Понятие о нанонауке и нанотехнологии

     Содержание 
 

1. Понятие о  нанонауке и нанотехнологии………...2
2. Лакокрасочные материалы (ЛКМ)…………….....3
3. Методы нанесения лакокрасочных материалов...4
4. Масляные краски………………………………....10
5. Роль нанотехнологий в производстве ЛКМ…….13
6. Лакокрасочные покрытия: определения и виды.16
7. Свойства лакокрасочных покрытий (ЛКП)…….18
8. Список используемой литературы……………...22

1.Понятие о  нанонауке и нанотехнологии

Нанонаука (НН) и  нанотехнология (НТ) в настоящее  время — наиболее бурно развивающиеся  сферы человеческой деятельности. На основании теоретических предпосылок  НН сейчас в мире инструментами НТ производят цемент, керамику, металлические  сплавы, пластмассы, лакокрасочные  и многие другие материалы с уникальными  свойствами. «Там, внизу, еще много  места», — сказал в 60-х гг. прошлого века Р. Фейнман — Нобелевский  лауреат, один из самых авторитетных физиков прошлого столетия, по поводу перспектив развития микроэлектроники. Она тогда оперировала величинами, измеряемыми десятками и сотнями  микрометров, Р. Фейнман обратил  внимание на возможность и целесообразность изготавливать электронные устройства наноразмеров. (Напомним, что наноединица  длины — нанометр (НМ), равна 10-9м, т. е. в 1000 раз меньше, чем микрометр). Поэтому его можно считать  идеологом нанотехнологии (НТ) —  той сферы человеческой деятельности, которая на рубеже веков развивалась  быстрее, чем любая другая, и дала наибольшие экономические и социальные результаты. И вполне правомерны предложения  назвать, по крайней мере, начало XXI в. — веком НТ. 

Наверное, можно  довольно точно назвать и дату, когда произошел взрыв интереса к НТ и началось ее лавинообразное развитие. Это 1984 г., когда американские ученые Р. Смолли, В. Курл, Т. Крото сообщили об открытии фуллерена. Значимость этого  открытия подчеркнута присуждением этим ученым в 1996 г. Нобелевской премии по физике. Фуллерен — полая частица, похожая на оболочку футбольного  мяча, состоящая из 20 шестиугольных  углеродных циклов и 12 пятиугольных с  общим количеством атомов углерода, равным шестидесяти,— стал знаковой фигурой НТ. Для его обозначения  в текстах был предложен символ С60. 

Другим свидетельством этой значимости может быть число  публикаций, посвященных НТ. К настоящему времени их уже несколько сот  тысяч. Появились журналы, посвященные  НТ, например, в России — «Нанотехника», который начал издаваться в 2004 г. Уже опубликовано несколько монографий в том числе и в России (1-3). 

За рубежом  в 2000 г. издана первая десятитомная энциклопедия «Нанонаука и наноматериалы». Именно из этой энциклопедии можно дать определение НТ, как науки и техники создания, изготовления, характеризации и реализации материалов, функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровне.

В странах с  развитой экономикой и наукой —  США, Японии, Объединенной Европе, а  также и в Китае исследования в области НТ объявлены высшими  национальными приоритетами.

Например, Билл Клинтон, будучи президентом США, утвердил программу под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива», рассчитанную на 10 лет с ежегодно увеличивающимся финансированием. (В 2004 г. было выделено $889 млн.).

Президент России В.В. Путин в своих выступлениях начала 2006 г. неоднократно подчеркивал  необходимость развития НТ в России, а в своем Послании Федеральному собранию 11 мая 2006 г. он упомянул лишь об одном научно-техническом национальном приоритете — нанотехнологиях. НТ в  настоящее время в наибольших масштабах используют и электронике, биологии, медицине, энергетике, охране природы, материаловедении.  

