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