CC BY
7Научный обзор УДК 629.331:667.61
САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ ПОЛИМЕРНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА АВТОМОБИЛЯХ
Игорь Михайлович Клековкин 1 Даниил Сергеевич Лиценко 2, Галина Юрьевна Тимофеева 3
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Москва, Россия
Аннотация. Самовосстанавливающиеся полимерные покрытия (СВП) являются инновационным решением в различных отраслях таких, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность. Эти покрытия способны восстанавливать свою структуру после механических повреждений за счет различных механизмов самовосстановления, включая капсульные системы и фоточувствительные полимеры. Данная статья представляет обзор типов самовосстанавливающихся покрытий, их механизм работы и практическое применение, а также новым технологиям в сфере покраски автомобильных кузовов.
Ключевые слова: самовосстанавливающиеся покрытия, полимеры, микрокапсулы, химическое восстановление, устойчивость к повреждениям, технология PixelPaint, роботизированная транспортная система
Для цитирования: Клековкин И. М., Лиценко Д. С., Тимофеева Г. Ю. Самовосстанавливающиеся полимерные покрытия на автомобилях // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2024. № 3(12). С. 35-44.
Original review
SELF-HEALING POLYMERIC COATINGS ON AUTOMOBILES
Igor M. Klekovkin Daniil S. Litsenko 2, Galina Yu. Timofeeva 3
Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
Abstract. Self-repairing polymer coatings (SRPs) are an innovative solution in various industries such as automotive and aerospace. These coatings can restore their structure after mechanical damage through various self-healing mechanisms, including encapsulation systems and photosensitive polymers. This article provides an overview of the types of self-healing coatings, their mechanisms of operation and practical applications, as well as new technologies in automotive body painting.
© Клековкин И. М., Лиценко Д. С., Тимофеева Г. Ю., 2024
Keywords: self-healing coatings, polymers, microcapsules, chemical recovery, damage resistance, PixelPaint technology, robotic transportation system
For citation: Klekovkin I. М., Litsenko D. S., Timofeeva G. Yu. Self-repairing polymer coatings on automobiles. Automotive and Road expert evaluation. 2024;(3):35-44. (in Russ.).
Введение
Современные полимерные покрытия широко применяются в различных отраслях промышленности, благодаря их уникальным свойствам, таким как высокая прочность, устойчивость к коррозии и защита от внешних воздействий. Тем не менее, покрытия часто подвергаются износу, механическим повреждениям и воздействию агрессивных химических веществ, что приводит к снижению их эксплуатационных характеристик и необходимости в частом ремонте или замене. Это особенно актуально в таких сферах, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, где повреждения покрытия могут существенно повлиять на безопасность и срок службы оборудования или конструкций. Для достижения высокой точности и эффективности нанесения таких покрытий активно используются новые технологии покраски, такие как PixelPaint, которая позволяет наносить краску с точностью до пикселя. В дополнение к инновационным методам покраски, в современных цехах всё чаще применяются роботизированные платформы, способные автоматически перемещать кузова автомобилей на различные этапы технологического процесса.
Разработка самовосстанавливающихся полимерных покрытий представляет собой перспективное направление способное кардинально изменить подход к поддержанию кузовов автомобилей и корпусов изделий аэрокосмической промышленности в исправном состоянии. Эти покрытия обладают способностью восстанавливать свою целостность и функциональные характеристики после повреждений благодаря использованию специальных полимерных структур и встроенных активных компонентов. Это позволяет снизить частоту технического обслуживания и продлить срок службы оборудования, что, в свою очередь, способствует снижению эксплуатационных затрат.
Виды повреждений лакокрасочных покрытий
Лакокрасочные покрытия автомобилей обеспечивают защиту кузова от воздействия внешних факторов, а также эстетическую привлекательность. Тем не менее, с течением времени и под воздействием различных условий покрытия могут подвергаться повреждениям (рис. 1).
Водовороты/паутинки. Эти мелкие поверхностные царапины образуются из-за неправильной мойки автомобиля или трения мягких абразивных частиц. Они затрагивают только верхний слой покрытия и могут быть устранены с помощью полировки.
