Нанотехнология, а точнее, явления наноразмерного масштаба, и способы управления такими явлениями существовали всегда. Что нового по сравнению с недавним прошлым, так это появление слова «нанотехнология».
Опираясь на солидную научную базу, мы стали лучше понимать важность наноразмерной среды; кроме того, сейчас существуют специальные инструменты, позволяющие выполнять количественные измерения.
Разница между «массовыми» и наноразмерными объектами заключается в следующем:
- значение площади поверхности по отношению к объему;
- явление удержания с характерными квантовыми эффектами (не рассматриваются в данной статье) или, как в случае с полимерными материалами, конкретными эксплуатационными характеристиками;
- неприменимость уравнений, которые используются на макроскопическом уровне;
- использование статистической термодинамики для описания явлений.
Чтобы судить об обсуждаемых размерах, можно представить человеческий волос, толщина которого составляет всего несколько микрон.
Нанометр соответствует тысячной доле микрона. Диаметр молекулы воды равен приблизительно 0,3 нм. Нанометр по сравнению с метром – это все равно что диаметр теннисного мячика по сравнению с диаметром Земли. Человеческий волос мгновенно вырастает на один нанометр.
Нанотехнология широко распространена в природе, и изучение этого явления привело к разработке новых продуктов, например, “эффект лотоса” привел к разработке покрытий, препятствующих нанесению граффити. К тому же, материалы, необходимые для нанотехнологии, теперь имеются в продаже по приемлемой цене.
ПРЕИМУЩЕСТВА НАНОЛАТЕКСА
Сотрудники компании Vinavil, в которой производятся водорастворимые дисперсионные полимеры, часто исследовали, какие характеристики может иметь нанолатекс, и как их использовать в покрытиях и строительной отрасли.
Ниже приведены некоторые результаты:
Использование воды в качестве дисперсионной среды. Это важная характеристика, характерная для всех латексов.
Высокая производительность. В целом, скорость полимеризации в гетерогенной фазе обратно пропорциональна диаметру частиц; поэтому кинетика полимеризации особенно благоприятна.
Большая площадь поверхности. Это демонстрируется на рисунке 1, где видно, что удельная площадь поверхности стандартного латекса составляет примерно 20 м2/г, что в 10 раз меньше, чем у нанолатекса.
Рисунок 1. Удельная площадь поверхности.3
Функциональность поверхности. По мере уменьшения размера частиц возрастает значение площади поверхности по отношению к объему. Таким образом, когда функциональные частицы полимеризуются, большинство функциональных групп будет стремиться выйти на поверхность.
Покрытие наполнителя. Это вытекает из пунктов 3 и 4. Например, 30 г нанолатекса размером 30 нм будет покрывать 3 кг наполнителя диаметром в один микрон. Если функциональность нанолатекса рассчитана правильно, то помимо функции связующего, он может также выполнять роль дисперсионного агента.
Пленкообразование. Научные исследования1 показали, что при одинаковых температурах стеклования тонкодисперсный полимер будет образовывать пленку при более низкой температуре, чем крупнодисперсный. Таким образом, латексные пленки можно получить при значительно более низких температурах, чем температура стеклования, также используя преимущества морфологии частиц. Если мономеры выбраны правильно, вода будет оказывать незначительное влияние на полимер после образования пленки.
Впитывание и проникновение в пористые подложки. Логично предположить, что тонкие дисперсии лучше проникают в пористый материал, чем дисперсии с более крупными частицами. Однако на самом деле все не так просто; в этом случае также имеют место другие явления, которые играют свою роль. Когда жидкость идеально смачивает поверхность твердого тела, массе жидкости предшествует слой прекурсора, который может достигать 20-40 нм.2 Очевидно, что, если размеры частиц находятся в этом диапазоне, то они будут уноситься проникающей внутрь жидкостью; в противном случае они будут заблокированы поверхностью твердого тела (рисунок 2), а проникать будет только водная фаза, таким образом, концентрация дисперсии на поверхности приведет к увеличению вязкости и, рано или поздно, к дестабилизации. Другие аспекты, влияющие на хорошее впитывание, — это реология (жидкость должна иметь низкую вязкость при сдвиге) и коллоидная устойчивость жидкости (она не должна коагулировать в присутствии солей).
