CC BY
7Научная статья УДК 691.17
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения, 2.1.5 Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_3_98
ОСОБЕННОСТИ РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОЛУЧЕНИЯ СТОЙКИХ К ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
© Авторы 2023 ПЧЕЛЬНИКОВ Александр Владимирович
SPIN: 1658-0511 кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой Надежности и ремонта AuthorlD: 900532 Новосибирский государственный аграрный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: [email protected])
Аннотация. В статье представлены результаты исследования модифицированных лакокрасочных покрытий с различными нанодобавками. Отмечено, что при бинарном введении углеродных нанотрубок и оксида висмута, достигаются наилучшие результаты адгезионной прочности и механической прочности. Для оптимизации состава наномодифициро-ванного лакокрасочного материала при совместном введении состава с углеродными нанотрубками и оксидом висмута проведен трехфакторный эксперимент, в результате чего определен экстремум функции отклика с соответствующими значениями факторов. Исследование наномодифицированных покрытий на растровом электронном микроскопе позволило определить, что покрытия без наноразмерных добавок имеют неплотную глобулярную структуру, однако при модифицировании нанодобавками глобулы переходят в фибриллярное состояние, и происходит активное взаимодействие углеродных нанотрубок с лакокрасочным материалом с образованием структуры по фрактальному механизму. При совместном введении оптимального значения оксида висмута и углеродных нанотрубок, наблюдается образование гомогенных фрактальных структур, равномерно армирующих весь композит.На основании подобранной рецептуры разработаны рекомендации и технологическая карта по приготовлению бинарномодифицированного лакокрасочного материала наночастицами оксида висмута и составом на основе углеродных нанотрубок.
Ключевые слова: лакокрасочные материалы; наноразмерные добавки; адгезионная прочность; углеродные нанотрубки; оксид висмута; строительные материалы
Благодарности: выражается благодарность за консультацию и поддержку при проведении данного исследования заслуженному работнику высшей школы РФ, доктору технических наук, профессору Пичугину Анатолию Петровичу.
Для цитирования: Пчельников А.В. Особенности рецептурно-технологических решений получения стойких к эксплуатации защитных покрытий для металлоконструкций // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 98-105. do i: 10.51608/26867818_2023_3_98.
Original article
FEATURES OF FORMULATING AND TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR OBTAINING PERFORMANCE-RESISTANT
PROTECTIVE COATINGS FOR METAL STRUCTURES
© The Author(s) 2023 PCHELNIKOV Alexander Vladimirovich
Candidate of Technical Sciences
Novosibirsk State Agrarian University
(Russia, Novosibirsk, e-mail: [email protected])
Abstract. The article presents the results of a study of modified paint coatings with various nanoadditives.It is noted that with the binary introduction of carbon nanotubes and bismuth oxide, the best results in adhesive strength and mechanical strength are achieved.To optimize the composition of the nanomodified paintwork material with the joint introduction of the composition with carbon nanotubes and bismuth oxide, a three-factor experiment was carried out, as a result of which the extremum of the response function was determined with the corresponding values of the factors.The study of nanomodified coatings on a scanning electron microscope made it possible to determine that coatings without nanosized additives have a loose globular structure, however, when modified with nanoadditives, the globules pass into a fibrillar state, and carbon nanotubes actively interact with the paint material with the formation of a structure according to the fractal mechanism.With the joint introduction of the optimal value of bismuth oxide and carbon nanotubes, the formation of homogeneous fractal structures is observed,
uniformly reinforcing the entire composite.Based on the selected recipe, recommendations and a flow sheet for the preparation of a binary-modified paintwork material with bismuth oxide nanoparticles and a composition based on carbon nanotubes were developed.
Keywords: paintwork materials; nanoscale additives; adhesive strength; carbon nanotubes; bismuth oxide; building materials
Acknowledgments: gratitude is expressed for the advice and support during the conduct of this study to the Honored Worker of the Higher School of the Russian Federation, Doctor of Technical Sciences, Professor Pichugin Anatoly Petrovich.
For citation: Pchelnikov A.V. Features of formulating and technological solutions for obtaining performance-resistant protective coatings for metal structures // Expert: theory and practice. 2023. № 3 (22). Рр. 98-105. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_3_98.
Введение. Для объектов различного назначения, эксплуатируемых в условиях с высокой коррозионной активностью (холодный, морской климат, активная химическая среда и др.), необходимо применение защитных покрытий способных сохранять свои качества длительное время [1-8].
Для создания долговечных защитных покрытий в условиях эксплуатации с высокой коррозионной активностью применяют либо порошковые полимерные материалы, либо органические лакокрасочные материалы со специальными добавками. Данные материалы являются дорогостоящими, и/или их применение требует наличия специализированного оборудования [4,9].
Для снижения себестоимости покрытия целесообразнее применять органические лакокрасочные материалы. А для их обеспечения необходимыми эксплуатационными характеристиками вводят модификаторы (в т.ч. наномодификаторы) на этапе приготовления, перед непосредственным применением [4-9]. Однако ввиду сложности получения однородных составов на данном этапе этот способ не имеет широкого применения.
