Objednejte si bezplatné zasílání tištěné verze časopisuKONSTRUKCE Media, s. r. o.Com4In Group
ISSN 1803-8433
English - Google Translate Česky - Překladač Google French - Google Translate Italian - Google Translate German - Google Translate Polish - Google Translate Spanish - Google Translate Swedish - Google Translate   |   Přihlásit se   
Nacházíte se:  Úvod    Povrchová ochrana    Nanokompozitní nátěry a jejich změny vlastností v závislosti na obsahu CNT částic v systému

Nanokompozitní nátěry a jejich změny vlastností v závislosti na obsahu CNT částic v systému

Publikováno: 20.8.2013
Rubrika: Povrchová ochrana

Nanotechnologie v současnosti patří mezi technologie, které nachází svoje využití v nejrozličnějších oborech. Nanomateriály mají rozsáhlou škálu unikátních vlastností, které jsou dnes v některých technologických aplikacích s oblibou využívány. Nejpoužívanějšími nanomateriály jsou kovové nanočástice. Na druhé místo se řadí uhlíkové nanočástice, které dnes patří k jedněm z nejperspektivnějších typů nanomateriálů. Kovalentní vazby přítomné v uhlíkových nanomateriálech poskytují kompozitu například vysokou tepelnou odolnost, vysokou pevnost v tahu (až 152 GPa) či dobrou otěruvzdornost. Tato práce se zaměřuje na změny vlastností nanokompozitního nátěru v závislosti na obsahu uhlíkových nanotrubic (CNT) v epoxidové pryskyřici. Pro charakterizaci jednotlivých parametrů byla provedena řada experimentů zaměřených například na odolnost proti abrazivnímu opotřebení, kluzné vlastnosti, přilnavost či korozní odolnost.

V dnešní době jsou moderní technologie velmi často spojovány s nanotechnologiemi. Nanomateriály nám poskytují širokou škálu zajímavých vlastností, jako například neměnnost vlastností během používání, čehož se široce využívá.

Nanokompozitní materiál se skládá z matrice (např. kov, polymer) a částic, které jsou v ní rovnoměrně rozptýleny, přičemž velikost částic se pohybuje v rozmezí od 1 do 100 nm. Podle tvaru použitých částic můžeme provést rozdělení do tří skupin – 0, 1 a 2 dimenzionální nanoobjekty. U 0 dimenzionálních objektů jsou rozměry ve všech třech osách přibližně stejně velké. 1 dimenzionální nanoobjekty mají jeden rozměr výrazně větší než zbývající dva a nazývají se nanotrubice a nanovlákna. V případě 2 dimenzionálních nanoobjektů je „nano“ velikost jen pouze v jednom směru.

Nanočástice zlepšují mechanické i fyzikální vlastnosti kompozitu. Například uhlíkové nanotuby nazývané zkratkou (pocházející z anglických slov – carbon nano tube) CNT mohou v závislosti na typu a rozměru nanotuby výrazně zvyšovat pevnost v tahu, elektrickou a tepelnou vodivost, tepelnou odolnost či mechanickou poddajnost [1 – 5].

Ve zbývající části článku se dále budeme zabývat kompozitními materiály s 1D nanoobjekty, a již zmíněnými uhlíkovými částicemi. Konkrétně v tomto případě půjde o mnohostěnné uhlíkové nanotrubice MWCNT, které jsou rozptýlené v epoxidové matrici a jejich přítomnost má vliv zejména na mezifázovou adhezi.

PŘÍPRAVA VZORKU
Nanokompozitní nátěry byly aplikovány na odmaštěné kupóny o rozměrech 7,5 × 10 × 1 mm zhotovené z ocelového plechu třídy 11 375. Pro ověření vlivu matrice na vlastnosti byly použity tři typy nízkomolekulárních epoxidových pryskyřic na bázi Bisfenol A (Tabulka 1), do nichž byly homogenně vmíchány uhlíkové nanotrubice MWCNT o průměru 5 až 50 nm v různém množství. Obsah MWCNT u první sady testů byl 4 hm. %, 7 hm. % a 10 hm. % a u druhé sady 0,5 hm. %, 1 hm. % a 2 hm. %. Mechanické dispergování bylo z důvodu snížení viskozity prováděno při 70 °C po dobu 10 minut. Tato část je nejdůležitější a nejcitlivější etapou celého procesu přípravy vzhledem k potřebě vyrobit, co možná nejlépe, homogenizovaný materiál.