Рисунок 2. Модель тонкой пленки жидкости. Эффективный перенос частиц при w/d>1.
Консолидация. В этом случае также логично предположить, что использование мелких частиц будет предпочтительно. Количество частиц пропорционально 1/r3. При использовании мелких частиц возможно большее количество точек зацепления между зернами не очень плотной подложки. Однако необходимо также учитывать особенности расположения частиц. См. рисунок 3.
Рисунок 3. Предпочтительное поведение нанолатекса при связывании отдельных гранул.
Прозрачность. Для получения прозрачных латексов частицы должны быть значительно меньше длины световой волны. На рисунке 4 показано сравнение разных типов латекса. Также можно отметить, что традиционные латексы с концентрацией сухого вещества 0,5 г/л полностью непрозрачны по сравнению с нанолатексами с содержанием сухих веществ 30%.
Рисунок 4. Прозрачность нанолатексов.
Другие явления, которые необходимо рассмотреть при обсуждении нанолатексов и которые до сих пор не были предметом углубленных исследований, это удержание макромолекул, разные механизмы полимеризации и разные особенности влияния энтропии и энтальпии в сравнении с «макролатексами”. Все эти факторы оказывают влияние как на характеристики латексов, так и на конечный продукт.
Есть основания полагать, что после тщательного изучения этих аспектов нанолатексы можно будет использовать в качестве грунтовок.
ТРЕБОВАНИЯ К ГРУНТОВКЕ
Грунтовка должна консолидировать не очень плотную подложку (например, изношенную поверхность) и подготовить ее к дальнейшему нанесению покрытий. При этом не должен меняться внешний вид поверхности и не должно оказываться негативного воздействия на окружающую среду. Требования к грунтовке могут включать следующее:
- проникающая способность;
- уплотняющие свойства;
- адгезия;
- отсутствие влияния на внешний вид обрабатываемой поверхности;
- уменьшение пористости;
- проницаемость водяного пара;
- отсутствие растворителей и летучих веществ.
Исходя из обсуждаемого выше, очевидно, что правильно разработанный состав нанолатекса будет подходящим решением для получения грунтовки с соответствующими эксплуатационными характеристиками, способной заменить грунтовки на основе растворителей.
Компания Vinavil производит и продает два нанолатекса (таблица 1), которые используются в качестве грунтовок с катионной и анионной стабилизирующей системой. Катионный нанолатекс по сути является биоцидом, что очень приветствуется в строительной отрасли.
Интересной особенностью для других областей применения является свойство рассеивания поверхностных электрических зарядов, обеспечивающее антистатическое действие. На данный момент нет принятых стандартов по методам испытания нанолатексов для их использования в качестве грунтовок.
Поэтому мы разработали методы испытания, применимые для оценки грунтовок. Ниже приводятся самый значимые из них.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Консолидация и проникновение — это два явления, тесно связанных между собой. Латекс, не проникающий внутрь, будет очень хорошо уплотнять поверхностный слой, оставляя нежелательный эффект блеска; однако низлежащий слой будет оставаться неоднородным.
Нанолатекс, проникающий вглубь подложки, будет консолидировать основную массу неоднородной подложки, при этом соотношение массы полимера/неоднородного материала будет крайне низким. При прочих равных условиях абразивная стойкость на единицу толщины будет ниже. Наноструктура латекса будет играть решающую роль при одной и той же глубине проникновения, и количестве полимера. В отдельных случаях для определения оптимальных условий необходимо провести серию испытаний путем дозирования разного количества и концентрации латекса. Чтобы получить четкое представление о качестве наших продуктов, мы провели ряд испытаний с различной степенью однородности пористых подложек.
КОНСОЛИДАЦИЯ ПОРОШКОВ
Это испытание выполнялось для оценки количества кварцевого порошка, которое способен консолидировать нанолатекс. График на рисунке 5 иллюстрирует, какая грунтовка на основе нанолатекса обладает лучшим консолидирующим действием. Этому испытанию также подвергались другие порошки, такие как цемент и карбонат кальция; были получены аналогичные результаты.