2.Лакокрасочные материалы

     Лакокрасочные покрытия образуются в результате пленкообразования (высыхания, отверждения) лакокрасочных материалов, нанесенных на поверхность (подложку). Основное назначение: защита материалов от разрушения (напр., металлов – от коррозии, дерева – от гниения) и декоративная отделка поверхности. По эксплуатационным свойствам различают лакокрасочные покрытия атмосферо-, водо-, масло- и бензостойкие, химически стойкие, термостойкие, электроизоляционные, консервационные, а также специального назначения. К последним относятся, напр., противообрастающие (препятствуют обрастанию подводных частей судов и гидротехнических сооружений морскими микроорганизмами), светоотражающие, светящиеся (способны к люминесценции в видимой области спектра при облучении светом или радиоактивным излучением), термоиндикаторные (изменяют цвет или яркость свечения при определенной температуре), огнезащитные, противошумные (звукоизолирующие). По внешнему виду (степень глянца, волнистость поверхности, наличие дефектов) лакокрасочные покрытия принято подразделять на 7 классов. Для получения лакокрасочных покрытий применяют разнообразные лакокрасочные материалы (ЛКМ), различающиеся по составу и химической природе пленкообразователя. ЛКМ на основе термопластичных пленкообразователей – Битумные лаки, Эфироцеллюлозные лаки, ЛКМ на основе термореактивных пленкообразователей – Полиэфирные лаки, Полиуретановые лаки и др.; К ЛКМ на основе масел относятся олифы, масляные лаки, масляные краски, к модифицированным маслам– алкидные лаки. Используют лакокрасочные покрытия во всех отраслях народного хозяйства и в быту. Мировое производство ЛКМ составляет около 20 млн. т/год (1985). Более 50% всех ЛКМ расходуется в машиностроении (из них 20% – в автомобилестроении), 25% – в строительной индустрии. В строительстве для получения лакокрасочных покрытий (отделочные) применяют упрощенные технологии изготовления и нанесения ЛКМ главным образом на основе таких пленкообразователей, как казеин, водные дисперсии поливинилацетата, акрилатов или др., жидкое стекло.  

     3.Методы нанесения жидких ЛКМ 

     1.Ручной (кистью, шпателем, валиком) – для окраски крупногабаритных изделий (строительных сооружении, некоторых промышленных конструкций), исправления дефектов, в быту; используются ЛКМ естествественной сушки.

     2..Валковый – механизированное нанесение ЛКМ с помощью системы валиков обычно на плоские изделия (листовой и рулонный прокат, полимерные пленки, щитовые элементы мебели, бумага, картон, металлическая фольга).

     3.Окунание в ванну, заполненную ЛКМ. Традиционные (органоразбавляемые) ЛКМ удерживаются на поверхности после извлечения изделия из ванны вследствие смачивания. В случае водоразбавляемых ЛКМ обычно применяют окунание с электро-, хемо- и термоосаждением. В соответствии со знаком заряда поверхности окрашиваемого изделия различают ано- и катофоретическое электроосаждение – частицы ЛКМ движутся в результате электрофореза к изделию, которое служит соответствующим анодом или катодом. При катодном электроосаждении (не сопровождающемся окислением металла, как при осаждении на аноде) получают лакокрасочные покрытия, обладающие повышенной коррозионной стойкостью. Применение метода электроосаждения позволяет хорошо защитить от коррозии острые углы и кромки изделия, сварные швы, внутренние полости, но нанести можно только один слой ЛКМ, т. к. первый слой, являющийся диэлектриком, препятствует электроосаждению второго. Однако этот метод можно сочетать с предварительным нанесением пористого осадка из суспензии др. пленкообразователя; через такой слой возможно электроосаждение. При хемоосаждении используют ЛКМ дисперсионного типа, содержащие окислители; при их взаимодействии с металлической подложкой на ней создается высокая концентрация поливалентных ионов (Ме⁰: Ме⁺ⁿ), вызывающих коагуляцию приповерхностных слоев ЛКМ. При термоосаждении осадок образуется на нагретой поверхности; в этом случае в воднодисперсионный ЛКМ вводят специальную добавку, теряющего растворимость при нагревании.

