Nanomateriais na indústria de revestimentos: transformando o desempenho e as aplicações

1. Introdução

A indústria de revestimentos testemunhou uma transformação notável com o advento dos nanomateriais. Os nanomateriais, caracterizados por seu tamanho extremamente pequeno na faixa nanométrica (1 - 1000 nm), possuem propriedades físicas, químicas e biológicas únicas que são distintas de suas contrapartes em massa. Essas propriedades abriram novos caminhos para melhorar o desempenho dos revestimentos em um amplo espectro de aplicações, desde usos industriais de ponta até fins arquitetônicos e decorativos diários. Seja ' Protegendo o exterior de aeronaves, navios e automóveis de condições ambientais adversas ou melhorando a estética e a durabilidade das paredes internas e externas dos edifícios, os nanomateriais provaram ser aditivos inestimáveis.

2. Nanomateriais em revestimentos

2.1 Nanosílica (SiO₂)

A nanosílica é um nanomaterial chave na indústria de revestimentos. Existe como um pó branco amorfo com uma superfície rica em ligações residuais insaturadas e grupos hidroxila. A estrutura molecular da nanosílica forma uma intrincada cadeia tridimensional, que confere várias propriedades benéficas aos revestimentos. Uma de suas principais funções é aumentar a estabilidade tixotrópica e de dispersão dos revestimentos. A tixotropia é crucial, pois permite que os revestimentos sejam facilmente aplicados durante o processo de pintura, fluindo suavemente quando cortados (como durante a aplicação com pincel ou rolo) e, em seguida, engrossando e permanecendo no lugar quando a força de cisalhamento é removida, evitando a flacidez.
Além disso, nanosílica ' As fortes capacidades de reflexão UV são uma benção para os revestimentos. Quando exposta à luz solar, especialmente aos raios ultravioleta (UV), a nanosílica forma um efeito de blindagem. Essa blindagem ajuda a alcançar o envelhecimento anti-UV, o que é particularmente importante para revestimentos usados em aplicações externas. Os raios UV podem fazer com que os revestimentos desbotem, rachem e percam sua integridade com o tempo. Ao refletir os raios UV, a nanosílica prolonga a vida útil do revestimento. Além disso, aumenta o isolamento térmico dos revestimentos. Nos edifícios, isso pode contribuir para a economia de energia, pois ajuda a manter uma temperatura interna mais estável.
Quando adicionada aos revestimentos, a nanosílica melhora significativamente o efeito aberto. Isso se refere à aparência e usabilidade do revestimento quando a lata é aberta pela primeira vez. Evita a delaminação, garantindo que os diferentes componentes do revestimento permaneçam bem misturados. Em termos de desempenho de construção, os revestimentos aprimorados com nanosílica são mais fáceis de aplicar e também exibem propriedades antienvelhecimento aprimoradas, estabilidade térmica e resistência. Por exemplo, em revestimentos automotivos, a nanosílica pode ajudar a tinta a suportar os rigores de diferentes condições climáticas, mantendo seu brilho e qualidades protetoras por períodos mais longos.

2.2 Nanoprata (Ag)

A nanoprata revolucionou as propriedades antibacterianas e antifúngicas dos revestimentos arquitetônicos. Na presença de luz ultravioleta, as nanopartículas de prata passam por um processo químico fascinante. Eles se decompõem em elétrons carregados negativamente (e⁻) e buracos carregados positivamente (h⁺), formando pares elétron-buraco. Esses pares são altamente reativos e podem interagir com o oxigênio e a água no ar. Como resultado, os radicais atômicos de oxigênio (O) e hidroxila (HO·) são formados. Essas espécies têm atividade química extremamente alta e podem reagir com as substâncias orgânicas presentes nas bactérias. Por meio de uma série de reações de oxidação, as bactérias são decompostas em dióxido de carbono e água, matando-as efetivamente.
A adição de nanoprata aos revestimentos confere-lhes uma série de funções. Além das propriedades antibacterianas e antifúngicas, esses revestimentos também possuem recursos anti-incrustantes, desodorizantes e autolimpantes. Nas paredes internas de residências e hospitais, onde a higiene é de extrema importância, os revestimentos contendo nanoprata podem impedir o crescimento de bactérias, fungos e mofo nocivos. Eles também podem remover odores desagradáveis e manter a superfície limpa. Além disso, os revestimentos de nanoprata podem desempenhar um papel na purificação do ar e da água. Ao reagir com toxinas orgânicas nocivas presentes no ar ou na água, eles podem decompô-las em substâncias inofensivas, proporcionando uma função de limpeza. Por exemplo, em um ambiente hospitalar, esses revestimentos podem ajudar a reduzir a propagação de doenças infecciosas, matando bactérias e fungos nas paredes.

