Badania

EKOLOGICZNE POWŁOKI AKRYLOWE ELEKTROPRZEWODZĄCE HYBRYDOWE CNT – GRAFEN

Proste zwiększenie skali podejściem do wytwarzania nowych materiałów powłokowych na bazie elektroprzewodzących modyfikowanych nanorurek węglowych (CNT), grafen (GN).

Ze względu na szybki wzrost produkcji oraz zmniejszenie cen nanocząstek węgla, stały się bardzo atrakcyjne jako składniki farb i lakierów nowej generacji.

CNT i GN wykazują nadzwyczajne właściwości mechaniczne, elektryczne i termiczne [1]. Mogą one polepszyć właściwości powłok polimerowych, np. twardość, przewodność, elektryczną i cieplną, przy czym zawartość nanostruktur jest mniejsza niż 1 wag. % [2]. Nie ma ogłoszenia o płaszczach dwuskładnikowych (2K) akrylowych modyfikowanych nanostruktur węglowych [3,4]. Płaszcze utworzone z wymienionych systemów akrylowych 2K wykazały zmniejszoną oporność elektryczną powierzchni o 7 rzędów wielkości.

Eksperyment

  • Celem pracy było opracowanie i charakterystyka nowych kompozycji powłokowych, farba wodorozcieńczalna akrylowa 1K.
    Materiały
    Kompozycje powłokowe wytworzono na dużą skalę laboratoryjną mieszając następujące składniki:
    wodna dyspersja akrylowa, 45 wag. % Ciał stałych, lepkości <80 mPa • s (Mowilith, Celanese, Holandia);
  • 2 wag. % Wodna dyspersja Nanocyl NC7000 (tj.i wielościankowe CNT, średniej długości 1,5 mikrometrów; Nanocyl, Belgia);
  • 1 wag. % Wodna dyspersja GN (grubość warstwy <2 nm, warstwa <3, powierzchnia właściwa;
    > 750m2 / g, Grafen Technologies, USA), przygotowane z wykorzystaniem własnych organiczny czynnik rozpraszający (ZUT, Instytut Polimerów, Polska) w procesie sonikacyjnym.

Przygotowanie i zastosowanie kompozycji powłokowych
Kompozycje powłokowe akrylowe na bazie wody z nanocząsteczkami węgla przez zmieszanie dyspersji Mowilith, dyspersją (ów) nanowypełniaczy stosując mieszadło mechaniczne (600 obrotów na minutę, 30 min). Następnie kompozycję powłokową naniesiono na płytki szklane przy użyciu aplikatora szczelinowego (Zafil, Polska) i suszono przez 24 h w temperaturze pokojowej.
Metody działania:
Lepkość lakierów określono za pomocą wiskozymetru wysokiej akcji (kurs akcji ok 10 000 s-1; ICI stożka systemu, Badanie Equipment Ltd, Anglia).

  • Przekrój i obrazy cyfrowe zostały przygotowane przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej (Jeol JEM 1200EX, Japan).
  • twardości wahadła suchej warstwy na podłożu szklanym mierzono stosując wahadło König (AWS-5 Dozafil, UK).
  • elektryczna rezystywność powierzchniowa powłoki suchej na podłożu szklanym mierzono stosując elektrometr z elektrodą 6517A, określonym Keithley 8009 (Keithley Instruments, Inc.).
  • temperatury zeszklenia powłoki określono za pomocą różnicowego kalorymetru skanującego (DSC; Q100 tj TA Instruments, USA).

Wyniki
Ilość kompozycji i powłok zawierających do 1 wagowo powlekania. % Nanostruktur zostały uzyskane, a ich właściwości oceniane (tab 1, 2,. Rys.1).

Tab. 1. Opis składu powłok

Skład symbol Zawartość CNT [wt. part*] Zawartośc Gn [wt. part*] Lepkość [mPa·s]
CNT-0.4 0.4 25
CNT-0.5 0.5 25
CNT-0.6 0.6 20
CNT-0.8 0.8 20
CNT-1 1 20
CNT/Gn-0.8/0.2 0.8 0.2 20
CNT/Gn-0.6/0.4 0.6 0.4 15
CNT/Gn-0.5/0.5 0.5 0.5 15
CNT/Gn-0.4/0.6 0.4 0.6 15
CNT/Gn-0.3/0.7 0.3 0.7 15
CNT/Gn-0.2/0.8 0.2 0.8 10
Gn-1 1 10
Reference sample 70

grafen_artykul_ekologiczne_hybrydowe

Fig. 1. Mikrograf TEM przekroju płaszcza akrylowego (1 wag., Strony CNT / 100 części wag. Części stałych dyspersji akrylowych).

Tab. 2. Rezystywność powierzchniowa i trwałość powłok

Skład symbol Rezystywność powierzchniowa* [Ω] Twardość [a.u.]
CNT-0.4 5.3 .1012 47
CNT-0.5 6.8 .108 48
CNT-0.6 1.6 .106 48
CNT-0.8 6.7 .105 48
CNT-1 1.8 .105 47
CNT/Gn-0.8/0.2 3.3 .105 48
CNT/Gn-0.6/0.4 4.9 .105 50
CNT/Gn-0.5/0.5 1.2 .106 52
CNT/Gn-0.4/0.6 9.5 .107 53
CNT/Gn-0.3/0.7 3.6 .1012 54
CNT/Gn-0.2/0.8 7.6 .1012 57
Gn-1 1.1 .1013 73
Reference sample 1.0 .1014 48

* – measured for 10 V

Wnioski

  • Eelektrokonduktywne akrylowe kompozycje powłokowe sporządzone zostały
    na dużą skalę laboratoryjną prostymi i gotowymi metodami skalowania.
  • Zgodnie z podejściem proekologicznym System wodny został sformułowany bez niebezpiecznych rozpuszczalników.
  • Zmniejszenie lepkości badanych kompozycji jest spowodowana dużych ilości wody wprowadzanej w nanostruktury dyspersji.
  • TEM świadczą wyższe stężenie nanostruktur w pobliżu powierzchni płaszcza niż w głębi.
  • Twardość powłok bezpośrednio zależą od zawartości grafenu.
  • Warstwa 1% wag. CNT wykazywał wzrost przewodności elektrycznej przez rzędy wielkości w porównaniu z czystym płaszczu
  • Funkcja antyelektrostatyczna (czyli R = 108Ω) niskiego 0,5 wag. Zawartość% CNT, lub
    0,4% wag. CNT i 0,6% wag. GN w płaszczu.
  • Wpływ na poprawę właściwości CNT elektryczne były większe niż firmy GN.
  • Uzyskane lakiery nadają się do antystatycznej.

Odniesienie do:

[1] Kugler S., Spychaj T.: Polimery, 58, 93-99, 2013

[2] Kuilla T., Bhadra S., Yao D. et al.:
Prog. Polym. Sci., 35, 1350-1375, 2010

[3] Sangermano M., Marchi S., Valentini L. et al.:
Macromol. Mater. Eng., 296, 401-407, 2011

[4] Ha H., Kim S. C.:
Macromol. Res., 18, 674-679, 2010


Podziękowania
Praca finansowana ze środków 7. Programu Ramowego projektu Unii Europejskiej FP7-SME2011 285908 TransCond „.

 

Tadeusz Spychaj, Krzysztof Kowalczyk, Szymon Kugler,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Instytut Polimerów; Polska