Таким образом,целью работы является разработка технологических решений получения эксплуа-тационностойких защитных покрытий для металлоконструкций за счет подбора вида и концентрации нанодобавок в лакокрасочном материале, вводимых на этапе приготовления.
В связи с этим, актуально находить пути снижения себестоимости и трудоемкости получения высокоэффективных защитных покрытий на металлических поверхностях, за счет введения в лакокрасочный материал перед непосредственным применением легкосмешивамых совместимых наномодифи-каторов.Как известно, наномодификаторы способны обеспечить защитное покрытие целым комплексом свойств, оказывающих положительное влияние при малых концентрациях в составе материала [4, 10-14], а как показали предыдущие исследования авторов, положительный эффект наблюдается уже до 1% концентрации в составе материала[5-9].
Известные способы создания устойчивых к эксплуатации защитных покрытий имеют ряд недо-
статков: высокая концентрация нанодобавок, что приводит к увеличению себестоимости покрытия, сложность приготовления и др. [15-17]. Исходя из этого, перед авторами стояла задача - снизить трудоемкость приготовления модифицированного лакокрасочного материала и повысить эксплуатационную стойкость получаемых покрытий.
Материалы и методы.Для исследования принимались лакокрасочные материалы и модификаторы отечественного производства (эмаль АК-1301, нанодобавки:УНТ, оксид висмута, диоксид кремния, диоксид титана, гидроксид магния, гидроксид алюминия, оксид церия, оксид цинка).Принимались стандартные методы исследования: адгезионная прочность покрытий определялась в соответствии с ГОСТ 32299, прочность к истиранию оценивалась в соответствии с ГОСТ 20811, определение толщины покрытий в соответствии с ГОСТ Р 51694, вязкость лакокрасочных материалов в соответствии с ГОСТ 9070, твердость покрытий в соответствии с ГОСТ 24621.Микроскопическое исследование покрытий проводилось на растровом электронном микроскопе ТеБеапМ1га Зхти, на атомно-силовом микроскопе [\ltegraAura.
Результаты и их обсуждение. По результатам проведенных исследований покрытия, полученные на основе эмали АК-1301 (обоснованной в предыдущих исследованиях [5-8]) без добавления модификаторов обладают адгезией, в среднем 2,2 МПа, при этом характер отрыва испытательного упора от основания 100% адгезионный. Толщина и твердость покрытия составляет 50 - 52 мкм и 63 - 65 ед., соответственно.
Добавление таких модификаторов как гидроксид магния, гидроксид алюминия, оксид церия, оксид цинка приводят к незначительному повышению адгезионной прочности с 2,0 - 2,2 МПа до 2,4 - 2,9 МПа покрытий при незначительном изменении характера отрыва в сторону когезионного. Причем приповышение адгезионной прочности близкое к 3 МПа наблюдается при введении модификаторов более 1% до 2,5 %, а это указывает об экономической нецелесообразности использования наноразмер-ных добавок для этих целей.
Добавление диоксида кремния и диоксида титана приводят к повышению адгезионной прочности покрытия до 2,7 - 3,2 МПа уже при концентрации в составе лакокрасочного материала 1%. При этом, применение диоксида кремния более предпочтительно, так как характер отрыва более когезионный (адгезионно-когезионный - А60 - К40 против А90 -К10 при добавлении диоксида титана), что говорит об истинном значении адгезии, превышающем значение 3,1 Мпа.
При модификации лакокрасочных покрытий оксидом висмута наблюдается более значительное изменение адгезионной прочности. Уже при введении 0,25% модификатора адгезионная прочность возрастает до 2,8 - 3,0 МПа при характере отрыва Ад-гезионно-когезионный (А90-К10). При достижении 1% концентрации в составе лакокрасочного материала адгезия возрастает до 3,5 МПа при характере отрыва преимущественно когезионном (А10-К90), что говорит об истинном значении адгезии существенно превышающем 3,5 МПа [18]. Добавление более 1% оксида висмута существенных изменений адгезионной прочности не вызывает. Стоит отметить, что при введении Оксида висмута наблюдается повышение толщины высушенного лакокрасочного покрытия с 50 - 52 мкм при 0% до 61 - 65 мкм при 1%. В свою очередь это служит предпосылками к применению оксида висмута для создания огнестойких покрытий, так как применение терморасширяющихся материалов - один из эффективных способов повышения огнестойкости. Вместе с тем, при добавлении оксида висмута наблюдается также повышения твердости получаемого покрытия с 63 - 65 до 81 - 88 единиц, что говорит о повышении механической прочности.
