CC BY
69
С. В. Дезорцев, М. Ю. Доломатов, Н. Г. Будрина, М. Ю. Тимофеева, А. М. Бухарметова
О влиянии пластификации на адгезию битумполимеров
Уфимская государственная академия сервиса 450077, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145
Показан линейный характер взаимосвязи адгезии и пластических свойств для битумполимер-ных систем, что имеет важное значение при создании нефтеполимерных материалов с заданными свойствами.
Ключевые слова: адгезия, нефтеполимерные системы, пластические свойства, температура размягчения.
Введение полимеров в состав нефтеполимерных композиций способствует направленной модификации отдельных свойств углеводородных систем (остатков), например, пластичность, эластичность, широкий температурный диапазон эксплуатации и т. д. Выбор полимера зависит от комплекса свойств, которыми должен обладать нефтеполимерный материал. Производство нефтеполимерных материалов с заданными свойствами для решения задач гражданского, промышленного и дорожного строительства, изготовления антикоррозионных покрытий и т. д. требует знания природы взаимодействий в системе нефтяной остаток-полимер, что позволяет прогнозировать их эксплуатационные и технологические характеристики. Наибольшие трудности обу-словлены проблемой совместимости полимера с нефтяными системами.
В соответствии с современными теоретическими представлениями (Юхименко А. В., Доломатов М. Ю.) 1-5, нефтеполимеры — это сильно неидеальные полимерные системы в растворителях с бесконечно большим числом взаимодействующих между собой компонентов, в которых полимер распределен в среде нефтяной дисперсной системы (НДС), состоящей из углеводородных, мальтеновых и асфальтосмолистых фракций 6-8. Нефтеполимерная система является промежуточной между расплавом и раствором. Она состоит из растворителя — нефтяной дисперсной системы и полностью растворимых в них полимеров. При этом возможно существование по крайней мере трех фаз: полимер в растворителе, растворитель в полимере и переходная область.
Представления о псевдорешеточной структуре нефтеполимеров 9 10 позволяют объяснить ряд явлений, наблюдаемых в процессах пластификации подобных систем.
Дата поступления 26.07.08
При пластификации полимеров низкомолекулярными веществами выполняются закономерности типа уравнений Журкова и Каргина— Слонимского 11, описывающих понижение температуры стеклования (размягчения), которое прямо пропорционально массовой или объемной доле пластификатора:
АТ = к • с, (1)
где с — массовая или обьемная доля пластификатора;
£ — коэффициент, зависящий от природы полимера и пластификатора.
Для нефтяных и каменоугольных пеков в 12 было установлено, что процесс пластификации подчиняется уравнению (1).
Пластические и адгезионные свойства являются важнейшими характеристиками нефте-полимеров и характеризуются температурой стеклования (размягчения) и адгезией 13. В работах 3-5, 9 10, 13 показано влияние концентрации полимера на адгезию и температуру размягчения битумполимеров. Установлено, что значение критической молекулярной массы мало зависит от природы нефтяного остатка, а определяется средними значениями молекулярной массы полимера. С увеличением молекулярной массы полимера критическая концентрация, необходимая для достижения точек соответствующих фазовых переходов, уменьшается. Влияние пластификации на физико-химические свойства битумполимеров изучено недостаточно.
Установлено, что процессы пластификации нефтеполимеров подчиняются описанным выше закономерностям 8, но имеется качественное отличие, которое заключается в малом значении коэффициента пропорциональности £. Последнее означает, что для снижения температуры стеклования (размягчения) требуется значительно большее количество пластификатора по сравнению с обычными полимерами. Пластификатор насыщает мальтеновую фазу, но при этом слабо влияет на межмолекулярное взаимодействие двух решеток. До определенной критической концентрации наблюдается своеобразный насыщающий эффект пластификатора.
Целью работы является изучение связи пластических и адгезионных свойств нефтеполимерных материалов в зависимости от содержания пластификатора. Задачами исследования являются изучение адгезии и температуры размягчения (Тр) системы «нефтяной остаток— полимер-пластификатор».
В качестве объектов исследования взяли:
— остаточный дорожный битум в качестве НДС,
— гранулированный полиэтилен высокого давления марки 110862 ГОСТ 1.6337-72 производства ОАО «Уфаоргсинтез»,
— трансформаторное масло в качестве пластификатора.
Битумполимерную композицию (Б-ПЭ-ТМ) готовили в лабораторных условиях путем смешения компонентов при температуре, обеспечивающей их полную взаимную совместимость. Адгезию измеряли методом отрыва стальной пластины при 140 оС. Исследовали:
— изменение адгезии и температуры размягчения как функций от конценрации пластификатора;
— изменение адгезии как функции от температуры размягчения. Соответствующие диаграммы состояний нефтеполимерной системы «Б-ПЭ-ТМ» в обычных координатах представлены на рис. 1—3.
На рис. 1 представлена корреляционная зависимость адгезии системы «Б-ПЭ-ТМ» к стали при 140 оС от концентрации пластификатора.
При постоянной концентрации полимера 10% мас., взятой для точки ФП 14, влияние концентрации пластификатора на адгезию ска-
СО
Ф
1_
£
у = -5.0384Х + 386.14 Р = 0.9438
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
0 20 40 60 80
Содержание пластификатора, % мас.
