CC BY
12.1.5 - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МА ТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)
DOI 10.53980/24131997_2024_1_90
К.А. Дёмин1'2, инженер, e-mail: [email protected]
А.Н. Хаглеев1'2, канд. техн. наук, науч. сотрудник, e-mail: [email protected] Л.А. Урханова1'3, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] П.К. Хардаев1, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] С.С. Агнаев1, студент, e-mail: [email protected] С.Д. Дондуков1, студент, e-mail: [email protected]
1 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления 2 Институт физического материаловедения СО РАН г. Улан-Удэ
3 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет,
г. Москва
УДК 699.822, 533.924
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ В ПЛАЗМЕ СКОЛЬЗЯЩЕЙ ДУГИ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ
В статье рассмотрено применение в качестве гидроизоляционного материала - полиэтилена, модифицированного в плазме скользящей дуги. Оценено влияние плазменной модификации на физико-механические свойства полиэтиленовых пленок путем проведения испытаний на относительное удлинение и максимальную нагрузку. Установлено увеличение размеров надмолекулярных структур в кристаллических областях, отвечающих за изменение прочностных свойств полимерной пленки.
Экспериментально доказано, что применение 10-секундной плазменной модификации скользящей дугой с использованием разработанной плазменной установки приводит к образованию активированного слоя на поверхности полиэтиленовых пленок, повышающего прочностные характеристики материала.
Установлено, что модифицирующее воздействие на полиэтилен в течение 10 с приводит к увеличению прочности полимерных пленок. Благодаря увеличенной механической прочности и измененной структуре поверхности модифицированные пленки полиэтилена представляют интерес в качестве материала основы для создания полимерно-рулонных гидроизоляционных материалов.
Ключевые слова: гидроизоляция, коррозия, плазменная модификация, полиэтилен.
K.A. Dyomin, Еngineer A.N. Khagleev, Cand. Sc. Engineering, Sc. Researcher L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
P.K. Khardaev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.S. Agnaev, student S.D. Dondukov, student
WATERPROOFING POLYMER FILMS MODIFIED IN GLIDING ARC PLASMA
The article considers the use of polyethylene modified in sliding arc plasma as a waterproofing material. It assesses influence of plasma modification on physical and mechanical properties of polyethylene films by testing for relative elongation and maximum load. The study establishes increase in the size of supramolec-ular structures in crystalline parts, changing the strength properties ofpolymer film.
It has been experimentally proven that application of 10-second plasma modification by sliding arc using the developed plasma installation results in formation of activated layer on the surface ofpolyethylene films, which increases the strength characteristics of the material.
It has been determined that modifying the polyethylene within 10 seconds increases the strength of the polymer films. Due to increased mechanical strength and changed surface structure, modified polyethylene films are of interest as a base material for creating polymer-roll waterproofing materials.
Key words: waterproofing, corrosion, plasma modification, polyethylene.
Введение
Сегодня гидроизоляция стальных трубопроводов является важным этапом при строительстве и эксплуатации инженерных систем. Гидроизоляция имеет широкое применение в различных отраслях, таких как канализация, отопление и транспортировка ресурсов. Качество гидроизоляции играет важную роль в предотвращении аварий, связанных с коррозией, являющейся одной из основных проблем при эксплуатации стальных трубопроводов.
Защита трубопровода от внешней среды формируется путем создания изоляции на поверхности с помощью нанесения защитных материалов, таких как лаки, краски, мастики и полимерные покрытия [2]. В процессе нанесения гидроизоляции на поверхность трубопровода применяют адгезив, который обеспечивает надежное сцепление полимерной пленки с трубопроводом. Данное решение относится к пассивным методам защиты, который обеспечивает высокую адгезию к металлу и улучшает барьерные свойства.
