Artyku³ naukowo-techniczny

Transkrypt

1 Helena KUCZYÑSKA Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników Oddzia³ Zamiejscowy Farb i Tworzyw Gliwice, ul. Chorzowska 50 A h.kuczynska@impib.pl WP YW PIGMENTÓW ELEKTROPRZEWODZ CYCH NA W AŒCIWOŒCI WYROBÓW LAKIEROWYCH Streszczenie: Omówiono zagro enia wynikaj¹ce z gromadzenia siê ³adunków elektrycznoœci statycznej i metody zapobiegania temu zjawisku poprzez stosowanie farb antystatycznych. Badano wp³yw wybranych pigmentów elektroprzewodz¹cych na rezystancjê elektryczn¹ powierzchniow¹ pow³ok organicznych oraz w³aœciwoœci reologiczne i optyczne wyrobów lakierowych z ich udzia- ³em. Okreœlenie skutecznoœci dzia³ania tych pigmentów w kierunku obni enia rezystywnoœci elektrycznej pow³ok lakierowych pozwoli³o na dobór rodzaju i iloœci pigmentu elektroprzewodz¹cego do otrzymania farby o wymaganych w³aœciwoœciach antystatycznych. Przeprowadzone badania mia³y na celu opracowanie sk³adu recepturowego farby antystatycznej przeznaczonej do ochrony wyposa enia szpitalnego przed skutkami elektrycznoœci statycznej. S³owa kluczowe: pow³oki antystatyczne, rezystancja powierzchniowa, pigmenty przewodz¹ce, sadza elektroprzewodz¹ca. THE INFLUENCE OF ELECTROCONDUCTIVE PIGMENTS ON THE PROPERTIES OF COA- TINGS Abstract: Hazards resulted from accumulation of static charges and methods preventing this phenomenon by using antistatic paints were presented in the article. The influence of selected electroconductive pigments on the surface resistance of organic coatings as well as rheological and optical properties of coatings containing these pigments was studied. Determination of the effectiveness of these pigments towards the decrease of resistance of coatings enabled the selection of the kind and quantity of electroconductive pigments used for paint of required antistatic properties. The goal of studies was the formulation of antistatic paint used for protection of hospital equipment against the effects of static electricity. Keywords: antistatic coatings, surface resistance, conductive pigments, electroconductive carbon black. Wstêp Elektrycznoœæ statyczna jest jednym z najczêstszych Ÿróde³ zap³onu palnych i wybuchowych mieszanin wystêpuj¹cych w zak³adach przemys³owych. Niebezpieczeñstwo wy³adowañ elektrycznych istnieje równie w szpitalach, zw³aszcza bezpoœrednio na salach operacyjnych i w laboratoriach, ze wzglêdu na stosowanie i u ywanie materia³ów oraz przedmiotów wykonanych z tworzyw sztucznych i gumy, bêd¹cymi materia³ami niehigroskopijnymi, ³atwo elektryzuj¹cymi siê. Zagro enie elektrycznoœci¹ statyczn¹ roœnie przy niskiej wilgotnoœci wzglêdnej w pomieszczeniu (np %) co czêsto ma miejsce zw³aszcza w suche, mroÿne dni zimowe, a tak e gdy powietrze jest zjonizowane przez lampy bakteriobójcze i zawiera opary œrodków dezynfekuj¹cych. Wymaga siê, aby w pomieszczeniach zagro onych po arem lub wybuchem rezystancja powierzchniowa zainstalowanych materia- ³ów nie przekracza³a wartoœci Takie wymagania stawia PN-92/E Ochrona przed elektrycznoœci¹ statyczn¹. Materia³y i wyroby stosowane w obiektach zagro onych wybuchem metody badañ oporu elektrycznego w³aœciwego i oporu up³ywu oraz PN-E-05204:1994 Ochrona przed elektrycznoœci¹ statyczn¹. Ochrona obiektów, instalacji i urz¹dzeñ -wymagania. W celu ograniczenia ³adunków wystêpuj¹cych w rezultacie zjawisk elektrostatycznych 10 Farby i Lakiery 4/2010