     4. Струйный облив (налив) – окрашиваемые  изделия проходят через «завесу»  ЛКМ. Струйный облив применяют  для окраски узлов и деталей  различных машин и оборудования, налив – для окраски плоских  изделий (напр., листового металла, щитовых элементов мебели, фанеры). Методы облива и окунания применяют для нанесения ЛКМ на изделия обтекаемой формы с гладкой поверхностью, окрашиваемые в один цвет со всех сторон. Для получения равномерной толщины без подтеков и наплывов окрашенные изделия выдерживают в парах растворителя, поступающих из сушильной камеры.

     5. Распыление:

     а) пневматическое – с помощью ручных или автоматических пистолетообразных  краскораспылителей, ЛКМ с т-рой  от комнатной до 40–85 °С подается под давлением (200–600 кПа) очищенного воздуха; метод высокопроизводителен, обеспечивает хорошее качество лакокрасочных покрытий на поверхностях различной формы;

     б) гидравлическое (безвоздушное), осуществляемое под давлением, создаваемым насосом (при 4–10 МПа в случае подогрева ЛКМ, при 10–25 МПа без подогрева);

     в) аэрозольное – из баллончиков, заполненных  ЛКМ и пропеллентом; применяют при подкраске автомашин, мебели и др.

     Существует  недостаток методов распыления –  большие потери ЛКМ (в виде устойчивого аэрозоля, уносимого в вентиляцию, из-за оседания на стенах окрасочной камеры и в гидрофильтрах), достигающие 40% при пневмораспылении. С целью сокращения потерь (до 1–5%) используют распыление в электростатическом поле высокого напряжения (50–140 кВ): частицы ЛКМ в результате коронного разряда (от спец. электрода) или контактного заряжения (от распылителя) приобретают заряд (обычно отрицательный) и осаждаются на окрашиваемом изделии, служащем электродом противоположного знака. Этим методом наносят многослойные лакокрасочные покрытия на металлы и даже неметаллы, напр. на древесину с влажностью не менее 8%, пластмассы с токопроводящим покрытием. Методы нанесения порошковых ЛКМ: насыпание (насеивание); напыление (с подогревом подложки и газопламенным или плазменным нагревом порошка, либо в электростатич. поле); нанесение в псевдоожиженном слое, напр. вихревом, вибрационном. Мн. методы нанесения ЛКМ применяют при окраске изделий на конвейерных поточных линиях, что позволяет формировать лакокрасочные покрытия при повышенных температурах, а это обеспечивает их высокие технологические свойства. Получают также т. наз. градиентные лакокрасочные покрытия путем одноразового нанесения (обычно распылением) ЛКМ, содержащих смеси дисперсий, порошков или растворов термодинамически несовместимых пленкообразователей. Последние самопроизвольно расслаиваются при испарении общего растворителя или при нагреве выше температур текучести пленкообразователей. Вследствие избирательного смачивания подложки один пленко-образователь обогащает поверхностные слои лакокрасочных покрытий, второй – нижние (адгезионные). В результате возникает структура многослоевого (комплексного) лакокрасочного покрытия. Сушку (отверждение) нанесенных ЛКМ осуществляют при 15–25 °С (холодная, естеств. сушка) и при повышенных температурах (горячая, «печная» сушка). Естественная сушка возможна при использовании ЛКМ на основе быстровысыхающих термопластичных пленкообразователей (напр., перхлорвиниловых смол, нитратов целлюлозы) или пленкообразователей, имеющих ненасыщенные связи в молекулах, для которых отвердителями служат О₂ воздуха или влага, напр. алкидные смолы и полиуретаны соотвенно, а также при применении двухупаковочных ЛКМ (отвердитель в них добавляется перед нанесением). К последним относятся ЛКМ на основе, напр., эпоксидных смол и полиаминами. Сушку ЛКМ в промышленности осуществляют обычно при 80–160 °С, порошковых и некоторых специальных ЛКМ – при 160–320 °С. В этих условиях ускоряется улетучивание растворителя (обычно высококипящего) и происходит так называемое термоотверждение реакционноспособных пленкообразователей, напр. алкидных, меламино-алкидных, феноло-формальд. смол. Наибольшее распространенные методы термоотвсрждения – конвективный (изделие обогревается циркулирующим горячим воздухом), терморадиационный (источник обогрева – ИК излучение) и индуктивный (изделие помещается в переменное электромагн. поле). Для получения лакокрасочных покрытий на основе ненасыщенных олигомеров используют также отверждение под действием УФ излучения, ускоренных электронов (электронного пучка). В процессе сушки протекают различные физ.