Способ получения лакокрасочного нанокомпозиционного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАКОКРАСОЧНОГО НАНОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Прокопчук Николай Романович Николайчик Анна Владимировна(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(56) НИКОЛАЙЧИК А.В. и др. Труды Белорусского государственного технологического университета Серия . Химия и технология органических веществ, 2008. - Вып. . - С. 85-89.2312874 1, 2007.2008102114 , 2009.2223988 2, 2004.2006/132254 1.(57) Способ получения лакокрасочного нанокомпозиционного материала, при котором готовят суспензию углеродных нанотрубок в 4 -ном растворе неонола в ацетоне при массовом соотношении компонентов 120 путем перемешивания на микродиспергаторе в течение 10 мин, полученную суспензию вводят в меламиноалкидный лак в количестве,обеспечивающем содержание в лаке 0,05 мас.углеродных нанотрубок, и перемешивают на диссольвере в течение 15 мин. Изобретение относится к способу получения лаковых меламиноалкидных лакокрасочных материалов, содержащих углеродные наночастицы, предназначенных для производства меламиноалкидных эмалей, грунтовок и шпатлевок, применяемых в машине- и станкостроении. В последние годы научный и практический интерес вызывают исследования по инкорпорированию в органическую полимерную матрицу лакокрасочного материала неорганических наночастиц, что, в основном, приводит к существенному изменению свойств модифицируемой матрицы и используется в области создания новых лакокрасочных материалов. Однако введение тонкодисперсных частиц углеродных нанодобавок неорганической природы в лакокрасочные материалы представляет сложность и требует выполнения дополнительных технологических мер для обеспечения лучшей совместимости указанных материалов. Одним из распространенных способов введения углеродных нанодобавок в лакокрасочные материалы является формирование нанокомпозиции смешением базового лакокрасочного материала с суспензией углеродных наноматериалов в подходящем 14800 1 2011.10.30 растворителе. Предварительное смешение углеродных наноматериалов с органическим растворителем позволяет обеспечить дисперсность нанодобавок и улучшить совместимость неорганических нанодобавок с полимерной матрицей. Так, известен способ введения углеродных нанотрубок, предварительно обработанных этанолом, в гибридный эпоксидно-силиконовый пленкообразователь 1. Суспензия углеродного наноматериала в растворителе (15-45 мас.) смешивается с эпоксидной и силиконовой смолой (55-85 мас.). Полученный таким образом лакокрасочный материал обладает огнестойкостью, способностью к радиопоглощению и влагостойкостью. Вместе с тем, лакокрасочные покрытия, формируемые на основе композиции, полученной вышеуказанным способом, обладают недостаточно высоким уровнем адгезионных свойств и эластичности. Известен способ внедрения углеродных нанодобавок, предварительно модифицированных химическим агентом. Предварительная подготовка углеродных нанотрубок заключается в химической модификации ее поверхности, а именно в окислении углеродных нанотрубок кислотой. Окисленные наноматериалы подвергают взаимодействию с ацилирующим агентом, чтобы в дальнейшем приготовить активные нанотрубки, содержащие ацилгалоидные группы. Активные нанодобавки вводят в полимер, содержащий концевые гидроксильные или концевые амино-группы. Таким способом получают разветвленный полимер, который можно использовать в качестве основы для лакокрасочных материалов с целью создания высокопрочных и радиопоглощающих покрытий 2. Вместе с тем, данный способ имеет недостатки, заключающиеся в многостадийности, сложной технологической схеме и дороговизне его использования для получения нанокомпозиционных лакокрасочных материалов. Известно изобретение, посвященное разработке нанокомпозиционного лакокрасочного материала, содержащего углеродные наночастицы, для формирования защитного покрытия 3 (прототип). Получение эпоксидной композиции для создания защитного покрытия с повышенными прочностными, адгезионными и водозащитными свойствами приготавливают путем введения необработанного химическими агентами углеродного наноматериала с использованием диспергирующей