2 w urz¹dzeniach i instalacjach stosuje siê jako œrodki i metody ochrony: uziemianie czêœci metalowych i przewodz¹cych, zwiêkszenie wilgotnoœci wzglêdnej powietrza, ekranowanie czêœci izolacyjnych oraz odpowiedni dobór materia³ów. Najprostszym i najpewniejszym sposobem zmniejszenia ³adunków powstaj¹cych i gromadz¹cych siê na urz¹dzeniach i elementach wykonywanych z materia³ów izolacyjnych jest zwiêkszenie przewodnoœci elektrycznej materia³ów. Mo na to uzyskaæ poprzez zast¹pienie materia³ów izolacyjnych przewodz¹cymi, zwiêkszenie przewodnoœci elektrycznej przez wprowadzenie do materia³ów dodatków przewodz¹cych lub pokrycie ich pow³okami przewodz¹cymi [1] oraz poprzez stosowanie wyrobów lakierowych antystatycznych. Tradycyjne wyroby lakierowe tworz¹ pow³oki, które s¹ dielektrykami o rezystywnoœci powierzchniowej w przedziale , co œwiadczy o braku zdolnoœci do przewodnictwa ³adunku elektrycznego [2]. Ich rola polega na barierowym i izolacyjnym dzia³aniu maj¹cym na celu ochronê malowanego pod³o a przed szkodliwym wp³ywem ró nych czynników zewnêtrznych (œrodowiska korozyjnego, warunków atmosferycznych, mediów chemicznych). Pow³oki farb antystatycznych, oprócz okreœlonych w³aœciwoœci dekoracyjno-ochronnych, musz¹ charakteryzowaæ siê przewodnictwem elektrycznym umo liwiaj¹cym sp³yw ³adunków elektrostatycznych oraz mo liwie du ¹ trwa³oœci¹ tej cechy. Wymagania stawiane pow³okom antystatycznym s¹ ró ne, w zale noœci od warunków w poszczególnych dziedzinach ich stosowania. Na ogó³ wymagane jest aby rezystancja powierzchniowa nie przekracza³a Metoda ochrony przed elektrycznoœci¹ statyczn¹ poprzez malowanie farbami przewodz¹cymi ro nych pod³o y ma swoje zalety jak i wady. Zalet¹ jest mo liwoœæ malowania ró nych materia³ów tworzywowych bez ujemnego wp³ywu na w³aœciwoœci samego tworzywa, z którego wykonany jest przedmiot, a tak e mo liwoœæ renowacji pow³ok oraz nadanie estetycznego wygl¹du malowanej powierzchni. Metoda ta ma jednak równie wady, do których nale ¹: koniecznoœæ dodatkowych czynnoœci zwi¹zanych z nak³adaniem pow³ok lakierowych, w tym obróbka powierzchni przed malowaniem, ograniczone mo liwoœci barwienia pow³ok, zmiany w³aœciwoœci pow³ok lakierowych w trakcie eksploatacji powoduj¹ce zmniejszenie w³aœciwoœci antystatycznych. Otrzymanie farb antystatycznych wymaga w³aœciwego doboru sk³adu farby, w tym przede wszystkim sk³adnika o w³aœciwoœciach elektroprzewodz¹cych. Najczêœciej stosowane s¹ gatunki sadzy pigmentowej o w³aœciwoœciach elektroprzewodz¹cych, sproszkowany grafit, proszki metali odpornych na utlenianie, jak srebro, nikiel, miedÿ [3, 4]. W wyniku zdyspergowania tych dodatków w spoiwie nastêpuje ich równomierny rozk³ad w ca³ej objêtoœci pow³oki, nadaj¹cy pow³oce