При введении в лакокрасочный материал состава с УНТ изменение адгезионной прочности наблюдается уже при самых незначительных концентра циях (от 0,01%), адгезия возрастает с 2,2-2,4 до 2,8 - 3,1 МПа при характере отрыва адгезионной-когезионный А95 - К5. Дальнейшее введение состава с УНТ приводит к еще более стремительному повышению адгезионной прочности и при концентрации 0,5% достигает 4,8 - 5,1 МПа при характере отрыва преимущественной когезионном (А15 - К85), что говорит об истинном значении адгезии значительно превышающем 5 МПа. Также введение в лакокрасочный материал 0,25% и более приводит к существенному повышению вязкости получаемого материала, что в свою очередь приводит к технологическому усложнению применения такого состава и дополнительному расходу разбавителей для достижения требуемого значения вязкости. Привведение состава отмечено некоторое повышение значения твердости покрытия с 63 - 65 до 77 - 79 единиц при 0,5% УНТ, что также говорит о вероятном повышении механической прочности покрытия.
Таблица 1 - Результаты испытаний наномодифицированных покрытий различными добавками
Содержание вЛКМ, % Средняя толщина, мкм Твердость по Шору Истираемость,г Адгезионная прочность, МПа Характер отрыва (адгезионный/ когезионный (А/К)), %
Без добавок
0 50 - 52 63 - 65 0,036 - 0,038 2,2 - 2,4 А-К 100-0
Оксид висмута
0,25 50 - 53 63 - 66 0,034 - 0,037 2,8 - 3,0 А-К 90-10
0,5 52-54 62-67 0,030 - 0,033 3,0-3,3 А-К 90-10
1 61 - 65 81 - 88 0,028 - 0,032 3,3 - 3,5 А-К 10-90
2,5 62 - 66 76 - 82 0,028 - 0,033 3,2 - 3,4 А-К 10-90
5 67 - 72 86 - 94 0,030 - 0,034 3,3 - 3,5 А-К 30-70
Гидроксид магния, гидроксид алюминия
0,25 52 - 55 61 - 64 0,035 - 0,037 2,0 - 2,2 А-К 100-0
0,5 51 - 55 62 - 66 0,035 - 0,039 2,1 - 2,4 А-К 100-0
1 54-60 65-70 0,036 - 0,040 2,3 - 2,7 А-К 95-5
2,5 57 - 62 64 - 68 0,035 - 0,038 2,4 - 2,9 А-К 90-10
Диоксид титана
0,25 52 - 55 63 - 66 0,036 - 0,039 2,3 - 2,5 А-К 95-5
0,5 50 - 52 68 - 74 0,036 - 0,038 2,4 - 2,9 А-К 90-10
1 52 - 55 71 - 78 0,037 - 0,041 2,7 - 3,1 А-К 90-10
2,5 54 - 60 79 - 86 0,036 - 0,039 3,0 - 3,3 А-К 80-20
Диоксид кремния
0,25 50 - 53 63 - 66 0,033 - 0,036 2,3 - 2,6 А-К 90-10
0,5 48 - 51 63 - 69 0,034 - 0,038 2,5 - 2,9 А-К 80-20
1 52 - 55 65 - 71 0,030 - 0,033 2,8 - 3,2 А-К 60-40
2,5 53 - 60 64 - 72 0,031 - 0,035 2,7 - 3,1 А-К 60-40
Оксид церия, оксид цинка
0,25 51 - 54 62 - 65 0,036 - 0,038 2,2 - 2,5 А-К 90-10
0,5 49-53 61-64 0,035 - 0,038 2,3 - 2,5 А-К 90-10
1 50-55 61-63 0,037 - 0,040 2,4-2,8 А-К 90-10
2,5 48 - 52 63 - 67 0,036 - 0,039 2,6 - 2,9 А-К 80-20
Состав с УНТ
0,01 52 - 54 63 - 65 0,032 - 0,036 2,8 - 3,1 А-К 95-5
0,05 50 - 53 66 - 68 0,028 - 0,032 3,4 - 3,7 А-К 90-10
0,1 49 - 52 70 - 73 0,025 - 0,029 3,9 - 4,1 А-К 50-50
0,25 50-52 71-74 0,023 - 0,026 4,3 - 4,5 А-К 50-50
0,5 53-55 77-79 0,022 - 0,026 4,8-5,1 А-К 15-85
Исходя из вышеизложенного, принято решение провести испытание лакокрасочных покрытий модифицированных бинарными составами. Так как наилучшие результаты (таблица 1) показали покрытия модифицированные оксидом висмута и УНТ, также в виду их схожести по диамагнетическим и другим параметрам [19], что дает основание предполагать их совместимость, исследованы покрытия модифицированные данными добавками, результаты которых представлены в таблице 2.
В результате испытаний определено, что при введении в лакокрасочный материал сочетания В1203 1% и УНТ 0,25% не наблюдается выраженного изменения адгезионной прочности, хотя изменяется
характер отрыва в сторону когезионного.Отрицательный эффект наблюдается при введении сочетания В1203 0,5% и УНТ 0,1%, адгезионная прочность снижается практически в 2 раза, по сравнению с образцом без добавок. При введении сочетаний в состав лакокрасочного материала сочетания В1203 0,5% и УНТ 0,05% происходит повышение адгезионной прочности покрытия до 3,6 - 3,8 МПа и характер отрыва становится более когезионный А - К 30 - 70. Однако по сравнению с введением отдельно Оксида висмута 0,5% и отдельно УНТ 0,05% не происходит ярко выраженного изменения и значение адгезионной прочности остается примерно на том же уровне, хотя характер отрыва изменился в сторону когезионного (А30 - К70 против А10 - К90).
