Analysis of polyurethane top-coat destruction influence on erosion kinetics of polyurethane-epoxy coating system

Kotnarowska, Danuta

doi:10.17531/ein.2019.1.12

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Analysis of polyurethane top-coat destruction influence on erosion kinetics of polyurethane-epoxy coating system

Autorzy

Kotnarowska Danuta

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2019.1.12

Warianty tytułu

Analiza wpływu destrukcji nawierzchniowej powłoki poliuretanowej na kinetykę erozji systemu powłok poliuretanowo-epoksydowych

Języki publikacji

Abstrakty

The paper presents results of investigations concerning influence of climatic factors and environmental pollution on chemical and physical destruction of polyurethane top coat. In order to increase the operational life of polyurethane coating, its composition was modified by nanoparticles addition of aluminium dioxide (of grain size d=20 nm) or silica (of grain size d=16 nm), which mass share was 3%. Three-year ageing on climatic station of coating systems samples with such modified top coat as well as with unmodified top coat caused its chemical destruction as FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) examinations documented relevant increase of carbonyl groups (C=0) content. This fact testified oxidation degree rise of superficial layers which indicated their oxidation resistance decrease. Also oxidation initial temperature decrease of polyurethane coating was revealed using DSC (Differential Scanning Calorymetry). Influence of climatic factors and environmental pollution contributed also to the physical destruction of the coating which caused an increase of its surface roughness and generated craters, etchings and cracks (including the silver cracks). Destruction degree of climatically aged polyurethane coating influenced erosive wear intensity of three-layer polyurethane-epoxy coating system. The lowest chemical and physical destruction under the influence of operational factors as well as the highest hardness revealed the coating systems with polyurethane top coat modified with aluminium dioxide what was the reason that they showed also the lowest erosive wear intensity. On the other hand, aged analogously coating systems with polyurethane top coat modified with silica were marked by comparably bigger destruction than the coating systems modified with aluminium dioxide which was the reason of their erosive wear intensity increase.

W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu naturalnych czynników klimatycznych oraz zanieczyszczeń środowiskowych na destrukcję chemiczną i fizyczną nawierzchniowej powłoki poliuretanowej. Celem zwiększenia trwałości eksploatacyjnej powłoki poliuretanowej wprowadzono do jej składu nanocząstki tlenku glinu (o rozmiarze ziarna d=20 nm) lub krzemionki (o rozmiarze ziarna d=16 nm), których udział masowy wynosił 3,5%. Starzenie próbek systemów powłokowych, zarówno z tak zmodyfikowaną powłoką nawierzchniową, jak i z powłoką nawierzchniową niemodyfikowaną, na stacji klimatycznej w okresie 3 lat spowodowało destrukcję chemiczną powłoki nawierzchniowej. Badania spektroskopowe w podczerwieni (FTIR) udokumentowały bowiem istotne zwiększenie zawartości grup karbonylowych (C=O), świadczące o wzroście stopnia utlenienia warstw nawierzchniowych, co wskazuje na zmniejszenie ich odporności oksydacyjnej. Na podstawie analizy termicznej DSC (różnicowej kalorymetrii skaningowej) ustalono również obniżenie temperatury początku utleniania powłoki poliuretanowej. Oddziaływanie czynników klimatycznych i zanieczyszczeń środowiska przyczyniło się także do destrukcji fizycznej tej powłoki. Skutkowało to wzrostem chropowatości jej powierzchni oraz tworzeniem: kraterów, wytrawień, i pęknięć (w tym pęknięć srebrzystych). Stopień destrukcji starzonej klimatycznie powłoki poliuretanowej miał wpływ na intensywność zużywania erozyjnego trójwarstwowego systemu powłok poliuretanowo-epoksydowych. Najmniejszą destrukcją chemiczną oraz fizyczną pod wpływem czynników eksploatacyjnych oraz najwyższą twardością wyróżniały się systemy powłokowe z poliuretanową warstwą nawierzchniową modyfikowaną tlenkiem glinu, co było przyczyną najniższej intensywności ich zużywania erozyjnego. Natomiast starzone klimatycznie systemy powłokowe z poliuretanową warstwą nawierzchniową modyfikowaną krzemionką charakteryzowały się porównywalnie większą destrukcją, niż systemy powłokowe modyfikowane tlenkiem glinu, co zwiększyło intensywność ich zużywania erozyjnego.

