nanoteknologiat ja funktionaaliset pinnoitteet ... · pdf file5 nanokomposiitti sideaineena...

Nanoteknologiat ja

funktionaaliset pinnoitteet

maaliteollisuudessa Tikkurila Oyj

21.5.2015

Jani Rutanen

Nanoteknologiat

3

Nanomateriaaleista

21.5.2015

Nanometri on vain miljoonasosa millimetristä

1 nm = 1 / 1 000 000 mm = 1 x 10-9 m

Määritelmä:

• ”Nanomateriaali” tarkoittaa luonnollista

materiaalia, sivutuotemateriaalia tai valmistettua

materiaalia.

• Niiden koko on noin 1–100 nm vähintään yhden

ulkomitan osalta.

• Nanomateriaalien fysikaalis-kemialliset

ominaisuudet voivat poiketa niistä, joita on

massamuodossa olevalla aineella tai

suuremmilla hiukkasilla.

Kaupallisesti tuotetun

hiilimustapigmentin

partikkelikoko on noin

10 - 400 nm:

1. Channel Black

2. Furnace Black

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

4

Nanoteknologia maaliteollisuudessa

21.5.2015

Nanokokoluokan raaka-aineita käytetään maaleissa ja pinnoitteissa:

• naarmuuntumisen- ja iskunkestävyyden parantamiseksi,

• pintojen sähkön- ja lämmönjohtavuuden parantamiseksi,

• puhtaana pysyvien pintojen aikaansaamiseksi,

• ilman puhdistamiseksi,

• UV-suojana,

• bakterisidinä.

Pienen kokonsa ansiosta niillä voidaan saada aikaan kirkkaita kalvoja.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

5

Nanokomposiitti sideaineena

21.5.2015

Sideaineessa on yhdistetty nanokokoluokan silika ja akrylaatti.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

6

Nanokomposiitti sideaineena

21.5.2015

(Atomic force microscopy)

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

7

Nanokomposiitti sideaineena

21.5.2015

Yhdistetään molempien raaka-aineiden hyvät ominaisuudet: • silikan lasimaiset ominaisuudet (kovuus, palamattomuus, vedenkesto),

• akrylaatin elastiset ominaisuudet.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

8

Nanokomposiitti sideaineena

21.5.2015

Silikan kovuuden ansiosta lika ei tartu maaliin. Lisäksi maalin sideaine

tekee maalista voimakkaasti vesihakuisen, eli se kastuu tasaisesti. • Vesi vie lian mukanaan → puhtaana pysyvä maali.

rasittamaton säärasitettu

Nanokomposiittimaali

säärasitettu rasittamaton

Tavallinen julkisivumaali

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

9 Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

Nanopartikkelikoon pohjuste

21.5.2015

Erittäin hienon partikkelikoon akrylaattidispersiota

käytetään pohjusteissa ja pölynsidontana.

• Erinomaiset tunkeutumisominaisuudet

• Vahvistaa huokoisia ja jauhemaisia alustoja

• Parantaa pintamaalin tartuntaa

• Ei muuta alustan ulkonäköä

• Partikkelikoko noin 60 nm.

Normaalin maaleissa käytetyn

dispersion akrylaattien

partikkelikokojakauma.

10

UV -suoja-aineet

21.5.2015

Nanotitaanidioksidi pigmenttiä käytetään mm. suoja-aineena auringon

ultraviolettisäteilyä vastaan:

• Lähes väritön, ei peittokykyä

• Partikkelikoko noin 10 nm

• Hyvä UV-valon absorptiokyky

• Puunsuoja-aineet/lakat sisällä ja ulkona.

Käsittelemätön vrt. UV-titaanimäärän lisäyksen vaikutus

Polyuretaani-akrylaatti

dispersiolakka

1500 tunnin keinotekoisen

säärasituksen ja 3 kuukauden

ulkoilmarasituksen jälkeen.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

21.5.2015 11

Nanopartikkelikoon apuaineet

naarmuuntumisen- ja

iskunkestävyyden parantamiseksi,

• alumiinioksidi

• pintakäsitelty silika

Käytetään mm. parketti- ja

kalustelakoissa.

Apuaineet

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

12

Nanoteknologian haasteita

21.5.2015

Vaikka nanoteknologia alkaa jo olla arkipäivää, on

sillä vielä muutamia esteitä kaadettavanaan:

• raaka-aineiden korkea hinta

• valmistukseen liittyvät tekniset haasteet

• puutteet testausmenetelmissä

• hyödyn osoittaminen

• turvallisuus- ja terveysnäkökohdat.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

wwww.byk.com

13

Turvallisuus- ja terveysnäkökohdat

21.5.2015

Euroopan kemikaalivirasto seuraa nanomateriaalien kehitystä

aktiivisesti ja mm. biosidiasetuksessa on erityisiä säännöksiä

nanomateriaaleja varten.

Biosidiasetuksen mukaan tehoaineen hyväksyminen ei kata

nanomateriaalimuotoa, jollei sitä ole erikseen mainittu.

• Tehoaineiden nanomateriaalimuodoista on yleensä laadittava

erillinen asiakirja-aineisto, joka täyttää kaikki tietovaatimukset.

• Kun tehoaineen tai muun kuin tehoaineen nanomateriaalimuotoa

käytetään biosidivalmisteessa, tarvitaan erillinen riskinarviointi.

Nanomateriaalien fysikaalis-kemialliset ominaisuudet voivat poiketa niistä,

joita on suuremmilla hiukkasilla.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

Funktionaaliset pinnoitteet

15

Funktionaaliset pinnoitteet

21.5.2015

Yhteistä määritelmää termille, "Functional Coatings", ei ole olemassa .

