CC BY
31
УДК 666.972.162
САРКИСОВ ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, yu-s-sarkisov@yandex. ru
ДЕБЕЛОВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА, канд. техн. наук, доцент, mackevichn 72@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, Томск, пл. Соляная, 2
ГОРЛЕНКО НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, Gorlen52@mail. r
НЕХОРОШЕВ ВИКТОР ПЕТРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, nvp. atact@mail. ru
Сургутский государственный университет, 628412, г. Сургут, пл. Ленина, 1
ЗАВЬЯЛОВА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА, ст. преподаватель,
Mackevichn 72@mail. ru
Томский государственный университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 36
ЗАВЬЯЛОВ ПАВЕЛ БОРИСОВИЧ, студент,
pavel_223@mail. ru
Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
ГИДРОФОБНАЯ ЗАЩИТА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ОКИСЛЕННЫМ АТАКТИЧЕСКИМ ПОЛИПРОПИЛЕНОМ
Предложена гидрофобная зашита капиллярно-пористых строительных материалов и изделий с применением атактического полипропилена. В работе исследованы адгезия окисленного атактического полипропилена к поверхности строительных материалов и кинетика водопоглощения на цементных, гипсовых материалах, силикатном кирпиче, древесине как на исходных, так и гидрофобизированных образцах. Также дана оценка эффективности защиты материалов от проникновения влаги. Рассчитаны количественные характеристики параметров адгезии к поверхности капиллярно-пористых тел, а именно: работа адгезии, работа когезии, коэффициент растекания капли.
Ключевые слова: гидрофобная защита; строительные материалы; капиллярно-пористый строительный материал.
YURIY S. SARKISOV, DSc, Professor, yu-s-sarkisov@yandex. ru NATALYA N. DEBELOVA, PhD, A/Professor, mackevichn72@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya, 634003, Tomsk, Russia NIKOLAYP. GORLENKO, DSc, Professor, gorlen52@mail. ru
VIKTOR P. NEKHOROSHEV, DSc, Professor,
© Ю.С. Саркисов, Н.Н. Дебелова, Н.П. Горленко, В.П. Нехорошев, Е.Н. Завьялова, П.Б. Завьялов, 2013
nvp. atact@mail. ru
Surgut State University,
1, Lenin Sq., 628412, Surgut, Russia
YELENA N. ZAVYALOVA, Senior Teacher,
mackevichn72@mail. ru
Tomsk State University,
36, Lenin Ave., 634050, Tomsk, Russia
PAVEL B. ZAVYALOV, Student,
pavel_223@mail. ru
Tomsk Polytechnic University,
30, Lenin Ave., 634050 Tomsk, Russia
HYDROPHOBIC PROTECTION OF BUILDING MATERIALS BY OXIDIZED ATAXIC POLYPROPYLENE
Hydrophobic protection of capillary-porous building materials and products using atactic polypropylene is proposed in the article. Adhesion of oxidized atactic polypropylene to surfaces of building materials and kinetics of water absorption have been studied on cement, calcium sulphate, limestone brick, and wood using both initial and hydrophobizated samples. Also, protection of materials from moisture penetration has been estimated. Quantitative characteristics of adhesive parameters have been calculated related to the capillary-porous bodies, namely: adhesion behavior, cohesion behavior, and the drop spreading coefficient.
Key words: hydrophobic protection; building materials; capillary-porous building material.
Введение
Защита капиллярно-пористых материалов и изделий на их основе от проникновения влаги является актуальной проблемой как в теоретическом, так и практическом плане. Наиболее полно теоретические аспекты гидрофобной защиты материалов рассмотрены в [1]. На практике преимущественно применяют различного рода синтетические гидрофобизаторы. В настоящее время в мире производится более ста видов гидрофобизаторов, обладающих различными реологическими, химическими и другими свойствами. Наиболее распространенные - кремнийорганические или силиконовые гидрофобизаторы на основе алкилсиликонатов калия, алкоксисиланов гидросодержащих си-локсанов, гидроксидсодержащих силоксанов. Среди современных гидрофобных материалов можно выделить различного рода полиорганосилоксаны: жидкости (полиметил- и полиметилгидридсилоксаны), алкилсиликонаты щелочных металлов, смолы (полиметилфенил- и полиметилсилоксаны), а также композиции на их основе и эластомеры [2-4].
