ГИБРИДНЫЕ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 678.664

Larisa Yu. Matveeva1, Mariya A. Efremova2, Yana N. Podolnaya3

Л.Ю. Матвеева1, М.А. Ефремова2, Я.Н. Подольная3

ГИБРИДНЫЕ

ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

HYBRID

WATERPROOFING MATERIALS

FSUE Lebedev Research Institute of synthetic rubber, 1 Gapsalskaya str. St. Petersburg, 198035, Russia e-mail: m.efremova@fgupniisk.ru

Possibilities of polyurethane foams and composites based on them are still far from exhausted. Research and proposal of modifications of polyurethanes systematically arise in the course of the growing needs and interests of modern construction. The article describes the development of formulations and identify the key characteristics of promising materials based on elastomeric polyurethanes for waterproofing in construction. Sealants, developed in FSUE "NIISK", to represent filled compositions based on polyurethane elastomer that provides good adhesion to concrete and steel. Thanks to a combination of operational properties of the obtained materials are recommended for use to create waterproofing of various building structures.

Keywords: polyurethanes, the properties of sealants, waterproofing, toughness, hardness, elasticity

Введение

Строительство, как промышленное, так и гражданское, развивается во всем мире очень интенсивно. Такой бурный рост возведения и эксплуатации зданий сопровождается применением широкого ассортимента полимерных материалов. Самыми востребованными в области ремонтных и строительных работ являются материалы, обеспечивающие защиту от увлажнений и герметичность помещений, строительных швов, стыков панелей, плиточных покрытий, стеклопакетов, мест крепления деталей вентиляционного и сантехнического назначения и т.д. Герметики характеризуются высокой адгезией к различным видам материалов, эластичностью и стойкостью к перепадам температур [1, 2].

Тип основы, на базе которой создаются композиционные строительные смеси, определяется особенностью применения материала. Среди большого разнообразия гер-метиков, применяемых в настоящее время в строительстве, можно особо выделить материалы на основе полиуретано-вых полимеров [3, 4].

Полиуретаны обладают способностью противостоять сильным воздействиям вибрации, влажным и агрессивным коррозионным средам, резким перепадам температур, а также обладают хорошей эластичностью и высокой прочностью. Еще одним немаловажным достоинством является довольно быстрое отверждение, в том числе, при воздействии влаги воздуха [5-7].

Улучшение и регулирование свойств полиуретано-вых эластомеров осуществляется путем модификации и получения на их основе композитов [8].

В зависимости от природы происхождения модификатора и соотношения компонентов физико-механические свойства могут изменяться в широких пределах. Для

ФГУП Научно-исследовательский институт синтетического каучука им. акад. С.В. Лебедева», Гапсальская 1, Санкт-Петербург, 198035, Россия е-mail: m.efremova@fgupniisk.ru

Возможности полиуретанов и композитов на их основе далеко еще не исчерпаны. Исследования и новые предложения модификаций полиуретанов систематически возникают в процессе растущих потребностей и интересов современного строительства. В статье приводится описание разработки составов и определения основных характеристик перспективных материалов на основе эластомерных полиуретанов для гидроизоляции в строительстве. Герметики, разработанные в ФГУП «НИИСК», представляют собой наполненные композиции, на основе полиуретанового эластомера, обеспечивающие хорошую адгезию к бетону и стали. Благодаря сочетанию эксплуатационных свойств полученные материалы рекомендуются для использования при создании гидроизоляции различных строительных сооружений.

Ключевые слова: полиуретаны, свойства герметиков, гидроизоляция, прочность, твердость, эластичность

этих целей перспективно применение алкилфенол-фор-мальдегидных смол (АФФС). Они хорошо совместимы, и с полимерной основой, и с различными дисперсными наполнителями, поэтому являются хорошими модификаторами, способствующими уменьшению времени вулканизации полиуретана, а также придают композициям повышенную эластичность и адгезию.

Экспериментальная часть

В работе было изучено влияние состава уре-тан-фенольных композиций на их физико-механические свойства. При этом варьировали соотношение алкил-фенольной смолы (АФФС) и полиуретанового каучука -«ТрифоПра» (ТРФ), производства ФГУП «НИИСК». Для оптимизации технологических параметров получения матрицы были проведены сравнительные исследования с применением двух видов подготовки образцов из компонентов исходного сырья - растворным и расплавным методами смешения.