Рис. 1. Зависимость адгезии системы «Битум-90%— Полиэтилен-10%—Трансформаторноемасло»от содержания пластификатора (сталь, 140 оС)
зывается существенным образом и выражается корреляционным уравнением первой степени А = -5.0384 с + 386.14 с коэффициентом корреляции И = 0.97.
На рис. 2 представлена корреляционная зависимость температуры размягчения системы Б-ПЭ-ТМ от концентрации пластификатора.
При постоянной концентрации полимера 10% мас., взятой для точки ФП (рис. 2), влияние концентрации пластификатора на температуру размягчения битумполимера сказывается существенным образом и выражается корреляционным уравнением первой степени Тр = -0.6086 с + 387.64 с коэффициентом корреляции И = 0.98.
На рис. 3 показана корреляционная зависимость адгезии от температуры размягчения для системы «Битум-90%—Полиэтилен-10%— Трансформаторное масло».
Содержание пластификатора, % масс.
Рис. 2. Зависимость температуры размягчения от содержания пластификатора в системе «Битум-90% -Полиэтилен-10%-Трансформаторное масло»
-З 300
X
250
у = 8,71 8х - 2990,3 Р = 0,9507
370 375 380
Температура размягчения, К
Рис. 3. Зависимость адгезии от температуры размягчения для системы «Битум-90%-Полиэтилен-10%-Трансформаторное масло»
4.
5.
Адгезия связана с температурой размягчения практически линейно — чем больше температура размягчения, тем выше адгезия: корреляционное уравнение первой степени А = -0.6086 Тр + 387.64 с коэффициентом кор- 6 реляции И = 0.975. Увеличение концентрации пластификатора, таким образом, способствует не только снижению температуры размягчения битумполимера, но и снижению адгезии к металлическим поверхностям.
Таким образом, установлен линейный характер взаимосвязи адгезии и пластических свойств для битумполимерных систем — при повышении температуры размягчения улучшаются адгезионные свойства.Показано, что концентрация пластификатора влияет как на температуру размягчения, так и на адгезию би-тумполимера к стали. С увеличением концентрации пластификатора температура размягчения и адгезия уменьшаются, уравнения Жур-кова и Каргина-Слонимского для процесса стеклования для битумполимеров выполняются.
7.
9.
10.
Литература
А.С. 16003227 СССР, МКИ5 G01 №3/18/ Юхименко А. В., Тюрин С. В.; Укр. заоч. поли-техн. ин-т.-№4621873/25-28; Заявл. 19.12.88; Опубл. 30.10.90, Бюл. №40.
Юхименко А. В., Тюрин С. В. Синергетика сопротивления усталостному разрушению угольных брикетов со связующим, предназначенных для коксования.— Харьков: Укр. заоч. поли-техн. ин-т, 1989.— 23 с.
Бухарметова А. М., Доломатов М. Ю. Физические закономерности фазовых переходов в системах «полиэтилен—нефтяные дисперсные системы» // Современное состояние процессов переработки нефти: материалы научно-практ.
конф.— Уфа, 2004.— С. 33—35.
11.
12.
13.
14.
Доломатов М. Ю., Будрина Н. Г., Тимофеева М. Ю. // Химическая технология.— 2002.— № 2.— С. 15—19.
Доломатов М. Ю., Тимофеева М. Ю. // Химическая технология.— 2004.— №1.— С. 4—7.
Доломатов М. Ю. Химическая физика многокомпонентных органических систем. Часть 1. Физико-химическая теория сложных органических и нефтехимических систем.— Уфа: ИПНХП АН РБ, УТИС, 2000.— 124 с.
Доломатов М. Ю. Пределы науки и фрагменты теории многокомпонентных природных систем.— Уфа: УТИС, 1998.— 120 с.
Доломатов М. Ю. Фрагменты теории реального вещества.— М.: Химия, 2005.— 207 с.
Будрина Н. Г., Доломатов М. Ю., Кутьин Ю. А., Теляшев Э. Г. Направленный синтез полимерных матриц для нефтеполимерных композиционных материалов // Композиционные материалы в промышленности: Материалы 20-й международной конференции и выставки.— Киев: АТП Украины, 2000.— С. 24—34.
Будрина Н. Г., Доломатов М. Ю. Особенности фазовых переходов в многокомпонентных высокомолекулярных системах / Сервис в XXI столетии: Материалы международной научно-практической конференции.— Уфа: УГИС, 2003.
Тагер А. А. Физикохимия полимеров.— М.: Химия, 1978.— 544 с.
Доломатов М. Ю., Доломатова Л. А., Варфоломеев Д. Ф., Ахметов С. А. // Химия твердого топлива. 1988.— №3.— С. 54—56.
Доломатов М. Ю., Тимофеева М. Ю., Будрина Н. Г. Адгезия и фазовые переходы в сложных высокомолекулярных системах. Уч. пос.— Уфа: Уфимский технологический институт сервиса, 2001.— 41 с.
Дезорцев С. В., Доломатов М. Ю., Тимофеева М. Ю., Бухарметова А. М. О связи адгезии и фазовых переходов в многокомпонентных полимерных системах. // Материалы XII международной научно-технической конференции «Строительство. Коммунальное хозяйство. Насосы. Трубопроводы—2008». Том II. Уфа.— 2008.— С. 92—96.
1
2