Słowa kluczowe

polyurethane nano top coat climatic ageing chemical and physical destruction of a coating erosion

nanopowłoka poliuretanowa nawierzchniowa starzenie klimatyczne destrukcja chemiczna powłoki destrukcja fizyczna powłoki erozja

Wydawca

Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne

Czasopismo

Eksploatacja i Niezawodność

Rocznik

2019

Tom

Vol. 21, no. 1

Strony

103--114

Opis fizyczny

Bibliogr. 48 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kotnarowska Danuta

d.kotnarowska@uthrad.pl

Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in RadomFaculty of Mechanical Engineering ul. Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland

Bibliografia

1. Barna E, Bommer B, Kursteiner J, Vital A, Trzebiatowski O, Koch W, Schmid B, Graule T. Innovative, scratch proof nanocomposites for clear coatings. Composites (Part A) 2005; 36: 473-480, https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2004.10.014.
2. Baier A, Żółkiewski S. Initial research of epoxy and polyester warp laminates testing on abrasive wear used in car sheathing. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2013; 15 (1): 37-43.
3. Bauer F, Flyunt R, Czihal K, Langguth H, Mehnert R, Schubert R, Buchmeister M.R. UV curing and matting of acrylate coatings reinforced by nano-silica and micro-corundum particles. Progress in Organic Coatings 2007; 60: 121-126, https://doi.org/10.1016/j. porgcoat.2007.07.005.
4. Bauer F, Gläsel H J, Hartmann E, Bilz E, Mehnert R. Surface modification of nanoparticles for radiation curable acrylate clear coatings. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 2003; 208: 267-270, https://doi.org/10.1016/S0168-583X(03)00617-7.
5. Chen G, Wei M, Chen J, Huang J, Dufresne A, Chang R. Simultaneous reinforcing and toughening. New nanocomposites of waterborne polyurethane filled with low loading level of starch nanocrystals. Polymer 2008; 49: 1860-1870, https://doi.org/10.1016/j. polymer.2008.02.020.
6. Das Sonalee, Pandey Priyanka, Mohanty Smita, Nayak Sanjay. Effect of nanosilica on the physicochemical, morphological and curing characteristics of transesterified castor oil based polyurethane coatings. Progress in Organic Coatings 2016; 97: 233-243, https://doi. org/10.1016/j.porgcoat.2016.04.012.
7. Golru S Sharifi, Attar M M, Ramezanzadeh B. Studying the influence of nano-Al2O3 particles on the corrosion performance and hydrolytic degradation resistance of an epoxy/polyamide coating on AA-1050. Progress in Organic Coatings 2014; 77: 1391-1399, https://doi. org/10.1016/j.porgcoat.2014.04.017.
8. Karataş S, Kizilkaya C, Kayaman-Apohan N, Güngör A. Preparation and characterization of sol-gel derived UV-curable organo-silica-titania hybrid coatings. Progress in Organic Coatings 2007; 60(2): 140-147, https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2007.07.010.
9. Knowles T. The new toolbox. Nanotechnology in paints and coatings, European Coatings Journal 2006; 3: 16-18.
10. Kotnarowska D. Destruction of Epoxy Coatings under the Influence of Sodium Chloride Water Solutions. Solid State Phenomena (Pt. B of Diffusion and Defect Data - Solid State Data) 2015; 220: 609-614.
11. Kotnarowska D. Destrukcja powłok polimerowych pod wpływem czynników eksploatacyjnych. Radom: Wydawnictwo UTH w Radomiu, 2013.
12. Kotnarowska D. Epoxy coating destruction as a result of sulphuric acid aqueous solution action. Progress in Organic Coatings 2010; 67: 324-328, https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2009.10.026.