przewodnoœæ elektryczn¹. Innym sposobem otrzymania w³aœciwoœci elektroprzewodz¹cych pow³ok jest wprowadzenie do kompozycji farby organicznych substancji antystatycznych, które w trakcie schniêcia pow³ok migruj¹ z g³êbi pow³oki do powierzchni, nadaj¹c jej w³aœciwoœci antystatyczne. Literatura naukowo-techniczna i patentowa donosi o stosowaniu do otrzymywania wyrobów lakierowych o w³aœciwoœciach elektroprzewodz¹cych polimerów przewodz¹cych ³adunki elektryczne, takich jak polianilina, polipirol oraz pigmentów elektroprzewodz¹cych, np. sadzy, grafitu i tlenków metali [5-7]. Mo liwoœæ stosowania innych substancji przewodz¹cych ni sadza i grafit jest szczególnie cenna, gdy pozwala na otrzymanie pow³ok o jasnych barwach. Czêœæ doœwiadczalna Celem pracy by³o zbadanie zale noœci pomiêdzy rodzajem i iloœci¹ wybranych pigmentów elektroprzewodz¹cych a w³aœciwoœciami antystatycznymi, reologicznymi i optycznymi materia³ów pow³okowych z ich udzia³em. Badania mia³y pos³u yæ do opracowania nowej farby antystatycznej przeznaczonej do pokrywania powierzchni integralnych miêkkich pianek poliuretanowych, z których wytwarzane Farby i Lakiery 4/

3 s¹ materace chirurgiczne. Jednym z podstawowych wymagañ dotycz¹cych kompozycji powlekaj¹cych jest, aby rezystancja elektryczna powierzchniowa ( ) pow³oki mieœci³a siê w zakresie od 10 4 do Zamierzeniem pracy by³ dobór efektywnych pigmentów w grupie dostêpnych na rynku sadz pigmentowych do wyrobów w kolorze czarnym oraz pigmentów daj¹cych pow³oki o neutralnej barwie, mog¹cych znaleÿæ zastosowanie do pigmentowania pow³ok antystatycznych w jasnych kolorach. Do badañ wytypowano dwa gatunki sadzy elektroprzewodz¹cej Printex XE 2B i Printex L6 produkcji firmy Evonik Degussa (Niemcy) oraz dwa tlenki metali: elektroprzewodz¹cy tlenek cynku HC-238 produkcji Zinc Corporation of America i modyfikowany powierzchniowo ditlenek tytanu Tipaque FT-3000 firmy Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd (Japonia). Jako substancjê b³onotwórcz¹ zastosowano kopolimer akrylowy charakteryzuj¹cy siê tym, e tworzy elastyczne pow³oki. Przy otrzymywaniu uk³adów lakierowych z udzia³em wymienionych pigmentów stosowano œrodek pomocniczy poprawiaj¹cy ich zwil alnoœæ i dyspergowalnoœæ w spoiwie. W wyrobach lakierowych zawieraj¹cych przewodz¹ce tlenki metali, w celu unikniêcia ich osadzania, konieczny by³ dodatek œrodka reologicznego bentonitu. Charakterystyka badanych pigmentów elektroprzewodz¹cych Sadze elektroprzewodz¹ce: a) Sadza Printex XE 2B specjalny gatunek o wysokim przewodnictwie w³aœciwym, w postaci granulowanej, stosowany do obni ania opornoœci elektrycznej tworzyw sztucznych, kauczuków i wyrobów lakierowych œrednia wielkoœæ granulatu 25 µm liczba jodowa (absorpcja jodu) mg/g liczba DBP 425 ml/100 g ph zawiesiny wodnej 7,5 b) Sadza Printex L6 specjalny gatunek sadzy pigmentowej przeznaczona do obni ania rezystywnoœci tworzyw sztucznych i pow³ok lakierowych œrednia wielkoœæ cz¹stek 18 µm powierzchnia w³aœciwa 250 m 2 /g liczba DBP ml/100 g ph zawiesiny wodnej 9 Elektroprzewodz¹ce tlenki metali: