Научная статья на тему 'УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕМОНТНЫХ РАБОТ'

УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕМОНТНЫХ РАБОТ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
214
34
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УФ-ОТВЕРЖДЕНИЕ / КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ / АРМИРУЮЩИЕ ТКАНИ / ПИРОГЕННЫЙ ДИОКСИД КРЕМНИЯ / UV CURING / COMPOSITE MATERIALS / REINFORCING FABRICS / PYROGENIC SILICON DIOXIDE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Изотова Ксения Владимировна, Бабкин Олег Эдуардович, Бабкина Любовь Анатольевна, Айкашева Ольга Сергеевна

В статье рассмотрен один из видов УФ-отверждаемых композиционных материалов - наполненные компози- ции для ремонтных работ. Проведено исследование толщины армирующей тканей (стеклоткань, углеткань, арамидная ткань) на пропускную способность фотопо- лимеризующихся систем и сделан вывод о возможности получения армированных фотополимеризующихся композиций со стеклотканью толщиной 0,1 мм (одно- слойное армирование) с использованием светодиодных источников излучения. Изучено влияние разных типов пирогенного диоксида кремния на адгезионную проч- ность получаемых УФ-отверждаемых композиционных материалов. Сделан вывод об эффективности исполь- зования пирогенного диоксида кремния с размером частиц 7,0 мкм (марка Zeothix 95)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Изотова Ксения Владимировна, Бабкин Олег Эдуардович, Бабкина Любовь Анатольевна, Айкашева Ольга Сергеевна

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

UV-CURING COMPOSITE MATERIALS FOR REPAIR WORKS

The article describes one of the types of UV-curable com- posite materials - filled compositions for repair work. A study was made of the thickness of reinforcing fabrics (fi- berglass, carbon cloth, aramid fabric) on the throughput of photopolymerizable systems, and it was concluded that it is possible to obtain reinforced photopolymerizable compo- sitions with 0.1 mm thick fiberglass (single-layer rein- forcement) using LED radiation sources. The effect of dif- ferent types of pyrogenic silicon dioxide on the adhesive strength of the resulting UV-curable composite materials was studied. The conclusion is drawn about the efficiency of using pyrogenic silicon dioxide with a particle size of 7,0 μm (Zeothix 95 brand).

Текст научной работы на тему «УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕМОНТНЫХ РАБОТ»

УДК 667.6

Kseniya V. Izotova1, Oleg E. Babkin2, Lyubov A. Babkina3,

Olga S. Aykasheva4

UV-CURING COMPOSITE MATERIALS FOR REPAIR WORKS

«S&H Tecnology» Ltd, St.Petersburg Leninsky Prospect 140, St. Petersburg, 198216, Russia St.Petersburg State University of Film and Television, 13 Pravdi str., St.Petersburg, 191119, Russia «PPG Industries» Ltd, Lipetsk,

The territory of the special economic zone «Lipetsk», bld. 2, vil. Casinka, Gryazinsky district, Lipetsk region, 399071, Russia. e-mail: [email protected]

The article describes one of the types of UV-curabie composite materials - filled compositions for repair work.. A study was made of the thickness of reinforcing fabrics (fiberglass, carbon cloth, aramid fabric) on the throughput of photopolymerzzable systems, and it was concluded that it is possible to obtain reinforced photopolymerzzable compositions with 0.1 mm thick fiberglass (single-layer reinforcement) using LED radiation sources. The effect of different types of pyrogenic siiicon dioxide on the adhesive strength of the resutting UV-curable composite materials was studied. The conclusion is drawn about the efficiency of using pyrogenic slicon dioxide with a particle size of 7,0 pm (Zeothix 95 brand).

Keywords: UV curing, composite materials, reinforcing fabrics, pyrogenic silicon dioxide.

