VÝVOJ KOMPOZITNÍCH POVLAKŮ S ČÁSTICEMI TiO2 S ROZDÍLNOU MORFOLOGIÍ

Ing. Irena LYSOŇKOVÁ

Doctoral thesis

Development of composite coatings with TiO2 particles

Abstract:

Disertační práce se zabývá vývojem nového povlaku na bázi PTFE. Za účelem vylepšení vlastností tohoto povlaku, do něj byly aplikovány částice TiO2. Do povlaku byly přidány částice s různou morfologií. Nanášení probíhalo na hliníkový substrát. Předpokladem má být zvýšení trvanlivosti povlaku, které má být ověřeno pomocí jednotlivých užitných vlastností, mezi něž patří drsnost, přilnavost, vlhkostní odolnost a otěruvzdornost. Cílem vývoje je například prodloužení životnosti forem pro výrobu pryžových komponent, na které je již v současné době povlak aplikován, ovšem bez přídavku částic. I samotný teflonový povlak však již zvyšuje odolnost těchto forem, a proto je zde předpoklad opětovného zvýšení odolnosti přídavkem uvedených částic. Výsledky laboratorního testování predikují zmíněné zvýšení odolnosti. V neposlední řadě je ovšem důležité, aby byl brán na zřetel i zdravotní a environmentální aspekt. V poslední době se vede polemika o vlivu TiO2 na zdraví, proto je důležité a nezbytné vyhodnotit jeho výhody a rizika použití. Teoretická část práce se skládá z úvodu, rešeršní části a následně z popisu jednotlivých složek povlaku. Uvádím zde možnost aplikace na dva druhy základního materiálu a jeho popis s odůvodněním výběru. Dále zde uvádím jednotlivé aplikované částice a zároveň popisuji jejich výrobu. V závěrečné části teorie jsou vysvětleny také jednotlivé metody zkoušení materiálu. Experimentální část je rozdělena na několik jednotlivých úseků. Na začátku je návrh samotného technologického postupu přípravy teflonového povlaku s přídavkem částic. Následuje příprava jednotlivých vzorků s různými koncentracemi oxidu titaničitého. V druhé části experimentu jsem přešla k analýze a testování jednotlivých povlaků. Hodnocena byla především morfologie (destičky, tyčinky atd.) a velikost (od 30 nm do 1,6 ?m - největší rozměr, naměřený na délce tyčinky TiO2). Analýzy jsem prováděla pomocí laserového rastrovacího konfokálního mikroskopu a skenovacího elektronového mikroskopu s EDS analyzátorem. Uvedené analýzy dopomohly k určení rovnoměrnosti rozložení vrstvy a částic, analýze jednotlivých částic a drsnosti povrchu vzorků. Další fáze bylo destruktivní testování přilnavosti odtrhovou zkouškou, testování na tribometru bez a s tepelným zatížením, zatěžování vzorků v klimatické komoře a tepelné zatížení. Zmíněný kompozitní povlak vychází z užitného vzoru: Zařízení pro povlakování kovových forem ze slitin Al-Mg a Al-Si zejména pro výrobu pneumatik motorových vozidel. Následně byl tento postup patentován patentem č. 308500 - Povlak forem z hliníkových slitin pro vulkanizaci gum pro výrobu pneumatik na bázi PTFE a způsob jeho výroby.

Abstract:

The dissertation deals with the development of a new PTFE-based coating. In order to improve the properties of this coating, TiO2 particles were added to it. Particles with different morphologies were added to the coating. The application was on an aluminum substrate. The premise is to increase the durability of the coating, which should be verified using individual useful properties, such as roughness, adhesion, moisture resistance and abrasion resistance. The aim of the development is, for example, to extend the lifetime of moulds for the production of rubber components to which the coating is already applied, but without the addition of particles. The teflon coating itself, however, already increases the resistance of these moulds and therefore there is a prerequisite to increase the resistance again by the addition of these particles. The results of the laboratory testing predict this increase in resistance. Last but not least, it is important to take into account health and environmental aspects. Recently, there has been controversy about the health effects of TiO2, so it is important and necessary to evaluate the benefits and risks of its use. The theoretical part of the thesis consists of an introduction, a research part and then a description of the individual components of the coating. The possibility of application to two types of base material and its description with a justification of the choice are presented. Furthermore, I present here the individual applied particles and at the same time describe their production. In the final part of the theory, the individual methods of testing the material are also explained. The experimental part is divided into several individual sections. At the beginning, there is a proposal of the technological process of preparing the teflon coating with the addition of particles. This is followed by the preparation of individual samples with different concentrations of titanium dioxide. In the second part of the experiment, I moved on to the analysis and testing of individual coatings. Mainly were evaluated the morphology (plates, rods, etc.) and size (from 30 nm to 1.6 ?m - the largest dimension, measured along the length of the TiO2 rod). Analyses were performed using a laser scanning confocal microscope and a scanning electron microscope with an EDS analyzer. These analyses helped to determine the uniformity of the layer and particle distribution, the analysis of individual particles and the surface roughness of the samples. The next phase was destructive adhesion testing by tear test, tribometer testing without and with thermal loading, loading of samples in a climatic chamber and thermal loading. This composite coating is based on the utility model: equipment for coating metal moulds made of Al-Mg and Al-Si alloys, in particular for the production of motor vehicle tyres. Subsequently, this process was patented under Patent No 308500 - Coating of aluminium alloy moulds for vulcanisation of rubber for the production of tyres based on PTFE and a method for its manufacture.

Keywords

Povlak, PTFE, oxid titaničitý, nanočástice TiO2, mikročástice TiO2, teflonový povlak

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 2. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Štefan Michna, PhD.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Engineering Technology / Engineering Technology