Po zaschnutí vzniklých směsí následovala fáze vytvrzení. Tato závěrečná fáze byla provedena v peci při lehce zvýšené teplotě.

Tab. 1 – Použité epoxidové pryskyřice a tvrdidla na výrobu kompozitního materiálu

Epoxidová pryskyřice (značení)

Tvrdidlo Mísící poměr
CHS-EPOXY 531 (531) TELATIT 0563 100:31
CHS-EPOXY 210 X 75 (210) TELATIT 160 100:56
CHS-EPOXY 222 IX 60 (222) TELATIT 160 100:50

ANALÝZA
Ověření kvality dispergace
Kontrola kvality připravených vzorků byla provedena na elektronovém řádkovacím mikroskopu Jeol JSM 7600F s maximálním SEI rozlišením až 1 nm při 30 V. Bylo zjištěno, že uhlíkové nanotrubice jsou rozmístěny rovnoměrně, vzájemně se nedotýkají a netvoří shluky. Též byly naměřeny průměry nanotrubic s tím, že získané hodnoty odpovídaly výrobcem stanovenému rozsahu průměru od 5 do 50 nm.

Na obrázku 1 je zobrazena struktura nanokompozitního systému utvořeného z epoxidové pryskyřice s 10 hm. % MWCNT při zvětšení 1 μm, přičemž detailnější zobrazení s vyznačenou naměřenou tloušťkou nanotrubice je vidět na obrázku 2 při zvětšení 100 nm [6].

Abrazivní opotřebení
Pro ověření mechanické odolnosti byla zvolena zkouška abrazivního opotřebení, která byla provedena v experimentálním zařízení zkonstruovaném na ČVUT v Praze. Uvedené zařízení vytváří abrazivní prostředí čerpáním suspenze, což zajišťuje míchadlo se skleněnými lopatkami. V případě těchto testů byla použita 3% suspenze utvořená korundem F22 a vodou. Otáčky míchadla lze přesně nastavit pomocí frekvenčního měniče, čímž dochází k úpravě intenzity působení částic. Po stanovení dolní a horní hranice aplikovaných otáček míchadla, byly pro samotný experiment zvoleny tři frekvence otáčení a to 680, 730 a 790/min.

Testy na vzorcích s čistou epoxidovou pryskyřicí prokázaly vzrůst rychlosti abrazivního opotřebení se zvyšující se rychlostí obtékání suspenze podél vzorku (obr. 3). V prostředí s frekvenčním otáčením 730/min, kde hodnota rychlosti obtékání suspenze je 1 018 m/s, se ukázalo, že pro vzorky s kompozitními povlaky je rychlost abrazivního opotřebení výrazně nižší a to dokonce až o 350 % u vzorku s MWCNT 7 hm. %, než pro epoxidovou pryskyřici neobsahující žádné nanotrubice (obr 4).

MWCNT mají tedy pozitivní vliv na abrazivní odolnost s nejvyšší intenzitou v rozmezí od 7 do 10 hm. %. V tomto intervalu je množství nanoturubic optimální a současně je optimální rychlost abrazivního opotřebení. V případě vyššího obsahu (10 a výše hm. %) dochází k opětovnému zhoršení odolnosti materiálu. [6]

Přilnavost
Měření přilnavosti bylo provedeno mřížkovou a odtrhovou zkouškou.

Odtrhová zkouška byla provedena dle normy ČSN EN ISO 4624. U vzorků s čistou epoxidovou pryskyřicí převažoval adhezivní lom, ke kterému docházelo průměrně při 5,9 MPa. Ukázalo se, že se zvyšováním obsahu uhlíkových částic lineárně klesá přilnavost kompozitního nátěru k podkladu, což je způsobeno kluznými vlastnostmi uhlíkových částic, které se se zvyšujícím obsahem postupně výrazněji projevují. Lepších výsledků nebylo dosaženo ani zdrsněním povrchu podkladového materiálu. Sice byly na zdrsněném povrchu naměřeny vyšší hodnoty odtrhové pevnosti, ale vzniklý nárůst nebyl nijak výrazný a na klesajícím trendu přilnavosti se zvyšujícím se obsahem nanočástic nic nezměnil [6, 7].