В настоящей работе в качестве гидрофобизатора предлагается применять модифицированный атактический полипропилен (АПП), являющийся побочным продуктом при производстве полипропилена. Среди полиолефинов АПП является наиболее реакционноспособным полимером, который легко поддается химической модификации, что позволяет целенаправленно регулировать широкий круг его физико-химических свойств. Одним из эффективных способов модификации является окисление атактического полипропилена.
Известно, что в зависимости от времени и температуры окисления состав и свойства композиции изменяются в широких пределах. После проведения модификации окисленный атактический полипропилен (ОАПП) представляет собой твердотельный термопластичный материал с повышенными адгезионными свойствами и низким значением водопоглощения [5, 7]. Кроме того, путем введения химических добавок, обрабатываемой поверхности можно придавать наряду с водоотталкивающей способностью, например, декоративные, износостойкие и другие свойства.
Цель работы заключается в исследовании адгезионных свойств окисленного атактического полипропилена к поверхности капиллярно-пористых тел различной природы и оценка эффективности защиты материалов от проникновения влаги.
Объекты исследования: модифицированный атактический полипропилен; капиллярно-пористые строительные материалы: цементный камень, гипс, силикатный кирпич, древесина.
Экспериментальная часть
В работе исследованы адгезия окисленного атактического полипропилена к поверхности строительных материалов и кинетика водопоглощения на цементных, гипсовых материалах, силикатном кирпиче, древесине как на исходных, так и гидрофобизированных образцах.
Цементные и гипсовые материалы готовили путем смешивания оптимального количества воды с навесками цемента и гипса и формовали образцы-кубики размером 2*2*2 см. Цементный камень набирал прочность в течение 28 сут во влажных условиях, а гипсовые кубики твердели на воздухе в течение 3 сут. Из силикатного кирпича и древесины вырезали образцы указанных выше размеров. Образцы помещали в ёмкость, наполненную водой с таким расчётом, чтобы уровень воды в ёмкости был выше верхнего уровня уложенных образцов на 50 мм, и через заданные промежутки времени определяли изменение массы образцов. Водопоглощение отдельного образца по массе (Щм) в процентах определяли по формуле
m — m Щм = ,
тс
где тс - масса высушенного образца, г; тв - масса водонасыщенного образца, г.
Гидрофобизацию исследуемых образцов проводили из расплава методом окунания в окисленный при температуре 180 °С в течение 2 ч атактический полипропилен (ОАПП) [6]. В табл. 1 приведены некоторые свойства ОАПП по сравнению с исходным АПП.
Для оценки адгезионной прочности ОАПП на поверхность материала наносился тонкий слой расплавленного полимера, затем система охлаждалась в естественных условиях и выдерживалась в течение суток с целью стабилизации протекающих здесь процессов. На гидрофобизированную поверхность наносилась капля дистиллированной воды, и измерялся угол краевого смачивания, по величине которого судили об адгезионных свойствах полимера к поверхности образцов-кубиков.
Таблица 1
Свойства АПП до и после окисления
Показатель Исходный (АПП) Окисленный (ОАПП)
Молекулярная масса, Мп •Ю-3 36,0 29,0
М* 5,5 7,0
Содержание карбонильных групп, % мол. 0,0 0,29
Содержание примесей изотактической фрак-
ции, % масс. 14,0 2,0
Температура размягчения по Киш, °С. 112,0 99,5
Глубина проникновения иглы при 25 °С, 0,1 мм 40,0 48,0
Расчеты параметров адгезии пленки АПП к капиллярно-пористым телам проводили по формулам [7]:
Fmр = та - сила отрыва, Н; Жотр = Fотрh/S - адгезионная прочность, Дж/м2; Жадг = FoTр(1 - соз9)/6 - работа адгезии, Дж/м2; Жког = 2Жад/(1 + cos9) -работа когезии, Дж/м2; F = Жадг - Жког - коэффициент растекания капли Гар-кинса, Дж/м2.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Как показывают экспериментальные данные, кинетика водопоглощения на исходных образцах имеет близкую природу. Расчет и анализ кинетических кривых демонстрирует, что процессы диффузии влаги в объем образцов описываются общим уравнением
С = а + Ь ■ е • t) + с • е (-k2 • t), (*)
где k2 - константы скоростей диффузии; а, Ь, с - постоянные коэффициенты; (Ь + с) - максимальное количество влаги, поглощенное образцом; [а - (Ь + с)] - первоначальное количество влаги в образце; t - время поглощения влаги. Параметры кинетических уравнений приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры кинетических уравнений для различных капиллярно-пористых тел
Образец а ь с k2
Цементный 14 -2 -9 -0,10 —0,05
камень
Гипс 22 -8 -12 -0,10 —0,05
Силикатный кир- 22 -8 -9 -0,10 -0,02
пич
Древесина 30 -12 -12 -0,05 -0,02
Как видно из данных табл. 2 и уравнения (*), процесс водопоглощения характеризуется двумя константами диффузии, что говорит о том, что процесс водопоглощения осуществляется двумя способами. По нашему мнению, это связано с наличием различных по размерам пор в исследуемых образцах.
