CC BY
30
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. ПРИМЕНЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ ДЛЯ СУШКИ КРАСОК, ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ВУЛКАНИЗАЦИИ РЕЗИН
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: labimanod@uzsci.net
Аннотация: работа посвящена изучению процесса полимеризации красок и вулканизации резины с применением излучателей на основе функциональной керамики. Показано, что основные свойства объектов, существенно лучше, чем полученных по традиционной технологии. Установлено, что трудоемкость и затраты энергии снижаются в десятки раз.
Ключевые слова: керамические материалы, оксидные материалы, инфракрасные преобразователи, оптическая керамика, полимерные краски, резина, вулканизация, элементов, технологический процесс, импульсные системы.
APPLICATION OF FUNCTIONAL CERAMICS FOR DRYING THE PAINT, POLYMERIZATION OF HIGH-MOLECULAR COMPOUNDS AND VULCANIZATION OF RUBBERS
Rakhimov Rustam Khakimovich, doctor of technical Sciences, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Yermakov Vladimir Petrovich, senior research associate, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: labimanod@uzsci.net
Abstract: this study focuses on the polymerization process of curing rubber with the use of emitters based on functional ceramic. It is shown that basic properties of objects are significantly better than those obtained by traditional technology. It is established that the complexity and energy costs are reduced tenfold.
Index terms: ceramic materials, oxide materials, infrared transducers, optical ceramics, plastics, paint, rubber, vulcanization, elements, process, pulse systems.
Предлагаемый метод вулканизации резин и полимеризации высокомолекулярных соединений основан на применении специальных излучателей, покрытых функциональными керамиками, синтезированными из жидкой фазы оксидных компонентов, плавлением в солнечной печи (БСП, Паркент), что позволило получить необходимый однородный стехиометриче-ский состав. Это обеспечивает воспроизводимость свойств целевого материала. Применение данных излучателей, позволило значительно активизировать химические реакции полимеризации высокомолекулярных соединений и ускорить процесс вулканизации резин.
Процесс полимеризации состоит в последовательном многократном присоединении молекул мономеров друг к другу. Эта реакция имеет свободно-радикальный характер. Сущность радикальной полимеризации состоит в возникновении свободных радикалов, которые растут до образования макромолекулы в результате последовательного присоединения к ним молекул мономера, превращаясь после каждого акта присоединения снова в свободный радикал. Образование первичных радикалов при полимеризации резины происходит по принципу термического инициирования. В этом случае обра-
зуются многочисленные радикалы, которые дают короткие цепи макромолекул, так как при высоких температурах одновременно ускоряется и реакция рекомбинации радикалов, что, в конечном итоге, приводит к обрыву цепи. В то же время, скорость фотополимеризации в малой степени зависит от температуры и пропорциональна квадратному корню из интенсивности облучения. При термической полимеризации повышение температуры значительно больше влияет на инициирование, чем на рост и обрыв цепи. Если облучать полимеры ИК преобразователями, химические реакции, приводимые к росту цепи полимеров, ускоряются без значительного нагрева.
Функциональная керамика, используемая для таких излучателей, была синтезирована из жидкой фазы из оксидных компонентов плавкой в солнечной печи (БСП, Паркент). Гелио-плавка позволила получить необходимый однородный сте-хиометрический состав. Это обеспечило воспроизводимость всех характеристик функциональной керамики. Керамический материал состоит из двух основных компонентов, один из которых вырабатывает импульсное излучение высокой плотности в ИК-диапазоне, а второй - пропускает ИК-излучение до 40 мкм. Изменяя соотношение этих составляющих, можно
ПРИМЕНЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ ДЛЯ СУШКИ КРАСОК, ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ВУЛКАНИЗАЦИИ РЕЗИН
Рахимов Р. Х., Ермаков В. П.