Применение гидроизоляции на основе полимерных пленок является одним из основных методов предотвращения внешней коррозии. В частности, наиболее применяемыми гидроизоляционными материалами являются ЛИТКОР (ТУ 2245-001-48312016-01), ПЭКОМ (ТУ 2245006-05801845-00). Основа данных материалов состоит из поливинилхлоридной (ПВХ) пленки, являющейся доступным и широко применяемым материалом благодаря уникальному сочетанию свойств полярных и неполярных соединений, он обладает диэлектрическими свойствами, не горюч и выдерживает значительные механические нагрузки. Кроме того, прочность на разрыв может значительно изменяться в зависимости от природы и количества пластификаторов в составе, достигая значений от 100 до 700 кгс/см2. Однако без добавления модификаторов ПВХ считается хрупким материалом, переходящий в стекловидное состояние при температуре около +80 °С, дальнейшее нагревание свыше 100 °С приводит к потере хлористого водорода - дегидрохлорированию и образованию сопряженных двойных связей, ведущих к ухрупчению материала и дальнейшему разрушению [3-6]. Вместе с тем антикоррозионная лента Полилен-ЛИ (ГОСТ Р 52602-2006) и лента БИЛАР (ТУ 2245-001-94259402) состоят из полиэтиленовой (далее - ПЭ) пленки, обладающей химической инертностью, эластичностью (зона эластичности от -60 до +110 °С), водостойкостью и диэлектрическими характеристиками. Она имеет более низкую стоимость в сравнении с ПВХ-пленкой, что делает ее привлекательной для материала - основы гидроизоляционного покрытия. Однако как неполярный материал ПЭ обладает весьма низкими адгезионными свойствами. Для плазменной модификации полимерных пленочных материалов используют низкотемпературную плазму постоянного, переменного и импульсного токов [7]. Обработка электрическим разрядом проводится в диапазонах: низкочастотном - до 104 Гц; высокочастотном - 105-108 Гц; сверхвысокочастотном - 109-1011 Гц [8]. Известно, что применение импульсной плазмы улучшает смачиваемость поверхности благодаря переориентации полярных групп полимерных материалов, таких как POM-C (полиок-симетиленкополимер); PC (поликарбонат); PP (полипропилен); PE-LD (полиэтилен малой плотности); PET (полиэтилентерефталат); PS (полистирен) и силиконовая резина. Гидрофиль-ность модифицированных полимеров сохраняется на длительный период, что делает их полезными для приложений, где требуются высокая смачиваемость и гидрофильность. Обработка в плазме приводит к увеличению работы адгезии ^а) и поверхностной энергии (у), а также к значительному росту полярного компонента yp.
Для использования полиэтиленовых пленок в качестве гидроизоляционного материала разработан метод плазменной модификации поверхности, позволяющий без использования химических реагентов или механических воздействий улучшить адгезионные свойства. Плазменная модификация поверхности полимерных пленок протекает под действием заряженных
частиц, УФ-излучения, свободных атомов и радикалов, а также температурного воздействия. В результате травления полимерных пленок их поверхность поляризуется, образуются активные центры, что способствует увеличению адгезионных свойств, прочности и устойчивости к воздействию окружающей среды [9-11].
Целью исследования является анализ влияния плазмы скользящей дуги на изменение структуры и физико-механических свойств гидроизоляционного полиэтилена.
Материалы и методы исследования
Представленная работа направлена на исследование изменения структуры поверхности и свойств полиэтиленовых пленок с помощью разряда в низкотемпературной плазме с целью ее дальнейшего применения в качестве полимерно-рулонной гидроизоляции.
В качестве объекта исследования была использована ПЭ пленка согласно ГОСТ 1633777 толщиной 100 мкм.
Для модификации поверхности пленок полиэтилена была разработана плазменная установка, описанная в патенте RU2781708C1. Процесс модификации проводился в течение 5 с при токе 50 мА, импульсном напряжении 8 кВ и частоте 15 кГц [12]. Воздушный поток направляется в корпус эжектора, обтекает электроды и создает скользящую дугу, которая передвигается в направлении ПЭ пленки, подвергаемой модификации (рис. 1).