13. Kotnarowska D. Examination of dynamic of polymeric coatings erosive wear process. Materials Science 2006; 12 (2): 138-143.
14. Kotnarowska D. Impact of operating environment on the protective and decorative properties of epoxy coatings. Ochrona przed Korozją 2013; 9: 372-383.
15. Kotnarowska D. Influence of mechanical factors on surface state of acrylic coatings with nanofillers. Materials Science - Medźiagotyra 2008; 14 (4): 337-340.
16. Kotnarowska D. Influence of ultraviolet radiation and aggressive media on epoxy coating degradation. Progress in Organic Coatings 1999; 37: 149-159, https://doi.org/10.1016/S0300-9440(99)00070-3.
17. Kotnarowska D. Influence of Ultraviolet Radiation on Erosive Resistance of Modified Epoxy Coatings". Solid State Phenomena 2006; 113: 585-588, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.113.583.
18. Kotnarowska D. Kinetics of wear of epoxide coating modified with glass microspheres and exposed to the impact of alundum particles. Progress in Organic Coatings 1997; 31: 325-330, https://doi.org/10.1016/S0300-9440(97)00090-8.
19. Kotnarowska D. Powłoki ochronne. Radom: Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, 2010.
20. Kotnarowska D, Przerwa M, Wojtyniak M. Influence of Polymer Coatings modification with nanoparticles on their erosion. Journal Of Vibroengineering 2011; 13(4):, 870-876.
21. Kotnarowska D. Effect of nanofillers on wear resistance of polymer coatings. Solid State Phenomena 2009; 144: 285-290 (Pt. B of Diffusion and Defect Data - Solid State Data), https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.144.285.
22. Kotnarowska D. Erozja powłok polimerowych. Radom: Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, 2009.
23. Kozhukharov S S, Kozhukharov V, Wittmar M, Schem M, Aslan M, Caparrotti H, Veith M. Protective abilities of nanocomposite coatings containing Al2O3 nano-particles loaded by CeCl3. Progress in Organic Coatings 2011; 71: 198-205, https://doi.org/10.1016/j. porgcoat.2011.02.013.
24. Lancaster J K. Abrasive wear of polymers. Wear 1969; 14: 223-239, https://doi.org/10.1016/0043-1648(69)90047-7.
25. Leder G, Ladwig T, Valter V, Frahn S, Meyer J. New effects of fumed silica in modern coatings. Progress in Organic Coatings 2002; 45: 139-144, https://doi.org/10.1016/S0300-9440(02)00049-8.
26. Levy A V. Erosion and erosion-corrosion of metals. Corrosion 1995; 51(11): 872-883, https://doi.org/10.5006/1.3293564.
27. Lin Baozhong, Zhou Shuxue. Poly(ethylene glycol)-grafted silica nanoparticles for highly hydrophilic acrylic-based polyurethane coatings. Progress in Organic Coatings 2017; 106: 145-154, https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2017.02.008.
28. Lü N, Lü X, Jin X, Lü C. Preparation and characterization of UV-curable ZnO/polymer nanocomposite films. Polymer International 2006; 56: 138-143, https://doi.org/10.1002/pi.2126.
29. Maganty Suraj, Roma Maria P.C., Meschter Stephan J. Enhanced mechanical properties of polyurethane composite coatings through nanosilica addition. Progress in Organic Coatings 2016; 90: 243-251, https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2015.10.016.
30. Malaki M, Hashemzadeh Y, Karevan M. Effect of nano-silica on the mechanical properties of acrylic polyurethane coatings. Progress in Organic Coatings 2016; 101: 477-485, https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2016.09.012.
31. Matin E, .Attar M M, Ramezanzadeh B. Investigation of corrosion protection properties of an epoxy nanocomposite loaded with polysiloxane surface modified nanosilica particles on the steel substrate. Progress in Organic Coatings 2015; 78: 395-403, https://doi.org/10.1016/j. porgcoat.2014.07.004.
