ПОКРИТИЯ НА ЕПОКСИУРЕТАНОВА ОСНОВА, Строителни материали и изделия
Козицин В.С., Кондратиева Е.В., Кувшинов В.Н., Лахно А.В., Туманова Н.Н., Курин С.В. Пензенска държавна академия по архитектура и строителство
Защитата на строителните конструкции от въздействието на агресивни среди винаги е важна задача, чието решение ще увеличи живота на сградите и строителните конструкции. Защитните покрития трябва да имат редица качества, сред които трябва да се отбележи - адхезия към защитените материали, устойчивост на агресивни среди и декоративен ефект.
Анализът на характеристиките на съществуващите защитни покрития показа, че най-често съвременните разработки имат тесен фокус, тоест висока адхезия само към определен клас материали или отлични декоративни качества с незадоволителна устойчивост на агресивни влияния на околната среда и др. Създаването на универсално покритие ще опрости избора на материали и технологията за нанасяне на защитен слой върху строителни конструкции и продукти.
Изборът на материали за създаване на ново покритие беше извършен според един от основните критерии - адхезия. Полиуретановите композити (PC) имат висока адхезия към различни материали. Въпреки това, както показва практиката, компонентите, образуващи уретан, са много чувствителни към влага. Взаимодействието им с водата води до разпенване на композита. Известно е, че полиуретановата пяна с относително ниски якостни показатели е добър топло- и звукоизолационен материал. Ниската якост на тези композити значително стеснява обхвата на полиуретановите пени. Създаването на твърди неразпенени компютри ще реши проблема с многофункционалността на защитните покрития.
Изследванията на полиуретанови композити показват, че за да се елиминира образуването на пори на полиуретана чрез топлинна обработкауретанообразуващи компоненти (полиестер и полиизоцианат) не е възможно. Взаимодействието на структурната влага в състава на полиестера с полиизоцианата, дори при сухи лабораторни условия, води до разпенване на композита. Изследването на химичните процеси на образуване на пори в полиуретаните доведе до създаването на метод за напреднала полимеризация.
При комбиниране на уретанообразуващите компоненти са еднакво вероятни две реакции. Първата е реакцията на взаимодействие между хидроксилните (OH) групи на полиестера и изоцианатните (NCO) групи на полиизоцианата. В резултат на тази реакция се образуват полиуретанови молекули. Втората е реакцията на взаимодействие на водни молекули с NCO групите на полиизоцианата. Води до образуване на полиуретан с отделяне на въглероден диоксид (CO2), което води до разпенване на композита като цяло. Същността на усъвършенствания метод на полимеризация е следната: въвеждането на химически модификатори в компонентите на полиуретановата смес (в единия или и в двата) значително ускорява първата реакция на образуване на уретан и в същото време забавя или напълно елиминира втората реакция.
В резултат на изследване на химичните свойства на полиестер, полиизоцианат и органични съединения, химически съвместими с тях, бяха открити универсални модификатори - елементоорганични съединения от класа на силазаните. Универсалността се крие във факта, че въвеждането на силазани в компонентите на полиуретановата система прави възможно едновременното решаване на двата проблема, поставени от усъвършенствания метод на полимеризация.
Реакционните свойства на силазаните се определят от основната хидролитично нестабилна връзка Si–N–Si. При взаимодействие с вода в макромолекулата на силазана, химическата връзка между силициевия атом и азотния атом се прекъсва. В резултат на реакцията се образуват силазанови и силоксанови (Si–O–Si) молекули с крайни хидроксилни групи, както исе отделя амоняк. Взаимодействието на силазан с полиестер е придружено от разкъсване на Si-N връзката и образуването на разклонени молекули на модифицирания полиестер с крайни ОН групи. Значително увеличение на хидроксилните групи в уретан-образуващия полиестер увеличава вероятността реакцията на полимеризация да протича без освобождаване на порообразуващ агент (CO2). Модифицирането със силазан също позволява да се намали количеството структурна влага в полиестера и по този начин да се намали броят на реакциите, водещи до разпенване на композита.