-хим. процессы, приводящие к формированию лакокрасочных покрытий, напр. смачивание подложки, удаление орг. растворителя и воды, полимеризация и (или) поликонденсация в случае реакционноспособных пленкообразователей с образованием сетчатых полимеров. Формирование лакокрасочных покрытий из порошковых ЛКМ включает оплавление частиц пленкообразователя, слипание возникших капелек и смачивание ими подложки и иногда термоотверждение. Пленкообразование из воднодисперсионных ЛКМ завершается процессом аутогезии (слипания) полимерных частиц, протекающим выше минимальной температуры пленкообразования, близкой к температуре стеклования пленкообразователя. Формирование лакокрасочных покрытий из органодисперсионных ЛКМ происходит в результате коалесценции полимерных частиц, набухших в растворителе или пластификаторе в условиях естественной сушки, при кратковременном нагревании (напр., 3–10 с при 250–300 °С). Промежуточная обработка лакокрасочных покрытий: 1) шлифование абразивными шкурками нижних слоев лакокрасочных покрытий для удаления посторонних включений, придания матовости и улучшения адгезии между слоями; 2) полирование верх, слоя с использованием, напр., различных паст для придания лакокрасочным покрытиям зеркального блеска. Пример технологической схемы окраски кузовов легковых автомобилей (перечислены последовательные операции): обезжиривание и фосфатирование поверхности, сушка и охлаждение, грунтование электрофорезной грунтовкой, отверждение грунтовки (180 °С, 30 мин), охлаждение, нанесение шумоизолирующего, герметизирующего и ингибирующего составов, нанесение эпоксидной грунтовки двумя слоями, отверждение (150 °С, 20 мин), охлаждение, шлифование грунтовки, протирка кузова и обдув воздухом, нанесение двух слоев алкидно-меламиновой эмали, сушка (130–140 °С, 30 мин). Свойства покрытий определяются составом ЛКМ (типом пленкообразователя, пигментом и др.), а также структурой покрытий. Наиболее важные физ.-мех. характеристики лакокрасочных покрытий – адгезионная прочность к подложке (см. Адгезия), твердость, прочность при изгибе и ударе. Кроме того, лакокрасочные покрытия оцениваются на влагонепроницаемость, атмосферостойкость, химстойкость и др. защитные свойства, комплекс декоративных свойств, напр. прозрачность или укрывистость (непрозрачность), интенсивность и чистота цвета, степень блеска. Укрывистость достигается введением в ЛКМ наполнителей и пигментов. Последние могут выполнять также и другие функции: окрашивать, повышать защитные свойства (противокоррозионные) и придавать специальные свойства покрытиям (напр., электропроводимость, теплоизолирующую способность). Объемное содержание пигментов в эмалях составляет <30%, в грунтовках – ок. 35%, а в шпатлевках – до 80%. Предельный «уровень» пигментирования зависит также от типа ЛКМ: в порошковых красках – 15–20%, а в воднодисперсионных – до 30%. Большинство ЛКМ содержат органические растворители, поэтому производство лакокрасочных покрытий является взрыво- и пожароопасным. Кроме того, применяемые растворители токсичны (ПДК 5–740 мг/м³). После нанесения ЛКМ требуется обезвреживание растворителей, напр. термическим или каталитическим окислением (дожиганием) отходов; при больших расходах ЛКМ и использовании дорогостоящих растворителей целесообразна их утилизация – поглощение из паровоздушной смеси (содержание растворителей не менее 3–5 г./м³) жидким или твердым (активированный уголь, цеолит) поглотителем с послед. регенерацией, В этом отношении преимущество имеют ЛКМ, не содержащие органических растворителей (см. Водоэмульсионные краски, Порошковые краски), и ЛКМ с повышенным (70%) содержанием твердых веществ. В то же время наилучшими защитными свойствами (на единицу толщины), как правило, обладают лакокрасочные покрытия из ЛКМ, используемых в виде растворов. Бездефектность лакокрасочных покрытий, улучшение смачивания подложки, устойчивость при хранении (предотвращение оседания пигментов) эмалей, водно- и органо-дисперсионных красок достигается введением в ЛКМ на стадии изготовления или перед нанесением функциональных добавок; напр., рецептура воднодисперсионных красок обычно включает 5–7 таких добавок (диспергаторы, стабилизаторы, смачиватели, коалесценты, антивспениватели и др.). Для контроля качества и долговечности лакокрасочных покрытий проводят их внеш. осмотр и определяют с помощью приборов (на образцах) свойства – физико-мех. (адгезия, эластичность, твердость и др.), декоративные и защитные (напр., антикоррозионные свойства, атмосферостойкость, водопоглощение). 

