Научная статья на тему 'Особенности распределения и взамодействия микрочастиц алюминия в композиционных покрытиях с полимером натрий - карбоксиметилцеллюлозой'

Особенности распределения и взамодействия микрочастиц алюминия в композиционных покрытиях с полимером натрий - карбоксиметилцеллюлозой Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
32
28
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Антонова Н. М., Бурлаков А. А., Неелова И. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Особенности распределения и взамодействия микрочастиц алюминия в композиционных покрытиях с полимером натрий - карбоксиметилцеллюлозой»

УДК 621. 762:678.546

Антонова Н.М.1, Бурлаков А.А.2, Неелова И.А.3

!Канд.техн.наук, доцент кафедры естественно - научных дисциплин КИ (Ф) (ЮРГТУ-НПИ), г. Каменск-Шахтинский, 2студент КИ (Ф) ЮРГТУ (НПИ), г. Каменск-Шахтинский, Значаль-

ник НИЛ ФПКП «Комбинат «Каменский»

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ВЗАМОДЕЙСТВИЯ МИКРОЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЯХ С ПОЛИМЕРОМ НАТРИЙ -

КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗОЙ

Введение

Исследование функциональных свойств защитных композиционных покрытий представляет большой научный и практический интерес. Использование различных видов наполнителей позволяет получать новые материалы с возможностью селективного выбора свойств, необходимых для нужд конкретной области применения. Антикоррозионные композиционные покрытия (КП), изготавливаемые из полимерных суспензий, наполненных порошком алюминия, используются в химической промышленности для защиты стальных емкостей от агрессивных сред. Ранее нами исследовались механические свойства таких КП [1, 745; 2, 421]. Было установлено, что повышение механических характеристик покрытий достигается за счет наполнения композиции порошком Al. В значительной степени механические свойства обусловлены характером распределения микрочастиц металла в полимерной матрице, особенностями межчастичных взаимодействий и взаимодействий с макромолекулами полимера. Настоящая работа является продолжением проведенных исследований.

Цель работы - изучить особенности распределения и взаимодействия микрочастиц порошка Al с полимером натрий - карбоксиметилцеллюлозой (Na-КМЦ).

Материалы и методики исследований

Объекты исследований. В качестве объектов исследований в настоящей работе были выбраны очищенный порошок Na-КМЦ, пластификатор глицерин, порошок алюминия сферического дисперсного АСД - 1 с размерами частиц < 25 мкм. Рассев порошка производился на электростатическом анализаторе ЭЛСА-2. Составы получали смешиванием при температуре (25+1)0 C гелеобразного 2,5 % водного раствора очищенного порошка Na -КМЦ с пластификатором глицерином, частицами порошка алюминия. В качестве растворителя использовали дистиллированную воду. Покрытия формировали на фторопластовых подложках. Оптимальные сочетания компонентов, обеспечивающих высокие механические характеристики КП, наполненного порошком алюминия, были определены с помощью программного обеспечения, разработанного в среде Microsoft Visual 2008 и подтверждены экспериментально [3,76]. Используемые в настоящей работе соотношения компонентов представлены в таблице 1.

Морфология КП. Морфологические особенности структуры КП, сформированных на фторопластовых подложках, форму, размер металлических частиц исследовали с помощью электронно-сканирующего микроскопа Quanta 200 в спектре вторичных и обратно рассеянных электронов.

ИК - спектроскопия. ИК спектры регистрировали на спектрофотометре Varian Excalibur 3100 FT-IR в интервале 600-4000 см-1 методом НВПО (нарушенное полное внутреннее отражение).

Таблица 1

Состав и температура формирования образцов КП

Состав: раствор № - КМЦ + глицерин + А1 соотношение, мас.доли Т, 0С Толщина покрытия, мкм