Експериментално е установено оптималното количество силазанов модификатор за производството на твърди непенести полиуретани. Използването на силазан дава възможност за получаване на монолитни (без пори) покрития в условия на нормална влажност без използване на специално оборудване.
Установено е, че смес от полиестер и епоксиден олигомер позволява да се създаде съполимер, чието втвърдяване образува твърд полиуретан, подсилен с макромолекули от епоксиден полимер. Въвеждането на епоксиден модификатор води до повишаване на механичната якост на полиуретановите композити и подобрява адхезионната якост на покритието, което е експериментално доказано. За да се увеличи якостта на удар и пластичността на покритието, в епоксиуретановия композит се въвежда каучук с високо молекулно тегло в количество от 1–3%.
За защитните покрития важен показател, характеризиращ издръжливостта, е кинетиката на набъбване (масова абсорбция) при излагане на агресивна среда. Покритията от разработения епоксиуретанов композит са тествани за масова абсорбция в съответствие с GOST 12020-72.
Поради високата си полярност водата е една от най-агресивните течни среди. На фиг. 1 показва кинетиката на набъбване на епоксидно-уретанов композит във вода.
Качественаанализът на резултатите (виж фиг. 1) показва, че пробите от покритието се разтварят през първите 15 дни. След това покритието започва да набъбва (увеличаване на масата поради проникването на вода в пробата) и степента на набъбване не надвишава 0,05% за 60 дни. При такива ниски скорости на набъбване са невъзможни резки промени в силата на контакта на лепилото със защитената повърхност, което изключва отлепването на покритието в началото на експлоатацията. По-нататъшни изследвания показват, че след 150 дни излагане на пробите на вода, нарастването на масовата абсорбция практически спира.
Химическата устойчивост на епоксиуретанови композити беше оценена чрез коефициента на химическа устойчивост , където е едноосната якост на натиск след накисване във вода, преди пробите да бъдат потопени във вода. Резултатите от експеримента са показани на фиг. 2.
Получените резултати показват укрепване на композита след 15 дни накисване във вода. По-нататъшното излагане води до намаляване на силата. След 150 дни якостта на епоксидно-уретановия композит най-накрая се установява на 96% от първоначалното ниво. Резултатите от експериментите доказват теоретичното предположение за дълготрайността на епоксидно-уретановите покрития.
Сравнителният анализ на експерименталните данни (виж фиг. 1 и фиг. 2) показва, че втвърдяването на епоксиуретановото покритие се наблюдава на фона на разтварянето на композита през първите 50-60 дни от задържането на пробите във вода. Този ефект се обяснява по следния начин.
Повърхността на композита винаги има микродефекти, чиито "върхове" са зони на концентрация на напрежение при натоварване на композита (фиг. 3, а). Водата, разтваряйки горния слой на епоксиуретановия композит, изглажда дълбоко и елиминира относително малки микропукнатини (фиг. 3, b) и по този начин унищожава опасните зони напокриващи повърхности, които намаляват якостта.
Друг важен параметър за защитните покрития е силата на адхезия към повърхностния материал. Универсалността на адхезивните качества на епоксиуретановите композити прави възможно използването на разработеното покритие за защита на конструкции, изработени от различни материали.
Адхезионната якост на епоксиуретанови композити към стомана е 25–30 MPa при равномерно едноосно разделяне и 12–15 MPa при срязване. Тестовете са проведени по методите на ГОСТ 14760-69 и ГОСТ 14759-69. Получените резултати удовлетворяват изискванията за адхезионна якост на покритията. Проведените от японската компания Field co., ltd тестове за адхезионна якост на разработения композит към полиетилен показват, че якостта на сцепление е 61-68% от якостта на полиетилена. Известно е, че полиетиленът е един от най-трудните за залепване материали. Като се има предвид това, може да се твърди, че получените резултати позволяват използването на епоксиуретанови композити като покрития за полиетиленови продукти. Въпреки че като правило строителните продукти от полиетилен са доста устойчиви на агресивни среди и не изискват допълнително защитно покритие, резултатите от проведените тестове доказват универсалността на адхезионните свойства на епоксидно-уретанови композити.