CC BY
329
Г. Г. Богатеев, Д. Г. Богатеев, И. А. Абдуллин,
Н. А. Моисеева
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ С ГРАНУЛИРОВАННЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ
Ключевые слова: теплозащитное покрытие, наполнитель, гранулы, вязкость, плотность.
Приведены результаты исследований влияния природы и содержания гранулированных наполнителей на реологические и физико-механические характеристики исследованных композиций. Показано, что использование гранулированных наполнителей в составе полимерной композиции позволяет создать составы теплозащитных покрытий (ТЗП) с удовлетворительными характеристиками при меньшей плотности.
Keywords: thermal-protective coating, reinforcement, viscosity, gravity.
In the article were quoted results of researches in the area of the influence of the nature effect and contains of the granulated reinforcements upon rheological and stress-strain properties of explored composition. It was demonstrated, that using granulated reinforcements as part of polymer composition allows to create compositions of thermal-protective coating with satisfactory characteristics.
В связи с интенсификацией исследований в области аэрокосмической техники и для обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в «жестких» условиях, особенно остро возникла необходимость создания эффективных теплозащитных покрытий (ТЗП) для защиты поверхностей от воздействия интенсивных тепловых потоков [1-3].
В зависимости от назначения и условий эксплуатации энергоустановок в составах ТЗП в качестве матричных материалов используют вещества неорганической и органической природы, а в качестве наполнителей - порошкообразные и/или волокнистые материалы. Это такие вещества как хлорсульфированный полиэтилен, полипропилен, полисуль-фон, фенолформальдегидные смолы, поликарбонат, полиимид, термостойкие волокна асбеста, стекловолокна и микросферы из оксида алюминия и кремния, белая сажа и др. [4].
В работе [4] нами было проанализировано состояние разработки ТЗП с полимерной матрицей и выявлены основные направления создания теплозащитных покрытий с заданным комплексом свойств. Было показано, что одним из основных направлений разработки эффективных ТЗП является создание полимерных композиций с плотностью менее 1GGG кг/м3. Решение проблемы возможно за счет использования низкоплотных полимеров в сочетании с соответствующими разбавителями, пластификаторами и отвердителями, а также - при введении наполнителей с заданной плотностью.
В качестве полимерной основы, по результатам исследований, нами выбран эпоксидно-каучуковый компаунд с отвердителями аминного типа. Использование мелкодисперсных порошкообразных наполнителей, как показали исследования (5, б), не решает поставленной задачи, что, в первую очередь, связано с трудностью переработки технологической массы в изделия при степени наполнения более 5-12 %.
52В
В этой связи нами проведены исследования по определению характеристик составов ТЗП при использовании наполнителей в виде порошка и гранул, включающих полибо-рид магния (ТУ 6-08-378-77), огарок (ТУ 113-08-408-91) и диоксид кремния (аэросил ГОСТ 14922-77, речной песок по ГОСТ 8736-93) в сочетании с фторполимером марки СКФ-32 (ТУ 6-05-1387-70).
В исследованиях изучали влияние природы порошкообразного и гранулированного наполнителя на реологические свойства и физико-механические характеристики составов и образцов.
Приготовление гранул осуществляли по «лаковой» технологии. В 10-20% раствор каучука марки СКФ-32 в ацетоне порционно вводили наполнитель, тщательно перемешивали, провяливали и протирали через сито размером ячеек 1000 мкм. Вязкость наполненных композиций определяли на консистометре Хепплера. Выбор отвердителей и режимов отверждения проводили с учетом природы полимеров и наполнителей. В данной работе использовали сочетание отвердителей аминного типа - полиэтиленполиамина (ПЭПА) и метафениленбутиламина (МФБА) в соотношении 1:1.
Определение физико-механических характеристик проводили на образцах в виде лопаток по стандартной методике по ГОСТ 25.601—80 на разрывной машине марки РМУ
005. Испытания на циклический изгиб образцов с размерами 100:20:5 мм проводили наложением образцов на криволинейную поверхность.
В зависимости от природы и исходной дисперсности порошков содержание наполнителя для изученных компонентов составило для (%): ПБМ - 80, огарка - 91 и диоксида кремния (аэросил) - 65. При использовании диоксида кремния по ГОСТ 8736-93 (дисперсность порядка 630-1000 мкм) соотношение наполнитель - фторполимер составляло 85-15 (%).