Таблица 2 - Результаты испытаний при совместном введении оксида висмута и состава с УНТ
Содержание вЛКМ, % Средняя толщина, мкм Твердость по Шору Истираемость, г Адгезионная прочность, МПа Характер отрыва (адгезионный/ когезионный (А/К)), %
Без добавок
0 50 - 52 63 - 65 0,036 - 0,039 2,2 - 2,4 А-К 100-0
С добавками
Bi2Ü3 0,5% УНТ 0,05% 53 - 55 65 - 68 0,030 - 0,033 3,6 - 3,8 А-К 30-70
BÎ2Û3 0,5% УНТ 0,1% 52 - 55 60 - 63 0,038 - 0,042 1 - 1,2 А-К 100-0
BÎ2Û3 0,5% УНТ 0,25% 51 - 54 70 - 74 0,027 - 0,030 3,3 - 3,6 А-К 80-20
BÎ2Û3 1% УНТ 0,05% 57 - 61 80 - 85 0,028 - 0,032 3,4 - 3,7 А-К 40-60
BÎ2Û3 1% УНТ 0,1% 55 - 59 87 - 90 0,021 - 0,025 4,5 - 4,8 А-К 30- 70
BÎ2Û3 1% УНТ 0,25% 55 - 60 64 - 67 0,033 - 0,038 1,8 - 2,1 А-К 20- 80
ного (оксид висмута 1% - 3,3 - 3,5 МПа при характере отрыва А - К 10 - 90; УНТ 0,1% 3,9 - 4,1 МПа при характере отрыва А - К 50 - 50).
Сочетание Bi2O3 1% и УНТ 0,1% позволяет получать покрытие наравне и даже превышающее по адгезии, чем отдельно УНТ 0,25%: 4,1 - 4,4 МПа при характере отрыва А30-К70 против 4,3 - 4,5 МПа при характере отрыва А30-К70. В виду этого возможно говорить о получении синергетического эффекта при совместном введении Bi2O3 1% и УНТ 0,1%.
При исследовании образцов наномодифици-рованных покрытийна растровом электронном микроскопе при ускоряющем напряжении 15 кВи сигналами от одного детектора (BSE) выявлено следующее (рисунок1): покрытия без наноразмерных добавок (рисунок 1а) имеют неплотную глобулярную структуру, однако при модифицировании нанодо-бавками глобулы переходят в фибриллярное состояние, и происходит активное взаимодействие углеродных нанотрубок с лакокрасочным материалом с образованием структуры по фрактальному механизму (рисунок 1б). В дальнейшем, при совместном введении оксида висмута и углеродных нанотрубок, наблюдается образование гомогенных фрактальных структур, равномерно армирующих весь композит (рисунок 1в). Отмечено также, что при большем содержании углеродные нанотрубки агрегируют, образуя дефекты структуры.
Похожая ситуация наблюдается и при введении сочетания В1203 0,5% + УНТ 0,25% и В1203 1% + УНТ 0,05%. Адгезионная прочность по сравнению с контрольным образцом возрастает с 2,2 - 2,4 до 3,3 -
3.7 МПа и характер отрыва меняется в сторону когезионного (А80 - К20). Однако по сравнению с введением отдельно Оксида висмута и отдельно УНТ не происходит ярко выраженного изменения адгезионной прочности .
При введении сочетания В1203 1% и УНТ 0,1% адгезионная прочность возрастает с 2,2 - 2,4 до 4,5 -
4.8 МПа при измененном характере отрыва в сторону когезионного А30 - К70. По сравнению с введением отдельно оксида висмута 1% и УНТ 0,1% происходит также повышение адгезионной прочности и изменение характера отрыва в сторону когезион-
Рис. 1 -Микроструктура наномодифицированного защитного акрилового покрытия: а - без наноразмерных добавок; б - с добавкой углеродных нанотрубок (УНТ) 0,1%; в - с добавками УНТ 0,1% и оксида висмута 1%
Для оптимизации состава наномодифициро-ванного лакокрасочного материала при совместном
в
введении состава с углеродными нанотрубками и оксидом висмута проведен трехфакторный эксперимент плана В-Э13, который позволяет получать нелинейные квадратичные модели, обладает хорошими статистическими характеристиками и является наиболее подходящим при определении технологических параметров материалов, а также подбора рецептур [20].Построение функциональных моделей экспериментальных зависимостей свойств объекта исследования от переменных параметров осуществлялось с помощью программно-алгоритмического средства обработки данных трехфакторного планированного эксперимента В-Э13.