Рисунок 5. Консолидация кварцевого порошка при использовании грунтовки.
КОНСОЛИДАЦИЯ ШТУКАТУРКИ
Это испытание выполнялось для оценки стойкости к сухому истиранию тощей, бесцементной штукатурки, уплотненной с помощью грунтовки на основе нанолатекса. Чтобы лучше интерпретировать полученные результаты, потеря веса фиксировалась на графике. Анализ результатов показал, как грунтовка на основе нанолатекса повышает стойкость к истиранию подложки (рисунок 6).
Рисунок 6. Стойкость к сухому истиранию штукатурки, обработанной с помощью грунтовки.
КОНСОЛИДАЦИЯ КРАСКИ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ПВХ
Это испытание выполнялось для оценки консолидации старой неоднородной краски с применением нанолатекса. Очевидно, что внешний вид краски не должен меняться после высыхания. Анализ результатов показал, что краска с высоким содержанием ПВХ, на которую нанесена грунтовка на основе нанолатекса, обладает повышенной стойкостью к царапанию во влажном состоянии.
Рисунок 7. Изображения, полученные методом растровой электронной микроскопии (РЭМ), для высокопористой подложки до и после пропитки нанолатексом.
На рисунке 7 представлено два РЭМ-изображения высокопористой подложки с крайне высокой площадью поверхности до и после пропитки. Можно отметить, что значительная доля пористости остается даже в таких неблагоприятных условиях, что обеспечит прохождение пара даже при уменьшении барьера. Также оценивалась способность нанолатексов обеспечивать хорошее сцепление по следующих слоев на сложных для использования подложках (например, гипс).
Были получены хорошие результаты, особенно по сравнению с традиционными латексами.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Компания Mapei разработала консолидирующий агент под названием Primer 3296 с использованием катионного нанолатекса.
В Неаполитанском университете обсуждалась диссертация на тему “Инновационная технология защиты подверженных эрозии хребтов на примере Монте-ди-Прочида”, в которой описывалось действие Primer 3296 (рисунок 8).
Рисунок 8. Грунтовка Primer 3296 была испытана в Монте-ди-Прочида (Неаполь, Италия).
Кроме того, данный продукт уже более 10 лет используется в строительстве для консолидации неоднородных, известковых подложек для внутреннего и наружного применения. Аналогично используется и недавно разработанный анионный нанолатекс.
Одним из интересных вариантов применения является пропитка древесины. Этот материал также может быть разработан для производства высококачественных красок.
ВЫВОДЫ
Более глубокое изучение явлений, которые происходят на наноуровне, и последующие испытания (как при эксплуатации, так и в синтезе полимеров) привели к разработке новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с традиционными составами и безопасных для окружающей среды.
ПРИМЕЧАНИЕ АВТОРОВ
Рисунки 3-7 предоставлены компанией Vinavil R&D Laboratories, Вилладоссола (Италия). Мы выражаем благодарность за сотрудничество следующим лицам: Винченцо Баррако и Сильвия Пассери из компании Mapei R&D Laboratory, Маттео Риццонелли и Лука Балларати из компании Vinavil R&D Laboratory, Mapei и Vinavil Analysis Laboratory и Университет Павии.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- Мейнкен, М.; Сандерсон, Р.Д. Определение влияния структуры полимера и размера частиц на процесс пленкообразования полимеров методом атомно-силовой микроскопии, журнал Polymer, 43(2002), стр. 4947-4955; и Снупарек, Дж. и соавт., Явление гидропластификации при пленкообразовании структурированных латексных частиц, журнал Macromol. Symp., 187 (2002), стр. 357-376.
- Ван, Дж.; Токунага, Т.К. Натяжение пленки коллоидов в ненасыщенной пористой среде: концептуальная модель и экспериментальные испытания, журнал Environ. Sci. Technol., 31 (1997), стр. 2413-2420.
- Синтетический латекс, изд. Lavoisier (2006 г.), стр 1005.
Антониетта Широ, Люка Балларати, Антонио Мадер и Марко Серра, Компания Vinavil R&D Laboratory