     4.Масляные краски 

     Несмотря  на интенсивное развитие производства синтетических лакокрасочных материалов, краски на основе масел все еще  широко применяются для окраски  объектов железнодорожного транспорта. На растительных маслах, натуральных, комбинированных и алкидных олифах изготовляют густотертые или  готовые к употреблению масляные краски. Полунатуральные полимеризованные олифы и олифы типа «Оксоль» для  приготовления красок непригодны, так  как изготовленные на их основе краски при хранении загустевают. Эти олифы  применяют только для разведения густотертых красок до рабочей вязкости. Свойства покрытий на основе масляных красок существенно зависят от типа и сорта олиф, а также от пигментов, входящих в их состав. Так, покрытия на основе натуральных полимеризованных олиф имеют более низкую водонабухаемость и обладают повышенной стойкостью в  коррозионных средах по сравнению с  покрытиями на основе натуральных окисленных олиф. Некоторые олифы (натуральная  конопляная, «Оксоль» всех типов) имеют  темный цвет и на их основе невозможно получить краски светлых тонов. Покрытия на основе льняного масла с течением времени сильно желтеют и изменяют первоначальный цвет. Поэтому при  окраске внутри помещений к белым  краскам добавляют ультрамарин. При окраске изделий, предназначенных  для работы в атмосферных условиях, краски обычно подцвечивают сажей (светло-серый цвет) или желтым кроном (цвет слоновой кости). Алюминиевая пудра, железный сурик и свинцовый крон повышают стойкость покрытий к атмосферным воздействиям; цинковые белила снижают атмосферостойкость покрытий. Масляные краски обладают очень низкой стойкостью к действию воды и щелочей. Краски на льняной полимеризованной олифе, пигментированной свинцовым суриком, образуют покрытия, стойкие в условиях воздействия влаги, конденсата, коррозионных сред (сернистого ангидрида, аммиака и т.д.), перепадов температур от 60 до – 60 °С и применяются для грунтования внутренних поверхностей металлических кузовов вагонов. Масляные краски белого цвета. Цинковые белила являются основной белой краской, применяемой на железнодорожном транспорте. Они выпускаются в виде густотертых и готовых к употреблению красок. Густотертые цинковые белила для наружных работ разводят натуральными или глифталевыми олифами, а белила, готовые к употреблению, – уайт-спиритом (не более 5% от массы краски). Цинковыми белилами окрашивают подвижной состав, путевые машины, внутренние и наружные поверхности зданий и сооружений. При окраске внутри помещений к цинковым белилам для чистоты и стабильности цвета покрытия добавляют до 2% ультрамарина. Получаемые покрытия стойки к атмосферным воздействиям в различных климатических зонах не более двух лет. При добавлении к цинковым белилам алюминиевой пудры (5%) атмосферостойкость покрытий повышается до трех лет; цинковыми белилами с добавкой алюминиевой пудры окрашивают металлоконструкции мостов. Свинцовые белила ввиду их токсичности применяют на железнодорожном транспорте в исключительных случаях – при окраске крупных сооружений (мостов, виадуков и т.