3
Рисунок 1 - Установка для модификации поверхности полимерных материалов: 1 - полимерный материал; 2 - плазменный пучок; 3 - отклонитель; 4 - корпус; 5 - редуктор;
6 - алюминиевые электроды; 7 - высоковольтные провода; 8 - высоковольтный источник питания;
а - угол наклона отклоняющего сопла
Установка состоит из пластикового эжектора (4), выполняющего функцию корпуса. Сквозь корпус установки к алюминиевым электродам (6) при помощи высоковольтных проводов (7) подведено напряжение из высоковольтного генератора (8) для инициирования разряда. Для инициирования скользящего разряда в эжектор подается поток воздуха из компрессора, вдоль алюминиевых электродов (6) и создает плазменный поток (2), продвигаемый в направлении модифицируемого материала (1), отклонителем (3). Напряжение инициирования плазменного разряда составляет и ~ 10-20 кВ. Регулировка скорости воздушных потоков от-клонителя и эжектора осуществлялась при помощи воздушного редуктора (5) для изменения длины вылета и угла падения плазменного пучка на модифицируемый материал.
Для оценки физико-механических свойств материала использовали разрывное усилие и относительное удлинение материала основы и разрабатываемого гидроизоляционного материала по ГОСТ 14236, ГОСТ Р 51164-98.
Результаты исследования и их обсуждение
В настоящее время существует множество вариаций исследования изменения структуры поверхности ПЭ, однако максимальная нагрузка и относительное удлинение являются одними из наиболее важных характеристик, используемых при анализе механических свойств материала, так как благодаря им можно определить прочность и эластичность [13-15]. Для модификации образец полимерной пленки помещали в плазменный пучок в течение времени от 0 до 30 с (рис. 2).
К 49
$ 48.5
со
& 48 Я 47.5 47 46.5 46 45.5 45 44.5 44
а б
Рисунок 2 - Влияние времени модификации на максимальную нагрузку разрушения (а) и относительное удлинение (б) ПЭ пленки
Анализ результатов исследований показал, оптимальным значением продолжительности модификации полимера считается 10 с, так как показатель воздействующей нагрузки, характеризующий когезионное разрушение материала, имел максимальное значение 48,48 Н. Это характеризуется тем, что при воздействии плазмы скользящей дуги в течение 10 с на поверхности ПЭ образовывались активные группы, такие как карбонильные, гидроксильные и аминогруппы, реагирующие с адгезионными промежуточными слоями, улучшая сцепление между материалами. Однако при увеличении продолжительности воздействия плазмы более 15 с проявлялось негативное влияние на показатели относительного удлинения и прочности. Происходило снижение максимальной нагрузки с 48,48 до 46,92 Н и относительного удлинения с 290 до 200 %. Размеры надмолекулярных структур в кристаллических областях полимерной пленки, обработанной в плазме скользящей дуги 10 с, увеличивались, что влияло на ее прочностные свойства. Наблюдалось увеличение количества мелких кристаллитов на поверхности пленок на начальных этапах обработки. Увеличение длины границы между кристаллической и аморфной фазами создавало энергетические ловушки для носителей заряда, что улучшало электретные и адгезионные свойства пленок. Однако дальнейшая модификация (15 с) привела бы к испарению аморфной фазы и увеличению размеров структур, что могло снизить прочность адгезионного соединения из-за увеличения размеров границ раздела фаз (рис. 3).
V
/
гШЯШГ Jv
15kV 18Ра xlOOO Юцт
в
Рисунок 3 - Электронные микрофотографии поверхности: а - ПЭ без модификации; б - ПЭ, 10 с модификации; в - ПЭ, 15 с модификации
Полученные данные подтвердили гипотезу, что плазменная модификация приводит к изменению структуры и химического состава, что положительно влияет на прочностные свой-
ства изоляционного материала. Путем улучшения связи между адгезивом и поверхностью полимерной пленки достиглось увеличение общей прочности гидроизоляционной системы и усиление сцепления с металлической поверхностью. Увеличение прочности ПЭ обусловливалось образованием новых промежуточных связей, связывая отдельно расположенные цепи полимера. Таким образом, плазменная модификация ПЭ может быть рекомендована для использования в качестве гидроизоляционного материала для стальных трубопроводов в различных областях промышленности.