Отдельные глубокие случайные царапины. Более глубокие повреждения, которые могут возникать из-за воздействия твёрдых частиц, таких как песок или мелкий гравий, на скорости. Такие царапины могут проникать в верхний слой лака и иногда достигать слоя автомобильной эмали.
Глубокие царапины. Эти повреждения затрагивают не только слой лака, но и автомобильную эмаль. Глубокие царапины часто требуют восстановления с по-
мощью покраски, поскольку они нарушают целостность покрытия и могут привести к коррозии.
Отметины от воды и кислых дождей. Под воздействием кислотных осадков или жёсткой воды на поверхности покрытия могут образовываться пятна, которые влияют на внешний вид, но не проникают глубоко в слои.
Голограммы, следы от полировки. Могут возникать при агрессивной полировке поверхности, когда остаточные следы абразивных частиц остаются на верхнем слое лака.
В лакокрасочных пленках применяется 3 слоя различных материалов: нижний слой - грунтовый, благодаря которому достигается адгезия автоэмали к кузову; основной слой - автоэмаль, содержащая пигменты и наполнители и придающая цвет автомобилю; верхний слой - прозрачный лак, защищающий нижние слои от воздействия ультрафиолетовых лучей, механических повреждений, воздействия агрессивных химических сред.
ВОДОВОРОТЫ/ ПАУТИНКИ
ОТДЕЛЬНЫЕ ГЛУБОКИЕ ГЛУБОКИЕ ЦАРАПИНЫ
СЛУЧАЙНЫЕ ЦАРАПИНЫ
ОТМЕТИНЫ ОТВОДЫ И КИСЛЫХДОЖДЕЙ
ГОЛОГРАММЫ. СЛЕДЫ ОТ ПОЛИРОВКИ
ВЕРХНИЙ СЛОЙ ПРОЗ РАЧНОГО Л АКА
ОСНОВНОЙ слой АВТОЭМАЛИ
НИЖНИЙ СЛОЙ ГРУНТА (ОСНОВА)
ПОВЕРХНОСТЬ КУЮВА
Рис. 1. Виды повреждений лакокрасочного покрытия
Процесс восстановления в синтетических и биологических системах
Можно сравнить механизмы восстановления повреждений в синтетических и биологических системах (рис. 2). Хотя оба подхода направлены на восстановление целостности материала или ткани, каждый из них характеризуется специфическими стадиями и особенностями процесса.
Синтетический метод восстановления. Синтетический подход к самовосстановлению материалов предполагает использование различных искусственных процессов, таких как химическая реакция, полимеризация или внедрение капсул с восстановительными веществами. Синтетические системы характеризуются относительно быстрым откликом и способностью к многократному восстановлению. Однако их эффективность может зависеть от условий окружающей среды и необходимости внешнего стимула для запуска процесса.
Биологический путь восстановления. В биологических системах процесс восстановления повреждений происходит естественным путём и включает более сложные биохимические реакции и этапы. Примером такого восстановления является заживление ран у человека. Биологический процесс восстановления зани-
мает больше времени по сравнению с синтетическим, но позволяет достигать долговременных и устойчивых результатов. При этом система обладает способностью к адаптации, что делает её более эффективной при сложных повреждениях [1].
Рис. 2. Синтетический и биологический методы восстановления
Механизмы и область применения самовосстанавливающихся покрытий
Различные механизмы и области применения самовосстанавливающихся полимерных покрытий можно объединить в одну схему (рис. 3).
Механизмы восстановления повреждений. Самовосстанавливающиеся полимерные покрытия могут обладать внутренними и внешними механизмами восстановления, которые активируются в зависимости от источника повреждений.
Внутренний механизм основан на способности материала восстанавливаться за счет его внутренней структуры. Способность к самовосстановлению заложена непосредственно в полимере и активируется при наличии внешних триггеров, таких как тепло, свет или механическое воздействие. При не ковалентных взаимодействиях восстановление происходит за счет временных взаимодействий между молекулами, которые могут быстро восстанавливать структуру покрытия. При динамических ковалентных связях молекулы полимера способны разрушать и восстанавливать ковалентные связи, обеспечивая прочное восстановление структуры.
