CC BY
9Научная статья УДК 69
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура
ВАК: 2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения; 2.1.5. Строительные материалы и изделия;
2.1.9. Строительная механика
doi:10.51608/26867818_2023_1_116
НАНОМОДИФИКАЦИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ*
© Авторы 2023 ПЧЕЛЬНИКОВ Александр Владимирович
SPIN: 1658-0511 кандидат технических наук, доцент
AuthorID: 900532 Новосибирский государственный аграрный университет
(Россия, Новосибирск)
SPIN: 6626-3274 ПИЧУГИН Анатолий Петрович
AuthorID: 409255 доктор технических наук, профессор
Новосибирский государственный аграрный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: gmunsau@mail.ru)
Аннотация. Разрушение металлических конструкций происходит под воздействием комплекса факторов природного и технологического характера, приводящие к образованию кислот и других агрессивных сред. Сельскохозяйственная отрасль и производство по переработке сельскохозяйственной продукции связаны с большим количеством горючих материалов, что приводит нередко к значительным материальным потерям (сотни миллиардов рублей). В силу этого большинство регионов России относятся к пожароопасным территориям. К тому же, в настоящее время, защитные покрытия, применяемые в условиях АПК Сибири, во многих случаях, не обладают необходимым набором эксплуатационных качеств, что так же приводит к большим потерям. В работе представлены результаты научных исследований по влиянию различных нанодобавок отечественного производства, с целью создания защитных композиций с определенными свойствами, отвечающими эксплуатационным условиям и требованиям по сохранности металлоконструкций и оборудования от огневых, тепловых и ионизирующих воздействий.
Ключевые слова: металлические конструкции; эксплуатационная стойкость; лакокрасочное покрытие; защитные покрытия; наномодифицированные покрытия; механика разрушения; строительная механика; безопасность объектов
Для цитирования: Пчельников А.В., Пичугин А.П. Наномодификация защитных покрытий металлических конструкций и оборудования для обеспечения эксплуатационной стойкости // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 116-120. doi:10.51608/26867818_2023_1_116.
Original article
NANOMODIFICATION OF PROTECTIVE COATINGS OF METAL STRUCTURES AND EQUIPMENT FOR ENSURING OPERATIONAL STABILITY
© The Author(s) 2023 PCHELNIKOV Alexander Vladimirovich
Candidate of Technical Sciences Novosibirsk State Agrarian University (Russia, Novosibirsk)
PICHUGIN Anatoly Petrovich
Doctor of Technical Sciences, Professor Novosibirsk State Agrarian University (Russia, Novosibirsk, e-mail: gmunsau@mail.ru)
Annotation. Destruction of metal structures occurs under the influence of a combination of natural and technological factors, resulting in the formation of acids and other aggressive media. The agricultural sector and the processing of agricultural products are associated with a large amount of combustible materials, which often leads to significant material losses (hundreds of billions of
* Материалы данной статьи использовались в докладе на Научно-технической конференции «Расширение применения местных сырьевых материалов и отходов предприятий Республики Мордовия, при изготовлении строительных материалов и изделий» (18-19 ноября 2022 г., Саранск, МГУ им. Огарева).
ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
rubles). Because of this, most Russian regions are fire hazard areas. In addition, the current protective coatings used in the conditions of the Siberian agro-industrial complex, in many cases, do not have the necessary set of performance qualities, which also leads to large losses. The paper presents the results of scientific research on the influence of various nano-additives of domestic production, in order to create protective compositions with certain properties, conforming operating conditions and requirements for the safety of metal structures and equipment from fire, heat and ionizing effects.
Keywords: metal structures; operational stability; paint coating; protective coatings; nano-modified coatings; mechanics of destruction; safety of objects
For citation: Pchelnikov A.V., Pichugin A.P. Nanomodification of protective coatings of metal structures and equipment for ensuring operational stability // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Pp. 116-120. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_1_116.