п.). Свинцовые белила густотертые выпускают без наполнителя или с наполнителем – баритом, но для окраски объектов железнодорожного транспорта применяют свинцовые белила без наполнителя, которые разбавляют до рабочей вязкости натуральной олифой. По атмосферостойкости свинцовые белила превосходят цинковые, но и они стойки не более трех лет, а при воздействии паров сероводорода темнеют. Иногда экономически целесообразно применять смесь свинцовых и цинковых белил. Литопонные белила уступают по качеству всем остальным видам белил, поэтому их применяют только для внутренней окраски зданий, сооружений и подвижного состава. Укрывистость цинковых белил, литопоновых белил и масляных красок светлых тонов очень низкая (160–235 г./м2). Для полной укрывистости необходимо кистью наносить два-три слоя материала с рабочей вязкостью 30 с (по ВЗ-4). При ремонте вагонов, локомотивов и других объектов железнодорожного транспорта в депо обычно наносят однослойное покрытие. При этом краски светлых оттенков применяют с рабочей вязкостью 60–80 с (по ВЗ-4). Их наносят валиком или методом пневматического распыления с подогревом. За последние годы широкое распространение получили краски белого цвета, пигментированные двуокисью титана. Такие краски обладают лучшей укрывистостью по сравнению с красками, пигментированными цинковыми белилами. Дли окраски наружных поверхностей применяют краски с двуокисью титана рутильной формы, а для внутренних – краски сдвуокисью титана анатазной формы, так как последние менее атмосферостойки и быстро мелят. Масляные краски других цветов. Краски масляные густые для наружных работ применяются для окраски объектов, эксплуатируемых вне помещений, кроме мостов и опор контактной сети. Эти краски разводят до рабочей вязкости натуральными или глифталевыми олифами. В последнее время эту краску применяют при отсутствии лакокрасочных материалов зеленого цвета на основе синтетических смол. Зелень свинцовистую густотертую выпускают нескольких марок: МА-ОН-Н-2 на натуральной олифе; МА-015-Н-2 на комбинированной олифе (с соотношением пигмента и наполнителя 1: 1); МА-011-Н-3 на натуральной олифе, МА-015-Н-3 на комбинированной олифе (с соотношением пигмента и наполнителя 1:3), каждую из этих марок подразделяют по цвету на светлую и темную. Для наружной окраски пассажирских вагонов применяют зелень марки МА-ОИ-Н-2, так называемую вагонную зелень, для вагонов дальнего следования – темную, для пригородных вагонов – светлую. Панели и стены внутри вагонов и локомотивов всех типов окрашивают свинцовой зеленью перечисленных марок. Покрытия, полученные при нанесении свинцовой зелени в два слоя, стойки к атмосферным воздействиям и сохраняют защитные свойства в умеренно-континентальном климате не менее двух или полутора лет. Наряду с зеленью свинцовой густотертой для окраски объектов железнодорожного транспорта применяют зелень цинковую густотертую. Так как зелень цинковая темная имеет более светлый оттенок по сравнению с зеленью свинцовистой темной, ее применяют для окраски вагонов пригородного сообщения. Причем для окраски наружных поверхностей вагонов применяют цинковую зелень, содержащую в качестве наполнителя тяжелый шпат, а для внутренних поверхностей – цинковую зелень с легким шпатом. Кроме перичисленных густотертых красок на железнодорожном транспорте применяют краски земляные густотертые и готовые к употреблению, они пигментированы земляными пигментами – охрой, мумией, суриком железным. Масляные краски, пигментированные железной слюдкой, образуют покрытия высокой атмосферостойкости. Их целесообразно использовать для окраски металлоконструкций.