32. Mizak W, Mazurkiewicz A, Smolik J, Zbrowski A. Problems with abrasive dosing in erosive wear process modeling. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2014; 16 (4): 559-564.
33. Narisawa I. Resistance of Polymer Materials. Moscow: Ed. Chemistry, 1987.
34. Pieniak D, Niewczas A M, Kordos P. Influence of thermal fatigue and ageing on the microhardness of polymer-ceramic composites for biomedical applications. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2012; 14 (2): 181-184.
35. Pilotek S, Tabellion F. Nanoparticles in coatings. Tailoring properties to applications. European Coatings Journal 2005; 4:170-177.
36. Ratner S B, Styller E E. Characteristics of impact friction and wear of polymeric materials. Wear 1981; 73: 213-234, https://doi. org/10.1016/0043-1648(81)90292-1.
37. Romo-Uribe Angel, Arcos-Casarrubias Jose Antonio, Hernandez-Vargas M. Lizbeth Acrylate hybrid nanocomposite coatings based on SiO2 nanoparticles by in-situ batch emulsion polymerization. Progress in Organic Coatings 2016; 97: 288-300, https://doi.org/10.1016/j. porgcoat.2016.04.013.
38. Sabzi M, Mirabedini S M, Zohuriaan-Mehr J, Atai M. Surface modification of TiO2 nanoparticles with silane coupling agent and investigation of its effect on the properties of polyurethane composite coating, Progress in Organic Coatings 2009; 65: 222-228, https://doi.org/10.1016/j. porgcoat.2008.11.006.
39. Salgado Cástor, Arrieta Marina P, Peponi Laura, López Daniel, Fernández-García Marta. Photo-crosslinkable polyurethanes reinforced with coumarin modified silica nanoparticles for photo-responsive coatings. Progress in Organic Coatings 2018; 123: 63-74, https://doi. org/10.1016/j.porgcoat.2018.06.019.
40. Su Jiahui, Yang Yan, Chen Yingyin, Zeng Xingfa. Synthesis of polystyrene-grafted nanosilica via nitroxide radical coupling reaction and its application in UV-curable acrylate-based coating systems. Progress in Organic Coatings 2018; 119: 76-84, https://doi.org/10.1016/j. porgcoat.2018.02.024.
41. Trezona R I, Hutchings I M. Resistance of paint coatings to multiple solid particle impact: effect of coating thickness and substrate material. Progress in Organic Coatings 2001; 41: 85-92, https://doi.org/10.1016/S0300-9440(00)00154-5.
42. Wang Y, Lim S, Luo J Xu Z H. Tribological and corrosion behaviors of Al2O3/polymer nanocomposite coatings. Wear 2006; 260: 976-983, https://doi.org/10.1016/j.wear.2005.06.013.
43. Xiong M, Wu L, Zhou S, You B. Preparation and characterization of acrylic latex/nano-SiO2 composites. Polymer International 2002; 51: 693-698, https://doi.org/10.1002/pi.968.
44. Zahavi J, Schmitt G F. Solid particle erosion of reinforced composite materials. Wear 1981; 71: 179-190, https://doi.org/10.1016/0043- 1648(81)90337-9.
45. Zahavi J, Schmitt G F. Solid particle erosion of rein coatings. Wear 1981; 71: 191-210, https://doi.org/10.1016/0043-1648(81)90338-0.
46. Zubielewicz M, Królikowska A. The influence of ageing of epoxy coatings on adhesion of polyurethane topcoats and protective properties of coating systems. Progress in Organic Coatings 2009; 66: 129-136,https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2009.06.014.
47. Zyska B, Żakowska Z. Mikrobiologia materiałów. Łódź: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2005.
48. Żenkiewicz M. Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. Warszawa: WNT, 2000.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-c3bdd3e4-0c2e-42f1-a742-8084c5b84144