a) Zinc oxide HC-238 elektroprzewodz¹cy gatunek tlenku cynku œrednia wielkoœæ cz¹stek ok. 1,2 µm gêstoœæ w³aœciwa 5,61 g/cm 3 ph zawiesiny wodnej 7 b) Tipaque FT-3000 elektroprzewodz¹cy ditlenek tytanu ditlenek tytanu domieszkowany ditlenkiem cyny i antymonem budowa iglasta liczba olejowa 66 g ph wyci¹gu wodnego 3,5 barwa, wartoœæ jasnoœci L 84 pozosta³oœæ na sicie Mesh 325 0,009 Metody badañ W³aœciwoœci antystatyczne otrzymywanych farb i lakierów okreœlano, mierz¹c rezystancjê elektryczn¹ powierzchniow¹ ich pow³ok za pomoc¹ miernika Resistivity Meter model 291 firmy Monroe Electronics. Dodatkowo badano: lepkoœæ wyrobów wg PN-C-81701:1997 met.a wygl¹d pow³ok wizualnie po³ysk pow³ok wg PN-EN ISO 2813:2001 Przygotowanie próbek do badañ Przygotowano seriê próbek wyrobów lakierowych o wzrastaj¹cym stê eniu objêtoœciowym (SOP) badanych pigmentów: sadzy Printex XE 2B od 0,6 do 4,35%, sadzy Printex L6od4,35 do 21,5%, elektroprzewodz¹cego tlenku cynku HC-238 od 1,7 do 12%, elektroprzewodz¹cego ditlenku tytanu Tipaque FT-3000 od 6,0 do 16,3%. Pasty pigmentowe z badanymi sadzami ucierano w atritorze w roztworze ywicy akrylowej z dodatkiem œrodka zwil aj¹co-dysperguj¹cego przy obrotach 1500 obrotów/min. do uzyskaniastopniaroztarciawgpn-eniso 1524:2002 poni ej 10 µm. Pigmenty tlenkowe, zgodnie z zaleceniem producentów, wprowadzano do spoiwa poprzez ich dyspergowanie pod mieszad³em szybkoobrotowym, przy prêdkoœci oko³o 800 obrotów/min. Sporz¹dzone farby nak³adano metod¹ natrysku pneumatycznego na pod³o e z pianki 12 Farby i Lakiery 4/2010

4 poliuretanowej, po rozcieñczeniu do lepkoœci s mierzonej na kubku wyp³ywowym o œrednicy otworu 4 mm oraz za pomoc¹ aplikatora o wysokoœci szczeliny 90 µm na p³ytkach szklanych. Pomiary rezystancji powierzchniowej otrzymanych pow³ok o gruboœci oko- ³o 20 µm wykonywano po trzech dniach ich kondycjonowania w temperaturze otoczenia i wilgotnoœci wzglêdnej powietrza wynosz¹cej 45-50%. Wyniki badañ i omówienie Wyniki badañ sporz¹dzonych wyrobów lakierowych zamieszczono w tabelach 1-4. Wyniki badañ, przedstawione w tabelach 1-4, wskazuj¹, e badane pigmenty wywieraj¹ znacz¹cy wp³yw nie tylko na w³aœciwoœci antystatyczne pow³ok, lecz równie na w³aœciwoœci reologiczne wyrobów oraz wygl¹d i po³ysk pow³ok. ich lepkoœci, wynikaj¹cy z rozdrabniania granulek sadzy i zwiêkszania powierzchni ziaren o wysokiej wartoœci adsorpcji DBP (ftalanu dibutylu). Wraz ze zwiêkszaniem iloœci sadzy w farbie, ich lepkoœæ zdecydowanie wzrasta. Przy SOP sadzy powy ej 3,2%, farby wykazuj¹ w³aœciwoœci tiksotropowe (tabela 1). Próby farb sporz¹dzone z udzia³em sadzy Printex L6 maj¹ korzystnie du o ni sz¹ lepkoœæ ni farby zawieraj¹ce sadzê Printex XE 2B (tabela 2). Wynika to z ró nic w adsorpcji DBP obu sadz: 420 mg/100 g dla Printex XE 2B i oko- ³o 120 mg/100 g dla sadzy Printex L6, która wskazuje na mniejsz¹ adsorpcjê spoiwa przez cz¹stki tej drugiej. Kompozycje z elektroprzewodz¹cym tlenkiem cynku HC-238 odró niaj¹ siê od pozosta- ³ych nisk¹ lepkoœci¹, niewiele wzrastaj¹c¹ wraz ze zwiêkszaniem jego iloœci