В случае внешнего механизма восстановление повреждений происходит за счет внешнего воздействия или добавок, встроенных в покрытие. Дистанционное самовосстановление включает использование капсул, содержащих восстановительные агенты, которые активируются при повреждении покрытия. В данном случае внешние триггеры не нужны.
Рис. 3. Механизмы и области применения самовосстанавливающихся покрытий
При необходимости внешних триггеров/стимулов ими могут служить различные физические воздействия (тепло, свет) или химические реакции.
Применение самовосстанавливающихся покрытий. Эти покрытия находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В автомобильной и авиационной отрасли покрытия защищают транспортные средства от царапин и других мелких повреждений, что позволяет продлить срок службы поверхности. Антикоррозионные покрытия используются для защиты металлических конструкций от коррозии, особенно в агрессивных средах. Покрытия для биомедицинских устройств обеспечивают долгосрочную защиту и стерильность оборудования. Антистатические и устойчивые к царапинам покрытия применяются для электронных устройств и дисплеев. Покрытия для нефтегазовой промышленности устойчивы к агрессивным химическим веществам и механическим повреждениям [2, 3].
Схема самовосстановления материала при помощи восстанавливающих агентов, заключенных в микрокапсулы
Такая схема подразумевает использование в составе полимерного покрытия специальных микрокапсул, содержащих восстанавливающие агенты. Они имеют размеры около 100 мкм в диаметре и равномерно распределены по всему объему состава.
Самовосстанавливающаяся химия основана на свойствах эпоксидной смолы, поликонденсации гидроксил полидиметилсилоксана или полидиэтоксиси-локсана, содержащихся в микрокапсулах и дибутилдилаурат олова (ДБДЛО), выступающего в качестве катализатора. При повреждении материала (например, при возникновении в нем трещины) микрокапсулы в месте повреждения открываются и, высвобождающиеся из них агенты, «залечивают» поврежденный участок (рис. 4) [4].
Рис. 4. Схема самовосстановления при помощи микрокапсул
Для достижения адгезии такое покрытие необходимо наносить на грунтовый слой, толщиной около 50 мкм. Толщина самого самовосстанавливающегося полимерного покрытия достигает 100 мкм, а для морских судов наносится дополнительный слой, равный по толщине основному.
Схема самовосстановления материала, требующая внешних триггеров
Для описания данного механизма самовосстановления отлично подходит пример, в котором внешним триггером выступает тепло (инфракрасное излучение). В этом случае покрытие состоит из полимерной сетки, которая создает динамическую химическую связь, разрушающуюся под воздействием внешних раздражителей, но восстанавливающую исходное состояние с помощью тепла. Полимерная сетка основана на акрилполиоле и связях мочевины, а для осуществления химического восстановления путем поглощения солнечного света применяют прозрачный фототермический краситель.
/ .
(I// лл^^лл^л^
Рис. 5. Схема самовосстановления при помощи тепла в роли внешнего триггера
Солнечные лучи играют роль триггера, а органический фототермический полимер, поглощая свет в ближнем инфракрасном диапазоне (А=1000-1200 нм), самостоятельно «заживляет» поврежденные участки. Такой механизм самовос-
становления позволяет достичь отличной эффективности (=100%) за достаточно быстрое время (около 30 с при сфокусированном излучении) (рис. 5).
Технология покраски автомобилей PixelPaint
PixelPaint представляет собой технологию автоматизированной покраски, предназначенную для нанесения сложных рисунков и многослойных покрытий на автомобильные поверхности с высокой точностью (рис. 6). Данная технология позволяет создать уникальные и индивидуальные окраски, применяя сложные графические узоры, многослойные цвета и градиенты. В основе PixelPaint лежит использование роботизированных систем и программного обеспечения для управления процессом покраски, обеспечивающего высокую точность и минимизацию потерь краски.