2.3 Óxido de zinco (ZnO)

O óxido de zinco em nanoescala exibe propriedades únicas sob a luz solar, especialmente a radiação UV. Semelhante à nanoprata, ela pode se decompor em elétrons em movimento livre (e⁻) e buracos carregados positivamente (h⁺). Esses orifícios podem ativar o oxigênio no ar, convertendo-o em espécies reativas de oxigênio. Essas espécies reativas de oxigênio têm forte atividade química e são capazes de oxidar várias substâncias orgânicas, incluindo aquelas dentro das bactérias. Como resultado, o óxido de zinco em nanoescala pode eliminar um grande número de patógenos e vírus.
Quando combinado com outros nanomateriais em revestimentos, o óxido de zinco confere múltiplos benefícios. O revestimento ganha propriedades de blindagem UV, que o protegem dos efeitos degradantes dos raios UV. Ele também possui recursos de absorção de infravermelho, o que pode contribuir para o gerenciamento térmico em determinadas aplicações. Os efeitos antibacterianos e antifúngicos do óxido de zinco em nanoescala ajudam a manter a superfície revestida limpa e livre de crescimento microbiano. Além disso, as funções purificadoras do ar e desodorizantes antibacterianas tornam-no adequado para uso em revestimentos internos e externos. Por exemplo, em revestimentos arquitetônicos externos, pode proteger a fachada do edifício contra danos causados pelos raios UV, ao mesmo tempo em que reduz a presença de bactérias e fungos, que podem causar descoloração e deterioração da superfície. Além disso, óxido de zinco em nanoescala ' A forte capacidade de absorver os raios UV o torna um excelente aditivo antienvelhecimento em revestimentos, prolongando a vida útil do revestimento e mantendo sua aparência.

2.4 Nano - Carbonato de Cálcio (CaCO₃)

O carbonato de cálcio tem sido um enchimento de pigmento básico na indústria de revestimentos, frequentemente usado em grandes quantidades. O nanocarbonato de cálcio, no entanto, oferece várias vantagens sobre seus equivalentes de tamanho maior. É extremamente fino, com uma distribuição uniforme do tamanho de partícula. Sua alta brancura o torna a escolha ideal para revestimentos onde a pureza e o brilho da cor são importantes. Além disso, possui boas propriedades ópticas.
À medida que o tamanho da partícula do carbonato de cálcio é refinado em nanoescala, ocorrem mudanças significativas no nível atômico. A proporção de átomos na superfície das partículas de enchimento aumenta em relação ao número total de átomos. Isso leva a efeitos de superfície e efeitos de tamanho pequeno que as partículas convencionais não possuem. Esses efeitos resultam em uma série de excelentes propriedades físico-químicas. Quando adicionado aos revestimentos, o nanocarbonato de cálcio pode aumentar a transparência. Isso é benéfico em aplicações em que é necessário um revestimento transparente, mas protetor, como em alguns revestimentos arquitetônicos e decorativos. Também melhora a tixotropia, que auxilia no processo de aplicação, e o nivelamento, garantindo um acabamento liso e uniforme.
O filme formado por revestimentos contendo nano - carbonato de cálcio tem um efeito de superfície devido às partículas em nanoescala. Este efeito de superfície cria um efeito de blindagem, semelhante ao da nanosílica, que ajuda a alcançar o envelhecimento anti-UV. Além disso, melhora a resistência mecânica do revestimento. Em revestimentos industriais, como os usados em máquinas e equipamentos, a resistência mecânica aprimorada fornecida pelo nanocarbonato de cálcio pode proteger o substrato da abrasão e do desgaste, aumentando a durabilidade do item revestido.

2.5 Nanopartículas de óxido de ferro

O óxido de ferro em nanoescala retém a composição química e a forma cristalina dos pigmentos tradicionais de óxido de ferro, mas com propriedades aprimoradas. Possui excelente estabilidade química, não é tóxico, inodoro e relativamente barato. Essas qualidades o tornam uma opção econômica para várias aplicações de revestimento. O óxido de ferro em nanoescala também tem boa resistência à temperatura, resistência às intempéries, resistência a ácidos e resistência a álcalis. Oferece alto croma, alto poder de coloração e alta transparência, superando as limitações dos pigmentos tradicionais de óxido de ferro.
Os pigmentos tradicionais de óxido de ferro geralmente sofrem de baixa saturação e brilho de cor insuficiente, o que restringe seu uso em revestimentos de alta qualidade. As nanopartículas transparentes de óxido de ferro, por outro lado, têm uma capacidade mais forte de absorver os raios UV. Esta propriedade não apenas lhes dá estabilidade óptica, mas também melhora as propriedades antienvelhecimento de vários polímeros quando incorporados em revestimentos. Como resultado, eles são amplamente utilizados em revestimentos industriais, arquitetônicos e decorativos de alta qualidade. Em revestimentos automotivos de alta qualidade, por exemplo, nanopartículas transparentes de óxido de ferro podem fornecer uma cor rica e duradoura, ao mesmo tempo em que protegem a pintura contra danos causados por UV, garantindo que o veículo e a pintura sejam mais eficientes.#39; O acabamento permanece vibrante por anos.