w uk³adzie (tabela 3). Tab. 1. Sk³ad farb z sadz¹ Printex XE 2B i ich w³aœciwoœci SOP sadzy, % 0,6 3,0 3,2 3,5 4,0 4,35 Lepkoœæ, s niemierzalna farba tiksotropowa Po³ysk pow³oki przy k¹cie pomiaru , Tab. 2. Sk³ad farb z sadz¹ Printex L6 i ich w³aœciwoœci SOP sadzy,% 4,35 8,33 10,8 14,4 17,2 21,5 Lepkoœæ, s Po³ysk pow³oki przy k¹cie pomiaru , Tab. 3. Sk³ad lakierów z przewodz¹cym tlenkiem cynku HC-238 i ich w³aœciwoœci SOP pigmentu,% 1,68 3,3 6,4 12,0 Lepkoœæ, s Wygl¹d pow³oki niejednorodna, Wp³yw pigmentów na lepkoœæ wyrobów lakierowych W trakcie procesu dyspergowania past z sadz¹ Printex XE 2B nastêpuje silny wzrost Lepkoœæ sporz¹dzonych kompozycji z elektroprzewodz¹cym ditlenkiem tytanu Tipaque FT 3000 wzrasta wraz ze wzrostem jego udzia- ³u w lakierze (tabela 4). Farby i Lakiery 4/

5 Tab. 4. Sk³ad lakierów z przewodz¹cym ditlenkiem tytanu Tipaque FT 3000 i ich w³aœciwoœci SOP pigmentu, % 5,9 12,0 16,3 Lepkoœæ, s Wygl¹d pow³oki g³adka, jednorodna Po³ysk pow³oki przy k¹cie pomiaru , cji spoiwa na silnie rozwiniêtej powierzchni cz¹stek tego pigmentu. Pow³oki farb pigmentowanych sadz¹ Printex L6 charakteryzuj¹ siê wysokim po³yskiem, a zwiêkszenie iloœci sadzy w wyrobie nie powoduje spadku po³ysku. Pow³oki lakierów zawieraj¹ce elektroprzewodz¹cy tlenek cynku HC-238 s¹ niejednorodne, z wtr¹ceniami niedostatecznie zdyspergowanego pigmentu w uk³adzie lakierowym. Zwiêkszenie si³ œcinaj¹cych przy dyspergowaniu lub wyd³u enie czasu, w celu uzyskania g³adkiej pow³oki, mo e spowodowaæ zniszczenie struktury pigmentu i utratê jego w³aœciwoœci elektrycznych, zgodnie z ostrze eniem producenta. Natomiast pow³oki kompozycji z elektroprzewodz¹cym tlenkiem tytanu Tipaque FT 3000 s¹ g³adkie, jednorodne i transparentne. Rs [ ] 1,00E+12 1,00E+10 HC-238 1,00E+08 1,00E+06 L6 1,00E+04 XE 2B FT ,00E SOP [%] Rys. 1. Zale noœæ rezystancji elektrycznej powierzchniowej ( ) pow³ok od stê enia objêtoœciowego pigmentów elektroprzewodz¹cych (SOP) Wp³yw pigmentów na wygl¹d i po³ysk pow³ok Udzia³ iloœciowy pigmentów elektroprzewodz¹cych wywiera wp³yw na wygl¹d i po³ysk pow³ok farb i lakierów. Wraz ze zwiêkszeniem zawartoœci sadzy Printex XE 2B w farbach nastêpuje wyraÿny spadek po³ysku. Zmiany w³aœciwoœci optycznych pow³ok wynikaj¹, podobnie jak przy wzroœcie lepkoœci, z du ej absorp- Wp³yw pigmentów na w³aœciwoœci antystatyczne pow³ok Wp³yw badanych pigmentów na rezystancjê elektryczn¹ powierzchniow¹ ( )pow³ok przedstawiano na rysunku 1. Z danych zamieszczonych w tabelach 1-4 i z rysunku 1 przedstawiaj¹cych zale noœæ rezystancji elektrycznej powierzchniowej od zawartoœci pigmentów elektroprzewodz¹cych widzi- 14 Farby i Lakiery 4/2010