Примеры формы капель воды на поверхности различных образцов приведены на рис. 1. Результаты расчетов представлены в табл. 3.
1
«Я
4
Рис. 1. Формы капель воды на поверхности образцов через 5 мин нанесения: 1 - цементный камень; 2 - гипс; 3 - силикатный кирпич; 4 - древесина
Таблица 3
Результаты расчетов параметров адгезии пленки ОАПП к поверхности различных капиллярно-пористых тел
Параметры Fотр • 10-3 Щотр • 10-3 Щдг • 10-2 Щког • 10-2 F
Цементный камень 2,7±0,2 0,86±0,2 0,237±0,2 1,967±0,2 -1,73
Гипс 6,0±0,3 1,91±0,3 0,406±0,3 1,255±0,3 -0,85
Силикатный кирпич 1,9±0,2 0,60±0,2 0,142±0,2 0,562±0,2 -0,42
Древесина 8,2±0,3 2,61±0,3 0,621±0,3 2,561±0,3 -1,94
Как видно из данных табл. 3, окисленный атактический полипропилен обладает достаточно высокой адгезионной прочностью к исследованным образцам, а наибольшая адгезия наблюдается к поверхности древесины. По-видимому, определяющую роль здесь играет не только природа химической связи гидрофобизатора, структура, размеры и распределение пор материала, но и наличие родственных функциональных групп адсорбата. Например, в ОАПП (табл. 1), так же как и в древесине (рис. 2), присутствуют карбонильные группы, что и определяет более высокое значение адгезионной прочности окисленного атактического полипропилена к поверхности древесины.
Рис. 2. Фрагмент структуры лигнина
Отрицательные значения коэффициента Гаркинса указывают на то, что капли воды не растекаются на поверхности исследуемых образцов.
По результатам испытания водопоглощения гидрофобизированных окисленным атактическим полипропиленом образцов установлено, что обработка поверхности капиллярно-пористых тел позволяет снизить водопогло-щение в среднем на 90-98 % (рис. 3, табл. 4) и тем самым увеличить долговечность строительного материала.
25 20 15 10 5
Ш1
10
20
30
Время, мин
■ Гибс нгф ■1 Гибс гф С Древесина нгф О Древесина гф
Цементный камень нгф и Цементный камень гф : Силикатный кирпич нгф (Э Силикатный кирпич гф
0
Рис. 3. Сравнительные результаты значений процента водопоглощения на гидрофобизированных (гф) и негидрофобизированных (нгф) образцах
Таблица 4
Водопоглощение гидрофобизированных (гф) и негидрофобизированных (нгф) образцах (доверительный интервал ± 0,02)
Время, мин Водопоглощение, %
Цементный камень Гипс Силикатный кирпич Древесина
гф нгф гф нгф гф нгф гф нгф
1 0,00 3,35 0,00 18,24 0,00 6,36 0,03 7,17
5 0,04 5,10 0,36 19,78 0,02 10,40 0,70 8,41
10 0,06 5,47 0,54 20,00 0,04 10,86 0,12 9,06
20 0,09 5,58 0,89 20,22 0,07 12,25 0,26 9,45
25 0,11 5,62 1,05 20,24 0,09 12,64 0,35 9,67
30 0,12 5,64 1,25 20,24 0,10 13,04 0,42 9,78
35 0,12 5,66 1,43 20,24 0,10 13,10 0,43 10,13
60 0,13 5,79 1,94 20,24 0,11 13,20 0,44 10,63
Выводы
1. На основе исследования кинетики процессов водопоглощения на цементном камне, гипсе, силикатном кирпиче, древесине показано, что диффузия влаги в объем образцов описывается общим уравнением: С = a + b • e (-k1 • t) + c • e (-k2 • t).
