Нанотехнологии. Правда и вымысел

Немецкая фирма Duales System Deutschland AG одной из первых представила на проходившей в Ганновере Всемирной выставке «ЭКСПО-2000» новую краску для автомобилей, обладающую самоочищающимся эффектом. Для очистки поверхности сильно загрязненную машину достаточно полить водой.

Более того, в настоящее время имеются разработки на основе нанотехнологий, позволяющие вообще обходиться без воды. На загрязненные поверхности автомобиля из баллона распыляется специальный состав, которой затем растирается салфеткой или полотенцем. В результате не только удаляются образовавшиеся загрязнения, но и осуществляется нанесение защитного самоочищающегося покрытия, остающегося на поверхности более полугода.

Установлено, что любую поверхность можно изменять от су-пергидрофобных до супергидрофильных свойств с помощью розеткообразных частиц пентоксида ванадия (V2O5), которые легко нанести с помощью струйного принтера (или ввести в основу полироли), и последующего облучения ультрафиолетом. При этом гидрофобные свойства вызываются межслойными воздушными полостями размером 2,1 нм. Ультрафиолет обеспечивает создание пар «электрон — вакансия», в которых в кристаллической решетке «дырки» реагируют с кислородом, образуя на поверхности кислородные вакансии, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. В свою очередь кислородные вакансии закрываются (поглощаются) водой, делая ее гидрофильной. При длительном нахождении частиц в темноте происходит утрата ими своих гидрофильных свойств за счет замещения воды кислородом.

С 2003 года легковые автомобили Mercedes-Benz серий E, S, CL, SL и SLK покрыты прозрачным лаком с наноразмерными (около 20 нм) керамическими частицами, созданными на основе нанотехнологий, которые в процессе высушивания в лакокрасочном цехе отвердевают, образуя на поверхности лакового покрытия чрезвычайно плотную сетчатую структуру.

Если обычный лак представляет собой длинные молекулярные цепочки связующего вещества с большими расстояниями между перекрестно-сшивающими агентами (рис. 70, слева), то структура нанолака представляет собой разветвленную сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (рис. 70, справа). Благодаря этому в три раза повышается прочность (износостойкость) лака и обеспечивается более интенсивный и долговечный блеск покрытия. Автомобили Mercedes-Benz с лакокрасочным покрытием на основе нанотехнологии отмечены наградой на специализированной выставке Automechanika как «самые легкомоющиеся автомобили 2004 года».

Рис. 70. Длинные молекулярные цепочки связующего вещества и большие расстояния между перекрестно-сшивающими агентами (слева)

Структура износостойкого слоя лака: разветвленная сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (справа).

В настоящее время в области разработки и применения соответствующей нанотехнологической продукции для автомобильной промышленности основная конкуренция развернулась между американскими компаниями PPG, Dupont и Nanovere, а также немецким концерном BASF .

В 2002 году американская компания PPG Industries Inc. представила на автомобильном рынке первое высокоустойчивое керамическое самоочищающееся покрытие — CeramiClear® Clearcoat.

Для самоочистки поверхности фирма использует диоксид титана (TiO2). Его свойства таковы, что покрытие из данного вещества не только окисляет и расщепляет грязь, но и нейтрализует различные запахи и убивает микроорганизмы.

На практике это приводит к тому, что износоустойчивость лакового покрытия возрастает — оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40 % дольше, чем окрашенные обычной краской. Такому заключению предшествовали четыре года экспериментов и 150 окрашенных новой краской «тестовых» автомобилей. В сушильной камере при температуре 140 °C молекулярные цепи «нанолака» вытягиваются, а покрытие становится прочнее «традиционного» в несколько раз. Для повреждения «нанопокрытия» потребовалось усилие 20 мН, тогда как обычное деформировалось уже при 7 мН.

Другое направление использования нанотехнологий в автомобильном машиностроении — исключение экологически вредных красок, содержащих различные растворители, которые выбрасываются в атмосферу во время процесса сушки. Для решения этих проблем вместо традиционных жидких покрытий на водной основе используются порошковые покрытия, которые становятся все более распространенными, поскольку не содержат летучих органических соединений.

Как уверяют в компании DuPont, еще в начале 1990-х годов с активным привлечением последних «нанодостижений» они разработали принципиально новый экологически чистый порошковый материал на водной основе для покраски автомобилей. По словам разработчика, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не превышает десяти секунд.