ادامه مقالات و آموزشهای رایگان

مفهومی جدید برای بهبود مقاومت در برابر خراش و سایش برای پوشش‌های خودرو با استفاده از افزودنی های NANOBYK

فرمولاسیون پوشش های مقاوم در برابر خراش هدف اصلی فرمولاتورها رنگ و پوشش است. هزاران پوشش ضد خش در حال حاضر در زندگی روزمره ما وجود دارد. به عنوان مثال می‌توان به رنگهای خودرو، رنگهای چوب، لاک ناخن، پوشش‌های محافظ نمایشگر تلفن همراه (گلس موبایل ها)، عینک و غیره اشاره کرد. رویکرد سنتی ترکیب ذرات معدنی دارای معایبی مانند کاهش براقیت، کاهش شفافیت، کاهش انعطاف‌پذیری و تغییر در رئولوژی پوشش است. ، به طور کلی باعث جریان پذیری ضعیف و همترازی ضعیف می شود. افزودنی‌های حاوی نانوذرات آلومینا یا سیلیکا در رقیق‌کننده‌های واکنش‌پذیر، آب و  حلال برای پوشش‌های مبتنی پایه حلال و قابل پخت با تشعشع به منظور افزایش مقاومت در برابر خراش و مقاومت در برابر سایش ایجاد شده‌اند. این رویکرد جدید مقاومت در برابر خراش را بدون ایجاد کدری یا هیزی شدن، بدون از دست دادن براقیت یا آسیب به سایر خواص فیزیکی نشان می دهد.

مروری بر نانوذرات

کلمه نانو از کلمه یونانی "کوتوله" گرفته شده است. یک نانومتر 10-9 متر است. اگر مقایسه اندازه بین 1 نانومتر و 1 متر انجام شود، مانند مقایسه اندازه یک سکه ایالات متحده در 1.25 سانتی متر با قطر زمین در 12756 کیلومتر است. خواصی مانند رسانایی، فلورسانس، ترنسپرنتی (شفافیت)، رنگ، سفتی، شکل پذیری و واکنش پذیری تحت تأثیر اندازه ذرات نانو قرار دارند. پوششی که با ذرات 25 نانومتری ساخته شده است، شفافیت بیشتری نسبت به پوشش 80 نانومتری در سطوح وزنی برابر خواهد داشت.

یکی از مهمترین خواص مورد نظر صنعت خودرو، همانطور که قبلا ذکر شد، بهبود مقاومت در برابر خراش است. پس از 500 چرخه آزمایش سایش خشک، یک پوشش UV پایه آبی با 2 درصد نانو آلومینا بهبود قابل توجهی را نشان داد. چندین آزمایش دیگر برای اندازه‌گیری خراش استفاده می‌شود، که شامل نوعی سیم ظرفشویی با سایز 00 و 0000، وساینده

Scotch-Brite™ و مهم‌تر از همه برای خودرو، تست خراش و مالش از Atlas Crockmeter کروک‌متر استفاده می شود. روش‌های کمی‌سازی مقاومت در برابر خراش شامل کاهش براقیت، افزایش هیزی شدن یا به سادگی بررسی بصری پوشش است.

با استفاده از تست ASTM D 2486 اصلاح شده با سایش خشک، آلومینا 1% در مقایسه با نمونه بدون آلومینا براقیت عالی را پس از 500 چرخه حفظ می کند.

مقایسه پانل‌های چوبی پوشش‌ UV کیور ، هم با و هم بدون آلومینا نانو، کاهش قابل‌توجهی براقیت پانل بدون استفاده از افزودنی نانو را در مقایسه با پانل با استفاده شده از افزودنی  نانو سیلیکا نشان داد. اهمیت کوچکترین اندازه ذرات برای کمترین مقدار هیزی شدن که در آن اندازه 20 نانومتری تقریباً به اندازه ذرات 10 یا 50 میکرون مقدار هیزی را نشان نمی دهد.

شفافیت یا Transparency

علاوه بر اندازه ذرات، ضخامت فیلم نیز در مورد هیزی شدن مهم است. با ضخامت کمتر فیلم، به خصوص زمانی که از ذرات آلومینا استفاده می شود، هیزی شدن کمتری قابل مشاهده است. میزان استفاده آلومینا 2% مقدار مه 0.5% را در 10 میکرون می دهد و زمانی که ضخامت فیلم 25 میکرون است به هیزی به مقدار 1.55 درصد می رسد. ضریب شکست پوشش نیز در تعیین میزان هیزی شدن موثر است. پوشش ملامین فرمالدئید حاوی آلومینا هیز کمتری نسبت به پوشش UV در سطوح معادل دارد.

انواع مختلفی از محصولات برای آلومینا با اندازه ذرات مختلف، تغییرات سطحی و انواع حلال موجود است. برای نانو سیلیکا، که تمرکز اصلی برای پوشش های  OEM وکلیرکوت های تعمیراتی خواهد بود، یک محصول اصلی وجود دارد که در این مقاله به عنوان "NANOBYK" نامگذاری شده است. که ساخت شرکت Byk آلمان می باشد.

