Физико-механические свойства полиуретановых покрытий, наполненных твердыми неорганическими отходами * Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

УДК 678.664

Е. А. Кияненко, Л. А. Зенитова ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ, НАПОЛНЕННЫХ ТВЕРДЫМИ НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ОТХОДАМИ *

Ключевые слова: полиуретановые покрытия, физико-механические свойства, электропроводность, наполнители, твердые промышленные отходы, цеолит, силикагель, оксид алюминия.

Исследованы физико-механические показатели и электропроводность полиуретановых покрытий, наполненных измельченными твердыми неорганическими отходами: силикагелем, оксидом алюминия и цеолитом вплоть до 50 % масс. Показано, что физико-механические свойства покрытий при внесении силикагеля, оксида алюминия вплоть до 40 % масс. остаются на уровне ненаполненных аналогов, а для покрытий с цеолитом вплоть до 50 % масс.

Key words: polyurethane coverings, physico-mechanical characteristics, electroconductivity, fillers, solid inorganic

wastes, zeolite, silica gel, aluminia

Physico-mechanical characteristics and conduction of polyurethane covering pervaded reduced hard inorganic departure: silica gel, alumina and zeolite up to 50 % mass. has been explored. Physico-mechanical characteristics coverings pervaded silica gel, alumina up to 40 % mass. also as unfilled analogues, but for coverings with zeolite up to 50 % masses.

На сегодняшний день производство лакокрасочных материалов (ЛКМ) на основе полиуретанов (ПУ) - одно из самых бурно развивающихся секторов лакокрасочной промышленности. Отличительной особенностью ПУ покрытий, определяющих их востребованность многими отраслями экономики, являются высокие износостойкость, адгезия к металлическим и неметаллическим поверхностям, прочность, химическая стойкость и декоративные свойства [1-3].

При наполнении ПУ ЛКМ твердыми промышленными отходами решается несколько проблем: утилизация промышленных отходов, снижение себестоимости готовых изделий, а также придание им некоторых специфических свойств [4].

Цель данной работы - изучение влияния структуры полиуретановых покрытий (ПК), наполненных твердыми неорганическими отходами на физико-механические свойства покрытий.

Объекты исследования

Объектами исследования явились:

- полиуретановые покрытия на основе форполимера - продукта взаимодействия полиокситетраметиленгликоля с 2,4-толуилендиизоцианатом - СКУ-ПФЛ-100 (ТУ 38.103-13778), отвержденные 4,4’-метилен-бис-(о-хлоранилином) (МОКА) ТУ 6-14-9-80 [5];

- полиуретановые покрытия на основе СКУ-ПФЛ-100, изготовленные

диспергированием различных наполнителей в связующем.

В качестве наполнителей использовались твердые отходы, применяемые в виде осушителей нефтехимических производств [6]. Характеристики наполнителей представлены в таблице 1.

*Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» ГК-729, ГК -14.740.11.1068.

92

Таблица 1 - Характеристика твердых отходов-наполнителей

Наименование наполнителя Основное вещество Содержание основного вещества, % Нормативный документ

Силикагель 8102 99,5 ГОСТ 3956-76

Оксид алюминия активный АІ203 99,5 ГОСТ 8136-85

Цеолит - АІ 53,2 ТУ 2163-001-

- 8І 22,9 12678836-2001

Экспериментальная часть

Физико-механические показатели исходных и наполненных ПУ ПК определялись согласно следующим стандартам:

- прочность при ударе, Н-м - ГОСТ Р 53007

- прочность при изгибе, мм - ГОСТ Р 52740

- твердость по маятниковому прибору М-3 (Н), усл. ед. - ГОСТ Р 52166

- прочность при растяжении на приборе «Эриксен» (Э), мм - ГОСТ 18299

- адгезия, балл - ГОСТ 15140

Измерения удельных поверхностных (р8) и объемных сопротивлений (ру) проводились с помощью тераомметра Е6-13А в соответствии с ГОСТ 6433.2.71 и рассчитывались по формулам:

Ps (ОМ) = 34,56 • Rs (ОМ)

рv (ОМ-см) = 5,94 (см2) • RV (ОМ) / t (см), где Рэ (ОМ) и р (ОМ) - измеренные значения сопротивлений по прибору;

1 (см) - толщина измеряемого образца.

