CC BY
3
УДК 667.6: 544.722.3 Щербакова Е.С., Апанович Н.А.
Исследование влияния функциональных добавок на смачивание поверхности алюминиевого сплава 3104 полиэфир-аминоформальдегидными плёнкообразующими
Щербакова Елена Сергеевна - аспирант 1 года обучения кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; lshcherbakova04@gmail.com;
Апанович Николай Алексеевич - к.х.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В данной работе рассмотрено влияние поверхностно-активных добавок различной природы на смачивание поверхности алюминиевого сплава 3104 полиэфир-аминоформальдегидной системой. Определены оптимальные концентрации исследуемых добавок. Установлено, что наилучшее качество лакокрасочного покрытия обеспечивает использование добавки на основе полиакрилата.
Ключевые слова: лакокрасочный материал, алюминиевый сплав, краевой угол смачивания, смачивание, поверхностно-активные вещества.
Investigation of the effect of functional additives on the wetting of the surface of aluminum alloy 3104 with polyester-aminoformaldehyde film-forming agents
Shcherbakova E.S., Apanovich N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this paper, the effect of surfactants of various nature on the wetting of the surface of aluminum alloy 3104 by a polyester-aminoformaldehyde system is considered. The optimal concentrations of the studied additives were determined. It is established that the best quality of the paint coating is provided by the use of an additive based on polyacrylate.
Key words: paint and varnish material, aluminum alloy, wetting edge angle, wetting, surfactants.
Введение
Объёмы производства и потребления алюминия во всём мире растут, и Россия также не является исключением. Одной из отраслей, где востребован алюминий, является пищевая промышленность. При этом одним из динамично развивающихся направлений является изготовление банок для напитков различного состава, в том числе и сильногазированных. Традиционно для защиты металлов от коррозионного воздействия агрессивных сред используются лакокрасочные покрытия, алюминий не является исключением.
Процесс получения качественных лакокрасочных покрытий зависит от физико-химического взаимодействия жидкого лакокрасочного материала и твёрдой окрашиваемой поверхности. Одним из наиболее важных явлений, протекающих на границе раздела фаз, является смачивание.
Количественной мерой смачивания является краевой угол смачивания, значение которого зависит от величин поверхностного натяжения на межфазных границах [1].
Величину краевого угла смачивания полимерных систем можно варьировать путём введения в их состав поверхностно-активных веществ различной природы. Необходимо отметить, что на настоящий момент в периодической литературе имеются данные, описывающие процесс смачивания только конкретных типов полимеров и подложек, а также общие рекомендации к изучению таких систем [2, 3].
В качестве объекта исследования нами был выбран карбоксилсодержащий насыщенный полиэфир на основе дикарбоновых кислот и полиолов
в сочетании с амино(меламино- и бензогуанамино-) формальдегидными олигомерами.
Подобные системы обладают рядом достоинств: относительно дешёвое и доступное сырьё, хорошая совместимость с полярными и неполярными растворителями, а при определённых условиях и с водой. Покрытие на их основе обладают толерантностью к подготовке поверхности, удовлетворительной адгезией к различным типам подложек и устойчивостью к агрессивным средам.
В качестве поверхностно-активных веществ нами были выбраны следующие классы соединений: полиакрилаты и полиорганосилоксаны, а также этоксилированное касторовое масло, выбор которых обусловлен их широким применением в лакокрасочных материалах [3].
В качестве исследуемой подложки был выбран алюминиевый сплав марки 3104, который используется для изготовления алюминиевой банки глубокой вытяжки (по ГОСТ 33748-2016).
Экспериментальная часть
Для оценки влияния поверхностно-активных добавок на смачивание полиэфир-
аминоформальдегидной системой алюминиевого сплава марки 3104 получали полимерные композиции с различным содержанием исследуемых добавок и проводили измерение краевых углов смачивания на установке «Гониометр ЛК-1». При работе на гониометре при помощи камеры получали фотографии капель на поверхности металла, а затем рассчитывали краевой угол при помощи программного обеспечения DropShape.
Для оценки действия поверхностно-активных добавок непосредственно в отверждаемой полимерной плёнке на поверхность алюминиевого сплава наносили жидкий лакокрасочный материал с оптимальным содержанием добавок стержневым аппликатором. Формирование покрытия происходило в течение 30 сек при температуре 200 °С, толщина сухой плёнки составляла 2 г/м2. Далее визуально исследовали поверхность полученного покрытия на наличие дефектов.
Результаты
Краевой угол смачивания исследуемой полимерной системы при отсутствии в её составе добавок, влияющих на смачивание, равен 45°.
Как видно из рисунка 1, полученные далее зависимости для трёх типов добавок имеют идентичный характер. Вначале с ростом концентрации добавки краевой угол смачивания уменьшается, а по достижении определенного значения (полиакрилат - 0,8 %масс, этоксилированное касторовое масло - 0,75 %масс, полиорганосилоксан -0,65 %масс) кривая выходит на плато. Полученные значения концентраций добавок можно считать оптимальными при использовании в исследуемой нами полиэфир-аминоформальдегидной системе.
Стоит обратить внимание, что по абсолютному значению наибольшее снижение краевого угла смачивания наблюдается в случае использования полиорганосилоксановой добавки.
Необходимо отметить, что полиэфир-аминоформальдегидная композиция является материалом горячей сушки и, следовательно, на процесс формирования покрытия влияют не только химические реакции отверждения, но и физические явления, например, структурирование. Всё многообразие этих явлений может оказывать влияние
и на физико-химическое взаимодействие между лакокрасочным материалом и подложкой при сушке.
Рис.1. Зависимость краевого угла смачивания (в) полимерной композиции от содержания поверхностно-активной добавки (№)■
Оценка внешнего вида отверждённых покрытий показала, что использование добавки акрилового типа позволяет получить однородное покрытие без дефектов (рис.2а). Несмотря на то, что добавки на основе полиорганосилоксана и этоксилированного касторового масла в большей степени способствуют уменьшению краевого угла смачивания по сравнению с полиакрилатом (рис. 1), на покрытиях, в состав которых они входили, наблюдались точечные единичные дефекты (рис.2б и 2в соответственно).
Рис. 2. Внешний вид покрытий: а - полиакрилатная добавка (0,8 %масс); б - полиорганосиолксановая добавка (0,65 %м этоксилированное касторовое масло (0,75 %масс)■
сс); в -
По нашему мнению, это может быть связано с различием во взаимодействии добавок с полимерной матрицей. Вероятно, в случае полиакрилатной добавки формирующаяся плёнка до окончания процесса сушки сохраняет подвижность, что нивелирует дефекты от испарения растворителя.
Заключение
Таким образом, в ходе проделанной работы оценен вклад поверхностно-активных веществ различной природы на процесс смачивания поверхности алюминиевого сплава марки 3401 полиэфир-аминоформальдегидной системой.
Наиболее эффективное действие на краевой угол смачивания оказывает добавка на основе полиорганосилоксана, при оптимальном содержании которой (0,65 %масс) значение угла снижается с 45° до 33°.
Отмечено, что при формировании покрытий из материалов горячей сушки на основе полиэфир-аминоформальдегидной системы наилучший результат наблюдается при использовании полиакрилатной добавки с концентрацией 0,8 %масс.
Список литературы
1.Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1988. - 464 с.
2.Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий: учебник для вузов. - 5-е изд., стереотип. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2020. - 448 с.
3.Брок Т., Гротэклаус М., Мишке П. Европейское руководство по лакокрасочным материалам и покрытиям. - 2-е изд. стереотип. /- М. : Пэйнт-Медиа, 2007. - 548 с.