Поверхность металлических конструкций подвергается воздействующим факторам природного характера: солнечная радиация, воздушные потоки, температурные перепады; осадки в виде дождя, града, тумана, снега, приводящие к образованию кислот и других агрессивных сред (газы, химические вещества, грозовые разряды, радио- и электромагнитные волны, блуждающие токи, биологические вредители, давление грунта, грунтовые воды и др.), а также технологические факторы: удары, вибрации, истирания, проливы жидкостей и переувлажнения, коррозионные агрессивные среды, колебания температуры, биологические вредители, воздействия химических сред и др. Кроме того, большинство регионов России относятся к пожароопасным территориям, т.к. сельскохозяйственное производство связано с большим количеством горючих материалов (сено, солома, созревший хлеб, лес, древесина, топ-ливно-смазочные материалы и др.), что приводит нередко к значительным материальным потерям (сотни миллиардов рублей). Высоким риском к возгоранию считаются: предприятия по производству пера, пуха, по хранению и переработке зерна, мукомольные цеха, заводы по производству растительного сырья, эксплуатация сельскохозяйственной техники в периоды сухой и жаркой погоды и др. Дополнительным отрицательным фактором является широкое распространение ионизирующих излучений природного и техногенного характера.
Вышеперечисленные факторы способствуют быстрой потере защитных качеств покрытий, в связи, с чем в отдельных случаях повышаются риски для жизни и здоровья людей, а металлические поверхности подвергаются коррозионным процессам, активность которых выше, чем в других отраслях промышленности. Срок службы металлических поверхностей объектов сельскохозяйственного назначения в 2,5...3 раза короче, чем в других сферах. Ежегодно потери металла в АПК в результате коррозионных разрушений составляют до 20% от общего металлофонда (150 млн. тонн) страны, что практически в два раза превышает средние потери металла в РФ в целом.
Таким образом, в настоящее время, защитные покрытия, применяемые в условиях АПК Сибири, во
многих случаях, не обладают необходимым набором эксплуатационных качеств, что выражается в больших материальных потерях. В связи с этим, актуальным является нахождение путей повышения эксплуатационной стойкости защитных покрытий и обеспечения их комплексом необходимых эксплуатационных качеств для различных условий.
Один из самых эффективных способов повышения эксплуатационных качеств защитных покрытий является их наномодификация. Использование наноразмер-ных добавок, введенных в небольших количествах в материал (до 1%), позволяет улучшить технологические и эксплуатационные свойства изделий на их основе и является перспективным направлением в области создания новой конкурентоспособной продукции [1-3].
Ранее авторами было показано, что адгезионные процессы в контактной зоне между металлом и защитной композицией являются превалирующими, вследствие чего можно улучшить большинство эксплуатационных характеристик полимерсодержащих составов: прочность, твердость, истираемость и др. А введение наноразмерных частиц специального назначения может обеспечить повышение определенных качественных характеристик [4-6].
В работе приведены результаты исследований по влиянию различных нанодобавок, производимых отечественными фирмами (см. таблицу), количественное введение которых в защитные композиции варьировало от 0,01 до 1-2% по массе. Выбор был обусловлен целью создания защитных композиций с определенными свойствами, отвечающими эксплуатационным условиям и требованиям при тех или иных воздействиях. Для обеспечения энергосбережения и сохранности металлоконструкций и оборудования важнейшими критериями стали вопросы защиты от огневых, тепловых и ионизирующих воздействий.
Известно, что на строительной стали и технологическом оборудовании после воздействия повышенных температур на поверхности образуется характерная окраска, что объясняется возникновением тонких оксидных слоев. Цвет такого слоя зависит от температуры нагрева и толщины слоя оксидов. Так, при 220-230°С толщина слоя может составлять
Основные характеристики наноразмерных частиц
Показатели Составы с УНТ Диоксид титана Оксид висмута Оксид церия Оксид цинка Гидроксид магния Диоксид кремния
Размерность, нм 1,2...50 до 100 30.50 40.80 10.80 20.100 до 60
Насыпная плотность, кг/м3 140...550 700.1000 4200-5000 1200.1300 400.450 300.600 80.320
Удельная поверхность, м2/г 90.120 25.70 18.35 20.30 8 7 5.15 314.438
на теплозащитные качества акрилового покрытия
около 0,04 мкм и иметь светло-желтый оттенок; а при повышении температуры цвет изменяется с желтого оранжевого до красно-фиолетового и синего. При этом толщина оксидного слоя может увеличиться почти в два раза. Повышенная температура металлических элементов с нагревом до 300°С и более приводит к необратимым деформациям в виде искривления или прогиба, а после 550°С конструкции или детали могут терять механическую прочность и обрушаться. Особо остро данный вопрос стоит при эксплуатации тонкостенных металлических элементов и конструкций при возникновении фронта повышенных температур, что часто случается в условиях эксплуатации сельскохозяйственной техники и перерабатывающих предприятий [4].