خصوصیات ذرات

نگاهی دقیق به مورفولوژی و چگالی، و مهمتر از همه، ضریب شکست است. برای جلوگیری از هیزی شدن در کلیر کوت هایی که در انها از نانو الومینا به تنهایی استفاده می شود می توان از  تفاوت ضریب شکست بین آلومینا و سیلیکا و رزین های مورد استفاده است بهره برد. ضریب شکست سیلیکا در حدود 1.55 است و تقریباً به اکثر سیستم های رزین پوششی می رسد. حتی اگر سختی ذرات سیلیکا کمتر از آلومینا باشد، نشان داده می‌شود که همچنان می‌تواند محافظت در برابر خراش قابل توجهی را بدون ایجاد افزایش هیزی ایجاد کند.

تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی تفاوت های توپوگرافی را قبل و بعد از 1000 اسکراب سایشی خشک با استفاده از روش تست سایشی خشک اصلاح شده ASTM 2486 نشان می دهند. مقایسه ها با آلومینا 20 نانومتری و 40 نانومتری با هر دو 0.2 درصد PDMS انجام شده است.

استفاده از 17.5 درصد نانوسیلیکا، محصولی معمولی تر در مقایسه با 1 درصد ذره نانوآلومینای اصلاح شده، نشان دهنده عملکرد برابر پس از آزمایش Hammer Scotch Brite است. نتیجه مشابهی در پوشش UV بدون حلال با 2٪ آلومینا تا 18٪ سیلیس به دست می آید. پس از بررسی میکروسکوپی پس از 1000 چرخه سایش خشک، بهبود قابل توجهی با افزودنی آلومینا اصلاح شده آشکار است. چالش این است که چگونه از سیلیکا در سطح بسیار پایین‌تری استفاده کنیم و در عین حال مقاومت عالی در برابر خراش بدست آوریم و که هیچ تأثیری بر هیزی شدن ندارد. این را می توان با تطبیق ضریب شکست انجام داد و همانطور که قبلا ذکر شد ضریب شکست 1.55 که نزدیک به رزین ها است به دست آورد. عوامل مهم دیگر عبارتند از غلظت نانو، ضخامت لایه و اندازه ذرات.

این فرآیند شامل چندین مرحله است:

1. انتقال نانو سیلیکا از فاز آب به فاز حلال. این کار با یک حلال خاص انجام می شود.

2. اصلاح سطح نانو با سیلیس برای توزیع یکنواخت در سراسر فیلم.

3. لخته زدایی و پایدار سازی ذرات برای جلوگیری از تجمع مجدد.

فقط افزودن سیلوکسان به سیلیکا همان سطح بهبود خراش را ارائه نمی دهد که وقتی PDMS مستقیماً به سیلیکا متصل می شود.

توزیع ذرات

نمودار توزیع اندازه ذرات نشان می دهد که 60 درصد از نانوذرات در محدوده 20-30 نانو و 32 درصد در محدوده 30-40 نانو در لایه رنگ واقعی قرار دارند. بنابراین، بیش از 90٪ در محدوده بسیار باریکی از توزیع ذرات قرار دارند.

نظریه پیشنهادی NANOBYK

نظریه عملکرد نانوذرات در این نقطه تنها یک نظریه است. ذرات سیلیکا یا آلومینا خواص مکانیکی بهبود مقاومت در برابر خراش را فراهم می کند. همانطور که قبلا ذکر شد، ضریب شکست سیلیکا تقریبا به سیستم های رزین نزدیک می شود. در اطراف این هسته ذرات پوسته ای ساخته شده است که از یک عامل ترکننده و یک سیلوکسان تشکیل شده است. این پوسته سازگاری و پایداری سیستم را از طریق ماتریس رزین فراهم می کند. بنابراین برای دستیابی به خواص مورد نظر به سطح کمتری از ذرات نیاز است.

ذرات آمایش شده و پایدار شده NANOBYK به دلیل اصلاح با سیلوکسان بر کشش سطحی تأثیر دارند. توجه داشته باشید که میزان افزودنی برای NANOBYK که در اینجا توضیح داده شده است، نحوه استفاده براساس میزان جامد رزین در سیستم است. در سیستم اکریلیک/ایزوسیانات، کشش سطحی اولیه dynes/cm 27.3  است. NANOBYK با افزودن کمی بیش از 1 درصد، کشش سطحی را به 25.8 dynes/cm کاهش می‌دهد. افزایش سطح به 2.0٪ منجر به کشش سطحی dynes/cm 25.2 می شود. افزایش میزان به 3% و 4% کشش سطحی را به میزان قابل توجهی کاهش نمی دهد، اما بهبودهای اضافی در خراش قابل تحقق است. در یک سیستم اکریلیک/ملامین، میزان کمی بیش از 2.0 درصد، کشش سطحی را از 29.1 به dynes/cm 27.1 کاهش می دهد. بنابراین نیازی به افزودن مواد افزودنی کنترل کننده جریان سطحی برای کاهش کشش سطحی نیست. توصیه‌ها در واقع این است که قبل از استفاده از NANOBYK همه افزودنی‌ها را کنار گذاشته و پس از آزمایش، تنظیمات نهایی فرمول در صورت نیاز انجام دهید.

