Zastosowanie nanocząstek o zaprojektowanej budowie jako modyfikatorów farb proszkowych

• Autorzy: Kozakiewicz J. , Kuczyńska H. , Jesionowski T. , Nowakowski R. , Sobczak J. W. , Koncka-Foland A.

Warianty tytułu

EN

Use of nanoparticles of designed architecture as modifiers for powder coatings

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości i struktury powierzchni powłok lakierowych wykonanych z epoksydowo-poliestro-wych farb proszkowych otrzymanych przy zastosowaniu dodatku 3 % proszków silikonowo-akrylowych. Proszki te stanowiły aglomeraty nanocząstek o budowie rdzeń-otoczka, w których rdzeń stanowiła żywica silikonowa o temperaturze zeszklenia ok. -110 °C, a otoczkę polimer metakrylowy o temperaturze zeszklenia ok. 140 °C (rys. 1). Proszki (rys. 2) uzyskano na drodze suszenia rozpyłowego wodnych hybrydowych dyspersji silikonowo-akrylowych, które otrzymywano w procesie polimeryzacji emulsyjnej opracowanym w Instytucie Chemii Przemysłowej w Warszawie [4, 5]. Zbadano powłoki lakierowe wykonane z farb zawierających trzy rodzaje proszków oznaczonych odpowiednio jako A, B i C, w których jako podstawowe polimery otoczki nanocząstek zastosowano (polimetakrylan metylu), kopolimer metakrylanu metylu z metakrylanem glicydylu i kopolimer metakrylanu metylu z kwasem akrylowym), a stosunek wagowy rdzenia do otoczki wynosił ok. 40/60. Stwierdzono poprawę wytłaczalności farb modyfikowanych 3 % dodatkiem proszków w porównaniu z wytłaczalnością farby niemodyfikowa-nej. Zaobserwowano też, że ziarna farby bez dodatku proszków miały bardziej ostre krawędzie, niż ziarna farb modyfikowanych (rys. 3). Nie stwierdzono natomiast różnic w wyglądzie farb podczas przechowywania w temp. 40 °C przez 4 tygodnie, co świadczy o ich dobrej stabilności. Podstawowe właściwości powłok lakierowych wykonanych z farb modyfikowanych (oznaczonych jako 2, 3 i 4) w porównaniu z powłoką z farby niemodyfikowanej (oznaczonej jako 1) były znacznie lepsze (tab. 1). Szczególną poprawę zaobserwowano w przypadku odporności na uderzenie oraz tłoczności, co świadczy o znacznym zmniejszeniu kruchości powłok dzięki wprowadzeniu dodatku proszków silikonowo-akrylowych. Zwiększając zawartość proszku A w farbie do 5 % uzyskano dalszy wzrost odporności powłok na uderzenie (rys. 4), ale inne ich właściwości uległy nieznacznemu pogorszeniu. Wyniki badania powierzchni przełomu powłok przy zastosowaniu techniki SEM (rys. 5) wskazują na różnicę w strukturze powłoki niemodyfikowanej i modyfikowanej 3 % dodatkiem proszku A, co może być przyczyną obserwowanej znacznie większej elastyczności powłoki modyfikowanej. Odmienna jest też struktura powierzchni tych powłok (rys. 6), co może wskazywać na występowanie migracji żywicy silikonowej do powierzchni. To przypuszczenie potwierdziły w pełni badania składu powierzchni powłok metodą ESCA (Electron Specroscopy for Chemical Analysis). Zawartość krzemu w warstwach powierzchniowych powłok uzyskanych z farb modyfikowanych 3 % dodatkiem proszków wynosiła od kilku do 10 % i była ponad 10-krotnie wyższa, niż obliczona średnia zawartość krzemu w całej masie powłoki (ok. 0,45 %). Ponadto stwierdzono, że zawartość krzemu rośnie wraz ze zmniejszaniem się odległości od powierzchni powłoki. Obecność żywicy silikonowej na powierzchni powłok wydają się potwierdzać także obserwacje uzyskane techniką AFM. Na zdjęciu powierzchni modyfikowanej powłoki wykonanym tą techniką (rys. 8) widać wyraźnie drobne elementy o rozmiarach rzędu kilkudziesięciu nm wbudowane w warstwy przypowierzchniowe, które można zidentyfikować jako nanocząstki zbudowane z żywicy silikonowej, które tworzyły rdzenie większych nanocząstek o budowie "rdzeń-otoczka" znajdujących się w proszku. Potwierdzeniem tej tezy jest wykazany w badaniach AFM fakt zwiększania się liczby tych cząstek na powierzchni powłoki wraz ze zwiększaniem zawartości nanoproszku w farbie.

