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

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.

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.

Autoři

• Ing. Pazderová Martina Ph.D.
• Koukalová Alena
• Ing. Jeníček Vít
• Ing. Diblíková Linda Ph.D.
• Ing. Valeš Miroslav
• Ing. Kudláček Jan Ph.D.
• Ing. Herrmann František CSc.