Коэффициенты Кэ = 34,56 и ^ = 5,94 (см2) выбраны в результате вычислений из соотношений наружного диаметра электрода напряжения С = 25 мм, внутреннего диаметра охранного кольца С2 = 30 мм и зазора между этими электродами д = 2,5 мм.

Кэ = п • йо/ д,

^ = п • йо2/ 4, где йо = № + с11)/2 ; д = (с^ - с11)/2 ; п = 3,14.

Результаты и их обсуждение

Исследования основных физико-механических свойств ПК показали (табл. 2), что при введении цеолита вплоть до 50 % мас. физико-механические свойства ПК остаются на уровне базового полимера. При использовании в виде наполнителей силикагеля и оксида алюминия с внесением 40 % мас. наблюдается некоторое снижение прочности при растяжении и прочности при изгибе при использовании 50% мас. этих наполнителей. При этом твердость ПК значительно возрастает (до 0,7 усл. ед.).

Из данных табл.2 и рис. 1 видно, что с ростом степени наполнения происходит возрастание твердости ПК (от 0,2 до 0,6 усл. ед.). При этом закономерно снижается эластичность. Это свидетельствует об уменьшении подвижности структурных элементов ПУ. Рост твердости с одновременным снижением эластичности для ПК с использованием у цеолита не так заметен. При внесении цеолита и адгезионные свойства ПК остаются на уровне ненаполненного аналога, а эластичность при изгибе несколько ухудшается. При этом показатель твердости возрастает не так существенно, как в случае использования в качестве наполнителей силикагеля и оксида алюминия. Этому способствует сама структура наполнителя - цеолита, имеющего высокоразвитую пористую поверхность, которая, вероятно, способствует более глубокому проникновению связующего в массу наполнителя, оставляя возможность для проявления высокой подвижности макромолекул полимера.

Таблица 2 - Физико-механические показатели наполненных полиуретановых покрытий

Параметр Наполнитель Количество наполнителя, %

0 5 10 20 30 40 50

Прочность при изгибе, мм Силикагель 1 1 1 1 1 2 4

Прочность при растяжении, мм 15 15 15 15 15 14 12

Прочность при ударе, Н-м 5 5 5 5 5 5 4

Твердость, усл.ед., не менее 0,20 0,24 0,27 0,46 0,58 0,64 0,67

Адгезия, балл 1 1 1 1 1 2 3

Прочность при изгибе, мм Оксид алюминия 1 1 1 1 1 2 3

Прочность при растяжении, мм 15 15 15 15 15 14 13

Прочность при ударе, Н-м 5 5 5 5 5 5 4

Твердость, усл.ед., не менее 0,20 0,22 0,23 0,35 0,47 0,55 0,58

Адгезия, балл 1 1 1 1 1 2 3

Прочность при изгибе, мм Цеолит 1 1 1 1 1 1 2

Прочность при растяжении, мм 15 15 15 15 15 15 15

Прочность при ударе, Н-м Везде 5

Твердость, усл.ед., не менее 0,20 0,22 0,24 0,26 0,30 0,32 0,34

Адгезия, балл Везде 1

(Г

[=;

о

■=:

о.

(Г

о.

1=

_й

0І

11

с;

О

Степень наполнения, % а

■Ті

с:

о

_й“ I—

о

О

аГ

-- 4

Степень наполнения, % б

■Ті

Ю

О.

с _й I—

О

X

=г

05

|=;

<т>

о.

1=

_й

=Г

£

СО

-Твердость

-Эластичность при изгибе

Степень наполнения, %

в

Рис.1 - Зависимость физико-механических свойств ПУ ПК от степени наполнения: а -силикагелем; б - оксидом алюминия; в - цеолитом

Ранее было показано, что материалы с такими свойствами могут использоваться в качестве внутренних защитных антикоррозионных покрытий оборудования различных химических производств, а также в железнодорожных цистернах для перевозки нефтехимической продукции [5].

В данном случае фактор высоких прочностных характеристик и адгезии очень важен, например, при внешних механических повреждениях емкостей, цистерн и т.п., вызывающих поверхностные деформации стенок.

С целью изучения электропроводных свойств ПУ ПК измерялись удельные (р8) и поверхностные сопротивления наполненных и ненаполненных образцов.

Результаты измерений сведены в таблицу 3.