получать большее или меньшее количество импульсов, которые и приводят к образованию свободных радикалов. Таким образом, появляется возможность изменения длины цепи конечного материала, за счет подбора соотношения составляющих керамического материала и изменения подаваемой на излучатель мощность.
Новый метод применения ИК преобразователей, на основе функциональной керамики, значительно ускоряет производственный процесс, увеличивая экономическую эффективность, при этом повышаются и качественные характеристики готовых изделий. Например, резина, изготовленная из синтетического каучука, приобретает свойства высокоэластичных резин, характерные для натурального каучука - данная технология позволяет повышать эластичность резины при одновременном увеличении прочности на разрыв и стойкости к истиранию. Другие свойства также могут быть изменены при соответствующем подборе режимов обработки и видов используемой керамики.
Полная сушка меламиновых эмалей проходит максимум за 5 минут, при относительно низких температурах. Например, автомобильная эмаль марки МЛ-1111 (ГОСТ20481-80), обычными методами сушится при разогреве поверхности до температуры не менее 130оС в течение 30 минут. С применением специальных керамических преобразователей, время сушки, в зависимости от структуры окрашиваемого материала и плотности лучевого потока, составляет от 7 секунд до 5 минут, причем, температура в данном случае не имеет значения. Адгезия и стойкость окрашенной поверхности к механическим воздействиям (твердость, растяжение на изгиб, прямой удар и т. п.) - повышаются. Кроме того, нет необходимости проводить одну из самых трудоемких операций -обезжиривание окрашиваемых деталей. Еще одним преимуществом данного метода является то, что нет необходимости разбирать аппаратуру на отдельные части. При обычном методе части изделий посещаются в печь с температурой 200оС и в сумме выдерживаются около часа. Понятно, что при таких условиях резиновые или не стойкие к температуре части, просто сгорят или расплавятся. В нашем случае, изготавливается прожектор с лампой, покрытой функциональной керамикой, а процесс полимеризации сводится к освещению этим прожектором непродолжительное время.
Вулканизация - превращение пластичного каучука в эластичную резину. При горячей вулканизации, смесь каучука с серой и другими веществами (ускорители, наполнители, мяг-чители и т.д.), обычно подвергают нагреванию до 160оС кон-дуктивным и конвективным методами. При взаимодействии серы с каучуком, происходит образование сульфидных и полисульфидных связей между макромолекулами каучука с формированием пространственной структуры («сшивание» линейных макромолекул). Процесс полимеризации, интересующий нас в данном случае, состоит в последовательном многократном присоединении молекул мономеров друг к другу. Эта реакция носит свободно-радикальный характер. Сущность радикальной полимеризации состоит в возникновении свободных радикалов, которые растут до образования макромолекулы в результате последовательного присоединения к ним молекул мономера, превращаясь после каждого акта присоединения снова в свободный радикал, но уже удлиненный на один мономер. Образование первичных радикалов при полимеризации резины по стандартной технологии происходит по принципу термического инициирования. В этом случае образуются многочисленные радикалы, которые дают относительно короткие цепи макромолекул, так как при высоких темпера-
турах одновременно ускоряется и реакция рекомбинации радикалов, что, в конечном итоге, приводит к обрыву цепи.
Все рассмотренные виды радикальной полимеризации вследствие малой скорости образования свободных радикалов протекают сравнительно медленно и, кроме того, часто сопровождаются нежелательными побочными процессами. На практике полимеризацию обычно проводят в присутствии специально добавленных веществ - инициаторов, легко распадающихся на свободные радикалы в условиях полимеризации. Степень использования световой энергии характеризуется коэффициентом эффективности фотоинициирования, определяемым из соотношения
и=В1,
где: и - скорость инициирования;
I - интенсивность света
В - величина, зависящая от природы мономера и длины поглощаемой волны.