Факторы и уровни варьирования представлены в таблице 3. В качестве факторов приняты: - содержание в лакокрасочном материале состава с углеродными нанотрубками, %, содержание наноок-сида висмута, %, содержание разбавителя, %.
Таблица 3 - Факторы и интервалы их варьирования
Нижний уровень (-1) Основной уровень (0) Верхний уровень (+1) Интервал варьирования Наименование фактора
0,075 0,1 0,125 0,025 Состав с УНТ,%
0,750 1,0 1,250 0,250 Нанооксид висмута, %
0 10 20 10 Разбави-тел ь, %
Таблица 4 - План эксперимента и выходные параметры опытов
Номер опыта Матрица планирования Натуральные значения переменных Выходной параметр (Адгезионная прочность, МПа)
x1 x2 x2 Состав с УНТ,% оксид висмута, % Разбавитель, % y (опыт 1) y (опыт 2) y (опыт 3)
1 -1 -1 -1 0,075 0,750 0 3,8 3,6 3,7
2 +1 -1 -1 0,125 0,750 0 4,3 4,2 4,2
3 -1 +1 -1 0,075 1,250 0 3,5 3,4 3,3
4 -1 -1 +1 0,075 0,750 20 3,8 3,6 3,7
5 -1 0,19 0,19 0,075 1,048 11,9 4,3 4,2 4,3
6 0,19 -1 0,19 0,1048 0,750 11,9 4,2 4,0 4,1
7 0,19 0,19 -1 0,1048 1,048 0 4,6 4,5 4,5
8 -0,29 + 1 + 1 0,0928 1,250 20 4,2 4,1 4,1
9 + 1 -0,29 + 1 0,125 0,928 20 3,8 3,6 3,7
10 + 1 +1 -0,29 0,125 1,250 7,1 3,4 3,3 3,4
План эксперимента и значения выходных параметров представлены в таблице 4.
Таблица 5 - Коэффициенты уравнения математической модели
Коэффициент Значение
Ь0 4,553
Ь1 -0,101
Ь2 -0,111
Ь3 -0,074
Ь11 -0,412
Ь12 -0,128
Ь13 -0,24
Ь22 -0,5
Ь23 0,166
Ь33 -0,03
На основании результатов испытаний и расчетов в соответствии с таблицами 4 и 5 уравнение математической модели выглядит следующим образом: у=4,553-0,101-Х1-0,111-Х2-0,074-Хз-0,412-Х12-
0,5-Х22-0,03-Хз2-0,128-Х1-Х2- (1)
0,24^Х3+0,166^Х3 После получения математической модели производится проверка значимости (отличия от нуля) коэффициентов модели и ее адекватность. Проверка коэффициентов на значимость производится с помощью критерия Стьюдента (г-критерия). Расчетное значение 1>критерия сравнивается с табличным 1:табл для выбранного уровня значимости (как правило, 5%) и данного числа степеней свободы 1\1(т-1). При табличном к 1табл коэффициент Ь считается значимым. Проверка адекватности математической модели производится по критерию Фишера (Р-критерий).
Расчетное значение Р-критерия сравнивается с табличнымРтабл для выбранного уровня значимости (как правило, 5%) и чисел степеней свободы 1\(т-1) и (1\-пз). При Р<Ртаблуравнение математической модели считается адекватным. Результаты статистической обработки модели отображаны ниже. Дисперсия воспроизводимости в параллельных опытах: 0,007;
Число степеней свободы: 20;
Табличное значение критерия Стьюдента: 2,09.
Таблица 6 - Критерии Стьюдента и значимость коэффициентов модели (1/0 - значимый/незначимый)
В качестве выходного параметра принята адгезионная прочность покрытия, МПа. Для определения воспроизводимости измерений выходного параметра проведено по 3 параллельных испытания.
Параметр t-критерий Значимость
Ь0 59,853 1
Ь1 3,102 1
Ь2 3,409 1
Ь3 2,273 1
Ь11 6,547 1
Ь12 3,298 1
Ь13 6,183 1
Ь22 7,946 1
Ь23 4,277 1
Ь33 0,477 0
Дисперсия адекватности математической модели: 0,012;
Число степеней свободы при значимых коэффициентах: 1;
Табличное значение критерия Фишера: 4,35; Расчетное значение критерия Фишера: 1,71.
В результате выполненных расчетов можно сделать вывод по адекватности математической модели:
По критерию Фишера уравнение математической модели является адекватным. Модель применима для решения производственных задач.
В виду того что на адгезионную прочность концентрация разбавителя практически не оказывает влияния в качестве постоянного фактора принят Х3 (концентрация разбавителя, %).
Исходя из этого преобразованное уравнение математической модели с учетом постоянного фактора выглядит следующим образом: у=4,553-0,101Х1-0,111-Х2-0,412-Х12-0,5Х22-
0,128^X1X2 ( )
На основании полученного уравнения регрессии построена диаграмма линий равного уровня (рисунок 2) из которой следует, что экстремум функции отклика находится в пределах варьирования переменных факторов. Значение экстремума составляет У0р= 4,564 МПа. Экстремуму функции отклика соответствуют значения факторов: Х1= -0,107 (0,097) и
Х2= -0,097 (0,976) при Хз=0. Таким образом оптимальными значениями концентрации нанодобавок в лакокрасочном материале при их совместном введении являются: состав с углеродными нанотрубками -0,097%, оксид висмута - 0,976%.