100,0+3,6+5,5 80 60

Результаты и их обсуждение

Материал, полученный на основе композиции таблицы 1, представлял собой полимерную матрицу толщиной 50^60 мкм. Механические свойства таких пленок нами исследовались ранее [1, 745; 2, 421] и в данной работе не рассматриваются. На рис. 1, а, приведено РЭМ - изображение поверхности КП, сформированной на фторопластовой подложке, на рис. 1, б - на воздухе. Микрочастицы А1 сравнительно равномерно распределены в матрице. Гистограмма распределения по размерам частиц порошка А1 в КП, для поверхности, сформированной на фторопластовой подложке, приведена на рис. 2, а, поверхности, сформированной на воздухе - на рис. 2, б. Здесь N общее число просчитанных частиц, AN - число частиц, попавшее в интервал диаметров. Из гистограмм и РЭМ -изображений видно, что на поверхности, снятой с фторопласта, наблюдается более активное слипание частиц в агломераты, чем на поверхности, сформированной на воздухе. Агломераты образованы частицами, преимущественно, размерами < 10 мкм. Если для поверхности, сформированной на воздухе, доля частиц размерами < 5 мкм достигает 80 %, то для поверхности, сформированной на фторопласте, уменьшается до 63 %. Одновременно доля частиц больших размеров возрастает за счет образования агломератов из частиц мелкой фракции, в результате слипания таких микрочастиц. Таким образом, вследствие седиментации, на микронеровностях поверхности фторопластовой подложки образуются сравнительно упорядоченно расположенные агломераты из микрочастиц мелкой фракции. Следует отметить, что, принадлежа одновременно адгезиву и субстрату, такие образования повышают прочность сцепления КП с защищаемой поверхностью за счет механического сцепления. Пластификатор снижает внутренние напряжения и сообщает КП эластичность.

Рис.1. Поверхность КП, содержащего порошок алюминия: сформированная на фторопластовой подложке - (а); на воздухе - (б)

А N %

—, % N

100 80 60" 40 20 0-

63

18

9

7

3

10 15 20 25 30

d, мкм

а)

100 80 60 40 20 0

12

6

1,2 0,8

10 15 20 25 30

d, мкм

б)

Рис.2. Гистограмма распределения по размерам частиц порошка алюминия на поверхности КП: сформированной на фторопластовой подложке - (а); на воздухе - (б)

Взаимодействие полимера с металлическими частицами, окруженными буферной оксидной пленкой, осуществляется физическим путем (процессами, обусловленными силами Ван-дер-Ваальса, дипольными взаимодействиями и слабыми водородными связями). Исследования, проведенные методами ИК - спектроскопии, говорят в пользу образования водородных связей между макромолекулами и наполнителем А1. В спектрах присутствует полоса поглощения в области 3350-3200 см"1, что соответствует полосе поглощения валентных колебаний ОН - группы. Интенсивность этой полосы для образца КП, содержащего А1 (рис. 3, б), значительно больше, чем для образца порошковой №-КМЦ (рис. 3, а). Полоса поглощения в области 1590 см-1 присутствующая в обоих спектрах, соответствует группе С=О при внутримолекулярной водородной связи, на что указывает широкая полоса поглощения в области 3350-3200 см-1. Увеличение интенсивности полосы поглощения группы ОН (3292 см-1) в спектре покрытия с А1 и уменьшение интенсивности полосы поглощения 1593 см-1, соответствующие группе С=О, по сравнению со спектром порошковой №-КМЦ, указывает на нарушение водородной связи и внедрении в связь гидроксилов гидрооксиалюминия [4, 33].

5

5

0.05 -

а)

0.04-

« 0.03

Ш

м и

ь

0.02 -

0.01

0.00

I ■ ■ - ■ I_«_I ■ ■ ■ _ I

т

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 300

V. см

я

М

>>

0.05-

0.04-

« 0.03

0.02 -

0,01 -

0.0 0

1-1-1-1-1-Г-г-1-1-1-г-

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 300

V. см

Рис. 3. ИК - спектр образца: порошка №-КМЦ - (а); КП - (б)

Выводы

1. Изучено распределение металлических частиц в композиционных покрытиях на основе Na - КМЦ, наполненных порошком Al. Агломераты из мелких фракций порошка Al, локализованные во впадинах защищаемой поверхности и на границе раздела «адгезив -субстрат» выполняют роль анкерных элементов, улучшающих адгезию КП за счет механического сцепления.

2. Пластификатор глицерин снижает внутренние напряжения в КП. Упрочнение структуры композиционной системы, содержащей наполнитель Al происходит за счет водородных связей, доступных для взаимодействия в ОН - группах Na-КМЦ.

Литература

1. N. M. Antonova, V.I. Kulinich // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. - 2008. - Vol. 2, № 5. - P. 744-747

2. N. M. Antonova // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. - 2009. - Vol. 50, № 4. - P. 419-423

3. Н.М. Антонова, Н.А.Меркулова, И.А. Неелова. // Изв.вузов. Сев.-Кавк.рег. Техн.науки. 2010. №2. С. 75-78.

4. Л.А. Казицына, Н.Б. Куплетская. Применение УФ-, ИК- и ЯМР- спектроскопии в органической химии. М., «Высш. школа», 1971. 264 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.