С целью предотвращения нежелательных температурных деформаций металлические поверхности строительных конструкций и оборудования окрашивают лакокрасочными композициями с теплозащитным эффектом, однако стоимость таких составов превышает 1-3 тысячи рублей на м2, что на практике экономически не всегда возможно реализовать. Поэтому нами выбран путь модифицирования акриловых лакокрасочных композиций нанораз-мерными добавками и создание теплозащитного экрана для обеспечения сохранных функций при окраске металлических поверхностей [4-5]. С этой целью было разработано специальное устройство для фиксации температуры на поверхности до прохождения теплового фронта и после.
Были опробованы в качестве добавок диоксид висмута (Bi2Oз) и диоксид кремния ^Ю2) в различном процентном соотношении. При нагревании образцов с защитным акриловым покрытием, моди-
фицированным бинарной добавкой Bi2Oз 1% + SiO2 0,5%, обнаружены хорошие защитные качества тепловой защиты, увеличивающиеся во время испытаний. Интересные результаты получены при введении в состав акриловой композиции бинарной добавки, состоящей из углеродных нанотрубок (УНТ) и диоксида кремния ^Ю2). В этом случае интервал между показаниями датчиков составил более 58°С, что соответствует задержке прохождения теплового потока на полторы минуты. Еще более успешные результаты были получены при использовании в качестве бинарных добавок диоксид висмута (Bi2Oз) и углеродных нанотрубок (УНТ). В этом случае высокие защитные качества тепловой защиты по интервалу задержки температуры достигают 64,6 °С. Таким образом, варьируя соотношением нанодобавок можно получить композицию, обладающую высокими теп-лофизическими характеристиками.
Варьирование различных сочетаний наноразмерных добавок в составе акриловых защитных композиций позволило установить ещё одну аномалию, дающую эффективную защиту при малых дозах дефицитных компонентов. Так, оказалось, что для составов бинарной добавки УНТ + SiO2 при увеличении диоксида кремния с 0,5 до 1,0% интервал задержки температуры между термодатчиками достигает 66°С (см. рисунок). Кроме того, при введении молотого асбеста этот интервал может превышать 70°С, одновременно увеличиваясь с повышением температуры.
Происходящие процессы формирования защитных акриловых покрытий с бинарными нанодо-бавками в зоне контакта с металлической поверхностью были детально исследованы методами термо-
ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
механики, а также на растровом электронном микроскопе. Изучение термомеханических кривых, полученных для акриловых композиций с бинарными добавками показало, что большей термостабильностью и меньшей деформацией обладают именно составы покрытий с добавками УНТ 0,1%+Bi2Oз(SiO2)1,0%.
Основными источниками ионизирующего излучения являются внутреннее и внешнее облучение от строительных материалов, радона и торона в помещениях и из грунта (30-51%), медицинские обследования (12-44%), а также космическое излучение (8-12 %), внутреннее облучение (10-12%) и у-излуче-ние (7-15%). Рассматривая карту нашей страны по ионизирующим излучениям, можно выделить регионы с наиболее интенсивными дозами облучения -это, прежде всего южные районы Сибири, в которых уровень радиационной активности оценивается как высокий или очень высокий [6-8].
Проблемой защиты населения, зданий и оборудования от радиационного воздействия занимаются ученые всего мира. Основные направления противорадиационной защиты связаны с использованием металлов и сплавов, бетонов и строительных композитов, обладающих повышенной плотностью, что, естественно, способствует снижению проницаемости ионизирующих излучений. В последние годы, благодаря открытию новых наноразмерных добавок и компонентов, появились работы в области защитных противорадиационных покрытий на тканях, стеклах, металлах, пластмассах и других материалах. Так, одними из них являются тяжелые стекла, в состав которых входят соединения элементов с высоким атомным номером. Они используются для защиты персонала от излучения на объектах ядерной энергетики и промышленности, в лабораториях и медицинских центрах. Данные материалы превосходят экранирующие свойства многих других материалов и имеют десятикратный коэффициент ослабления и радиационные характеристики, превосходящие параметры традиционных материалов, применяемых в радиационной защите, - бетона и свинца [6-8].
Несмотря на большой объем выполненных исследований, посвященных противорадиационной защите, вопрос влияния наноразмерных добавок для этих целей пока изучен недостаточно полно, поэтому данная статья направлена на дополнение знаний в области защиты от ионизирующих излучений лакокрасочных композиций с нанодобавками.