На основании результатов проведенных исследований определена оптимальная концентрация нанодобавок в лакокрасочном материале для обес-
Таблица 7 - Технологическая карта по приготовлению бинарномодифицированного лакокрасочного материала
Наименование операции Описание Оборудование, инструмент Материалы Условия
1 2 3 4 5
1.Введение наноча-стиц Введение в лакокрасочный материал наноок-сида висмута 1%,масс Мерная емкость, дозатор, аналитические весы Эмаль АК-1301, нанооксид Висмута В^03 Проводят в помещении или на открытом воздухе при температуре не ниже 18°С
2. Смешение Смешение нанооксида висмута в ЛКМ до однородности Мерная емкость, Перемешивающее устройство с насадкой Эмаль АК-1301, нанооксид Висмута В^03 Частота вращения устройства 500-2000 об/мин, диаметр насадки 300-100 мм. (в зависимости от част. вращ.) время 10-15 мин, темп. не ниже 18°С
3. Контроль качества Оценка однородности смешения в соотв. с ГОСТ 31973 Мерная емкость, Прибор для определения степени перетира Эмаль 1301 (с ВЬ03) Размер частиц < 15 мкм, темп.не ниже 18°С. При необходимости увеличить время смешения
4. Введение наноча-стиц Введение в ЛКМполу-ченный после оп. 3 состава с УНТ 0,1%,масс Мерная емкость, дозатор, аналитические весы Эмаль 1301 (с В1203), Состав с УНТ ТМ 204 Проводят в помещении или на открытом воздухе при температуре не ниже 18°С
5. Смешение Смешение состава с УНТ в ЛКМ полученным после оп. 3 до однородности Мерная емкость, Перемешивающее устройство с насадкой Эмаль 1301 (с В1203), Состав с УНТ ТМ 204 Частота вращения устройства 500-2000 об/мин, диаметр насадки 300-100 мм. (в зависимости от част. вращ.) время 10-15 мин, темп. не ниже 18°С
6. Контроль качества Оценка однородности смешения в соотв. с ГОСТ 31973 Мерная емкость, Прибор для определения степени перетира Эмаль 1301 (с В^03и составом с УНТ) Размер частиц < 15 мкм, темп. не ниже 18°С При необходимости увеличить время смешения
печения эксплуатационной стойкости покрытий для металлоконструкций. Поставленная авторами задача снижения трудоемкости приготовления модифицированного лакокрасочного материала и повышения эксплуатационнойстойкости получаемых покрытий, достигается введением в лакокрасочный материал на основе акриловых сополимеров наноча-стиц оксида висмута, в количестве 1%, от массы лакокрасочного материала, и состава с углеродными нанотрубками, в количестве 0,1%, от массы лакокрасочного материала.
Введение данных добавок в состав эмали на основе акриловых сополимеров позволяет добиться синергетического эффекта по отношению большинства важнейших характеристик получаемого лакокрасочного покрытия, отвечающих за противокоррозионную защиту в различных условиях эксплуатации: адгезионная прочность, прочность к истиранию, химическая стойкость, огнестойкость и др.
Как показали проведенные ранее испытания, применяемые добавки являются легко смешиваемыми механическим способом, на этапе приготовления к применению, с эмалью на основе акриловых сополимеров, и в сочетании позволяют добиться си-нергетического эффекта (таблицы 1, 2).
Ниже представлена технологическая карта (таблица 7) по приготовлениюбинарномодифициро-ванного лакокрасочного материала наночастицами оксида висмута и составом на основе УНТ.
Заключение.Порезультатам проведенных исследований определены оптимальные концентрации нанодобавок оксида висмута (1%) и углеродных нанотрубок (0,1%) в лакокрасочном материале, позволяющие добиться повышения эксплуатационной стойкости защитных покрытий металлоконструкций. На основании подобранной рецептуры разработана технологическая карта получения бинарномодифи-цированного лакокрасочного материала и получен патент № 2787758 «Модифицированный лакокрасочный материал» [9].Производственная апробация полученных результатов окрашивания металлоконструкций на ряде предприятий Новосибирской области показала, что получаемые покрытия обладают в 2-3 раза большим сроком службы, по сравнению с традиционными покрытиями [5].Таким образом, полученный состав наномодифицированного лакокрасочного материала рекомендован к использованию для металлических конструкций, работающих в условиях агрессивной среды при воздействии механических, химических, атмосферных и других нагрузок.
Библиографический список
1.Логанина, В. И. оценка напряженного состояния лакокрасочных покрытий в зависимости от шероховатости их поверхности / В. И. Логанина, М. А. Светалкина, М. В. Арискин // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2023. - № 2(770). - С. 36-43.
