eng
Выпуск #5/2025
М.Т.А. Аль-Халиди, А.Н.Блохин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИКАЦИИ АЛКИДНОЙ ЭМАЛЕВОЙ КРАСКИ НА СВОЙСТВА ТЕРМОСТОЙКОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ К УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ И ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИКАЦИИ АЛКИДНОЙ ЭМАЛЕВОЙ КРАСКИ НА СВОЙСТВА ТЕРМОСТОЙКОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ К УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ И ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ
Просмотры: 998
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284
Несмотря на то, что использование нанодобавок может улучшить показатели коррозионной стойкости некоторых органических покрытий, это может привести к ухудшению других свойств покрытия, таких как устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам. В данной работе исследовано влияние углеродных нанотрубок, покрытых наночастицами оксида кремния, на устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам алкидного эмалевого покрытия. Для изучения упомянутых свойств было проведено испытание на термостойкость по ASTM D573, испытание на стойкость к УФ-излучению по ASTM G155 и испытание на химическую стойкость по ASTM D5402-93 (1999). Результаты экспериментов показали, что добавление нанонаполнителей привело к повышению устойчивости к химическим веществам с увеличением массовой концентрации нанонаполнителей до 0,349%, однако после этого предела воздействие химических веществ на краску усилилось, а добавка не привела к ухудшению устойчивости к термическим изменениям и ультрафиолетовому излучению.
Несмотря на то, что использование нанодобавок может улучшить показатели коррозионной стойкости некоторых органических покрытий, это может привести к ухудшению других свойств покрытия, таких как устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам. В данной работе исследовано влияние углеродных нанотрубок, покрытых наночастицами оксида кремния, на устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам алкидного эмалевого покрытия. Для изучения упомянутых свойств было проведено испытание на термостойкость по ASTM D573, испытание на стойкость к УФ-излучению по ASTM G155 и испытание на химическую стойкость по ASTM D5402-93 (1999). Результаты экспериментов показали, что добавление нанонаполнителей привело к повышению устойчивости к химическим веществам с увеличением массовой концентрации нанонаполнителей до 0,349%, однако после этого предела воздействие химических веществ на краску усилилось, а добавка не привела к ухудшению устойчивости к термическим изменениям и ультрафиолетовому излучению.
Получено: 22.05.2025 г. | Принято: 30.05.2025 г. | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284
Научная статья
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИКАЦИИ АЛКИДНОЙ ЭМАЛЕВОЙ КРАСКИ НА СВОЙСТВА ТЕРМОСТОЙКОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ К УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ И ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ
М.Т.А. Аль-Халиди1, асп., ORCID: 0009-0008-2391-4995 / mustafa_alkhalidi@mail.ru
А.Н.Блохин1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-5875-5962
Аннотация. Несмотря на то, что использование нанодобавок может улучшить показатели коррозионной стойкости некоторых органических покрытий, это может привести к ухудшению других свойств покрытия, таких как устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам. В данной работе исследовано влияние углеродных нанотрубок, покрытых наночастицами оксида кремния, на устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам алкидного эмалевого покрытия. Для изучения упомянутых свойств было проведено испытание на термостойкость по ASTM D573, испытание на стойкость к УФ-излучению по ASTM G155 и испытание на химическую стойкость по ASTM D5402-93 (1999). Результаты экспериментов показали, что добавление нанонаполнителей привело к повышению устойчивости к химическим веществам с увеличением массовой концентрации нанонаполнителей до 0,349%, однако после этого предела воздействие химических веществ на краску усилилось, а добавка не привела к ухудшению устойчивости к термическим изменениям и ультрафиолетовому излучению.
Ключевые слова: модификация покрытий, наноматериалы, нанонаполнитель, нанопокрытия, нанотехнологии, углеродные нанотрубки
Для цитирования: М.Т.А. Аль-Халиди, А.Н. Блохин. Исследование влияния модификации алкидной эмалевой краски на свойства термостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому излучению и химической стойкости. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 5. С. 276–284. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284.
Received: 25.05.2025 | Accepted: 30.05.2025 | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284
Original paper
STUDY OF THE EFFECT OF MODIFYING ALKYD ENAMEL PAINT ON ITS HEAT RESISTANCE, UV RESISTANCE, AND CHEMICAL RESISTANCE PROPERTIES
M.T.A. Al-Khalidi1, Postgraduate, ORCID: 0009-0008-2391-4995 / mustafa_alkhalidi@mail.ru
A.N.Blokhin1, Cand. Of Sci. (Tech), Docent, ORCID: 0000-0002-5875-5962
Abstract. Although the use of nano-additives can improve the corrosion resistance of some organic coatings, it can lead to deterioration of other coating properties, such as resistance to thermal changes, ultraviolet radiation and chemicals. In this paper, the effect of carbon nanotubes coated with silicon oxide nanoparticles on the resistance to thermal changes, ultraviolet radiation and chemicals of alkyd enamel coating is investigated. To study these properties, a heat resistance test according to ASTM D573, a UV resistance test according to ASTM G155 and a chemical resistance test according to ASTM D5402-93 (1999) were conducted. The experimental results showed that the addition of nano-fillers led to an increase in resistance to chemicals with an increase in the mass concentration of nano-fillers to 0.349%, however, after this limit, the effect of chemicals on the paint increased, and the additive did not lead to a deterioration in resistance to thermal changes and ultraviolet radiation.