EN

The paper presents the results of studies on properties and surface structure of coats made from epoxy-polyester powder coatings obtained using silicone-acrylic powders as additives. The powders were agglomerates of nanoparticles of "core-shell" architecture where core was silicone resin of glass transition temperature ca. -110 °C and shell was methacrylic polymer of glass transition temperature 140 °C (Fig. 1). The powders (Fig. 2) were obtained by spray drying of aqueous hybrid silicone-acrylic dispersions which were prepared in emulsion polymerization process developed in Industrial Chemistry Research Institute in Warsaw [4, 5]. The coats were obtained from coatings containing three different powders designated as A, B and C, corresponding to shells of nanoparticles which constituted the powders made of polymethylmethacrylate), methyl methacrylate-glicydyl methacrylate copolymer and methyl methacrylate-acrylic acid, respectively. Core to shell mass/mass ratio was 40/60. Improvement of extrudability of coatings modified with 3 % of powders as compared to extrudability of unmodified coating. It was also observed that edges of particles of the unmodified powder were more sharp than those of modified powder (Fig. 3). No difference in appearance of coatings after 4 weeks storage at 40 °C was found what suggests good stability. Substantial properties of the coats (Table 1) obtained from modified coatings (designated as 2, 3 and 4) were much better than those observed for unmodified coating (designated as 1). In particular, significant improvement was observed for impact resistance and cupping what proves that brittleness of the coats diminished very much due to addition of silicone-acrylic powders. When the content of powder A in coating raised up to 5% further increase in impact resistance of the coats was observed (Fig. 4), but other properties of the coats slightly diminished. Results of SEM investigations of the coats brittle fracture surface (Fig. 5) suggest that there is a difference between structure of unmodified coat and coat modified with 3 % of powder A coats what may be the reason for the observed distinctly higher elasticity of the modified coat. Also the surface structure of both coats is different (Fig. 6) what may suggest that migration of silicone resin to the surface occurs. This assumption was fully supported by investigations of the composition of the coats surface by ESCA (Electron Specroscopy for Chemical Analysis). The content of silicon in surface layers of the coats obtained from coatings modified with 3 % of powders was up to 10 % being then 10 times higher than the calculated average content of silicon in total mass of the coat (ca. 0.45 %). Moreover, it was found that content of silicon increases when distance to the surface decreases. The presence of silicone resin on the coats surface seems to be confirmed also by AFM observations. In Fig. 8 where the AFM image of the modified coat surface is presented small items of the nanometric size which are embedded in the surface layers are visible. They may be identified as nanoparticles of silicone resin which formed cores in bigger "core-shell" nanoparticles contained in the powder. This assumption was confirmed by further AFM studies since it was found that number of those nanostructures increased with increase in content of the powder in the coating.

Słowa kluczowe

PL

zastosowanie nanocząstek; modyfikatory farb proszkowych; metoda syntezy dyspersji; hybrydowa struktura nanocząstek; właściwości powłok

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 28, nr 5
• Strony: 863--866
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kozakiewicz J.

autor

Kuczyńska H.

autor

Jesionowski T.

autor

Nowakowski R.

autor

Sobczak J. W.

autor

Koncka-Foland A.

• Instytut Chemii Przemysłowej, Warszawa,

Bibliografia

• [1] Pat. USA 5 961 659 (1999)
• [2] Pat. USA 3 898 300 (1987)
• [3] Pat. USA 5 223 586 (1993)
• [4] Zgł. Pat. PL P-379411 (7.04.2006)
• [5] Kozakiewicz J.: Studien an Spezialelastomeren auf Basis von Polysiloxan-Bloecke enthaltenden Elastomeren, Gummi Fasern Kunststoffe, 2006, nr 6, 363-371