Заключение
Из анализа метода модификации поверхности пленок ПЭ с целью создания гидроизоляционного материала установлено, что перспективным решением борьбы с коррозионным воздействием является модификация поверхности плазмой скользящей дуги. Экспериментально доказано, что такой метод позволяет изменить структуру пленок ПЭ и улучшить прочностные свойства гидроизоляционного материала, тем самым улучшая гидроизоляционную систему в целом. Использование модифицированного полиэтилена в качестве основы для гидроизоляции стального трубопровода является эффективным способом защиты от коррозии. Модификация полиэтиленовых пленок улучшает их прочностные свойства, что повышает надежность гидроизоляции. Это позволяет значительно увеличить срок службы трубопровода и снизить затраты на его ремонт и замену. Исследования подтверждают эффективность данного материала в защите от коррозии. Однако главной проблемой при промышленном использовании является нелинейность процесса плазменной модификации. Для развития этого метода необходимо проводить оптимизацию уже существующих методов модификации, что требует дополнительных теоретических расчетов и опытно-экспериментальных исследований.
Библиография
1. Кузьмишкин А.А., Гарькин И.Н. Коррозия газопроводов и варианты защиты от нее // Вестник магистратуры. - 2014. - № 11. - С. 38.
2. Харисов Р.А. Совершенствование технологии изоляции трубопроводов полимерными ленточными покрытиями с двусторонним липким слоем: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19. - УГНТУ, Уфа, 2011. - 246 с.
3. Панко Р.А., Пудов B.C. Исследование критических явлений при термической деструкции по-ливинилхлорида // Высокомолекулярные соединения. - 1973. - Т. 15, № 10. - С. 781.
4. Минскер К.С., Малинская В.П. Кинетические закономерности реакции дегидрохлорирова-ния поливинилхлорида в присутствии некоторых стабилизаторов // Высокомолекулярные соединения. - 1973. - Т. 15, № 1. - С. 200.
5. Минскер К.С., Казаченко Д.В., Абдуллина Р.Г. и др. К вопросу о механизме и кинетике де-гидрохлорирования поливинилхлорида // Высокомолекулярные соединения. - 1973. - Т. 15, № 4. -С.866.
6. Гиззатуллин Р.Р. Обеспечение безопасности магистральных трубопроводов с конструктивными элементами, затрудняющими внутритрубную диагностику: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19. -УГНТУ, Уфа, 2008. - 151 с.
7. Головятинский С.В. Динамическая плазменная обработка и нестационарный нагрев поверхности при взаимодействии с импульсной атмосферной плазмой // Вестник Национального авиационного университета. - 2005. - Т. 1, № 23. - С. 84-87.
8. Гильман А.Б., Потапов В.К. Плазмохимическая модификация поверхности полимерных материалов // Прикладная физика. - 1995. - Т. 3. - С. 4.
9. ЖдановК.В., ЕрохинМ.С., СтепкинаМ.Ю. и др. Исследование влияния электростатического заряда поверхности на краевой угол смачивания // Ползуновский вестник. - 2016. - № 2. - С. 222-226.
10. КалниньМ.М., Озолиньш Ю.Л., Малерс Ю.Я. Кинетика процессов адгезионного взаимодействия полиолефинов с металлами в условиях контактного термоокисления. Адгезионнное взаимодействие в присутствии адсорционных наполнителей // Изв. АН Латв. ССР. Сер. Химия. - 1985. - № 5. -С.575-581.
11. Котомин С.В., СоллогубК.В. Адгезионная прочность в многослойных полимерных пленках // Инженерный журнал: наука и инновации. - 2014. - № 5 (29). - С. 8.
12. Патент RU 2781708 C1, МПК B29C 71/00, H01J 37/00. Установка для модификации поверхности полимерных пленок в низкотемпературной плазме скользящего разряда атмосферного давления / Хаглеев А.Н., Демин К.А., Мокеев М.А. Патентообладатели: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». - Заявка № 2022107494, заявл. 22.03.2022; опубл. 17.10.2022.
13. Хаглеев А.Н., Урханова Л.А., Буянтуев С.Л. и др. Влияние плазмы скользящей дуги на физико-механические свойства гидроизоляционного полиэтилена // Вестник ВСГУТУ. - 2022. - № 4(87). - С. 64-70.
14. Мокеев М.А., Агнаев С.С., Хаглеев А.Н. и др. Модификация поверхности полимерных пленок для создания рулонных гидроизоляционных материалов трубопроводных систем // Актуальные вопросы строительного материаловедения. - 2021. - С. 41-48.
