см. рис. 2а) и модифицированной нанопорошком в количестве 0,05% (см. рис. 2б). Размеры углублений в краске, модифицированной нанопорошком диоксида кремния, ~1,2 мкм, что значительно меньше размера углублений в немодифицированной краске ~3,2 мкм. Таким образом, наночастицы нанопорошка диоксида кремния создают упрочнение покрытия из краски за счет уменьшения размеров ее углублений, пор и создают дополнительные структурные связи как в дефектных местах вещества краски, так и между ее длинными полимерными молекулами.

На изменение механических свойств ЛК-покрытия, в частности, на износостойкость, влияет несколько факторов, к наиболее важным из которых, в первую очередь, следует отнести процесс «сшивания» макромолекул полимера между собой путем встраивания наночастиц диоксида кремния между ними. Возникновение мостиков из частиц диоксида кремния между молекулярными цепями происходит за счет химической активности свободных боковых радикалов макромолекул пленкообразо-вателя, что, в свою очередь, должно привести к увеличению твердости

А.В. НОМОЕВ и др. Влияние нанопорошка диоксида кремния на износостойкость лакокрасочного покрытия

Рис. 2. АСМ-изображение ЛК-покрытия из ХВ-16:

а) без нанопорошка диоксида кремния

б) модифицированного нанопорошком (содержание диоксида кремния 0,05%)

покрытия за счет когезии молекул пленкообразователя – это подтверждается исследованиями образцов на микротвердость. Появление максимума в зависимости износостойкости ЛК-покрытия от концентрации нанопорошка в краске (0,05%) можно объяснить двумя взаимоисключающими процессами: с одной стороны – снижением трещинообразования по всей толщине ЛК-покрытия при увеличении содержания нанопорошка в эмали в результате локализации микротрещин на наночастицах диоксида кремния, с другой – повышением микронапряжений на границе фаз «наночастица – молекулы полимера». Известно, что чем меньше размер частиц наполнителя, тем больше внутренние напряжения. Так, поливинилацетатное покрытие, содержащее 20% кварца, при удельной поверхности кварца 0,2 м2/г имеет внутренние напряжения около 0,5–2,7 МПа при удельной поверхности кварца 87 м2/г [5].

Эмаль ХВ-16 применяется не только в авиастроении, но и в строительстве: при окраске подготовленных металлических, тканевых, деревянных поверхностей, бетонных и железобетонных конструкций. Поэтому полученные в настоящей работе результаты могут быть использованы в строительной индустрии.

Таким образом, в настоящей работе выявлено повышение износостойкости лакокрасочных поливинилхлоридных покрытий при добавке нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил без заметного

А.В. НОМОЕВ и др. Влияние нанопорошка диоксида кремния на износостойкость лакокрасочного покрытия уменьшения эластичности и изменения других, важных для практического использования свойств лакокрасочного покрытия в силу малого количества (0,005–0,1%) вносимого в краску нанопорошка диоксида кремния.

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Номоев А.В., Лыгденов В. Ц., Бардаханов С.П. Влияние нанопорошка диоксида кремния на износостойкость лакокрасочного покрытия // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2010, Том 2, № 3. C. 19–24. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Nomoev A.V., Lygdenov V.Ts., Bardakhanov S.P. Influence of silicon dioxide powder on a lasquer coating wear-resistance. Nanotechnologies in Construction: A Scientific InternetJournal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2010, Vol. 2, no. 3, pp. 19–24. Available at: (Accessed __ _______ ____). (In Russian).