Mřížková zkouška provedená dle normy ČSN ISO 2409 potvrdila získané poznatky z odtrhové zkoušky. Ukázala však, že změněním typu epoxidové pryskyřice dochází ke zlepšení přilnavosti u vzorků s nižším obsahem MWCNT do 1 hm. % včetně.

Tvrdost
V počátku bylo zamýšleno měření tvrdosti podle Buchholze, při níž se hodnotí odolnosti povlaku proti vnikání kovového břitu. Tato metodika se však ukázala jako zcela nevhodná vzhledem k vysoké elasticitě povlaku. Z tohoto důvodu se přistoupilo k měření tvrdosti tužkovým testem, tzv. Wolf-Wilborn test podle normy ASTM D3363. Výsledky této zkoušky ukázaly, že přidáním nízkého množství uhlíkových částic (do 1 hm. %) do zkoušených epoxidových pryskyřic nedochází k žádné výrazné změně tvrdosti. Téměř naprostá většina naměřených hodnost se pohybovala v rozmezí tvrdosti tužky F až H, kdy čisté epoxidové pryskyřice byly převážně o stupeň tvrdší než vzorky s nízkým obsahem uhlíkových částic. [8]

Korozní odolnost
Korozní odolnost připraveného kompozitního povlaku byla otestována v neutrální solné mlze dle normy ČSN EN ISO 9227. Vzorky byly podrobeny expozici 240 h, po níž byly visuálně vyhodnoceny dle normy ČSN EN ISO 10289.

Test korozní odolnosti neutrální solnou mlhou ukázal, že přídavkem MWCNT částic nedochází ke zhoršení vlastností povlaku a jeho schopností chránit podkladový materiál proti korozi a v případě epoxidu 531 s 1 hm. % MWCNT dochází dokonce ke zvýšení odolnosti proti puchýřování oproti ostatním testovaným systémům (obr. 5) [8].

ZÁVĚR
Výsledky z provedených experimentů ukázaly, že kvalita nanokompozitního povlaku je přímo ovlivňována předúpravou povrchu, správným výběrem typu matrice a koncentrací nanočástic v systému. Dále se ukázalo, že koncentrace MWCNT významně ovlivňuje výsledné vlastnosti celého nanokompozitního nátěru.

Přidání uhlíkových nanotrubic do systému zlepšuje tribologické vlastnosti, především odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Nejlepších výsledků v tomto směru bylo při testech dosaženo s koncentrací 7 hm. % MWCNT. Ukázalo se však, že se zvyšováním obsahu uhlíkových nanotrubic v epoxidové pryskyřici dochází k postupnému snižování přilnavosti nátěru k podkladu. Zohlední-li se do toho i výsledky získané testy korozní odolnosti, je nejvhodnější koncentrací MWCNT z hlediska přilnavosti a korozní odolnosti 1 hm. % částic v epoxidové pryskyřici.

LITERATURA:
[1] Hošek J., Úvod do nanotechnologie, Praha: Nakladatelství ČVUT (2010). str. 170s. ISBN 978-80-01- 04555-8.
[2] Prnka T., Šperlink K., Nanotechnologie. II. řada. Ostrava: Repronis Ostrava (2004). str.70s. ISBN 80-7329-070-7.
[3] Zbořil R., Nanotechnologie – svět malých rozměrů a velkých možností, dostupné na www: http://fch.upol.cz/skripta/seh/RZ_2011.pdf 
[4] Bittová B., Nanotechnologie, dostupné na www: http://kdf.mff.cuni.cz/~koudelkova/U3V/Bittova_nano.pdf 
[5] Kudláček J., Červený J., Kreibich V., Benešová D. (2012). Nanomateriály a využití nanočástic pro nátěrové systémy, Výzkumná zpráva k projektu Vývoj nových kompozitních povlaků na bázi 1D nanoobjektů.
[6] Kudláček J., Červený J., Kreibich V., Benešová D. (2012). Vyhodnocení abrazivního opotřebení a odtrhových zkoušek, Výzkumná zpráva k projektu Vývoj nových kompozitních povlaků na bázi 1D nanoobjektů.
[7] Kudláček J., Červený J., Kreibich V., Benešová D. (2012). Měření přilnavosti, Výzkumná zpráva k projektu Vývoj nových kompozitních povlaků na bázi 1D nanoobjektů.
[8] Jeníček V., Diblíková L., Kudláček J., Herrmann F. (2013). Analýza vlivu 1D nanoobjektů na parametry kompozitních povlaků, Výzkumná zpráva k projektu Vývoj nových kompozitních povlaků na bázi 1D nanoobjektů.