Keywords: modification of coatings, nanomaterials, nanofiller, nanocoating, nanotechnology, carbon nanotubes
For citation: M.T.A. Al-Khalidi, A.N. Blokhin. Study of the effect of modifying alkyd enamel paint on its heat resistance, UV resistance, and chemical resistance properties. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 5. PP. 276–284. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284.
ВВЕДЕНИЕ
Коррозия металлов является серьезной проблемой для многих отраслей промышленности, особенно в строительной, так как существенно влияет на безопасность объектов и сооружений, не говоря уже о высоких затратах, связанных с проведением работ по техническому обслуживанию и ремонту на этих объектах [1, 2]. Поэтому ученые стремились найти решения, ограничивающие возникновение этого явления.
Методы, используемые для уменьшения коррозии металлов, разнообразны, и эти методы можно разделить на несколько групп, таких как нанесение защитных покрытий [3], катодная защита [4], легирование [5], предварительное окисление поверхности [6] и использование антикоррозионных средств (ингибиторы) [7].
Говоря об антикоррозионных покрытиях, необходимо упомянуть наноантикоррозионные покрытия, поскольку прогресс нанотехнологий позволил разработать эту категорию покрытий. В антикоррозионных нанопокрытиях используются преимущества специфических свойств, которыми обладают материалы, состоящие из наночастиц и свойства которых сильно отличаются от свойств, когда такие вещества находятся в объемной форме [8].
Следует отметить, что хотя эти нанодобавки улучшают коррозионную стойкость матрицы покрытия, необходимо убедиться, что они не вызывают ухудшения других свойств, таких как стойкость к воздействию термических изменений, ультрафиолетовому излучению и действию химических веществ, поскольку воздействие этих факторов может привести к серьезным дефектам слоя покрытия, что, в свою очередь, приводит к ослаблению барьерного эффекта покрывного слоя и попаданию коррозионных агентов на металлическую поверхность.
Целью данной работы является исследование влияния модификации алкидного эмалевого покрытия на ее термостойкость, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и химическую стойкость.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалы
В данном исследовании в качестве полимерной матрицы для формирования модифицированных нанокомпозитных покрытий была использована коммерческая алкидная эмаль ПФ-115 (ООО "Фактор", Россия). Нанонаполнители представляли собой многостенные углеродные нанотрубки серии Таунит-М (ООО "НаноТехЦентр", г. Тамбов, Россия), покрытые оксидом кремния. Для повышения диспергируемости нанотрубок в полимерной матрице было применено неионогенное поверхностно-активное вещество Тритон Х–100 (ООО "ПанЭко", Россия). В качестве прекурсора для синтеза оксида кремния использовался тетраэтилортосиликат фирмы (Reactive Express, Москва, Россия). Растворителем служил коммерческий уайт-спирит (Леруа Мерлен, Россия), листовая сталь марки AISI 303 из которой изготавливалась подложка для нанесения защитного покрытия. Покрытие было нанесено на подложку аэрографом (Nasedal, Китай).
Методы
Приготовление модифицированного покрытия проводилось с помощью синтеза наномодифицированного покрытия, осуществлявшегося в два этапа. На первом этапе углеродные нанотрубки (УНТ) подвергали окислению в концентрированной азотной кислоте для создания кислородсодержащих функциональных групп на поверхности. Полученные окисленные УНТ (50 г) диспергировали в растворителе этанол-аммиак (35:1). К полученной суспензии добавляли 6,25 мл тетраэтоксисилан (ТЭОС), инициируя процесс гидролиза и конденсации с образованием частиц диоксида кремния на поверхности нанотрубок. После девяти часов перемешивания при комнатной температуре продукт тщательно промывали и сушили.
На втором этапе полученные УНТ, покрытые диоксидом кремния, распределяли в смеси уайт-спирит – алкидная эмалевая краска (с соотношением 1:9, соответственно) мешалкой, затем наносили аэрографом на предварительно подготовленные металлические подложки. Для получения различных концентраций нанонаполнителей модифицированную краску смешивали с краской, разбавленной уайт-спиритом, и немодифицированной краской (коэффициент разбавления также составлял 1:9). В табл.1 показана массовая концентрация нанонаполнителей в высохшем слое покрытия.
Испытание на термостойкость (ASTM D573)
Целью испытаний покрытий на термостойкость является оценка их способности сохранять целостность и защитные свойства при воздействии высоких температур, а также проверка отсутствия термической деструкции [9]. Для проведения испытания на стойкость покрытия к нагреву сначала подготавливают образец, который представляет собой металлическую подложку, окрашенную модифицированным покрытием.
После полного высыхания нанесенного слоя образцы помещали в сушильный шкаф, где они нагревались до температуры, близкой к реальным условиям эксплуатации (50 °С), и выдерживали при этой температуре 10 мин, затем охлаждали до комнатной температуры и оставляли при этой температуре в течение 10 мин. Далее образцы охлаждали в холодильнике до (-5 °С) и выдерживали в течение 10 мин, а затем их извлекали из холодильной камеры, чтобы температура поднялась и достигла комнатной, после чего их снова выдерживали 10 мин. Цикл нагрева и охлаждения повторяли десять раз.