6 my, e najwiêkszy wp³yw na w³aœciwoœci elektryczne pow³ok ma sadza Printex XE 2B (najwiêksze nachylenie krzywej). Rezystancja elektryczna powierzchniowa pow³ok farb z sadz¹ Printex XE 2B wyraÿnie maleje wraz ze wzrostem jej iloœci w farbie. W zakresie stê eñ objêtoœciowych sadzy w pow³oce (SOP) od 0,6% do 4,35% uzyskano skokowy spadek Rs pow³ok od wartoœci 10 9 do Wymagan¹ rezystancjê pow³ok poni ej 10 6 otrzymano przy SOP tego rodzaju sadzy wynosz¹cym 3%. Wp³yw sadzy Printex L6 na rezystancjê elektryczn¹ powierzchniow¹ pow³ok jest znacznie mniejszy ni sadzy Printex XE 2B. Krzywa zale noœci sadzy Printex L6 ma przebieg ³agodny, przy iloœci w przedziale od 10,8 do 14,4% utrzymuje siê rezystancja na poziomie rzêdu Zdecydowany spadek pow³ok do 10 4 uzyskuje siê, gdy zawartoœæ sadzy przekracza 21,5% w suchej pow³oce. Tê sam¹ wartoœæ rezystancji pow³ok osi¹gniêto dla pow³oki z 5-krotnie mniejsz¹ iloœci¹ sadzy Printex XE 2B. Najmniejszy wp³yw na przewodnictwo elektryczne pow³ok ma elektroprzewodz¹cy tlenek cynku HC-238. Rezystancja elektryczna powierzchniowa pow³ok lakierów z jego udzia- ³em przy badanych stê eniach objêtoœciowych od 1,7 do 12% nieznacznie spada od wartoœci do Ze wzglêdu na niezadawalaj¹cy wygl¹d pow³ok pigmentowanych HC-238 nie kontynuowano badañ z tym pigmentem. Skuteczniejsze dzia³anie wykazuje elektroprzewodz¹cy ditlenek tytanu Tipaque FT Przy SOP wynosz¹cym 12% uzyskuje siê wartoœæ Porównanie pigmentu Tipaque FT-3000 i sadzy Printex L6 wskazuje na znacznie wiêksze dzia³anie elektroprzewodz¹cego ditlenku tytanu w kierunku obni enia rezystancji powierzchniowej pow³ok ni wymienionej sadzy. Podsumowanie Przeprowadzono badania wp³ywu czterech elektroprzewodz¹cych pigmentów (dwóch gatunków sadzy i dwóch tlenków metali) na w³aœciwoœci antystatyczne, reologiczne i optyczne wyrobów lakierowych z ich udzia³em. Stwierdzono mo liwoœci kszta³towania w szerokim zakresie w³aœciwoœci antystatycznych pow³ok lakierowych poprzez jakoœciowo-iloœciowy dobór pigmentów elektroprzewodz¹cych. Wyznaczono wartoœci stê eñ objêtoœciowych pigmentów nadaj¹cych pow³oce rezystancjê elektryczn¹ powierzchniow¹ rzêdu 10 4, które wynosz¹ odpowiednio: dla sadzy Printex XE 2B 4,35%, dla sadzy Printex L6 21,5% oraz dla elektroprzewodz¹cego ditlenku tytanu Tipaque FT ,3%. Skutecznoœæ dzia³ania elektroprzewodz¹cego tlenku cynku HC 238 w kierunku obni enia rezystancji elektrycznej powierzchniowej pow³ok jest ma³a. W oparciu o przeprowadzone badania wytypowano najkorzystniejszy pigment elektroprzewodz¹cydlafarbyantystatycznejdopowlekania powierzchni miêkkich pianek poliuretanowych. Literatura 1. S³upkowski T., Przewodnictwo elektryczne polimerów modyfikowanych proszkami przewodz¹cymi Polimery, 1985, 10, Kuœmierek J., Smyl T., Farby antystatyczne Ochrona przed korozj¹, 1983, 11, Foster J. K., Sims E. S.,Venable S. W., Effects of carbon black properties on conductive coatings American Paint Journal, 1994, 79, 2, Calahorra A., Aharoni D., Dudiuk H., Carbon filled paints of improved Electrical Conductivity, Journal of Coatings Technology, 1992, 64, 814, Dariel Y., Curren, Using Design of experiments to improve quality, Modern Paint and Coatings, 1994, Kulkarni V.G., Campbell J.C., Mathew W.R., Transparent conductive Coatings Synthetic Metals, 1993, 57,1, : RAPRA Abs., 1994, 31, Hocken J., Griebler W.D., Winkler J., Electrically-conductive pigments for antistatic coatings materials Farbe Lack, 1992, 98, Farby i Lakiery 4/