Рис. 6. Технология покраски PixelPaint [5]
PixelPaint интегрирует роботизированные манипуляторы, оснащенные узкими струйными форсунками, которые позволяют наносить краску на поверхности автомобиля с точностью до нескольких миллиметров. Каждая форсунка управляется в режиме реального времени, что позволяет точно регулировать расход и распределение краски, избегая необходимости использования маскировочных лент и различных шаблонов. Система может переключаться между различными цветами и эффектами без необходимости остановки процессов. Специализированное программное обеспечение анализирует 3D-модель автомобиля и генерирует оптимальную траекторию движения форсунок [5].
Преимущества технологии покраски PixelPaint
Снижение расхода материалов. Поскольку технология PixelPaint исключает необходимость в маскировке и использовании шаблонов, количество потерь краски уменьшается на 20-30% по сравнению с традиционными методами. Это также снижает потребность в последующей очистке и уменьшает количество отходов.
Ускорение производственного процесса. Возможность быстрого переключения между цветами и создания многослойных покрытий без остановки оборудования позволяет сократить время покраски на 50-70%.
Экологичность. Технология уменьшает количество выбросов летучих органических соединений за счет более точного нанесения краски и меньшего использования растворителей. Это делает PixelPaint более экологически безопасным методом покраски.
Индивидуализация. PixelPaint позволяет создавать уникальные дизайнерские решения без увеличения времени или затрат на производство. Это открывает новые возможности для персонализации автомобилей и увеличения их эстетической привлекательности [5].
Перспективы развития технологии PixelPaint
Технология PixelPaint нашла применение в автомобильной промышленности, где используется для создания автомобилей ограниченной серии выпуска, спортивных и премиальных моделей, а также для реализации индивидуальных заказов. Благодаря высокой точности и скорости нанесения покрытия, эта технология имеет перспективы для применения и в других отраслях, таких как аэрокосмическая, судостроительная и даже архитектурная.
В будущем возможно развитие PixelPaint в направлении расширения спектра используемых материалов и интеграции дополнительных функций, таких как защитные слои и вышеописанные самовосстанавливающиеся полимерные покрытия, которые могут быть нанесены в один технологический процесс [5].
Роботизированная транспортная система для цехов покраски ProFleet
ProFleet представляет собой роботизированную транспортную систему специальных подвижных платформ, разработанную для автоматизации процессов перемещения автомобилей и деталей внутри покрасочных цехов (рис. 7).
Эти платформы разработаны с целью повышения гибкости, скорости и безопасности производственных процессов, связанных с покраской, обеспечивая более эффективное использование ресурсов и минимизируя ручной труд. Источником питания в этих платформах служат суперконденсаторы, которые отличаются от химических источников тока возможностью быстрой зарядки и отдачей большой мощности за короткие промежутки времени. Кроме того, суперконденсаторы обладают высоким количеством циклов заряда-разряда (до миллиона), что делает их долговечными и экономически выгодными в долгосрочной перспективе.
Платформы ProFleet могут самостоятельно перемещать автомобили или детали между различными зонами цеха покраски. Благодаря встроенным системам навигации и датчикам, платформы точно следуют заданным маршрутам, избегают столкновений и обходят препятствия. Управление платформами осуществляется с помощью центральной системы, которая координирует перемещение в режиме реального времени, отслеживает местоположение каждой плат-
Рис. 7. Роботизированная платформа системы ProFleet [6]
формы. Система способна предсказать потребности в перемещении и своевременно направлять платформы в нужные зоны, чтобы минимизировать простои и ускорить производственный цикл. Система ProFleet легко адаптируется к различным конфигурациям цеха и может быть интегрирована в существующие производственные линии [6].
Таким образом, роботизированные транспортные платформы ProFleet открывают новые возможности для повышения эффективности, качества и устойчивости современных производственных процессов в области покраски.
Заключение
В заключение можно отметить, что самовосстанавливающиеся полимерные покрытия открывают новые горизонты в улучшении долговечности и эксплуатационных характеристик материалов, применяемых в автомобильной промышленности и других отраслях. Такие покрытия обеспечивают автоматическое восстановление микроповреждений, тем самым снижая потребность в частом ремонте и продлевая срок службы лакокрасочных покрытий. Разработка и внедрение технологий на основе самовосстанавливающихся материалов позволяют уменьшить затраты на обслуживание, повысить экологическую устойчивость и улучшить качество продукции.