После чего оценивались изменения поверхности покрытия. На этом этапе его осматривали на предмет каких-либо признаков повреждений, отслаивания, трещин или других дефектов.
Испытание на химическую стойкость (ASTM D5402 – 93(1999))
ASTM D5402-93 (1999) – стандартная методика, разработанная Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM) для оценки стойкости органических покрытий к растворителям. Этот стандарт определяет метод определения устойчивости органических покрытий, таких как краски, лаки и лаки, к растворителям. Метод включает в себя протирание поверхности с покрытием хлопчатобумажной тканью или ватным тампоном, смоченным определенным растворителем, в течение определенного количества движений или в течение определенной продолжительности. После воздействия растворителя покрытие проверяют на предмет размягчения, набухания, липкости, изменения цвета или других признаков повреждения или изменения. Этот метод испытаний обычно используется в индустрии покрытий для оценки характеристик и их долговечности, особенно тех, которые применяют в тех случаях, когда ожидается воздействие растворителей, например, в автомобильной отделке или промышленных покрытиях. Он помогает производителям и пользователям оценить пригодность покрытий для конкретных применений и предоставляет ценную информацию для контроля качества и разработки продукции [10].
В этом тесте для протирания образцов использовались различные растворители.
В качестве растворителей использовали уайт-спирит, этанол и ацетон. После воздействия растворителя оценивали повреждение слоя покрытия.
В ходе процедуры испытания количество двойных протираний составляло 25 раз для каждого типа растворителя и для каждого образца, а после окончания протирания измеряли толщину покрытия после протирания и сравнивали с толщиной до протирания. Также был проведен визуальный осмотр ткани на наличие следов краски.
Перед проведением испытания образцы выдерживались в течение месяца и испытывали при температуре 23 °С и влажности воздуха 50%.
Испытание на устойчивость к ультрафиолетовому излучению (для случаев применения в металлических сооружениях)
Для оценки способности пигментных материалов сохранять свои свойства и цвет в условиях длительного воздействия солнечного УФ-излучения был проведен тест на стойкость к УФ-излучению [11]. Для проверки на устойчивость к ультрафиолетовому излучению готовят образцы краски, представляющие собой листы с покрытием. После полного высыхания образцов их помещают в ASTM G 155-04a Xenon Arc Weatherometer Test Chamber (ANSI Z97.1-2009, DAXIAN, Китай). Параметры испытаний выбираются согласно таблице X3.1 Стандарта G 155 – 04а Цикл 3 [12]. Следует отметить, что образцы с покрытием помещались внутрь камеры источника УФ-излучения так, чтобы они подвергались воздействию УФ-лучей равномерно. После воздействия на образцы источника ультрафиолетового света анализируются изменения, произошедшие в структуре покрытия. Особое внимание уделяется признакам выцветания, порчи, шелушения или другим дефектам. Полученные результаты сравниваются с требованиями стандарта ASTM G155, чтобы определить, соответствуют ли покрытия требуемым стандартам устойчивости к ультрафиолетовому излучению.
Источником УФ-излучения служила лампа (ксеноновая лампа мощностью 8,5 кВт (срок службы 2600 ч, водяное охлаждение)).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Испытание на термостойкость
Результаты испытания на термостойкость свидетельствуют о том, что в образцах не наблюдалось заметных изменений, что свидетельствует об успешном прохождении этого испытания образцами. На рис.1 показаны образцы после 10 циклов нагрева и охлаждения.
Эти результаты можно объяснить тем, что добавление нанонаполнителей в покрытие привело, с одной стороны, к улучшению его теплопроводности, а с другой стороны – к улучшению распространения тепла в нем, что привело, с одной стороны, к улучшению теплового расширения и сжатия слоя покрытия при нагревании и охлаждении, что более соответствует коэффициенту теплового расширения подложки, а с другой стороны – добавление нанонаполнителей улучшило механические свойства слоя краски, что улучшило его устойчивость к растягивающим напряжениям, возникающим из-за разницы в скорости расширения и сжатия между металлической подложкой и слоем покрытия.
Испытание на химическую стойкость
Результаты испытаний показали, что по мере увеличения содержания нанонаполнителя в слое покрытия до концентрации 0,349% по массе толщина слоя покрытия образца уменьшается, однако после указанной концентрации нанонаполнителя толщина покрытия начинает увеличиваться. Следует отметить, что наиболее сильным было воздействие ацетона на красочный слой, за ним следовал по эффекту воздействия уайт-спирит, а этанол практически не оказывал влияния. В табл.2 указано изменение толщины покрытия.
Эти результаты можно интерпретировать следующим образом. Увеличение содержания нанонаполнителя в слое покрытия до концентрации 0,349% по массе приводит к увеличению плотности слоя покрытия, поскольку наночастицы занимают поры внутри полимерной матрицы, что ограничивает способность растворителей проникать внутрь слоя покрытия и, таким образом, уменьшают площадь поверхности взаимодействия между растворителем и полимером, на который влияет растворитель. Однако после указанной концентрации нанонаполнителя наночастицы начинают агломерироваться в результате уменьшения среднего расстояния между ними, вследствие чего силы Ван-дер-Ваальса становятся больше, чем способность ПАВ диспергировать наночастицы, что способствует агломерации нанотрубок, вызывая искажения и дефекты в матрице покрытия, приводящие к увеличению площади поверхности взаимодействия между растворителем и полимером. Это происходит по нескольким причинам, первая из которых заключается в том, что агломерация наночастиц вызывает трещины в полимерной матрице, что приводит к появлению дополнительной площади контакта между полимером и растворителем. Во-вторых, агломерация наночастиц ослабляет адгезию краски с подложкой, что позволяет растворителю проникать между слоем покрытия и металлической подложкой.