техники. Приготавливают композицию, состоящую из эпоксидной смолы марки Э-41 р, ультрадисперсного алмаза с размерами единичных частиц от 3 до 10 нм и удельной поверхностью 350-500 м 2/г и отвердителя марки Э 5 - раствора полиамидной смолы в ксилоле. Композицию перемешивают в течение 15 минут при 20 С в бисерной мельнице при скорости вращения дисковой мешалки 9000 об/мин и наносят на подложку методом облива. Отверждают композицию в термошкафу при температуре 100 С в течение 65 мин. Данный способ характеризуется простой технологической схемой и позволяет получать защитные нанокомпозиционные покрытия с высоким уровнем водозащитных свойств, но недостаточно высокими адгезией и прочностными свойствами. Технической задачей изобретения является разработка способа введения углеродного наноматериала в лакокрасочный материал на основе органического пленкообразующего вещества с целью повышения адгезионных и физико-механических показателей покрытия. Поставленная задача достигается использованием способа получения лакокрасочного нанокомпозиционного материала, при котором готовят суспензию углеродных нанотрубок в 4 -ном растворе неонола в ацетоне при массовом соотношении компонентов 120 путем перемешивания на микродиспергаторе в течение 10 мин, полученную суспензию вводят в меламиноалкидный лак в количестве, обеспечивающем содержание в лаке 0,05 мас.углеродных нанотрубок, и перемешивают на диссольвере в течение 15 мин. Для получения нанокомпозиционного лакокрасочного материала используют углеродные нанотрубки (УНТ) отечественного производства (Институт тепло- и массообмена НАН Беларуси) - синтетический материал с повышенной поверхностной активностью и структурообразующими свойствами. 2 14800 1 2011.10.30 В качестве меламиноалкидного лака нанокомпозиция содержит меламиноалкидный лак марки МЛ-0159 (СТП 10-98). В качестве диспергирующего агента используется добавка Неонол АФ 9-10 (ТУ 2483077-05766801-98)(Изононилфенил)гидрокси-полиокси-1,2-этандиил формулы 91964(24)10. Оксиэтилированный нонилфенол на основе тримеров пропилена является высокоэффективным неионогенным поверхностно-активным веществом. Для получения раствора Неонола в органическом растворителе используется ацетон химически чистый (ТУ 2633-018-44493179-98 с изм.1, 2). Сравнение предлагаемого способа получения лакокрасочной композиции, содержащей углеродные наночастицы, со способом прототипа показывает, что отличием предлагаемого способа от известного является предварительная обработка поверхности наночастиц раствором поверхностно-активного вещества неионогенного типа Неонола в ацетоне. Использование предварительной обработки поверхности нанотрубок -(Изононилфенил)гидрокси-полиокси-1,2-этандиилом способствует дезагрегации и, как следствие,достижению наилучших показателей лакокрасочных покрытий. Данная добавка является диспергирующим агентом, облегчающим совмещение углеродных нананодобавок с пленкообразующим веществом. Вероятно, Неонол взаимодействует с углеродом посредством углеводородных гидрофобных сегментов, в то же время оксиэтиленовые гидрофильные сегменты могут взаимодействовать с пленкообразующим через водородную связь. Анализ источников информации показал, что использования способа введения углеродных нанотрубок в поликонденсационные органорастворимые лакокрасочные материалы путем предварительной обработки поверхности наночастиц Неонолом не обнаружено. Неонол АФ 9-10 предварительно растворяют в ацетоне для приготовления 4 -го раствора. Затем расчетное количество УНТ добавляют к раствору диспергирующего агента в ацетоне в соотношении 120 по массе. Суспензию перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин на микродиспергаторе фирмымарки. После этого добавляют необходимое количество меламиноалкидного лака МЛ-0159 и помещают смесь в диссольвер . Составление нанокомпозиционного лакокрасочного материала происходит в диссольвере в течение 15 мин при скорости вращения фрезерной мешалки 1000-3000 об/мин. Лакокрасочная композиция, содержащая наночастицы, наносится на стальные (сталь листовая холоднокатаная марки 08 кп) и жестяные (черная полированная жесть) подложки, предварительно очищенные от загрязнений