مقاومت در برابر خراش

مقادیر مختلف NANOBYK را پس از خراش با استفاده از Crockmeterبا کاغذ 9 میکرونی مقایسه شده است. درصد حفظ براقیت با تقسیم براقیت ناحیه ساییده شده بر براقیت اصلی محاسبه می شود. یک سیستم اکریلیک / ملامین یا اکریلیک / ایزوسیانات 80٪ ماندگاری براقیت را در 1.0٪، استفاده از NANOBYK در مقایسه با یک نمونه شاهد، که فقط 30٪ حفظ براقیت دارد، نشان می دهد. افزایش NANOBYK به بیش از 3.0٪ حفظ براقیت را به بیش از 90٪ بهبود می بخشد. هیچ افزودنی اضافی برای بهبود مقاومت در برابر خراش در این آزمایشات NANOBYK وجود ندارد.

اگر یک پوشش برداریم و تست Crockmeter را به مدت 10 سیکل اجرا کنیم و سپس 10 میکرون از سطح صاف کنیم و سپس دوباره تست کراک متر را اجرا کنیم، درصد حفظ براقیت همچنان 87 درصد است. این شواهد دیگری است که نشان می دهد ذرات نانو به طور مساوی در سراسر فیلم توزیع شده اند و همچنان مقاومت در برابر خراش و اثر دائمی را ایجاد می کنند.

یک عامل کلیدی، به ویژه برای پوشش‌های شفاف OEM و تعمیراتی، این است که یک افزودنی نباید هیچ گونه تأثیر منفی بر براقیت، هیزی، جریان پذیری و همترازی، پات لایف برای سیستم‌های دوجزئی اورتان، چسبندگی، قابلیت پوشش مجدد، مقاومت در برابر آب و هوازدگی و مقاومت جوی داشته باشد.

در سه سیستم مختلف هیچ تاثیری روی براقیت 20 درجه وجود نداشت و هیزی در واقع کمی کمتر از یک افزودنی معمولی برای کلیرکوت ها بوده است. ظاهر طول موج بلند و کوتاه نیز با محصول NANOBYK تا 4.0 درصد بهبود یافته است. در یک سیستم دوجزئی پلی اورتان، با استفاده از یک ایزوسیانات آلیفاتیک معمولی، پات تحت تاثیر NANOBYK قرار نمی گیرد.

نتایج QUV

تست QUV برای 500 و 1000 ساعت انجام شد. سپس پانل ها تحت آزمایش Crockmeter قرار گرفتند. نتایج نشان می دهد که میزان کمی بیش از %4 NANOBYK پس از 500 ساعت و 1000 ساعت قرار گرفتن در معرض QUV برای حفظ مقاومت در برابر خراش بهتر می شود.نانو سیلیکا ممکن است به جلوگیری از تخریب UV کمک کند.

هنگامی که NANOBYK در حداکثر میزان 4٪ برمبنای درصد جامد رزین استفاده می شود، هیچ تداخلی با چسبندگی یا انعطاف پذیری پوشش داخلی وجود ندارد. یکی دیگر از مزایای NANOBYK سهولت در ادغام در سیستم است. از آنجایی که NANOBYK مایع است، می‌توان در حین مخلوط کردن، با حداقل هم زدن اضافه کرد و باید در پایان فرآیند اضافه شود. استفاده از NANOBYK می تواند مانع استفاده از افزودنی های دیگر برای تر شدن زیرآیند، ضد دهانه آتشفشانی و لغزش سطح شود. هنگام فرمول‌بندی، توصیه می‌شود که قبل از افزودن NANOBYK، تمام سیلیکون‌ها و آکریلات‌های افزودنی های جریان پذیری و لولینگ ایجنت ها را حذف کنید. اگر تنظیم دقیق فرمولاسیون لازم باشد، می توان تنظیمات را با آکریلات ها یا سیلیکون ها با تأثیرات جزئی بر کشش سطحی انجام داد.

 NANOBYK یک محصول نانوسیلیکا مایع است که بهبود بلندمدت خراش را با سطح بسیار پایین‌تری از سیلیکا نسبت به نانو سیلیس‌های معمولی ارائه می‌کند. هیچ تأثیر منفی روی سایر خواص فیلم مانند براقیت و هیزی وجود ندارد و از آنجایی که افزودنی به طور مساوی در سراسر فیلم توزیع می شود، عملکرد پوشش حتی پس از قرار گرفتن در معرض و آزمایش فیزیکی حفظ می شود.