Перед началом экспериментов были произведены замеры радиационного фона в лаборатории для проведения испытаний, величина которого составляла 0,17-0,19 мкЗв/ч, а также в лабораторном боксе с агрессивной средой в соответствии с разработанной методикой и составлял 1,69-1,80 мкЗв/ч.
Результаты данных показывают способность покрытия накапливать радиоактивные загрязнения (альфа загрязнения). Чем меньше значение, тем меньше накапливаются загрязнения. Углеродные нанотрубки (УНТ) и оксид висмута являются наилучшими из нанодобавок, т.к. снижают степень загрязнения на 20%. ПВХ и полиэтилен - наилучшие среди всех выбранных полимерных модификаторов, однако их использование сопряжено с высокой степенью горючести, что не приемлемо для использования в большинстве случаев на многих объектах и оборудовании АПК из-за несоответствия противопожарным требованиям. Для бета-измерений отмечается достаточно наглядная тенденция в снижении доли радиационной загрязненности при введении более одного процента диоксида кремния от массы лакокрасочной композиции. Кроме того, при увеличении дозировки этой добавки отмечено снижение уровня загрязненности. В то же время сочетание добавки из диоксида кремния с ПВХ существенно снижает радиационную загрязненность незначительно при любом соотношении компонентов.
Главным выводом, сделанным из исследований по изучению влияния наноразмерных добавок на остаточную радиационную загрязненность лакокрасочных полимерных покрытий, является тот факт, что одной монодобавкой практически невозможно обеспечить требуемый уровень радиационной защиты. Поэтому был проведен второй этап, с предварительным замером радиационного фона в лабораторном боксе для описания агрессивной среды по разработанной методике. В качестве минеральных добавок были приняты цеолит, алюмосиликатные микросферы, диоксид кремния и др. Сочетание наноразмерных добавок друг с другом позволило выявить закономерности в снижении остаточной радиационной загрязненности лакокрасочных полимерных покрытий.
Библиографический список
1. Калинская, Т. В. Нанотехнологии. Применение в лакокрасочной промышленности / Т. В. Калинская, А. С. Дринберг, Э. Ф. Ицко ; Т. В. Калинская, А. С. Дринберг, Э. Ф. Ицко. - Москва : ЛКМ-пресс, 2011. - 181 с. - ISBN 978-59901286-8-2. - EDN QNFCPD.
2. Чернышева М.М., Тарасова И.Н., Дринберг А.С. Улучшение свойств лакокрасочных покрытий при использовании нанодобавок: миф или реальность? // Лакокрасочные материалы.- 2016.- № 7-8.- С. 54-57.
3. Трухина, М. В. Упрочняющее наномодифициро-вание лаковых покрытий / М. В. Трухина, М. В. Провоторов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. - № 2-6(292). - С. 73-78. - EDN PUKQYJ.
4. Моделирование процесса и способы оценки горения защитных покрытий металлических конструкций и оборудования / А. В. Пчельников, А. П. Пичугин, В. Ф. Хри-танков, Е. А. Волобой // Известия высших учебных заведе-
ний. Строительство. - 2020. - № 6(738). - С. 81-90. - Р^ 10.32683/0536-1052-2020-738-6-81-90. - ЕРЫ SZFISS.
5. Термомеханические исследования защитнопро-питочных композиций с наноразмерными и специальными добавками / А. П. Пичугин, В. Ф. Хританков, А. В. Пчельников [и др.] // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. - 2020. - № 3(33). - С. 53-58. - ЕРЫ СЦМРЮ.
6. Стефаненко И.В. Радиационно-модифицирован-ные материалы и жаростойкие композиции с использованием техногенного сырья для защиты от излучений и фоновой радиации/ автореф. дис. соиск. уч. ст. докт.техн. наук, ВолгГАСУ, Волгоград, 2012. - 44 с.
7. Радиационнозащитное терморегулирующее покрытие для космических аппаратов: пат. RU 2554183, № 2014121431, заявл. 27.05.2014, опубл. 27.05.15.
8. Токарь С.В., Страполова В.Н., Григоревский А.В. Исследование радиационной стойкости терморегулирую-щих покрытий класса «солнечный отражатель» на силикатных связующих. Информатика и технология: Межвузовский сборник: Материалы научно-технической конференции Московского университета приборостроения и информатики. Выпуск XVI, М.: МГУПИ.- 2010.- С. 187-193.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.01.2023; одобрена после рецензирования 16.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.01.2023; approved after reviewing 16.02.2023; accepted for publication 20.02.2023.