Введение

Основой УФ-отверждаемых композиционных материалов (их матриц), служат металлы или сплавы (композиционные материалы на металлической основе), керамика, керамические и углеродные материалы (композиционные материалы на неметаллической основе). Именно матрица связывает композицию и придает ей форму. Главным образом, от свойств матрицы в основном зависят технологические режимы получения композиционных материалов, а также такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению и воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность [1].

К.В. Изотова1, О.Э. Бабкин2, Л.А. Бабкина3,

О.С. Айкашева4

УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕМОНТНЫХ РАБОТ

S&H Technology Ленинский пр., 140, Санкт-Петербург, 198216, Россия Санкт-Петербургский государственный институт кино и телевидения, ул. Правды, 13, Санкт-Петербург, 191119, Россия

PPG Industries Липецк, территория ОЭЗ ППТ «Липецк», зд.2, ., с. Казинка, Грязинский р-н, 399071, Липецкая обл., Россия. e-mail: [email protected]

В статье рассмотрен один из видов УФ-отверждаемых композиционных материалов - наполненные композиции для ремонтных работ. Проведено исследование толщины армирующей тканей (стеклоткань, углеткань, арамидная ткань) на пропускную способность фотопо-лимеризующихся систем и сделан вывод о возможности получения армированных фотополимеризующихся композиций со стеклотканью толщиной 0,1 мм (однослойное армирование) с использованием светодиодных источников излучения. Изучено влияние разных типов пирогенного диоксида кремния на адгезионную прочность получаемых УФ-отверждаемых композиционных материалов. Сделан вывод об эффективности использования пирогенного диоксида кремния с размером частиц 7,0 мкм (марка Zeothix 95).

Ключевые слова: УФ-отверждение, композиционные материалы, армирующие ткани, пирогенный диоксид кремния.

Целью данной работы является изучение влияния типа матрицы на пропускную способность слоя фотополимеризующейся композиции для инициирующего процесс полимеризации излучения и влияния дисперсного наполнителя (пирогенного диоксида кремния) на адгезионную прочность формируемого материала.

Теоретическая часть

В зависимости от выбранного материала матрицы, композиционные материалы классифицируют на три типа: металлические, керамические и полимерные [2]. На данном этапе развития технологий, приоритетно использование полимерных композиционных материалов, которые имеют ряд преимуществ:

1. Изотова Ксения Владимировна, технолог, S&H Technology Kseniya V. Izotova, technologist, «S&H Tecnology» Ltd

2. Бабкин Олег Эдуардович, д-р техн. наук, профессор, каф. фотографии и народной художественной культуры СПбГИКиТ, email: [email protected]

Oleg E. Babkin, Dr Sci. (Eng.), Professor, Department of Photography and Folk Art Culture, St. Petersburg State University of Film and Television

3. Бабкина Любовь Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, S&H Technology, главный технолог, e-mail: [email protected] Lyubov A. Babkina, Ph.D (Eng.), Associate Professor, chief technologist, «S&H Tecnology» Ltd

4. Айкашева Ольга Сергеевна, канд. техн. наук, PPG Industries Липецк, руководитель направления судовых покрытий, e-mail: [email protected]

Olga S. Aykasheva, Ph.D (Eng.), «PPG Industries» Ltd, Lipetsk Дата поступления - 27 ноября 2018 года

• сочетают ряд уникальных свойств, нехарактерных для других материалов (прочностных, адгезионных, ударных, реологических, температурных, теплопроводных и др.);

• существует возможность управления свойствами материала способом изменения его состава и/или условий получения;

• сохраняются преимущественные характеристики полимерных материалов - в том числе, возможность переработки;

• сохраняется немаловажный для композиционных материалов физический параметр - низкая плотность.

Полимерные композиционные материалы могут быть наполнены разными армирующими наполнителями: стеклянными волокнами (стеклопластики); металлическими волокнами (металлопластиковые); органическими волокнами (органопластики); углеродными волокнами (углепластики). Большое распространение получили композиционные материалы, которые в качестве армирующего наполнителя используют стекловолокно. Такой материал характеризуется оптимальным соотношением цены и качества: при относительно невысокой себестоимости он обладает конкурентоспособными прочностными характеристиками.