3. Preparação de Nanocoatings

3.1 Umedecimento e Dispersão

A preparação de nanorevestimentos apresenta desafios únicos devido à natureza dos nanomateriais. As partículas de pigmento em nanorevestimentos são extremamente pequenas, o que lhes confere alta atividade superficial. Essa alta atividade superficial faz com que as partículas sejam propensas à aglomeração. A aglomeração pode levar a uma distribuição não uniforme dos nanomateriais no revestimento, o que, por sua vez, pode afetar o desempenho do revestimento. Por exemplo, se as partículas de nanoprata se aglomerarem em um revestimento, as propriedades antibacterianas podem ser comprometidas, pois as partículas individuais não são mais distribuídas uniformemente para matar efetivamente as bactérias.
O umedecimento e a dispersão eficazes são, portanto, questões críticas em nanorrevestimentos. O tratamento de superfície dos nanomateriais desempenha um papel crucial a este respeito. O tratamento de superfície pode envolver o uso de surfactantes ou outros agentes químicos para modificar a superfície dos nanomateriais. Esses surfactantes podem reduzir a tensão superficial entre os nanomateriais e a matriz de revestimento, facilitando a umedecimento dos nanomateriais pelos componentes do revestimento. O método de adição de nanomateriais também afeta diretamente o estado de dispersão dos nanorevestimentos. Por exemplo, adicionar nanomateriais lentamente e com agitação contínua pode ajudar a obter uma dispersão mais uniforme em comparação com uma adição rápida. Em alguns casos, o tratamento ultrassônico pode ser usado para quebrar ainda mais os aglomerados e garantir uma melhor dispersão dos nanomateriais no revestimento.

3.2 Processo de moagem

Para alcançar o desempenho ideal do sistema de pigmentos em nanorevestimentos, é essencial reduzir o tamanho das partículas do pigmento a um nível menor e garantir uma distribuição mais uniforme. A intensidade da cor, brilho, transparência e outras propriedades do revestimento são altamente dependentes do tamanho da partícula do pigmento. Os métodos tradicionais para moagem ultrafina de pigmentos no contexto de nanorevestimentos dependem principalmente de moinhos de bolas ou moinhos de areia. Nesses processos, uma certa quantidade de grânulos de zircônia é adicionada. Essas contas atuam como meios de moagem.
Quando o pigmento é moído em um moinho de bolas ou moinho de areia, os grânulos de zircônia colidem com as partículas de pigmento, reduzindo gradualmente seu tamanho. O objetivo é reduzir o tamanho médio das partículas do pigmento para um nível muito pequeno. Geralmente, para nanocoatings, o tamanho médio de partícula do pigmento deve ser inferior a 500 nanômetros. No entanto, no caso de pigmentos de tinta de alta qualidade, que são um tipo de nanorevestimento especializado, o tamanho da partícula pode ser reduzido para menos de 200 nanômetros ou até 100 nanômetros. O uso de grânulos de zircônia na faixa de tamanho de 0,1 mm a 0,3 mm foi considerado eficaz na moagem de pigmentos até o tamanho de partícula necessário. A escolha do tamanho do cordão, a velocidade do moinho e a duração da moagem são parâmetros cuidadosamente controlados para alcançar a distribuição de tamanho de partícula desejada e o desempenho do revestimento. Por exemplo, na produção de tintas automotivas de alta qualidade, uma distribuição precisa do tamanho das partículas é crucial para garantir um acabamento liso e brilhante com excelente consistência de cor e durabilidade.
Em conclusão, os nanomateriais tiveram um impacto profundo na indústria de revestimentos. Suas propriedades únicas permitiram o desenvolvimento de revestimentos com maior durabilidade, resistência aos raios UV, propriedades antimofo e antibacterianas, resistência à água, resistência à abrasão e resistência a manchas. A preparação adequada de nanorevestimentos, incluindo processos eficazes de umedecimento, dispersão e moagem, é essencial para aproveitar totalmente o potencial desses nanomateriais. À medida que a pesquisa e o desenvolvimento em nanomateriais e nanorevestimentos continuam, podemos esperar ver revestimentos ainda mais inovadores e de alto desempenho no futuro, atendendo a uma ampla gama de indústrias e aplicações.