Что касается воздействия различных растворителей, то это можно объяснить тем, что пентаграммные/алкидные эмалевые краски содержат органические полимеры, которые склонны растворяться или размягчаться под воздействием ацетона, который растворяет связующие вещества краски, в результате чего она разрушается и ее становится легче удалить.
Что касается уайт-спирита, то он менее полярен, чем ацетон, и хотя эффективен при удалении свеженанесенного покрытия, но не способен разорвать связи, образовавшиеся после полного отверждения алкидной эмали, чем и объясняется отсутствие его воздействия на слой покрытия.
Этанол – более слабый растворитель по сравнению с ацетоном и уайт-спиритом. Он менее полярен и менее агрессивен по своей способности расщеплять органические соединения. В результате этанол мало повлиял на покрытия во всех образцах.
Испытание на устойчивость к ультрафиолетовому излучению
Результаты теста на стойкость покрытия к ультрафиолетовому излучению показали, что никаких существенных негативных изменений не наблюдалось ни в одном из протестированных образцов, а изменения ограничивались незначительным изменением цвета, как показано на рис.2. Также не наблюдалось изменений в адгезии покрытия по сравнению с образцами, не подвергавшимися воздействию ультрафиолетовых лучей.
Высокую устойчивость покрытия к УФ-лучам можно объяснить сочетанием нескольких факторов. Во-первых, используемая в качестве покрытия (пентафталевая/алкидная) эмаль содержит химические стабилизаторы, которые помогают смягчить последствия воздействия ультрафиолетовых лучей. Эти стабилизаторы действуют как антиоксиданты или поглотители ультрафиолетовых лучей, что нейтрализует вредные свободные радикалы, образующиеся под действием ультрафиолетовых лучей, и предотвращает их распространение в слой покрытия.
Во-вторых, наночастицы играют решающую роль в повышении устойчивости к УФ-излучению, поскольку многостенные углеродные нанотрубки, покрытые частицами кремния способны поглощать УФ-излучение и преобразовывать его в безвредное тепло, вместо того, чтобы это излучение взаимодействовало со свободными радикалами и разрушало структуру полимерной матрицы, которое эффективно защищает лакокрасочный слой от УФ-повреждений.
Кроме того, эти наночастицы могут улучшить механические свойства слоя покрытия, делая его более устойчивым к деградации, вызванной воздействием ультрафиолета.
ВЫВОДЫ
В данной работе было проведено исследование влияния модификации алкидной эмалевой краски на свойства термостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому излучению и химической стойкости покрытия. Исследование пришло к следующим результатам.
Результаты испытания на термостойкость свидетельствуют о том, что в образцах не наблюдалось заметных негативных изменений, что свидетельствует об успешном прохождении образцов этого испытания.
Результаты испытаний на химическую стойкость показали, что по мере увеличения содержания нанонаполнителя в слое покрытия до концентрации 0,349% по массе толщина слоя покрытия уменьшалось, так как уменьшение толщины слоя краски достигало 8,2 мкм для ацетона (самый сильный протестированный материал).
Тест на стойкость покрытия к ультрафиолетовому излучению не показал существенных изменений, за исключением незначительного изменения цвета.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Pradipta A., Wirawan W.A., Kobayashi H., Prasetijo J. Proceedings of the 2nd International Conference on Railway and Transportation 2023 (ICORT 2023) М.: Springer Nature, 2024.
Bansal S.A., Khanna V., Gupta P. Metal Matrix Composites: Properties and Applications. M.: CRC Press, 2022.
Aljibori H.S., Alamiery A., Kadhum A.A. Advances in corrosion protection coatings: A comprehensive review / H. S. Aljibori. Int. J. Corros. Scale Inhib. 2023. Vol. 12. No. 4. PP. 1476–520. https://doi.org/10.17675/2305-6894-2023-12-4-6
Carlile A. Cathodic protection monitoring. Techniques for Corrosion Monitoring A volume in Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering. 2008. No. 1. PP. 448–475. https://doi.org/10.1533/9781845694050.3.448
Hubkowska K., Kubisztal J., Pająk M., Łosiewicz B., Czerwiński A. Effect of the alloying metal on the corrosion resistance of Pd-rich binary alloys with Pt, Rh, and Ru in sulfuric acid. Materials. 2021. Vol. 14. No. 11. P. 2923. https://doi.org/10.3390/ma14112923
Wild R.K., Tempest P.A. Surface treatment to reduce corrosion on stainless steel. Construction and Building Materials. 1990. Vol. 4. No. 3. PP. 135–1399. https://doi.org/10.1016/0950-0618(90)90030-5
Aslam R.M., Mobin S., Zehra J. A comprehensive review of corrosion inhibitors employed to mitigate stainless steel corrosion in different environments. Journal of Molecular Liquids. 2022. Vol. 364. P. 119992. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119992
Sahu S.C. Impact of Engineered Nanomaterials in Genomics and Epigenomics. M.: John Wiley & Sons, 2023.