15. Хаглеев А.Н., Урханова Л.А., Мокеев М.А. и др. Гидроизоляционный материал для магистральных трубопроводов на основе полиэтилена, модифицированного в плазме скользящей дуги // Строительные материалы. - 2022. - № 10. - С. 79-84. - DOI 10.31659/0585-430X-2022-807-10-79-84.
Bibliography
1. Kuzmishkin A.A., Garkin I.N. Corrosion of gas pipelines and options for protection against it // Magister Journal. - 2014. - N 11. - P. 38.
2. Kharisov R.A. Improving technology of pipelines insulating with polymer tape coatings with double-sided adhesive layer: diss. ...Cand. Sc: Engineering: 25.00.19. - USPTU, Ufa, 2011. - 246 p.
3. Panko R.A., Pudov V.S. Study of critical phenomena during thermal destruction of polyvinyl chloride // Polymer Science. - 1973. - Vol. 15, N 10. - P. 781.
4. Minsker K.S., Malinskaya V.P. Kinetic patterns of the dehydrochlorination reaction of polyvinyl chloride in the presence of certain stabilizers // Polymer Science. 1973. - Vol. 15, N 1. - P. 200.
5. Minsker K.S., Kazachenko D.V., Abdullina R.G. et al. On the mechanism and kinetics of dehydrochlorination of polyvinyl chloride // Polymer Science. - 1973. - Vol. 15, N 4. - P. 866.
6. Gizzatullin R.R. Ensuring the safety of main pipelines with structural elements that complicate inline diagnostics: diss. ... Cand. Sc: Engineering: 25.00.19. - USPTU, Ufa, 2008. - 151 p.
7. Golovyatinsky S.V. Dynamic plasma treatment and non-stationary heating of the surface during interaction with pulsed atmospheric plasma // The Civil Aviation High Technologies (Nauchnyi Vestnik MGTU GA). - 2005. - Vol. 1, N 23. - P. 84-87.
8. Gilman A.B., Potapov V.K. Plasma-chemical modification of surface of polymer materials // Applied Physics. - 1995. - Vol. 3. - P. 4.
9. Zhdanov K.V., Erokhin M.S., Stepkina M.Yu. et al. Study of influence of electrostatic charge of surface on edge wetting angle // Polzunovskiy Vestnik. - 2016. - N 2. - P. 222-226.
10. KalninM.M., Ozolinsh J.L., Malers Yu.Ya. Kinetics of processes of adhesive interaction of poly-olefins with metals under conditions of contact thermal oxidation. Adhesion interaction in the presence of adsorption fillers // News of Academy of Science of Latvia SSR. Chemistry series. - 1985. - N 5. - P. 575-581.
11. Kotomin S.V., Sollogub K. V. Adhesive strength in multilayer polymer films // Engineering journal: science and innovation. - 2014. - N 5 (29). - P. 8.
12. Patent RU 2781708 C1, IPC B29C 71/00, H01J 37/00. Installation for modifying the surface of polymer films in low-temperature plasma of sliding discharge of atmospheric pressure / Khagleev A.N., Demin K.A., Mokeev M.A. Patent holders: Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "East Siberian State University of Technology and Management". - Application N 2022107494, applied 03.22.2022, published 10.17.2022.
13. Khagleev A.N., Urkhanova L.A., Buyantuev S.L. et al. The influence of sliding arc plasma on the physical and mechanical properties of waterproofing polyethylene //The Bulletin of ESSTUM. - 2022. -N 4 (87). - P. 64-70.
14. Mokeev M.A., Agnaev S.S., Khagleev A.N. et al. Modification of the surface of polymer films for creation of rolled waterproofing materials for pipeline systems // Materials of the All-Russian scientific-practical conference «Current issues in construction materials science» Ulan-Ude, 21-24 July 2021. - P. 41-48.
15. Khagleev A.N., Urkhanova L.A., Mokeev M.A. [et al.]. Waterproofing material for main pipelines based on polyethylene modified in sliding arc plasma // Stroitel'nye Materialy (Construction Materials). -2022. - N 10. - P. 79-84. DOI 10.31659/0585-430X-2022-807-10-79-84.