2.Логанина, В. И. Влияние толщины лакокрасочного покрытия на вероятность его растрескивания / В. И. Логанина // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2023.
- Т. 23, № 2. - С. 25-30.
3.Повышение эксплуатационных характеристик защитных композитов / В. С. Лесовик, Р. С. Федюк, А. М. Грид-чин, Г. Мурали // Строительные материалы. - 2021. - № 9.
- С. 32-40.
4. Шашок Ж.С., Прокопчук Н.Р. Применение углеродных наноматериалов в полимерных композициях. Минск: БГТУ, 2014. 232 с.
5. Оценка эффективности использования нанодобавок в защитных покрытиях / А. П. Пичугин, А. В. Пчельников, В. Ф. Хританков, А. К. Туляганов // Строительные материалы. - 2023. - № 3. - С. 20-26.
6. Исследование влияния мелкодисперсных порошковых материалов на свойства защитных покрытий машин АПК / А. П. Пичугин, А. П. Илясов, А. В. Пчельников [и др.] // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2021. -№ 7. - С. 36-40.
7. Диэлькометрический анализ эксплуатационных характеристик и процесса старения защитных покрытий / А. В. Пчельников, А. П. Пичугин, Р. В. Луцик, С. Е. Тка-ченко // Эксперт: теория и практика. - 2022. - № 1(16). - С. 14-22.
8. Роль нанодобавок в формировании прочного контактного слоя защитных покрытий / А. В. Пчельников, А. П. Пичугин, В. Ф. Хританков, О. Е. Смирнова // Строительные материалы. - 2022. - № 7. - С. 45-50.
9.Патент № 2787758 С1 Российская Федерация, МПК С09Э 5/08, С09Э 131/00, С09Э 133/08. Модифицированный лакокрасочный материал : № 2022115424 : заявл. 06.06.2022 : опубл. 12.01.2023 / А. В. Пчельников, А. П. Пичугин, В. Ф. Хританков [и др.] ; заявитель ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ.
10.Хозин, В. Г. Общая концентрационная закономерность эффектов наномодифицирования строительных материалов / В. Г. Хозин, Л. А. Абдрахманова, Р. К. Низамов // Строительные материалы. - 2015. - № 2. - С. 25-33.
11. Оксид графена как модификатор цементных систем: анализ состояния и перспективы развития / В. В. Строкова, С. К. Лакетич, В. В. Нелюбова, Ж. Йе // Строительные материалы. - 2021. - № 1-2. - С. 37-90.
12. Нелюбова, В. В. Структура и свойства нанодис-персного кремнезема, синтезированного золь-гель методом / В. В. Нелюбова, Е. О. Кузьмин, В. В. Строкова // Строительные материалы. - 2022. - № 12. - С. 38-44.
13.Исследование методом оптической микроскопии высокого разрешения структуры и морфологии наноц-еллюлозы - микродобавки строительных композитов / Л. Ю. Матвеева, М. В. Мокрова, В. И. Хирхасова, И. В. Баранец // Вестник гражданских инженеров. - 2021. - № 1(84). - С. 109-116.
14.Канаева, Н. С. Релаксационные свойства полимерных материалов на основе эпоксидных связующих / Н. С. Канаева, Д. Р. Низин, Т. А. Низина // Эксперт: теория и практика. - 2022. - № 3(18). - С. 42-46.
15. Патент № 2537001 Российская Федерация, МПК С09Э 5/08 Однослойный антикоррозионный лакокрасочный материал на основе эпоксидного связующего с углеродными нанотрубками / С.А. Запрягаев, Е.В. Бутырская,
Л.С. Нечаева. - № 2012151169; заявл. 28.11.2012, опубл. 27.12.2014 г. Бюл. № 16
16. Патент № 2654959 Российская Федерация, МПК C01B 32/174 Суперконцентрат углеродных нанотрубок и способ его получения / М.Р. Предтеченский, Е.С. Ильин, Д.С. Чебочаков. - № 2016116139; заяв. 25.04.2016, опубл. 23.05.2018 г. Бюл. № 15
17. Патент № 2312874 Российская Федерация, МПК C09D 5/08 Антикоррозионное покрытие с углеродными нанотрубками заполненными цинком / С.С. Меркулов, А.Б. Новиков, Б.И. Ройтман. - № 2006109414; заявл. 24.03.2006, опубл. 20.12.2007 г. Бюл. № 35
18. Зимон, А. Д. Адгезия пленок и покрытий / А.Д. Зимон. - М.: Химия, 1977. -52 с.
19. Диамагнетики: магнитная восприимчивость, свойства, примеры [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://wiki.fenix.help/fizika/diamagnetiki? [Дата обращения: 15.06.2023].
20.Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. - 2-е изд.
- М.:Финансы и статистика, 1981.-263 с.
Bibliographic list
1. Loganina, V. I., Svetalkina, M. A., Ariskin, M. V., Evaluation of the stress state of paintwork coatings depending on their surface roughness, IzvestiyaVys-shikhUchebnykhZavedenii. Construction. - 2023. - No. 2 (770).