Скорость фотополимеризации в малой степени зависит от температуры и пропорциональна квадратному корню из интенсивности облучения. Если облучать полимеры ИК преобразователями спектра, химические реакции, приводящие к росту цепи полимеров, ускоряются без значительного нагрева. Наилучшие результаты получаются при использовании керамики типов Т-1-Т_5, разработанных в нашей лаборатории. Эта керамика дает мощное импульсное излучение, которое стимулирует инициирование радикалов, а также рост цепи. В определенной пропорции к ней добавляется двухимпульсная керамика, второй импульс которой ускоряет реакцию рекомбинации. Таким образом, подбирая соотношение этих материалов, мы можем регулировать длину цепей при полимеризации. Конечно, такая смесь должна быть «разбавлена» нейтральным керамическим материалом, который пропускает длины волн от 2-3 до 25-40 микрон. Обычно с увеличением времени вулканизации уменьшается «молекулярный вес» участков между двумя мостиками, т.е. до определенных значений, растет число мостиков. Эксплуатационные свойства резин в основном зависят от типа, концентрации и распределения образующихся мостиков, связывающих макромолекулы. Так, при регулярном расположении мостиков напряжение на них распределяется более равномерно и уменьшается вероятность возникновения перенапряжений, приводящих в дальнейшем к деструкции материала. При воздействии излучателями в процессе вулканизации, резины получаются более эластичными и прочными.
Таким образом, мы можем влиять на длину образующейся цепи в полимерах, изменяя соотношение составляющих в самом излучающем керамическом материале, а так же в некоторой степени влиять на результат и изменением рабочего режима излучателя. Появляется возможность более гибкого управления процессами вулканизации и полимеризации высокомолекулярных соединений. Становится возможным, задавать конечным изделиям необходимые механические и структурные свойства.
В аттестованной лаборатории ПО «Узбекрезинотехника» (аттестационное свидетельство №77 от 24.09.98г.) были проведены испытания тестовых образцов резин и резиновых галош, вулканизированных предложенным методом с использованием функциональной керамики. Время вулканизации галош сокращено с 2-х часов котловой варки под давлением до 1 часа в открытом шкафу. Температура поверхности опытных образцов контролировалась термопарами и не превышала в конечной стадии 140 градусов Цельсия (при котловой варке темпе-
ратура достигает 160 градусов Цельсия при 3,6 атмосферах, время обработки составляет 6 часов). В лаборатории была проведена оценка качества в соответствии с требованиями ТУ Уз. 6.2-004-92. Некоторые показатели, характеризующие качество самого материала (резины), приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты физико-механических испытаний галош на разрывной машине РМЮ1-250
Установлено, что данная методика повышает устойчивость каучука и других полимеров к старению и истиранию. Вероятнее всего это обусловлено тем, что свободные радикалы связываются в нейтральные молекулы. Кроме того, сорбирование каучука на саже резко снижает скорость его окисления вследствие того, что макромолекулы, связанные с ее поверхностью, в значительной степени утрачивают способность к тепловому движению. Торможение окисления можно объяснить и уменьшением диффузии газов (кислород, озон) через резиновую массу.
Также были проведены испытания термоусадочных порошковых полимерных красок производства «АКБОМБЫ»:
PE=SELAC - полиэфирная краска, применяемая для защиты объектов подверженных влиянию ультрафиолетового излучения;
EP-EP=SELAC - эпокси-полиэфирная краска лучше сохраняющая цвет при воздействии высоких температур и времени, а также лучше противостоит ультрафиолетовым лучам.
Время полимеризации по традиционной технологии зависит от реактивности смол, рабочего режима печи, размеров изделий. Данная краска производится со следующими режимами формирования покрытий (полимеризации):
180оС = 20 минут;
190оС = 15 минут;
200оС = 10 минут.
Реально время полимеризации составляет около часа и более.