В ходе работы были проведены сравнения физико-механических свойств и твердости по Шору А отверж-денных образцов. Определения свойств образцов, приготовленных растворным и расплавным методами с различным соотношением компонентов, были выполнены в соответствии с ГОСТ 270-75 и ГОСТ 263-75. Результаты испытаний представлены на рисунках 1-6 и в таблицах 1-4.

Обсуждение результатов

На рисунках 1 и 2 представлены графические зависимости условной прочности и относительного удлинения при растяжении во времени образцов, приготовленных растворным методом.

1 Матвеева Лариса Юрьевна, д-р техн. наук, профессор, e-mail: lar.ma2011@yandex.ru Larisa Yu. Matveeva, Dr Sci.(Eng.),, Professor

2 Ефремова Мария Александровна, аспирант, руководитель исследовательской группы лаборатории 7, е-mail: m.efremova@fgupniisk.ru Mariya A. Efremova, postgraduate, Head of research group laboratory 7

3 Подольная Яна Николаевна мл. науч. сотр. лаборатории. 7, е-mail: m.efremova@fgupniisk.ru Yana N. Podolnaya, Junior researcher , laboratory 7

Дата поступления - 7 июня 2017 года

х 1

0

10 15 20

СУТКИ

Рисунок 1. Зависимость условной прочности при растяжении образцов во времени, приготовленных растворным методом

600

х 10 15 20

I° СУТКИ

Рисунок 2. Зависимость относительного удлинения при растяжении образцов во времени, приготовленных растворным методом

Из рисунка 1 видно, что для образца в соотношении компонентов 1 : 1 характерны низкие значения условной прочности. Поскольку результаты через 15 и 20 суток мало отличаются между собой, это может свидетельствовать о полном отверждении полученных образцов.

Образец в соотношении компонентов 1 : 2 имеет средние значения прочности по сравнению с другими исследуемыми образцами. Из всех полученных результатов его характеристики наиболее полно соответствуют поставленным задачам - эксплуатация в условиях повышенной влажности, перепада температур и вибрации. Данное соотношение компонентов АФФС : ТРФ является оптимальным также и по показателю твердости.

Таблица 1. Физико-механические свойства образцов, полученных растворным методом

и Физико-механические характеристики образцов, полученных растворным методом

1 1 1 2 1 3 1 4

С fp, [МПа] ер, [%] fp, [МПа] ер, [%] fp, [МПа] ер, [%] fp, [МПа] еp, [%]

10 0,27 542 0,65 172 0,65 172 0,78 108

15 0,36 480 0,72 172 0,86 103 0,78 97

20 0,34 476 0,87 227,5 0,81 137,5 0,77 107

Таблица 2. Твердость образцов, полученных растворным методом

Сутки Значение характеристики, ед.тв. по Шору А

1:1 1:2 1:3 1:4

10 0 23 25 25

15 5 25 31 35

20 7 29 33 35

Для образца с соотношением компонентов 1 : 3 характеристики также находятся в пределах установленной нормы.

Для образца с соотношением компонентов 1 : 4 характерны практически одинаковые значения физи-

ко-механических показателей с течением времени. Из этого можно сделать вывод о полном отверждении полученного образца. Его быстрое отверждение можно объяснить увеличенным количеством Трифора.

Из рисунка 2 следует, что образец с соотношением компонентов 1 : 1 имеет более высокие показатели относительного удлинения, чем образцы с соотношением компонентов 1 : 3 и 1 : 4, они более низкие. Эти данные согласуются с более высокими значениями прочности и твердости для этого образца.

Образец с соотношением компонентов 1 : 2 характеризуется средним значением относительного удлинения, который все же соответствует необходимым эксплуатационным характеристикам, также его характеристики имеют средние показатели условной прочности и твердости.

Результаты определения твердости образцов, приготовленных растворным методом, представлены на рисунке 3 и в таблице 3.

35

Ш

Р 5_____^

0

15 20 25

СУТКИ

Рисунок 3. Зависимость твердости по Шору А образцов, приготовленных растворным методом, во времени

Таблица 3. Физико-механические свойства образцов, полученных расплавным методом

и Физико-механические характеристики образцов, полученных расплавным методом

ут 1:1 1:2 1:3 1:4

С fp, [МПа] еp, [%] fp, [МПа] еp, [%] fp, [МПа] е№ [%] fp, [МПа] еp, [%]

15 0,23 775 0,41 274 0,54 185 0,68 247,5

20 0,26 722,5 0,44 245 0,63 152 0,65 160

25 0,3 675 0,48 232,5 0,71 130 0,65 117,5

На рисунке 3 показана зависимость показателей твердости образцов, приготовленных растворным методом, во времени.