Таблица 3 - Удельные поверхностные сопротивлений образцов полиуретановых покрытий, наполненных силикагелем, оксидом алюминия, цеолитом

Наполни- тель Степень наполнения, % Рв(ОМ) Ру(ОМ) Рз (ОМ) ру(ОМ*см) Рз = Рv/t 1 (см)

Силикагель 0 2,2 1012 5,4 1010 7,6 1013 3,3 1012 8,2 • 1013 0,04

5 1,1 1012 2,0 1011 3,8 1013 2,4 1013 7,9 ■ 1014 0,03

10 6,0 1012 2,0 1011 2,1 1014 2,4 1013 4,7 ■ 1014 0,05

15 1,1 1013 1,3 1011 3,5 1014 1,9 1013 4,8 ■ 1014 0,04

20 1,5 1013 3,0 1011 5,2 1014 3,6 1013 7,1 ■ 1014 0,05

Оксид 5 3,0 1013 2,0 1011 1,1 1015 3,9 1013 1,3 ■ 1015 0,03

алюминия 10 7,0 1012 6,5 1011 2,4 1015 9,6 1013 2,4 ■ 1015 0,04

15 1,3 1013 9,0 1011 4,5 1015 1,3 1014 3,3 ■ 1015 0,04

20 2,8 1012 3,5 1011 9,7 1015 3,5 1014 5,8 ■ 1014 0,06

Цеолит 5 5,8 1012 3,6 1010 2,0 1014 7,1 1012 2,4 ■ 1014 0,03

10 8,0 1012 2,0 1011 2,8 1014 2,9 1013 7,4 ■ 1014 0,04

15 3,0 1012 2,0 1011 1,1 1014 3,9 1013 1,3 ■ 1015 0,03

20 5,0 1012 1,4 1011 1,7 1014 1,6 1013 3,3 ■ 1014 0,05

Примечание: (ОМ) и (ОМ) - измеренные значения сопротивлений по прибору тераомметр Е6-

13 А; 1 (см) - толщина измеряемого образца.

Из данных таблицы 3 видно, что при увеличении количества вводимого наполнителя в ПУ ПК диэлектрические свойства усиливаются, в ряде случаев на один порядок. Покрытия с такими показателями можно использовать в виде изоляционных материалов и т.д.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Получены полиуретановые покрытия на основе СКУ-ПФЛ с использованием в качестве наполнителей отходов нефтехимических производств: силикагеля, оксида алюминия и цеолита в количествах до 50 % мас.

2. Показано, что физико-механические свойства покрытий при внесении силикагеля, оксида алюминия вплоть до 40 % мас. остаются на уровне ненаполненных аналогов, а для цеолита вплоть до 50 % мас.

3. При введении силикагеля, оксида алюминия и цеолита до 20 % мас. диэлектрические свойства полиуретановых покрытий усиливаются.

4. Для практического применения рекомендуется использовать полиуретановые покрытия на основе СКУ-ПФЛ-100, наполненные всеми исследуемыми наполнителями:

силикагелем, оксидом алюминия и цеолитом до 40% мас., что позволяет снизить стоимость

композиции без ухудшения физико-механических показателей покрытий.

Литература

1. Сотникова, Э.Н. Производство уретановых эластомеров в странах Европы и в Японии / Э.Н. Сотникова, Э.Д. Иваницер, Л.И. Зимнякова и др. - М.:ЦНИИТЭНефтехим, 1980. - 67с.

2. Розенфельд, И.Л. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями/ И.Л. Розенфельд, Ф.И. Рубинштейн, К.А. Жигалова - М.: Химия, 1987- 224 с.

3. Синтетический каучук /Под ред. И.В.Гармонова. - 2-е изд., перераб. - Л.:Химия, 1983. -560с.,ил.

4. Баженов, С.Л. Полимерные композиционные материалы: Научное издание/ С.Л. Баженов, А.А. Берлин, А.А. Кульков, В.Г. Ошмян - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. -352 с.

5. Кияненко, Е.А. Влияние структуры антикоррозионных уретановых покрытий на стойкость к средам нефтехимпродуктов/ Е.А. Кияненко, Л. А. Зенитова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011.- Т.14, №2.

- С.13.

6. Ковалевская, И.В. Модификация полиуретановых герметиков дисперсными неорганическими наполнителями/ И.В.Ковалевская, Г.Р.Хусаинова, Т.Р.Сафиуллина, Л.А. Зенитова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №1.

© Е. А. Кияненко - соиск. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ, [email protected]; Л. А. Зенитова - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, [email protected].