и обезжиренные. Нанесение материала на окрашиваемую поверхность осуществляется методом облива. Покрытия формируются при температуре (1202) С в течение 30 мин в термошкафу. Установлено, что оптимальной концентрацией УНТ для достижения наилучших эксплуатационных свойств нанокомпозиционного меламиноалкидного покрытия и себестоимости изготовления нанокомпозиционного материала является 0,05 от массы лака. Внешний вид сформированных нанопокрытий характеризуется высоким качеством исполнения гладкой поверхностью, без оспин, посторонних включений и других дефектов. Способ получения нанокомпозиционного лакокрасочного материала на основе меламиноалкидного пленкообразующего вещества иллюстрируется примерами конкретного исполнения Пример 1. Растворяют 0,015 г Неонола АФ 9-10 (ТУ 2483-077-05766801-98) в 0,4 г ацетона при комнатной температуре. К полученному раствору добавляют 0,02 г УНТ и переносят данную смесь в микродиспергатор фирмымарки, где в течение 10 мин при помощи циркониевых шариков диаметром 5 мм происходит диспергирование углеродного наноматериала в растворе Неонола в ацетоне химически чистом (ТУ 26333 14800 1 2011.10.30 018-44493179-98 с изм.1, 2) при комнатной температуре. Приготовленная таким образом суспензия УНТ вводится в 40 г меламиноалкидного лака марки МЛ-0159. Распределение суспензии УНТ в меламиноалкидном лаке осуществляется при помощи диссольвера, снабженного фрезерной мешалкой (1000 об/мин), в течение 15 мин. Составленную лакокрасочную композицию наносят на подложку методом облива. Отверждают композицию в термошкафу при температуре (1202) С в течение 30 мин. Толщина формируемого покрытия - 70-80 мкм. Остальные примеры выполнены аналогично примеру 1, отличаются частотой вращения фрезерной мешалки диссольвера при составлении нанокомпозиционного лакокрасочного материала. Так, примеру 2 соответствует частота вращения мешалки 2000 об/мин,примеру 3-2500 об/мин, примеру 4 - 3000 об/мин. Полученные вышеуказанным способом покрытия были подвергнуты комплексу испытаний в соответствии с действующими на территории Республики Беларусь стандартами для лакокрасочных покрытий, основные результаты которых приведены в таблице. Показатель Предлагаемый способ Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Адгезия по методу решетчатых надре 0 0 0 0 1 зов, балл, не менее Адгезия по методу решетчатых надре 15 20 17 13 10 зов с обратным ударом, см, не менее Прочность при уда 85 85 75 70 50 ре, см, не менее Прочность при из 2 2 2 2 20 гибе, мм, не более Твердость по маятниковому прибору,0,19 0,21 0,19 0,18 отн. ед.- чем ниже значение прочности при изгибе, тем лучше этот показатель. Сравнение со способом прототипа показывает, что предлагаемый способ получения нанокомпозиции позволяет получать лакокрасочные материалы, способные к формированию покрытий с повышенными адгезионными и прочностными характеристиками. Так,адгезия по методу решетчатых надрезов возрастает с 1 до наивысшего 0 балла, в то время как адгезия по методу решетчатых надрезов с обратным ударом повышается в 2 раза. Кроме того, изготовление лакокрасочной нанокомпозиции по предлагаемому способу обеспечивает формирование покрытия с улучшенными физико-механическими характеристиками прочность при ударе повышается примерно на 30 , тогда как прочность при изгибе увеличивается в более значительной степени по сравнению с композицией прототипа (в 10 раз). Таким образом, использование предлагаемого способа изготовления нанокомпозиционного лакокрасочного материала позволит получать покрытия с более высоким уровнем адгезионных и прочностных характеристик, что, в свою очередь, эквивалентно созданию покрытий, обеспечивающих более эффективную защиту покрываемых поверхностей. Применение предлагаемого изобретения обеспечивает возможность создания высококачественных лакокрасочных материалов и покрытий на основе меламиноалкидного лака МЛ-0159 с улучшенными технологическими, адгезионными, механическими и защитными свойствами, что, в свою очередь, позволяет продлить долговечность защищаемых металлических поверхностей и может с успехом применяться в машино- и станкостроении. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5