Твердость образца с соотношением компонентов 1 : 1 имеет относительно низкое значение. По-видимому, за 20 суток процесс отверждения при таком соотношении компонентов полностью не закончился, а сами образцы -мягкие, эластичные, липкие на ощупь.

Образцу в соотношении 1 : 2 принадлежит оптимальное значение твердости, которое вполне подходит для применения и эксплуатации в качестве строительного герметика (таблица 4).

Таблица 4. Твердость образцов, полученных расплавным методом

Сутки Значение характеристики, ед.тв. по Шору А

1:1 1:2 1:3 1:4

15 2 11 21 15

20 3 13 27 21

25 3 12 31 22

Образцы с соотношениями компонентов 1 : 3 и 1 : 4 характеризуются достаточно высокими показателями твердости. Это может свидетельствовать о том, что с

увеличением количества ТРФ твердость материала возрастает.

Из всех выше представленных значений характеристик можно сделать вывод, что образцы с соотношением компонентов 1 : 3 и 1 : 4 не совсем удовлетворяют эксплуатационным требованиям, так как имеют завышенную твердость и пониженную эластичность. В процессе эксплуатации, как известно, различные воздействия, а именно перепад температур, осадки и переменные циклы нагрузок, могут приводить к разрушению уретан-фенольной системы. При соотношении компонентов 1 : 1 образцы имеют высокую эластичность, низкую прочность и твердость. В дальнейшем при эксплуатации это может приводить к повреждению и быстрому разрушению защитного герметизирующего слоя. Поэтому, на наш взгляд, самым оптимальным является образец с соотношением компонентов 1 : 2, у которого установлены средние значения прочности, твердости и эластичности. Характеристики этого образца позволяют судить о том, что данный материал будет длительно сохранять эксплуатационные характеристики, и в нём не возникнут разрушения при различных внешних воздействиях.

На рисунках 4, 5 и в таблице 3 представлены данные зависимости условной прочности и относительного удлинения при растяжении во времени приготовленных расплавным методом образцов. Результаты, представленные на рисунке 4, показывают, что образец с соотношением компонентов 1 : 1 имеет низкие показатели условной прочности, а образцы с соотношением компонентов 1 : 3 и 1 : 4 - наоборот высокие. Такие значения прочности нельзя считать подходящими, эти материалы либо не достаточно прочные, либо слишком жесткие. Образцу, приготовленному расплавным методом, как и в случае образца, приготовленного растворным методом, с соотношением компонентов 1 : 2 принадлежат оптимальные результаты. Этот образец является предпочтительным в качестве строительного герметика в условиях резких перепадов температур и повышенной влажности.

Рисунок 4. Зависимость условной прочности при растяжении образцов во времени, приготовленных расплавным методом

По показателям относительного удлинения на рисунке 5 можно видеть, что у образца с соотношением компонентов 1 : 1 достаточно высокие значения относительного удлинения. Характеристики говорят о высоких эластичных свойствах данного материала. Образцы с соотношениями компонентов 1 : 3 и 1 : 4 имеют более низкие показатели относительного удлинения по сравнению с образцом с соотношением компонентов 1 : 2, у которого установлены средние значения удлинения. Эти показатели соответствуют показателям условной прочности для данного образца.

Результаты определения твердости образцов сведены в таблицу 4 и представлены на рисунке 6. Из данных рисунка 6 можно заключить, что образец с соотношением компонентов 1 : 1 мягкий и эластичный, так как имеет низкую твердость. Образец с соотношением компонентов 1 : 2 характеризуется оптимальными характеристиками и является предпочтительным для эксплуатации и использования в качестве герметика. Образцы с соотношениями компонентов 1 : 3 и 1 : 4 - слишком твердые.

Рисунок 5. Зависимость относительного удлинения при растяжении образцов во времени, приготовленных расплавным методом

Рисунок 6. Зависимость твердости по Шору А образцов, приготовленных расплавным методом, во времени

Выводы

Установлено, что из всех исследованных образцов с разным соотношением компонентов, наиболее оптимальным по свойствам является образец с соотношением компонентов 1 : 2, у которого обнаружены удовлетворяющие требованиям строительства значения прочности, твердости и эластичности. Комплекс установленных характеристик свидетельствует о том, что материал будет длительно сохранять эксплуатационные характеристики.

При соотношении исходных компонентов 1 : 1 образцы имеют высокую эластичность, но не достаточные прочность и твердость, что может привести к преждевременному механическому разрушению материала в процессе эксплуатации.