Использование инновационных методов покраски, таких как PixelPaint, а также роботизированных транспортных систем, таких как ProFleet, значительно ускоряет производственный процесс и повышает точность нанесения покрытий. Внедрение этих технологий способствует повышению эффективности производственных линий и снижению экологического воздействия.
Дальнейшее развитие самовосстанавливающихся покрытий и технологий их нанесения представляет собой перспективное направление, способное изменить подход к эксплуатации и обслуживанию автомобильных и других промышленных изделий.
Список источников
1. Ситников, Н. Н. Самовосстанавливающиеся материалы: обзор механизмов самовосстановления и их применений / Н. Н. Ситников, И. А. Хабибуллина, В. И. Мащенко // Видеонаука. - 2018. - № 1(9). - С. 1. - EDN YUGMZE.
2. Исследования по фототермическим полимерам. - URL: https: / / newatlas.com/materials / self-healing-coating-30-minutes-sunlight/ (дата обращения: 18.10.2024).
3. Smart Applications of Self-Healing Polysiloxanes. - URL: https://encyclopedia.pub/entry/55215 (дата обращения: 18.10.2024).
4. Абашкин, Р. Е. Перспективы применения самовосстанавливающихся материалов / Р. Е. Абашкин, М. О. Руднев // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации : Сборник научных трудов XI-ой Международной научно-практической конференции: в 4 томах, Курск, 19-21 марта 2014 года / Ответственный редактор: Горохов А.А.. Том 1. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2014. - С. 25-28. - EDN SMIAWJ.
5. Технология PixelPaint. - URL: https://new.abb.com/products/robotics/functional-modules/pixelpaint (дата обращения: 20.10.2024).
6. Роботизированная транспортная система для цехов покраски ProFleet. - URL: https: / / www.durr.com/ru/products / conveyor-technology/conveyor-technology-for-paint-shops/ecoprofleet (дата обращения: 21.10.2024).
Refere^es
1. Sitnikov N. N., Habibullina I. A., Mashchenko V. I. Videonauka, 2018, no. 1(9), p. 1.
2. Issledovaniya po fototermicheskim polimeram, available at: https://newatlas.com/materials/self-healing-coating-30-minutes-sunlight/ (18.10.2024).
3. Smart Applications of Self-Healing Polysiloxanes, available at: https://encyclopedia.pub/entry/55215 (18.10.2024).
4. Abashkin P. E., Rudnev R. E. Sovremennyye instrumental'nyye sistemy, informatsionnyye tekhnologii i innovatsii, Sbornik nauchnykh trudov, Kursk, Universitetskaya kniga, 2014, vol. 1, pp. 25-28.
5. Tekhnologiya PixelPaint, available at: https://new.abb.com/products/robotics/functional-modules/pixelpaint (20.10.2024).
6. Robotizirovannaya transportnaya sistema dlya tsekhov pokraski ProFleet, available at: https: / / www.durr.com/ru/products / conveyor-technology/conveyor-technology-for-paint-shops/ecoprofleet (21.10.2024).
Информация об авторах
И. М. Клековкин - студент МАДИ.
Д. С. Лиценко - студент МАДИ.
Г. Ю. Тимофеева -кандидат физико-математических наук, доцент, МАДИ.
Information about the authors
I. M. Klekovkin - student MADI.
D. S. Litsenko - student MADI.
G. Yu. Timofeeva -Candidate of Sciences (Physical and Mathematical), Associate Professor,
MADI.
Рецензент: Б. Ф. Еникеев, кандидат технических наук, доцент, эксперт ИНАЭ-МАДИ.
Статья поступила в редакцию 01.11.2024; одобрена после рецензирования 10.11.2024; принята к
публикации 10.11.2024.
The article was submitted 01.11.2024; approved after reviewing 10.11.2024; accepted for publication
10.11.2024.