Применение аэросила оказалось неэффективным, так как экспериментально было установлено, что его введение в полимерную композицию в виде порошка в количестве 57% резко повышает вязкость системы и затрудняет ее переработку, а его содержание в составе гранул не превышает 60-65 %. В связи с этим взамен аэросила в составах гранул использовали речной песок.
Полученные гранулы подвергались усреднению. Характер распределения гранул по дисперсности соответствует закону нормального распределения Гаусса (рис. 1).
Диаметр гранул, мкм
Рис. 1 - Распределение гранул по размерам
При использовании в качестве наполнителя песка или огарка гранулы были более крупные, имели несколько удлиненную форму. Гранулы с ПБМ имели форму, близкую к сферической.
Видно (рис. 1), что гранулированные огарок и диоксид кремния имеют более узкий диапазон распределения частиц по размерам, а гранулированный ПБМ - более широкий, что объясняется исключительно высокой удельной поверхностью порошка ПБМ в сравнении с порошками диоксида кремния и огарка (примерно на порядок выше).
Количественный выход деловой фракции (400-800 мкм) гранул независимо от дисперсности исходных порошков, свойств их поверхности и величины адгезии связующего к поверхности порошков составлял в среднем 75-82 %.
Изучение реологических характеристик наполненных систем проводили на базовой композиции, включающей смолу ЭД-20 и каучук марки СКН-10-1 в соотношении 2:3.
Исследования показали (рис. 2,3), что характер изменения вязкости наполненных систем независимо от природы используемого наполнителя в виде порошка или гранул практически одинаков.
При использовании порошкообразного ПБМ оптимальная степень наполнения составляет 10-12%; при дальнейшем увеличении содержания ПБМ в системе вязкость композиции резко возрастает до 2000 Па-с, что не позволяет перерабатывать ее в изделия методом свободного литья.
2500 2000
у
= 1500
1 1000 £
Д 500
0
0 5 10 15 20 25
Содержание ПБМ. %
-♦-ПБМ порошкообразный-*-ПБМ гранулированный
Рис. 2 - Вязкость наполненной композиции в функции содержания ПБМ в виде порошка и гранул
В случае использования в качестве наполнителя гранул ПБМ зависимость вязкости от содержания наполнителя носит практически линейный характер. При степени наполнения 18-23% вязкость системы не превышает величины 1000 Па-с, что позволяет сохранить литьевые свойства системы и перерабатывать композицию в изделия методом литья.
Реологические характеристики композиций, включающих гранулы с диоксидом кремния или огарком (значения и характер изменения вязкости практически аналогичны), даже при содержании наполнителя 20 % позволяют формовать изделия по литьевой технологии.
Следовательно, использование наполнителей в виде гранул позволяет формовать изделия из композиций, имеющих большую степень наполнения, чем системы с порошкообразными веществами.
С учетом результатов определения реологических характеристик систем, включающих изученные наполнители в виде порошка или гранул, нами произведена сравнительная оценка значений опытной плотности образцов. Количество наполнителя в исследованных образцах составляло 10 %.
1000 800
й 600
1=1
^ 400
О
8 200 е
рр о
0 5 10 15 20 25
—ф~ЗіО порошкообразный -И- ЗіО гранулы 2 2
Содержание ЗіО^ %
Рис. 3 - Вязкость состава в функции содержания порошкообразного и гранулированного диоксида кремния
Анализ результатов исследований показал (табл. 1), что опытная плотность образцов, содержащих диоксид кремния и огарок в виде гранул, в среднем на 5-6 % меньше, чем у образцов с порошкообразными наполнителями, а при использовании ПБМ в виде гранул опытная плотность образцов снизилась на 2-3 %.
Это объясняется тем, что гранулы из ПБМ более полидисперсны по сравнению с гранулами, включающими огарок или диоксид кремния, что способствует их плотной упаковке в составе композиции.
Таким образом, использование гранул позволяет создать композиции с меньшей плотностью, чем при использовании порошкообразных наполнителей.
Таблица 1 - Характеристики составов с наполнителем в виде порошка или гранул
Наполнитель в виде порошка или гранул Теоретическая плотность, кг/м3 Коэффициент уплотнения Опытная плотность, кг/м3
ПБМ 1055 0,81 850
ПБМ(гранулы) 1050 0,79 830
8102 1120 0,82 910
8І02 (гранулы) 1090 0,79 860
Огарок 1080 0,93 1005
Огарок (гранулы) 1060 0,88 950
Сравнительная оценка физико-механических характеристик образцов из изученных композиций с различными по природе наполнителями показала (рис. 4), что введение наполнителей в количестве 10 % приводит к некоторому снижению прочностных характеристик, что объясняется пористостью образцов и находится в хорошем соответствии с теорией [7].