Всеми предпосылками к развитию и дальнейшему распространению на рынке ремонтных материалов получили в настоящее время наполненные жидкие фотополимеризующиеся композиции (ФПК), отвержда-емые ультрафиолетом (УФ-отверждаемые), в основном - благодаря следующему набору преимуществ [3]:

• быстрое формирование покрытия;

• высокая скорость монтажа;

• экономичность технологического оборудования, в том числе его низкая энергозатратность;

• высокое качество конечного продукта;

• экологичность технологии (использу-

ются только 100 % реакционноспособные вещества, т.е. отсутствуют растворители).

Ультрафиолетовое излучение используют в основном при получении материалов, которые способны отверждаться за счет реакции полимеризации. Принцип отверждения основан на способности ультрафиолетовых лучей инициировать реакцию полимеризации олигомерных материалов, которые имеют определенную химическую структуру [4].

Материалы из армированных ФПК обладают высокими показателями прочности, имеют хорошие адгезионные и когезионные свойства, а также сохраняют стабильность своих свойств при перепадах температур. Это позволяет использовать такие материалы во многих областях, начиная от жилищно-коммунального хозяйства и заканчивая космическими технологиями [5]. Для полного прохождения реакции полимеризации армирующий материал, который используется в композиционном материале, должен иметь высокую пропускную способность ультрафиолетового света.

В работе изучено влияние природы армирующего материала на пропускающую способность квантов света UV- и UVLED-источников излучения. Излучение этих источников имеет высокую энергию, которая необходима для расщепления фотоинициатора и инициирования радикальной полимеризации. Чаще всего используют ртутный излучатель высокого давления, эмитирующий характерный спектр от 254 нм до 456 нм. Но такая ртутная лампа имеет ряд недостатков:

низкий коэффициент полезного действия (КПД), высокую нагреваемость поверхности, а также является экологически небезопасной. Сейчас на смену таким ртутным излучателям приходят светодиодные технологии (UVLED технологии). UVLED-источники излучения характеризуются рядом преимуществ: большой срок службы, низкое энергопотребление, повышенная прочность, а также экологическая безопасность [6].

Методы исследования

Было изучено три вида армирующих наполнителей - армирующих тканей: стеклоткань, углеткань и арамидная ткань (таблица 1).

Таблица^ 1. Характеристики армирующих материалов

Вид ткани Разрывная нагрузка, Н Поверхностная плотность, г/м2 Толщина, мм

Стеклоткань 588 110 0,1(х5)

Углеткань 1800 320 0,5

Арамидная ткань 2450 160 0,5

Объектом исследования являлась ФПК на основе ароматических эпоксиакрилатов и алифатических уретанакрилатов с использованием изоборнилакрила-та, дипропиленгликольдиакрилата (ДПГДА), эпоксили-рованного триметилпропантриакрилата (ТМПТА) в качестве активных разбавителей [7] с наполнителями. Характеристика наполнителей приведена в таблице 2. Содержание пирогенного диоксида кремния в исследуемых композиционных материалах составляло 7,4 мас. %, 14,7 мас. %, 22,0 мас. %.

Таблица 2. Характеристика наполнителей

Торговая марка S, м2/г D, мкм pH Содержание SiO2 после прокаливания Поверхность Содер держа-ние влаги, %

Aerosil R 805 150 0,012 3,55,5 >98,5 Гидрофобная <0,5

Haisun B 616 5,5 5,57,0 >98,5 Гидрофобная <5,0

Haisun B 618 6,5 5,57,0 >98,5 химически <5,0

Haisun B 520 7,0 5,57,0 >98,5 обработанная <5,0

Haisun UK 708 7,0 3,56,0 >98,5 <5,0

Zeothix 95 180 7,0 7,0 Гидрофобная <5,0

Интенсивность ультрафиолетового излучения проходящего потока квантов света самой лампы, и проходящего через ткань фиксировали при помощи УФ-фотометра UV Power Puck.