2. По результатам измерения краевого угла смачивания установлено, что окисленный при температуре 180 °С в течение двух часов атактический полипропилен имеет значения адгезионной прочности к поверхности исследованных строительных материалов в пределах (1,9-8,2)10-3 Дж/м2, увеличивающиеся в ряду: силикатный кирпич - цементный камень - гипс - древесина. Рассчитаны количественные характеристики параметров адгезии к поверхности капиллярно-пористых тел, а именно: работа адгезии, работа когезии, коэффициент растекания капли.
3. Показано, что нанесение окисленного атактического полипропилена на поверхность исследуемых строительных материалов позволяет снизить их водопоглощение на 90-98 %.
Статья опубликована по материалам конференции (Чемодановские чтения), посвященной 100 -летию со дня рождения проф. Д.И. Чемоданова.
Библиографический список
1. Бойнович, Л.Б. Успехи химии: Т. 77 / Л.Б. Бойнович, А.М. Емельяненко. - М., 2008. -С. 619-637 с.
2. Борисов, С.Н. Кремнийэлементоорганические соединения. Производные неорганогенов / С.Н. Борисов, М.Г. Воронков, Э.Я. Луцкевич. - Л. : Химия, 1966. - 544 с.
3. Вершинина, RC. Применение кремнийорганических соединений в строительстве / Г.С. Вершинина. - М., 1989. - 62 с.
4. Органосиликатные и кремнийорганические материалы в практике строительных, противокоррозионных, защитно-декоративных, ремонтных и реставрационных работ : материалы научно-практической конференции / под ред. Кротикова. - Л., 1991. - 76 с.
5. Нехорошева, А.В. Атактический полипропилен и некристаллические полимеры пропилена: получение, свойства и применение / А.В. Нехорошева, В.П. Нехорошев: монография. - Ханты-Мансийск : Полиграфист, 2008. - 130 с.
6. Нехорошев, В.П. Химическое модифицирование АПП методами термической и термоокислительной деструкции / В.П. Нехорошев, Е.Г. Балахонов, Д.И. Давыдов // Пластические массы. - 1989. - № 2. - С. 82-85.
7. Дебелова, Н.Н. Технология гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов и изделий / Н.Н. Дебелова, Н.П. Горленко, И.И. Подшивалов, Е.Н. Завьялова // Вестник ТГАСУ. - 2009. - № 2. - С. 121-126.
References
1. Boynovich, L.B., Yemelyanenko A.M. Uspekhi khimii: V. 77 [Advances in chemistry]. Moscow. 2008. P. 619-637. (rus)
2. Borisov, S.N., Voronkov, M.G., Lutskevich, E.Ya. Kremniyelementoorganicheskiye soyed-ineniya. Proizvodnyye neorganogenov [Silicon hetero-organic compounds. Non-organogen derivatives]. Leningrad : Chemistry, 1966. 544 p. (rus)
3. Vershinina, G.C. Primeneniye kremniyorganicheskikh soyedineniy v stroitelstve [The use of organosilicon compounds in construction]. Moscow, 1989. 62 p. (rus)
4. Organosilikatnyye i kremniyorganicheskiye materialy v praktike stroitelnykh, protivokor-rozionnykh, zashchitno-dekorativnykh, remontnykh i restavratsionnykh rabot [Organosilicate and organosilicon materials used in construction, anti-corrosion, protective-decorative, remedial and restoration works]. Proc. Sci. Conf. Edited by Krotikov. Leningrad, 1991. 76 p. (rus)
5. Nekhorosheva, A.V., Nekhoroshev, V.P. Atakticheskiy polipropilen i nekristallicheskiye po-limery propilena: polucheniye, svoystva i primeneniye [Atactic polypropylene and non-crystalline propylene polymers: synthesis, properties and applications]. Khanty-Mansiysk : Poligrafist, 2008. 130 p. (rus)
6. Nekhoroshev, V.P., Balakhonov, Ye.G., Davydov, D.I. Khimicheskoye modifitsirovaniye APP metodami termicheskoy i termookislitelnoy destruktsii [Chemical modification using APP methods of thermal and thermal-oxidative degradation]. Plasticheskiye massy. 1989. No. 2. P. 82-85. (rus)
7. Debelova, N.N., Gorlenko, N.P., Podshivalov, I.I., Zavyalova, Ye.N. Tekhnologiya gidrofob-noy zashchity kapillyarno-poristykh stroitelnykh materialov i izdeliy [Hydrophobic protection of capillary-porous building materials and products]. Vestnik of Tomsk University of Architecture and Building. 2009. No. 2. P. 121-126. (rus)