ЛО'Г' ^
о
У /
^ Лч^ Л? лч^
г5?
£
о4
о4
а
Рис. 4 - Предел прочности (а) и относительная деформация (б) образцов при растяжении в зависимости от природы наполнителя
Следует отметить, что, независимо от природы используемых наполнителей, применение гранул приводит к большему снижению предела прочности образцов при растяжении, чем при использовании порошкообразных наполнителей. Этот факт можно объяснить тем, что с учетом исходной дисперсности порошков и гранул и их собственной прочности порошкообразные наполнители оказывают большее усиливающее влияние на проч-
ность наполненного полимера, чем гранулы. Кроме того, гранулы обладают и собственной пористостью, которая, в зависимости от природы порошка составляла 7-12 %.
Наибольшее снижение предела прочности образцов при растяжении наблюдается при использовании гарнулированных диоксида кремния и огарка. При использовании ПБМ в виде гранул предел прочности при растяжении снижается незначительно и составляет порядка 2МПа.
Значения относительной деформации образцов, содержащих гранулированные наполнители, увеличивается незначительно за счет введения в состав системы дополнительного полимера - фторкаучука марки СКФ-32 (в составе гранул) и составляет 20-25%.
Оценка устойчивости образцов из изученных композиций к циклическим изгибающим нагрузкам показала, что независимо от формы и природы наполнителя образцы выдерживали более 30 циклов нагружении без видимых признаков разрушения.
Комплексная оценка характеристик изученных составов показала, что использование гранулированных наполнителей позволяет повысить степень наполнения композиций в сравнении с порошкообразными компонентами при сохранении массой литьевых свойств, образцы обладают необходимым уровнем физико-механических показателей, а опытная плотность - не превышает 1000 кг/м3. Такие композиции могут быть взяты в качестве основы теплозащитных покрытий многоцелевого назначения.
Таким образом, по результатам исследований по определению характеристик наполненных композиций, включающих гранулированные компоненты, можно сделать следующие выводы:
- использование наполнителей в виде гранул позволяет формовать изделия методом литья из композиций, имеющих большую степень наполнения (в 1,6-2,0 раза), чем системы с порошкообразными веществами;
- использование гранул позволяет создать композиции с меньшей (на 2-6 %) плотностью, чем при использовании порошкообразных наполнителей;
- образцы из исследованных составов с гранулированными наполнителями обладают пределом прочности при растяжении на уровне 1,5-2,2 МПа при относительной деформации 20.. .25 %.
Литература
1. Полежаев, Ю.В. Тепловая защита / Ю.В. Полежаев, Ф.Б. Юревич. - М.: Энергия, 1976. - 392 с.
2. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. - М., 1975.
3. Душин, Ю. А. Работа теплозащитных материалов в горячих газовых потоках. / Ю. А. Душин. -Л.: Химия, 1968.-224 с.
4. Богатеев, Д.Г. Исследование характеристик теплозащитных покрытий / Д.Г. Богатеев и [др.]. // Материалы докладов Всероссийской НТиМК «Современные проблемы технической химии». -Казань: КГТУ, 2009. - С. 204-209.
5. Богатеев, Д.Г. Исследование характеристик полимерных покрытий для защиты металлических конструкций от коррозии / Д.Г. Богатеев и [др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - Казань: КГТУ, 2010. - №7. - С. 350-356.
6. Богатеев, Д.Г. Исследования по разработке теплозащитного покрытия / Д.Г.Богатеев и [др.]. // Вестник Казан. технол. ун-та. - Казань: КГТУ, 2010. - № 7. - С. 357-362.
7. Тростянская, Е.Б. Пластики конструкционного назначения / Е.Б. Тростянская. - М.: Химия, 1974. - 239 с.
© Г. Г. Богатеев - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; Д. Г. Богатеев - асп. той же кафедры; И. А. Абдуллин - д-р техн. наук, проф. зав. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, проректор КГТУ; Н. А. Моисеева - асп. той же кафедры, natali1482@mail.ru.
