Use of SNPS with controlled size & shape for enhanced surface hydrophobicity & hardness for coil coating applications

Abstract

Increasing the hardness of surface while improving hydrophobicity simultaneously has important implications in coating applications. The use of nano sized particles for this purpose is an interesting area of research. SNPs with mono and multi size distributions in a wide size range were successfully synthesized using the Stöber Method directly or after proper modifications such as utilizing seed particles as in Stöber growth solutions. The synthesized monosize and bi-modal silica particles were then employed in coating studies. The silica nanoparticles were added to a clear coat without pigments and fillers, followed by the introduction of a pigmented topcoat. The addition of 25% monosize silica nanoparticles led to a contact angle (CA) of 92°, while an equal amount of bi-modal silica particles increased the CA to 106°. Notably, the highest CA value of 116.7° was achieved with a 40% addition of bi-modal silica particles. When measured CA was converted to actual CA by incorporating the roughness parameter, the maximum effective CA was calculated as 140°. In terms of mechanical properties, loading monosize silica nanoparticles up to 35% resulted in a surface hardness of 2H. Further increasing the loading to 45% improved the surface hardness to 3H. While a 40% addition of monosize silica was necessary to achieve a pencil hardness of 3H, 20% addition of bi-modal sample was sufficient. The findings above demonstrate that addition of nanosized silica particles simultaneously improve hardness and surface hydrophobicity and that a bi-modal particle size distribution results in a superior performance compared to mono-modal particle size distribution.

Hidrofobikliği geliştirirken aynı anda yüzeyin sertliğini arttırmanın boya uygulamalarında önemli etkileri vardır. Bu amaçla nano boyutlu parçacıkların kullanılması ilginç bir araştırma alanıdır. Geniş bir boyut aralığında tek ve çok boyutlu dağılımlara sahip SNP'ler, doğrudan Stöber Metodu kullanılarak veya Stöber büyüme solüsyonlarında olduğu gibi tohum partiküllerinin kullanılması gibi uygun modifikasyonlardan sonra başarıyla sentezlendi. Sentezlenen tek boyutlu ve iki boyutlu silika parçacıkları daha sonra boya çalışmalarında kullanılmıştır. Silika nanopartiküller, pigmentler ve dolgu maddeleri içermeyen vernik boyasına ilave edildi, ardından pigmentli bir sonkat boyaya eklendi. %25 tek boyutlu silika nanoparçacıklarının eklenmesi, 92°'lik bir temas açısı verirken, eşit miktarda iki boyutlu silika parçacıklarının eklenmesi, temas açısını 106°'ye yükseltti. Özellikle, en yüksek temas açı değeri olan 116.7°'ye, %40 iki boyutlu silika parçacıklarının eklenmesiyle ulaşılmıştır. Ölçülen temas açısı pürüzlülük parametresi dahil ederek gerçek temas açısına dönüştürüldüğünde, maksimum etkili temas açısı 140° olarak hesaplandı. Mekanik özellikler açısından, tek boyutlu silika nanoparçacıklarının %35'e kadar yüklenmesi, 2H'lik bir yüzey sertliği ile sonuçlandı. Yüklemeyi %45'e daha da arttırılması, yüzey sertliğini 3H'ye çıkardı. 3H kalem sertliği elde etmek için %40 tek boyutlu silika ilavesi gerekliyken, %20 iki boyutlu silika parçacık ilavesi yeterliydi. Yukarıdaki bulgular, nano boyutlu silika parçacıklarının eklenmesinin aynı anda sertliği ve yüzey hidrofobikliğini iyileştirdiğini ve iki boyutlu tane dağılımının, tek boyutlu tane dağılımına kıyasla üstün bir performansla sonuçlandığını göstermektedir.