Nanocomposite Coatings and Their Property Modifications Depending on the Content of CNT Particles in a System
Today, nanotechnologies are among technologies which find their application in various fields. Nanomaterials have a wide range of unique properties which are nowadays preferred in some technological applications. Metal nanoparticles are the most applied nanomaterials. They are followed by carbon nanoparticles which are one of the most perspective types of nanomaterials of today. A covalent bonds present in carbon nanomaterials provide composity, for instance, high-temperature resistance, high breaking strain (up to 152 GPa) or good abrasion resistance. This work emphasises on property modifications of nanocomposite coatings depending on the content of carbon nanotubes (CNT) in the epoxy resin. For characterisation of individual parameters plenty of experiments focusing, for instance, on abrasion resistance, sliding properties, adhesiveness or corrosion resistance were performed.

Bookmark
Ohodnoďte článek:

Fotogalerie
Obr. 1 – Kompozitní systém EP10M (1 μm)Obr. 2 – Kompozitní systém EP10M (100 nm)Obr. 3 – Úbytek tloušťky nátěru v závislosti na čase expoziceObr. 4 – Úbytek tloušťky kompozitního povlaku v závislosti na čase expoziceObr. 5 – Vzorky epoxidové pryskyřice 531 s různým obsahem MWCNT částic po 240 h v neutrální solné mlze

NEJčtenější souvisejicí články (v posledních 30-ti dnech)

Požární odolnost ocelových konstrukcíPožární odolnost ocelových konstrukcí (332x)
Ocel je moderní stavební materiál, který má široké možnosti uplatnění ve všech typech staveb. Z hlediska požární odolnos...
Vlies – nehořlavý materiál pro stavebnictvíVlies – nehořlavý materiál pro stavebnictví (274x)
Slovo Vlies není úplně běžné ale mnoho lidí jistě slyšelo podobné označení ve spojení s oblečením. Flíska neboli flísová...
Některé aspekty prvopočátků požárních uzávěrů otvorů po zavedení ČSN řady 73 08…Některé aspekty prvopočátků požárních uzávěrů otvorů po zavedení ČSN řady 73 08… (233x)
V nedávné minulosti jsme byli svědky ojedinělé akce České obchodní inspekce, která byla prezentována odborné i laické ve...

NEJlépe hodnocené související články

Protikorozní ochrana ocelových konstrukcí duplexními povlaky (5 b.)
Ocelové konstrukce jsou součásti našeho života a ve velké míře nás obklopují. Setkáváme se s nimi jak při výrobě různých...
Tryskání a ekonomieTryskání a ekonomie (5 b.)
Snahou konstruktérů je vyvinout technologie, které překonávají vlastnosti technologií předešlých. Technologie, vznikajíc...
Hempel a Volkswagen AG: úspěšná spolupráce v ruském městě KalugaHempel a Volkswagen AG: úspěšná spolupráce v ruském městě Kaluga (5 b.)
Na pozvání Volkswagen Group Rus se společnost Hempel nedávno zúčastnila důležitého projektu zajištění protikorozní ochra...

NEJdiskutovanější související články

Ochranná maskovací páska do žárového zinkuOchranná maskovací páska do žárového zinku (3x)
Na základě poptávky našich zákazníků na maskování částí ocelových konstrukcí před žárovým pozinkováním jsme se začali za...
Povrchová úprava při výstavbě a rekonstrukcích fotbalových stadionů v JARPovrchová úprava při výstavbě a rekonstrukcích fotbalových stadionů v JAR (2x)
Přelom června a července letošního roku bude ve znamení Mistrovství světa ve fotbale 2010. Tuto sportovní událost poprvé...
Pasivní protipožární ochrana (1x)
Ocel je nehořlavý anorganický materiál používaný pro své fyzikální a mechanické vlastnosti ve stavebnictví a v dalších o...
Aktuální číslo časopisu
Katalog firem - registrace

Působíte v oboru
pozemních staveb?
Potom využijte možnosti registrace
za akční cenu 300,-/rok

do Katalogu firem.

Google