Электронный источник. TEST PROCEDURE SUMMARY. 2023. URL: http://s460910775.websitehome.co.uk/downloads/literature/ASTM%20TEST%20PROCEDURE%20SUMMARY.pdf (дата обращения: 24.08.2023).
Электронный источник. Chemical Resistance of Paints & Coatings. 2023. URL: https://coatings.specialchem.com/coatings-properties/chemical-resistance (дата обращения: 27.08.2023).
Электронный источник. UV Stability Testing. 2023. URL: https://atslab.com/environmental-testing/uv-stability-testing/ (дата обращения: 24.08.2023).
Электронный источник. Standard Practice for Operating Xenon Arc Light Apparatus for Exposure of Non-Metallic Materials. 2023. URL: https://www.wewontech.com/190116010.pdf (дата обращения: 04.09.2023).
Научная статья
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИКАЦИИ АЛКИДНОЙ ЭМАЛЕВОЙ КРАСКИ НА СВОЙСТВА ТЕРМОСТОЙКОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ К УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ И ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ
М.Т.А. Аль-Халиди1, асп., ORCID: 0009-0008-2391-4995 / mustafa_alkhalidi@mail.ru
А.Н.Блохин1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-5875-5962
Аннотация. Несмотря на то, что использование нанодобавок может улучшить показатели коррозионной стойкости некоторых органических покрытий, это может привести к ухудшению других свойств покрытия, таких как устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам. В данной работе исследовано влияние углеродных нанотрубок, покрытых наночастицами оксида кремния, на устойчивость к термическим изменениям, ультрафиолетовому излучению и химическим веществам алкидного эмалевого покрытия. Для изучения упомянутых свойств было проведено испытание на термостойкость по ASTM D573, испытание на стойкость к УФ-излучению по ASTM G155 и испытание на химическую стойкость по ASTM D5402-93 (1999). Результаты экспериментов показали, что добавление нанонаполнителей привело к повышению устойчивости к химическим веществам с увеличением массовой концентрации нанонаполнителей до 0,349%, однако после этого предела воздействие химических веществ на краску усилилось, а добавка не привела к ухудшению устойчивости к термическим изменениям и ультрафиолетовому излучению.
Ключевые слова: модификация покрытий, наноматериалы, нанонаполнитель, нанопокрытия, нанотехнологии, углеродные нанотрубки
Для цитирования: М.Т.А. Аль-Халиди, А.Н. Блохин. Исследование влияния модификации алкидной эмалевой краски на свойства термостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому излучению и химической стойкости. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 5. С. 276–284. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284.
Received: 25.05.2025 | Accepted: 30.05.2025 | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284
Original paper
STUDY OF THE EFFECT OF MODIFYING ALKYD ENAMEL PAINT ON ITS HEAT RESISTANCE, UV RESISTANCE, AND CHEMICAL RESISTANCE PROPERTIES
M.T.A. Al-Khalidi1, Postgraduate, ORCID: 0009-0008-2391-4995 / mustafa_alkhalidi@mail.ru
A.N.Blokhin1, Cand. Of Sci. (Tech), Docent, ORCID: 0000-0002-5875-5962
Abstract. Although the use of nano-additives can improve the corrosion resistance of some organic coatings, it can lead to deterioration of other coating properties, such as resistance to thermal changes, ultraviolet radiation and chemicals. In this paper, the effect of carbon nanotubes coated with silicon oxide nanoparticles on the resistance to thermal changes, ultraviolet radiation and chemicals of alkyd enamel coating is investigated. To study these properties, a heat resistance test according to ASTM D573, a UV resistance test according to ASTM G155 and a chemical resistance test according to ASTM D5402-93 (1999) were conducted. The experimental results showed that the addition of nano-fillers led to an increase in resistance to chemicals with an increase in the mass concentration of nano-fillers to 0.349%, however, after this limit, the effect of chemicals on the paint increased, and the additive did not lead to a deterioration in resistance to thermal changes and ultraviolet radiation.
Keywords: modification of coatings, nanomaterials, nanofiller, nanocoating, nanotechnology, carbon nanotubes
For citation: M.T.A. Al-Khalidi, A.N. Blokhin. Study of the effect of modifying alkyd enamel paint on its heat resistance, UV resistance, and chemical resistance properties. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 5. PP. 276–284. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.276.284.
ВВЕДЕНИЕ
Коррозия металлов является серьезной проблемой для многих отраслей промышленности, особенно в строительной, так как существенно влияет на безопасность объектов и сооружений, не говоря уже о высоких затратах, связанных с проведением работ по техническому обслуживанию и ремонту на этих объектах [1, 2]. Поэтому ученые стремились найти решения, ограничивающие возникновение этого явления.
Методы, используемые для уменьшения коррозии металлов, разнообразны, и эти методы можно разделить на несколько групп, таких как нанесение защитных покрытий [3], катодная защита [4], легирование [5], предварительное окисление поверхности [6] и использование антикоррозионных средств (ингибиторы) [7].