Отверждение ФПК осуществляли с помощью промышленного UV LED -источника УФО-36/220 и промышленного UV-источника ДРТ-400.

Экспериментальная часть

На первом этапе работы была рассмотрена пропускная способность слоя армирующей ткани толщиной 0,5 мм для разных областей спектра эмитирования ультрафиолетового источника. Разбиение пото-

ка излучения по областям спектра вызвано технологическими особенностями УУ- и УУЬЕО-источников излучения. УУ ЬЕЭ-источник излучения эмитирует узкую область спектра УУУ с длиной волны 380-450 нм, УУ-источник излучения - гораздо более широкую область, 100-450 нм, которую условно делят на четыре узкие области:

• УУС-излучение (100-280 нм) - обеспечивает отверждение в верхних слоях;

• УУВ-излучение (280-315 нм) - обеспечивает отверждение в более глубоком слое;

• УУА-излучение (315-380 нм) - обеспечивает отверждение в толстом слое покрытия;

• УУУ-излучение (380-450 нм) - обеспечивает отверждение пигментированных составов [8].

Полученные результаты по величине пропускной способности армирующих тканей для УУ-источника излучения представлены на рисунке 1, для иУЬЕЭ-источника излучения - на рисунке 2.

Рисунок 1. Интенсивность излучения квантов света УУ-источника излучения через армирующие ткани

источника излучения представлены на рисунке 3, для иУЬЕЭ-источника излучения - на рисунке 4.

На рисунке 3 видно, что при использовании ртутного источника излучения свет проходит лишь иУУ-область при толщине стеклоткани 0,1 мм. При толщине 0,2 мм и более пропускная способность стеклоткани равна нулю.

На рисунке 4 видно, что при использовании иУЬЕЭ-источника излучения стеклоткань пропускает 60 % иУУ-потока при толщине 0,1 мм, несколько процентов при толщине 0,2 мм, а при использовании стеклоткани 0,3 мм и более, ткань уже не пропускает излучение.

UV источник излучения(без ткани)

i UVA »UVB «UVC UVV Рисунок 3. Интенсивность излучения квантов света UV-источника излучения через стеклоткань разной толщины

Рисунок 2. Интенсивность излучения квантов света иУ1Ей-источника излучения через армирующие ткани

На гистограммах (рисунки 1, 2) видно, что пропускная способность всех видов армирующих тканей (стеклоткани, углеткани и арамидной ткани) как для УУ- источника излучения, так и для УУЬЕЭ-источника излучения равна нулю.

На втором этапе работы исследовали один из видов армирующих тканей, а именно стеклоткань, так как на рынке армирующих наполнителей имеется стеклоткань с толщиной всего 0,1 мм. Была рассмотрена пропускная способность разных слоев тканей -толщиной 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4 мм. Результаты для УУ-

Рисунок 4. Интенсивность излучения квантов света UVLED-источника излучения через стеклоткань разной толщины

По результатам полученных данных можно сделать вывод о том, что стеклоткань пропускает кванты света в UVV-области излучения и задерживает в областях UVA, UVB, UVC. Исходя этого, целесообразно использовать светодиодные источники излучения (UVLED-источники) для отверждения композиционного материала с армирующим наполнителем - стеклоткань.

На третьем этапе работы изучали влияние дисперсного наполнителя фПк (пирогенного диоксида кремния) на вязкость композиции.

Считается [1-3], что регулирование вязкости УФ-отверждаемой композиции возможно путем добавления в состав дисперсного наполнителя, вводимого в жидкие ФПК для улучшения физико-механических, электрических и водоотталкивающих свойств, а также снижению усадки.

За основной критерий оценки качества полученных УФ-отверждаемых композиционных материалов была принята адгезионная прочность материала (Н/мм2). Помимо этого, была проведена оценка внешнего вида материала, степени его отверждения и плотности (кг/м3).

Результаты экспериментов приведены в таблицах 3-5.