(Lähde: Functional Coatings, Vincentz, 2011).

Määritelmä:

• Tässä yhteydessä funktionaalisella pinnoitteella tarkoitan

pinnoitetta, joka antaa pinnalle jonkun uuden toiminnallisuuden,

mitä perinteisellä pinnoiteteknologialla ei ole saavutettu.

• Esimerkiksi: Puhtaana pysyvät pinnat tai sähköä johtavat pinnat

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

16

Puhtaana pysyvät pinnat

21.5.2015

Puhtaana pysyviä pintoja saadaan aikaiseksi mm.

kahden vastakkaisen menetelmän mukaisesti:

• Hydrofiilinen (vesihakuinen) pinta imee vettä

hyvin ja pinta kastuu tasaisesti. Vesi kuljettaa

lian pois pinnalta pois. Lisäksi pinta kuivuu

nopeasti. Pinta on joko niin kova tai kuluva,

että lika ei tartu.

• Hydrofobinen (vettä hylkivä) pinta pysyy

puhtaana hylkivyytensä ansiosta. Vesi huuhtoo

lian pois. Pinnan rakenteella ja veden

hylkivyydellä saadaan aikaiseksi puhtaana

pysyvä pinnoite.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

17

Itsepuhdistuvat pinnat

21.5.2015

Fotokatalyyttistä titaanidioksidia käytetään

pintojen puhdistamiseen ja ilman saasteiden

vähentämiseen.

• Pinnoitteen titaanidioksidin fotokatalyysi

hajottaa mm. orgaanista ainesta ja typen

oksideja (NOx).

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

Valo (sis. UV:ta)

O2, H20

·O2-, ·OH, ·OOH

VOCit, eloperäiset

yhdisteet, NOxit jne.

CO2, H2O

Nitraatteja

18

Mikrohuokosteknologia

21.5.2015

Vulkaanisesta lasista valmistetun paisutetun

perliitin ansiosta maalipintaan syntyy pienen pieniä

0,1-100 mikrometrin kokoisia mikrohuokosia, jotka

tuovat siihen valtavasti lisää pinta-alaa.

Mikrohuokoisten pinnoitteiden tärkeimmät

toiminnalliset ominaisuudet:

• Kondenssiveden absorbointi

• Nestemäisen veden levittyminen pinnoitteen

huokosiin

• Veden pintajännityksen poistuminen

• Haihtumisen nopeutuminen

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

Elektronimikroskooppikuva, jossa

näkyy mikrohuokosrakenne

noin 3500-kertaisena

suurennoksena.

Yhdellä neliömetrillä maalipintaa

voi olla jopa jalkapallokentän

verran lisäpintaa.

February 17, 2009 Presenter/Subject 19

Aineiden mikrokapselointia käytetään:

• Kontrolloituun ja viivytettyyn aktiivisten aineiden vapauttamiseen

• Helposti hajoavien aineiden kestävyyden parantamiseksi

• Funktionaalisuuden aikaansaamiseksi

• Itsestään korjautuvat tai vauriota indikoivat pinnoitteet

• Väriä vaihtavat pinnoitteet

Aktiivisten aineiden vapautuminen voi tapahtua esimerkiksi:

• Puoliläpäisevän kapselin seinämän kautta

• Ympäristötekijöiden hajottavan vaikutukseen kautta

• Mekaanisen voiman kautta

Mikrokapselointi

20 21.5.2015

Ilmastoa viilentävät pinnoitteet perustuvat

auringon säteilyä voimakkaasti heijastaviin

pigmentteihin.

• Auringon erityisesti IR-säteilyn

heijastuminen absorption sijaan pitää

pinnan viileänä.

• Katto- ja julkisivupinnoitteet

Mustat pinnat yleensä imevät jopa 90%

auringon säteilystä ja siten kuumentuvat.

Valkoiset pinnat imevät vain korkeintaan

25% minkä takia niillä on taipumus pysyä

paljon viileämpänä.

Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

IR-valoa heijastavat väripigmentit

IR-valoa heijastavat väripigmentit

Väripigmenttien vaikutus pintalämpötilaan

21.5.2015 Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa 21

IR-heijastava musta pigmentti

Normaali musta väripigmentti

Valoa heijastavat väripigmentit Normaali

Turvallisuutta lisäävä funktionaalisuus

Pimeässä loistavat tuotteet imevät

valoenergiaa, jonka jälkeen ne

luovuttavat sen hiljalleen pois.

• Jälkiloistavat fosforenssipigmentit

• Strontium-aluminaatti tai

sinkkisulfidi

Palonsuojaus

• Ammoniumpolyfosfaatti +

huokostusaine, melamiini, jotka

aiheuttavat hiilidioksidipäästöjä ja

paloa eristävää vaahtoa.

• Aluminiumhydroksidi

21.5.2015 Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

Aktiiviset pigmentit

21.5.2015 Nanoteknologia ja funktionaaliset pinnoitteet maaliteollisuudessa

Sähköä johtavat pigmentit johtavat sähköä, jolloin sähköstaattiset

varaukset pääsevät purkautumaan

• Hiilipigmentit (heikkoutena musta väri)

• Sekoitus levymäisiä ja pallomaisia johtavia pigmenttejä

Käytetään antistaattisissa tiloissa, etenkin teollisuusmaalipuolen

lattiapinnoitteissa.

Magnetiitti (Fe3O4) pigmentti on nimensä mukaisesti vahvasti

magneettinen. Ferromagneettisia rauta-hileitä lisätään maalin

joukkoon, jolloin saadaan aikaiseksi magneettimaali.