Говоря об антикоррозионных покрытиях, необходимо упомянуть наноантикоррозионные покрытия, поскольку прогресс нанотехнологий позволил разработать эту категорию покрытий. В антикоррозионных нанопокрытиях используются преимущества специфических свойств, которыми обладают материалы, состоящие из наночастиц и свойства которых сильно отличаются от свойств, когда такие вещества находятся в объемной форме [8].
Следует отметить, что хотя эти нанодобавки улучшают коррозионную стойкость матрицы покрытия, необходимо убедиться, что они не вызывают ухудшения других свойств, таких как стойкость к воздействию термических изменений, ультрафиолетовому излучению и действию химических веществ, поскольку воздействие этих факторов может привести к серьезным дефектам слоя покрытия, что, в свою очередь, приводит к ослаблению барьерного эффекта покрывного слоя и попаданию коррозионных агентов на металлическую поверхность.
Целью данной работы является исследование влияния модификации алкидного эмалевого покрытия на ее термостойкость, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и химическую стойкость.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалы
В данном исследовании в качестве полимерной матрицы для формирования модифицированных нанокомпозитных покрытий была использована коммерческая алкидная эмаль ПФ-115 (ООО "Фактор", Россия). Нанонаполнители представляли собой многостенные углеродные нанотрубки серии Таунит-М (ООО "НаноТехЦентр", г. Тамбов, Россия), покрытые оксидом кремния. Для повышения диспергируемости нанотрубок в полимерной матрице было применено неионогенное поверхностно-активное вещество Тритон Х–100 (ООО "ПанЭко", Россия). В качестве прекурсора для синтеза оксида кремния использовался тетраэтилортосиликат фирмы (Reactive Express, Москва, Россия). Растворителем служил коммерческий уайт-спирит (Леруа Мерлен, Россия), листовая сталь марки AISI 303 из которой изготавливалась подложка для нанесения защитного покрытия. Покрытие было нанесено на подложку аэрографом (Nasedal, Китай).
Методы
Приготовление модифицированного покрытия проводилось с помощью синтеза наномодифицированного покрытия, осуществлявшегося в два этапа. На первом этапе углеродные нанотрубки (УНТ) подвергали окислению в концентрированной азотной кислоте для создания кислородсодержащих функциональных групп на поверхности. Полученные окисленные УНТ (50 г) диспергировали в растворителе этанол-аммиак (35:1). К полученной суспензии добавляли 6,25 мл тетраэтоксисилан (ТЭОС), инициируя процесс гидролиза и конденсации с образованием частиц диоксида кремния на поверхности нанотрубок. После девяти часов перемешивания при комнатной температуре продукт тщательно промывали и сушили.
На втором этапе полученные УНТ, покрытые диоксидом кремния, распределяли в смеси уайт-спирит – алкидная эмалевая краска (с соотношением 1:9, соответственно) мешалкой, затем наносили аэрографом на предварительно подготовленные металлические подложки. Для получения различных концентраций нанонаполнителей модифицированную краску смешивали с краской, разбавленной уайт-спиритом, и немодифицированной краской (коэффициент разбавления также составлял 1:9). В табл.1 показана массовая концентрация нанонаполнителей в высохшем слое покрытия.
Испытание на термостойкость (ASTM D573)
Целью испытаний покрытий на термостойкость является оценка их способности сохранять целостность и защитные свойства при воздействии высоких температур, а также проверка отсутствия термической деструкции [9]. Для проведения испытания на стойкость покрытия к нагреву сначала подготавливают образец, который представляет собой металлическую подложку, окрашенную модифицированным покрытием.
После полного высыхания нанесенного слоя образцы помещали в сушильный шкаф, где они нагревались до температуры, близкой к реальным условиям эксплуатации (50 °С), и выдерживали при этой температуре 10 мин, затем охлаждали до комнатной температуры и оставляли при этой температуре в течение 10 мин. Далее образцы охлаждали в холодильнике до (-5 °С) и выдерживали в течение 10 мин, а затем их извлекали из холодильной камеры, чтобы температура поднялась и достигла комнатной, после чего их снова выдерживали 10 мин. Цикл нагрева и охлаждения повторяли десять раз.
После чего оценивались изменения поверхности покрытия. На этом этапе его осматривали на предмет каких-либо признаков повреждений, отслаивания, трещин или других дефектов.
Испытание на химическую стойкость (ASTM D5402 – 93(1999))
ASTM D5402-93 (1999) – стандартная методика, разработанная Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM) для оценки стойкости органических покрытий к растворителям. Этот стандарт определяет метод определения устойчивости органических покрытий, таких как краски, лаки и лаки, к растворителям. Метод включает в себя протирание поверхности с покрытием хлопчатобумажной тканью или ватным тампоном, смоченным определенным растворителем, в течение определенного количества движений или в течение определенной продолжительности. После воздействия растворителя покрытие проверяют на предмет размягчения, набухания, липкости, изменения цвета или других признаков повреждения или изменения. Этот метод испытаний обычно используется в индустрии покрытий для оценки характеристик и их долговечности, особенно тех, которые применяют в тех случаях, когда ожидается воздействие растворителей, например, в автомобильной отделке или промышленных покрытиях. Он помогает производителям и пользователям оценить пригодность покрытий для конкретных применений и предоставляет ценную информацию для контроля качества и разработки продукции [10].