Таблица 3. Влияние марки дисперсного наполнителя ФПК на

технологичность при пропитке стеклоткани

Марка дисперсного наполнителя Степень наполнения, мас.%

0, 7,4 14,7 22,0

мкм Технологичность при пропитке стекловолокна

ДегоБИ К 805 0,012 Пропитывает стеклоткань, средняя вязкость лака Пропитывает стеклоткань, значительная вязкость лака

На1Бип В 616 5,5 Пропитывает стеклоткань, низкая вязкость лака Пропитывает стеклоткань, средняя вязкость лака

На1Бип В 618 6,5 Пропитывает стеклоткань, средняя вязкость лака Пропитывает стеклоткань, значительная вязкость лака

На1Бип В 520 7,0 Пропитывает стеклоткань, низкая вязкость лака Пропитывает стеклоткань, средняя вязкость лака

На1Бип ЫК 708 7,0 Пропитывает стеклоткань, низкая вязкость лака Пропитывает стеклоткань, средняя вязкость лака

ИеоШх 95 7,0 Пропитывает стеклоткань, средняя вязкость лака Пропитывает стеклоткань, значительная вязкость лака

Таблица 4. Влияние марки дисперсного наполнителя ФПК на

липкость получаемого покрытия

Марка 0, мкм Степень наполнения, мас.%

7,4 14,7 22,0

Липкость отвержденного покрытия, балл

Дегоа! К 805 0,012 2 2 3

На1Бип В 616 5,5 1 1 1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На1Бип В 618 6,5 1 2 3

На1Бип В 520 7,0 1 1 1

На1Бип ЫК 708 7,0 1 1 2

7ео^х 95 7,0 1 2 2

Согласно полученным данным, для наполнителей с размерами частиц 5,5-7,0 мкм наблюдается уменьшение адгезионной прочности с увеличением степени наполнения. Это можно объяснить тем, что повышенное содержание наполнителя препятствует проникновению в слой инициирующего процесс полимеризации иУЬБЭ-излучения и, следовательно, способствует уменьшению прочности сцепления покрытия с поверхностью. При этом для наполнителя с размером частиц 0,012 мкм, напротив, наблюдается увеличение адгезионной прочности с увеличением степени наполнения. В этом случае частицы с меньшим размером активно встраиваются в структуру покрытия, уменьшая, таким образом, усадку и способствуя росту адгезионной прочности. Оптимальная адгезионная проч-

ность достигается при использовании наполнителя марки 7ео№1х 95.

Таблица 5. Влияние марки дисперсного наполнителя ФПК на адгезионную прочность композиционного ма-___териала

Марка 0, мкм Степень наполнения, мас.%

7,4 14,7 22,0

Адгезионная прочность, Н/мм2

ДегтаН К 805 0,012 0,4 0,6 1,0

На1Бип В 616 5,5 1,3 1,1 1,0

На1Бип В 618 6,5 1,4 1,0 0,8

На1Бип В 520 7,0 1,4 1,2 0,8

На1Бип ЫК 708 7,0 1,3 1,0 0,7

7ео№1х 95 7,0 2,2 2,0 1,7

Выводы

Полученные в ходе исследования результаты позволяют утверждать, что существует реальная возможность получения армированных стеклотканью жидких УФ-полимеризующихся композиций и применения их для целей ремонта.

Доказано, что армированные стеклотканью жидкие фотополимеризующиеся композиции способны пропускать кванты ЫУьЕэ (светодиодного) излучения в количестве, достаточном для полной полимеризации слоя ремонтного материала. Рекомендуемая толщина стеклоткани не должна превышать 0,1 мм.

Выявлено, что использование иУ-источников излучения (ртутные лампы) неэффективно, и неприемлемо для отверждения армированных тканями жидких фотополимеризующихся композиций.

Показано, что введение дисперсных добавок (на примере пирогенного диоксида кремния) не ограничивает применимость жидких фотополимеризую-щихся композиций, в случае, если размер частиц не превышает 7,0 мкм.