Для полимеризации данных порошковых красок, разработан специальный керамический преобразователь спектра. Полимеризация проходит в два этапа. В течение первых 5-30 секунд (в зависимости от массогабаритных параметров изделия) проходит полная фиксация полимеров на поверхности изделий (порошок спекается). Затем в течение 3-5 минут проходит полный цикл полимеризации, при этом окрашенное изделие нет необходимости помещать в специальную печную камеру. Достаточно облучать изделие сразу при выходе из зоны нанесения краски. Все параметры сформированного слоя краски, соответствуют нормам стойкости к механическим воздействиям для данных красок (адгезия, линейное растяжение, прямой
удар, растяжение на изгиб, твердость и т.д.), а параметры коррозийной стойкости превосходят образцы полимеризованные обычным способом. Это влагостойкость, тест на соляной туман, тест на устойчивость к экстремальным погодным условиям (термоциклы) и ультрафиолету. Одни из самых главных параметров - адгезия и эластичность полученного покрытия недостижима для других методов полимеризации. Полученное повышенное качество ИК излучением краски, объясняется тем, что в процессе полимеризации количество образующихся радикалов, скорости роста и обрыва цепи оказываются оптимальными для данных порошковых полимерных красок. Контрольные образцы с покрытием подвергались многократному превышению времени лучевого воздействия (до нескольких часов), при этом никаких изменений качественных параметров не наблюдалось, изменение первичных цветов и оттенков красок, отсутствовало.
Таким образом, использование излучающих элементов, покрытых функциональными керамическими материалами, полученных на БСП, открывают новые возможности в переходе на качественно новые технологии в процессах полимеризации и, в частности, вулканизации резин.
Список литературы:
1. Рискиев Т. Т., Абдурахманов А. А., Акбаров Р.Ю. Возобновляемая энергия. M., Ежеквартальный информ. бюлл. Интерсоларцентр. 1997. № 1. С. 47- 48.
2. Р.Х.Рахимов, Е.В.Ким. Эффект спектрального преобразования керамическими материалами. ДАН УзССР, №6, стр17-18, 1990.
3. Р.Х.Рахимов, Е.В.Ким. Патент США № 5 350 927, выдан 27 сентября 1994 года.
4. Rachimov, R.C.; Ermakov, V.P.; John, P.; Rachimov, M.R. Anwendung funktioneller keramiken für technologien des trocknens mit impuls-infrarot. Фрайбергские исследовательские папки. Журнал Горной Академии. Freiberger Forschungshefte, Опубликовано 02.06.2014, C. 1-44. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-151116
5. Rustam Ch. Rachimov , Mechanismus zur Erzeugung von Infrerotim-pulsen mit funktionalen Keramiken. Фрайбергские исследовательские папки. Журнал Горной Академии. Freiberger Forschungshefte, 2014, март, C. 1-13. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-135637
6. Dr. Peter John (Bild), Prof. Rustam Rachimov, Murod Rachimov, Vladimir Ermakov. Schnelle und energiesparende Lacktrocknung mit So-larwa,rme, JOT 11.2014, р.38-41. Journal für Oberflächentechnik 11/2014, S. 38 ff -> Zum Artikel
7. Рахимов Р. Х., Синтез функциональной керамики на БСП и разработки на ее основе. Журнал «Computational nanotechnology», №3, 2015, 11-26
8. Рахимов Р. Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 1. Журнал «Computational nanotechnology», №2, 2016, 9-28
9. Рахимов Р. Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 2. Журнал «Computational nanotechnology», №2, 2016, 28-66
10. Рахимов Р. Х., Саидов М. С., Ермаков В. П. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 5. Механизм генерации импульсов функциональной керамикой, Журнал «Computational nanotechnology», №2, 2016, 81-94
№№ Наименование показателей Обычная технология Предлагаемая технология
1 Прочность при разрыве передней части борта, кгс\см, (не менее) 5.8 9.0
2 Прочность при разрыве задней части борта, кгс\см (не менее) 18.0 20.2
3 Эластичность лаковой пленки, % (не менее) 20.0 42.0
4 Водопроницаемость ( 24 часа) Непроницаема Непроницаема