В этом тесте для протирания образцов использовались различные растворители.
В качестве растворителей использовали уайт-спирит, этанол и ацетон. После воздействия растворителя оценивали повреждение слоя покрытия.
В ходе процедуры испытания количество двойных протираний составляло 25 раз для каждого типа растворителя и для каждого образца, а после окончания протирания измеряли толщину покрытия после протирания и сравнивали с толщиной до протирания. Также был проведен визуальный осмотр ткани на наличие следов краски.
Перед проведением испытания образцы выдерживались в течение месяца и испытывали при температуре 23 °С и влажности воздуха 50%.
Испытание на устойчивость к ультрафиолетовому излучению (для случаев применения в металлических сооружениях)
Для оценки способности пигментных материалов сохранять свои свойства и цвет в условиях длительного воздействия солнечного УФ-излучения был проведен тест на стойкость к УФ-излучению [11]. Для проверки на устойчивость к ультрафиолетовому излучению готовят образцы краски, представляющие собой листы с покрытием. После полного высыхания образцов их помещают в ASTM G 155-04a Xenon Arc Weatherometer Test Chamber (ANSI Z97.1-2009, DAXIAN, Китай). Параметры испытаний выбираются согласно таблице X3.1 Стандарта G 155 – 04а Цикл 3 [12]. Следует отметить, что образцы с покрытием помещались внутрь камеры источника УФ-излучения так, чтобы они подвергались воздействию УФ-лучей равномерно. После воздействия на образцы источника ультрафиолетового света анализируются изменения, произошедшие в структуре покрытия. Особое внимание уделяется признакам выцветания, порчи, шелушения или другим дефектам. Полученные результаты сравниваются с требованиями стандарта ASTM G155, чтобы определить, соответствуют ли покрытия требуемым стандартам устойчивости к ультрафиолетовому излучению.
Источником УФ-излучения служила лампа (ксеноновая лампа мощностью 8,5 кВт (срок службы 2600 ч, водяное охлаждение)).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Испытание на термостойкость
Результаты испытания на термостойкость свидетельствуют о том, что в образцах не наблюдалось заметных изменений, что свидетельствует об успешном прохождении этого испытания образцами. На рис.1 показаны образцы после 10 циклов нагрева и охлаждения.
Эти результаты можно объяснить тем, что добавление нанонаполнителей в покрытие привело, с одной стороны, к улучшению его теплопроводности, а с другой стороны – к улучшению распространения тепла в нем, что привело, с одной стороны, к улучшению теплового расширения и сжатия слоя покрытия при нагревании и охлаждении, что более соответствует коэффициенту теплового расширения подложки, а с другой стороны – добавление нанонаполнителей улучшило механические свойства слоя краски, что улучшило его устойчивость к растягивающим напряжениям, возникающим из-за разницы в скорости расширения и сжатия между металлической подложкой и слоем покрытия.
Испытание на химическую стойкость
Результаты испытаний показали, что по мере увеличения содержания нанонаполнителя в слое покрытия до концентрации 0,349% по массе толщина слоя покрытия образца уменьшается, однако после указанной концентрации нанонаполнителя толщина покрытия начинает увеличиваться. Следует отметить, что наиболее сильным было воздействие ацетона на красочный слой, за ним следовал по эффекту воздействия уайт-спирит, а этанол практически не оказывал влияния. В табл.2 указано изменение толщины покрытия.
Эти результаты можно интерпретировать следующим образом. Увеличение содержания нанонаполнителя в слое покрытия до концентрации 0,349% по массе приводит к увеличению плотности слоя покрытия, поскольку наночастицы занимают поры внутри полимерной матрицы, что ограничивает способность растворителей проникать внутрь слоя покрытия и, таким образом, уменьшают площадь поверхности взаимодействия между растворителем и полимером, на который влияет растворитель. Однако после указанной концентрации нанонаполнителя наночастицы начинают агломерироваться в результате уменьшения среднего расстояния между ними, вследствие чего силы Ван-дер-Ваальса становятся больше, чем способность ПАВ диспергировать наночастицы, что способствует агломерации нанотрубок, вызывая искажения и дефекты в матрице покрытия, приводящие к увеличению площади поверхности взаимодействия между растворителем и полимером. Это происходит по нескольким причинам, первая из которых заключается в том, что агломерация наночастиц вызывает трещины в полимерной матрице, что приводит к появлению дополнительной площади контакта между полимером и растворителем. Во-вторых, агломерация наночастиц ослабляет адгезию краски с подложкой, что позволяет растворителю проникать между слоем покрытия и металлической подложкой.
Что касается воздействия различных растворителей, то это можно объяснить тем, что пентаграммные/алкидные эмалевые краски содержат органические полимеры, которые склонны растворяться или размягчаться под воздействием ацетона, который растворяет связующие вещества краски, в результате чего она разрушается и ее становится легче удалить.
Что касается уайт-спирита, то он менее полярен, чем ацетон, и хотя эффективен при удалении свеженанесенного покрытия, но не способен разорвать связи, образовавшиеся после полного отверждения алкидной эмали, чем и объясняется отсутствие его воздействия на слой покрытия.