Рекомендовано использование в жидких фо-тополимеризующихся композициях для целей ремонта пирогенного диоксида кремния марки 7еоШ1х 95, введение которого приводит к значительному увеличению адгезионной прочности ремонтного материала.

Литература

1. Тялина Л.Н., Минаев А.М., Пручкин В.А. Новые композиционные материалы: учеб. пособие. Тамбов: ТГТУ, 2011. 80 с.

2. Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.

3. Сусоров И.А., Бабкин О.Э. Анализ закономерностей синтеза олигомерных и высокомолекулярных соединений методом цепной полимеризации. СПб.: СПбГИКиТ, 2015. 238 с.

4. Бабкин ОЭ, Бабкина Л.А., Ильина В. В. Композиции УФ-отверждения для антикоррозионной защиты // Лакокрасочные материалы и их применение. 2014. № 3. С. 70-72.

5. Арабей А. В., Бабкин О.Э, Бабкина Л.А., Зы-бина О.А., Танклевский Л. Т. УФ-отверждаемые арми-

рованные защитные покрытия - защита конструктивных элементов корабля // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2016. № 3 (93). С. 159-164.

6. Сергеев В.А., Ершов В.В, Подымало Д.К. Ультрафиолетовые светодиодные облучатели для отверждения композиционных материалов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. С. 71-77.

7. Силкина А.Ю., Бабкин О.Э., Бабкина Л.А., Есеновский А.Г., Проскуряков С.В. Влияние активного разбавителя на защитные покрытия УФ-отверждения // Лакокрасочные материалы и их применение. 2012. № 7. С. 42-46.

8. Бабкин О.Э., Бабкина Л.А. Лаки УФ-отверждения // Лакокрасочные материалы и их применение. 2009. № 5. С. 33-35.

References

1. Tyalina L.N., Minayev A.M., Pruchkin V.A. No-vyye kompozitsionnyye materialy: uchebnoye posobiye. Tambov: TGTU. 2011. 80 s.

2. Kerber M.L. Polimernyye kompozitsionnyye materialy. Struktura. Svoystva. Tekhnologii. SPb.: Pro-fessiya. 2008. 560 s.

3. Susorov I.A., Babkin O.E. Analiz zakonomer-nostey sinteza oligomernykh i vysokomolekulyarnykh soyedineniy metodom tsepnoy polimerizatsii: monografiya. SPb.: SPbGIKiT. 2015. 238 s.

4. Babkin O.E., Babkina L.A., Iinna V.V. Kompozitsii UF-otverzhdeniya dlya antikorrozionnoy zash-chity // Lakokrasochnyye materialy i ikh primeneniye. 2014. № 3. S. 70-72.

5. ArabeyA.V., Babkin O.E., Babkina L.A., Zybina O.A., Tankievskiy L.T. UF-otverzhdayemyye armiro-vannyye zashchitnyye pokrytiya - zashchita kon-struktivnykh elementov korablya // Izvestiya Rossiyskoy akademii raketnykh i artilleriyskikh nauk. 2016. №3 (93). S. 159-164.

6. Sergeyev V.A.. Ershov V. V. Podymaio D.K Ul-trafioletovyye svetodiodnyye obluchateli dlya otverzhdeni-ya kompozitsionnykh materialov // Izvestiya YuFU. Tekhnicheskiye nauki. 2014. S. 71-77.

7. SHkina A. Yu. Babkin O.E.. Babkina L.A.. Esenovskiy A.G.. Proskuryakov S.V. Vliyaniye aktivnogo razbavitelya na zashchitnyye pokrytiya UF-otverzhdeniya // Lakokrasochnyye materialy i ikh primeneniye. 2012. № 7. S. 42-46.

8. Babkin O.E.. Babkina L.A. Laki UF-otverzhdeniya // Lakokrasochnyye materialy i ikh primeneniye. 2009. № 5. S. 33-35.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.