Образцы с соотношением компонентов 1 : 3 и 1 : 4 не подходят по комплексу свойств в качестве строительного герметика, поскольку обладают чрезмерно высокой твердостью и низкой эластичностью. В этом случае внешние воздействия, особенно, такие как перепады температур и переменные циклы механических нагрузок, могут также привести к преждевременному разрушению материала.

При качественном сравнении двух методов, которыми были приготовлены образцы - растворным и методом расплава, преимущественным, на наш взгляд, является растворный метод. Несмотря на то, что в этом случае в технологии появляется дополнительная стадия приготовления раствора, сама технология производства герметика существенно облегчается. В этом случае при разнообразных модификациях уретан-фенольной композиции не возникает трудностей в процессе перемешивания системы и заполнения форм герметиком, в резуль-

тате получается однородная и равномерная по всему объему композиция.

Таким образом, нами получен материал с соотношением компонентов алкилфенольной смолы и полиуре-танового каучука - 1 : 2, удовлетворяющий требованиям строительного герметика по показателям прочности, твердости, эластичности.

В дальнейшем будут проведены климатические испытания полученного образца с целью определения сроков долговременной эксплуатации материала, а также оценка пожарной и экологической безопасности полученного строительного герметика.

Литература

1. Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты: Карманный справочник. М.: Додэка-XXI, 2004. 315 с.

2. BayerO. Das Di-Isocyanat-Poluadditionsverfahren (Polyurethane) // Adgew. Chem. 1947. Bd. 59. S. 257-272

3. Райт П., Камминг А., Полиуретанове эластомеры /пер. с англ., под ред. д-ра. хим. наук Н.П. Апухтиной. М.: Химия, 1973. 304 с.

4. Липатов Ю.С., Керча Ю.Ю., Сергеева Л.М. Структура и свойства полиуретанов. Киев: Наукова думка, 1970. 280 с.

5. Майер-Вестус У. Полиуретаны. Покрытия, клеи и герметики / пер. с англ. Л.Н. Машляковского, В.А. Бурмистрова М.: Пейн-Медиа, 2009. 400 с.

6. Bock M., [et al.] Globalisierung der Fahrzeugindustrie - eine Herausforderung bei der Lackrohstoffentwicklung // Farbe und Lack, 1996. V. 102(9). Р. 132-140.

7. Bock M., Meiss H.U. Meier-Westhues U. Globalisierung aus Sicht eines Lackrohstoffproduzenten, September

1998. Weimar, Berichtsband.

8. Матвеева Л.Ю., Синайский А.Г., Андреева Е.Е., Румянцева А.В., Кукса П.Б. Демпферные гидроизолирующие покрытия и составы «Гидрофор» на основе по-лиизоцианатуретанов // Строительные материалы. 2016. № 7. С. 63-68.

References

1. Bolton U. Konstrukcionnye materialy: metally, splavy, polimery, keramika, kompozity: Karmannyj spravoch-nik. M.: Dodjeka-XXI, 2004. 315 s.

2. Bayer O. Das Di-Isocyanat-Poluadditions-verfahren (Polyurethane) // Adgew. Chem. 1947. Bd. 59. S. 257-272

3. Rajt P., Kamming A. Poliuretanove jelastomery / per. s angl., pod red. d-ra. him. nauk N.P. Apuhtinoj. M.: Himi-ja, 1973. 304 s.

4. Lipatov Ju.S., Kercha Ju.Ju., Sergeeva L.M. Struk-tura i svojstva poliuretanov. Kiev: Naukova dumka, 1970. 280 s.

5. Meier-Westhues U. Poliuretany. Pokrytija, klei i germetiki / per. s angl. L.N. Mashljakovskogo, V.A. Burmistro-va M.: Pejn-Media, 2009. 400 s.

6. Bock M., [et al.] Globalisierung der Fahrzeugindustrie - eine Herausforderung bei der Lackrohstoffentwicklung // Farbe und Lack, 1996. V. 102(9). R. 132-140.

7. Bock M., Meiss H.U. Meier-Westhues U., Globalisierung aus Sicht eines Lackrohstoffproduzenten, September 1998. Weimar, Berichtsband.

8. Matveeva L.Ju., Sinajskij A.G., Andreeva E.E., Rumjanceva A.V., Kuksa P.B. Dempfernye gidroizolirujushhie pokrytija i sostavy «Gidrofor» na osnove poliizocianaturetanov // Stroitel'nye materialy. 2016. № 7. S. 63-68.