- S. 36-43.
2. Loganina, V. I. Influence of the thickness of the paint coating on the probability of its cracking / V. I. Loganina // Bulletin of the South Ural State University. Series: Construction and architecture. - 2023. - T. 23, No. 2. - S. 25-30.
3. Improving the performance of protective composites / V. S. Lesovik, R. S. Fedyuk, A. M. Gridchin, G. Murali // Construction materials. - 2021. - No. 9. - P. 32-40.
4. ShashokZh.S., Prokopchuk N.R. Application of carbon nanomaterials in polymer compositions. Minsk: BSTU, 2014. 232 p.
5. Pichugin A. P., Pchelnikov A. V., Khritankov V. F., Tul-yaganov A. K. Evaluation of the effectiveness of the use of nano-additives in protective coatings // Building materials. -2023. - No. 3. - S. 20-26.
6. A. P. Pichugin, A. P. Ilyasov, A. V. Pchelnikov [et al.] Investigation of the influence of finely dispersed powder materials on the properties of protective coatings for agricultural machinery // Remont. Recovery.Modernization. - 2021. -No. 7. - P. 36-40.
7. Pchelnikov A. V., Pichugin A. P., Lutsik R. V., Tkachenko S. E. Dielcometric analysis of operational characteristics and the aging process of protective coatings // Expert: theory and practice. - 2022. - No. 1(16). - S. 14-22.
8. The role of nanoadditives i n the formation of a strong contact layer of protective coatings / A. V. Pchelnikov,
A. P. Pichugin, V. F. Khritankov, O. E. Smirnova // Building materials. - 2022. - No. 7. - P. 45-50.
9. Patent No. 2787758 C1 Russian Federation, IPC C09D 5/08, C09D 131/00, C09D 133/08. Modified paint material : No. 2022115424 : Appl. 06/06/2022 : publ. January 12, 2023 / A. V. Pchelnikov, A. P. Pichugin, V. F. Khritankov [and others]; applicant FGBOU VO Novosibirsk State Agrarian University.
10. Khozin, V. G. General concentration pattern of the effects of nanomodification of building materials / V. G. Khozin, L. A. Abdrakhmanova, R. K. Nizamov // Building materials. - 2015. - No. 2. - S. 25-33.
11. Graphene oxide as a modifier of cement systems: analysis of the state and development prospects / V. V. Strokova, S. K. Laketich, V. V. Nelyubova, J. Ye // Building materials. - 2021. - No. 1-2. - S. 37-90.
12. Nelyubova, V. V. Structure and properties of nano-dispersed silica synthesized by the sol-gel method / V. V. Nelyubova, E. O. Kuzmin, V. V. Strokova // Building materials. -2022. - No. 12. - P. 38-44.
13. Matveeva L. Yu., Mokrova M. V., Khirkhasova V. I., Baranets I. V. Investigation by high-resolution optical microscopy of the structure and morphology of nanocellulose - microadditives of building composites // Vestnikgrazhdan-skikhinzhenerov. - 2021. - No. 1 (84). - S. 109-116.
14. Kanaeva, N. S., Nizin D. R., Nizina T. A. Relaxation properties of polymeric materials based on epoxy binders // Expert: theory and practice. - 2022. - No. 3(18). - S. 42-46.
15. Patent No. 2537001 Russian Federation, IPC C09D 5/08 Single-layer anti-corrosion paintwork material based on an epoxy binder with carbon nanotubes / S.A. Zapryagaev, E.V. Butyrskaya, L.S. Nechaev. - No. 2012151169; dec. 11/28/2012, publ. December 27, 2014 Bull. No. 16
16. Patent No. 2654959 Russian Federation, IPC C01B 32/174 Superconcentrate of carbon nanotubes and method for its production / M.R. Predtechensky, E.S. Ilyin, D.S. Chebochakov. - No. 2016116139; dec. 04/25/2016, publ. May 23, 2018 Bull. No. 15
17. Patent No. 2312874 Russian Federation, IPC C09D 5/08 Anti-corrosion coating with carbon nanotubes filled with zinc / S.S. Merkulov, A.B. Novikov, B.I. Roitman. - No. 2006109414; dec. 03/24/2006, publ. December 20, 2007 Bull. No. 35
18. Zimon, A.D. Adhesion of films and coatings / A.D. Simon. - M.: Chemistry, 1977. -52 p.
19. Diamagnets: magnetic susceptibility, properties, examples [Electronic resource]. - Access mode: https://wiki.fenix.help/fizika/diamagnetiki? [Date of access: 06/15/2023].
20. Statistical methods of experiment planning in feasibility studies. - 2nd ed. - M.: Finance and statistics, 1981. -263 p.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила в редакцию 17.06.2023; одобрена после рецензирования 21.08.2023; принята к публикации 21.08.2023. The authors declare no conflicts of interests.
The article was submitted 17.06.2023; approved after reviewing 21.08.2023; accepted for publication 21.08.2023.