Этанол – более слабый растворитель по сравнению с ацетоном и уайт-спиритом. Он менее полярен и менее агрессивен по своей способности расщеплять органические соединения. В результате этанол мало повлиял на покрытия во всех образцах.
Испытание на устойчивость к ультрафиолетовому излучению
Результаты теста на стойкость покрытия к ультрафиолетовому излучению показали, что никаких существенных негативных изменений не наблюдалось ни в одном из протестированных образцов, а изменения ограничивались незначительным изменением цвета, как показано на рис.2. Также не наблюдалось изменений в адгезии покрытия по сравнению с образцами, не подвергавшимися воздействию ультрафиолетовых лучей.
Высокую устойчивость покрытия к УФ-лучам можно объяснить сочетанием нескольких факторов. Во-первых, используемая в качестве покрытия (пентафталевая/алкидная) эмаль содержит химические стабилизаторы, которые помогают смягчить последствия воздействия ультрафиолетовых лучей. Эти стабилизаторы действуют как антиоксиданты или поглотители ультрафиолетовых лучей, что нейтрализует вредные свободные радикалы, образующиеся под действием ультрафиолетовых лучей, и предотвращает их распространение в слой покрытия.
Во-вторых, наночастицы играют решающую роль в повышении устойчивости к УФ-излучению, поскольку многостенные углеродные нанотрубки, покрытые частицами кремния способны поглощать УФ-излучение и преобразовывать его в безвредное тепло, вместо того, чтобы это излучение взаимодействовало со свободными радикалами и разрушало структуру полимерной матрицы, которое эффективно защищает лакокрасочный слой от УФ-повреждений.
Кроме того, эти наночастицы могут улучшить механические свойства слоя покрытия, делая его более устойчивым к деградации, вызванной воздействием ультрафиолета.
ВЫВОДЫ
В данной работе было проведено исследование влияния модификации алкидной эмалевой краски на свойства термостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому излучению и химической стойкости покрытия. Исследование пришло к следующим результатам.
Результаты испытания на термостойкость свидетельствуют о том, что в образцах не наблюдалось заметных негативных изменений, что свидетельствует об успешном прохождении образцов этого испытания.
Результаты испытаний на химическую стойкость показали, что по мере увеличения содержания нанонаполнителя в слое покрытия до концентрации 0,349% по массе толщина слоя покрытия уменьшалось, так как уменьшение толщины слоя краски достигало 8,2 мкм для ацетона (самый сильный протестированный материал).
Тест на стойкость покрытия к ультрафиолетовому излучению не показал существенных изменений, за исключением незначительного изменения цвета.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Pradipta A., Wirawan W.A., Kobayashi H., Prasetijo J. Proceedings of the 2nd International Conference on Railway and Transportation 2023 (ICORT 2023) М.: Springer Nature, 2024.
Bansal S.A., Khanna V., Gupta P. Metal Matrix Composites: Properties and Applications. M.: CRC Press, 2022.
Aljibori H.S., Alamiery A., Kadhum A.A. Advances in corrosion protection coatings: A comprehensive review / H. S. Aljibori. Int. J. Corros. Scale Inhib. 2023. Vol. 12. No. 4. PP. 1476–520. https://doi.org/10.17675/2305-6894-2023-12-4-6
Carlile A. Cathodic protection monitoring. Techniques for Corrosion Monitoring A volume in Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering. 2008. No. 1. PP. 448–475. https://doi.org/10.1533/9781845694050.3.448
Hubkowska K., Kubisztal J., Pająk M., Łosiewicz B., Czerwiński A. Effect of the alloying metal on the corrosion resistance of Pd-rich binary alloys with Pt, Rh, and Ru in sulfuric acid. Materials. 2021. Vol. 14. No. 11. P. 2923. https://doi.org/10.3390/ma14112923
Wild R.K., Tempest P.A. Surface treatment to reduce corrosion on stainless steel. Construction and Building Materials. 1990. Vol. 4. No. 3. PP. 135–1399. https://doi.org/10.1016/0950-0618(90)90030-5
Aslam R.M., Mobin S., Zehra J. A comprehensive review of corrosion inhibitors employed to mitigate stainless steel corrosion in different environments. Journal of Molecular Liquids. 2022. Vol. 364. P. 119992. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119992
Sahu S.C. Impact of Engineered Nanomaterials in Genomics and Epigenomics. M.: John Wiley & Sons, 2023.
Электронный источник. TEST PROCEDURE SUMMARY. 2023. URL: http://s460910775.websitehome.co.uk/downloads/literature/ASTM%20TEST%20PROCEDURE%20SUMMARY.pdf (дата обращения: 24.08.2023).
Электронный источник. Chemical Resistance of Paints & Coatings. 2023. URL: https://coatings.specialchem.com/coatings-properties/chemical-resistance (дата обращения: 27.08.2023).
Электронный источник. UV Stability Testing. 2023. URL: https://atslab.com/environmental-testing/uv-stability-testing/ (дата обращения: 24.08.2023).
Электронный источник. Standard Practice for Operating Xenon Arc Light Apparatus for Exposure of Non-Metallic Materials. 2023. URL: https://www.wewontech.com/190116010.pdf (дата обращения: 04.09.2023).
Отзывы читателей
