Физико-механические свойства сферопластиков на основе полых стеклянных микросфер и полиакрилового связующего

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. ул. Горького, 87. г. Владимир, 600000. Владимирская область. Россия. Тел.: +7 (4922) 47-97-53

Физико-механические свойства сферопластиков на основе полых стеклянных микросфер и полиакрилового связующего

Чухланов Владимир Юрьевич, Селиванов Олег Григорьевич,

Трифонова Татьяна Анатольевна, Ильина Марина Евгеньевна

и Чухланова Наталия Владимировна

Кафедра химических технологий, Кафедра биологии и экологии.

E-mail: chukhlanov11@gmail.com E-mail: selivanov6003@mail.ru

Аннотация

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http://butlerov.com/readings/

Поступила в редакцию 13 июня 2017 г. УДК 678.5.

В работе рассмотрены физико-механические свойства современных теплоизоляционных материалов на основе сферопластика с полиакрилатом в качестве связующего и полыми стеклянными микросферами в качестве наполнителя для различных областей науки и техники. Исследованы процессы взаимодействия компонентов в образцах сферопластика.

Изучены режимы получения тонкослойных покрытий теплоизоляционного назначения на основе сверопластиков методом напыления. Выбраны оптимальные технологические параметры для отверждения теплоизоляционных покрытий в зависимости от соотношения компонентов, температуры окружающей среды. Исследованы физико-механические характеристики теплоизоляционных энергосберегающих материалов на основе полиакрилового связующего. Показано, что размер частиц и фракционный состав наполнителя в той или иной мере может оказывать влияние на прочностные характеристики системы наполнитель - связующее. Выявлено влияние природы и соотношения компонентов на прочность композиции. Предложено обоснование повышения прочностных характеристик при введении полых стеклянных микросфер с использованием модели Даннеберга. Показано, что при уменьшении объемной доли полиакрилата менее 30%, наблюдается резкое снижение предела прочности сферопластика, обусловленное недостатком связующего в межсферном пространстве.

Изучены адгезионные характеристики тонкослойных покрытий при нанесении представленных композиций на различные материалы. Исследования прочности при отрыве напыленного покрытия от подложек различной природы показали, что зависимость модуля упругости от содержания связующего носит ярко выраженный экстремальный характер. Повышение содержания полиакрилатового связующего свыше 45 % объемных приводит к снижению прочностных показателей при отрыве.

Проведены исследования по определению коэффициента линейного термического расширения теплоизоляционного покрытия в зависимости от содержания связующего. Показано, что со снижением содержания связующего вне зависимости от внешней температуры наблюдается снижение коэффициента линейного термического расширения за счет преобладания стеклянной фазы в композиции. Описаны способы нанесения разработанных теплоизоляционных покрытий на обрабатываемые поверхности и технологические режимы нанесения при сохранении оптимальных физико-механических свойств.

Авторами предложено использование разработанных теплоизоляционных материалов для строительных и энергетических конструкций, работающих в условиях механических воздействий, повышенных температур и других неблагоприятных факторов.

Ключевые слова: сферопластики, полиакриловое связующее, полые стеклянные микросферы, теплоизоляционные покрытия, прочность при растяжении, коэффициент линейного термического расширения.

теплоизоляционный полиакриловый сферопластик отверждение

Abstract

In the English version of this article, the Reference Object Identifier - ROI: jbc-02/17-50-6-141

Physical and mechanical properties of spheroplastics based on hollow glass microspheres and polyacrylic binder

Vladimir Yu. Chukhlanov,1+ Oleg G. Selivanov,2* Tatiana A. Trifonova,2 Marina E. Ilina,2 and Natalia V. Chukhlanova2

1 Chemical Technology Division. Alexander Grigor'evich and Nikolay Grigor'evich Stoletovs State University of Vladimir. Gor'kogo St., 87. Vladimir, 600000. Vladimir region. Russia. Phone: +7 (4922) 47-99-46.

E-mail: chukhlanov11@gmail.com

2 Biology and Ecology Division. Alexander Grigor'evich and Nikolay Grigor'evich Stoletovs State University of Vladimir. Gor'kogo St., 87. Vladimir, 600000. Vladimir region. Russia. Phone: +7 (4922) 47-97-53.

E-mail: selivanov6003@mail.ru

The paper considers the physical and mechanical properties of modern heat-insulating materials based on spheroplastics with polyacrylate as a binder and hollow glass microspheres as a filler for various fields of science and technology. The processes of interaction of components in samples of spheroplasty have been studied.

The modes of obtaining heat-insulating coatings by the sputtering method are studied. Optimal technological parameters for curing thermal insulation coatings are selected depending on the ratio of components, ambient temperature. The physico-mechanical characteristics of heat-insulating energy-saving materials based on polyacrylic binder are investigated. It is shown that the size of the particles and the fractional composition of the filler can in some way influence the strength characteristics of the filler-binder system. The influence of nature and the ratio of components on the strength of the thermal insulation coating was revealed. A rationale for improving the strength characteristics in the introduction of hollow glass microspheres using the Danneberg model is proposed. It is shown that when the volume fraction of polyacrylate is less than 30%, a sharp decrease in the strength of the spheroplastic is observed, due to a lack of a binder in the interspheral space.

Adhesive characteristics of heat-insulating coatings were studied when applying the presented compositions to various materials. Investigations of the strength at the separation of the sprayed coating from substrates of various nature have shown that the dependence of the modulus of elasticity on the binder content has a pronounced extreme character. An increase in the content of polyacrylate binder in excess of 45% volumetric leads to a decrease in tensile strength during detachment.

Studies have been carried out to determine the coefficient of linear thermal expansion of the thermal insulation coating, depending on the binder content. It is shown that with a decrease in the binder content, regardless of the external temperature, a linear thermal expansion coefficient is observed to decrease due to the predominance of the glass phase in the composition. The methods of applying the developed thermal insulation coatings to the surfaces to be treated and the technological application modes are described while maintaining the optimum physical and mechanical properties.

The authors proposed the use of the developed thermal insulation materials for construction and energy structures, working under mechanical conditions, elevated temperatures and other unfavorable factors.

Keywords: spheroplastics, polyacrylic binder, hollow glass microspheres, heat-insulating coatings, tensile strength, coefficient of linear thermal expansion.

Введение

Сферопластики достаточно широко применяются в различных отраслях науки и техники. Это строительство, авиация, космонавтика, машиностроение, судостроение. Особый интерес представляют композиции, наполненные полым микросферическим наполнителем. К достоинствам данных материалов можно отнести высокие физико-механические свойства в сочетании с небольшой плотностью [1-4]. Значительный интерес представляют полиакриловые связующие, характеризующиеся достаточно высокой устойчивостью к действию температуры и неблагоприятных атмосферных факторов. В ранее опубликованных работах были приведены исследования теплоизоляционных характеристик таких сферопластиков и показана возможность использования в качестве тонкослойных теплоизоляционных покрытий [5-9]. Однако полиакриловые связующие обладают недостаточно высокими прочностными свойствами.

Целью данной работы являлось нахождение оптимальных технологических режимов получения покрытий на основе полиакрилового связующего и полых стеклянных микросфер и исследование физико-механических свойств получаемых материалов.

1. Экспериментальная часть

В качестве связующего в работе была использована наиболее распространенная акриловая водная дисперсия МБМ-5С, представляющая собой акриловый сополимер, производимый ООО «Курскхимпром» г. Курск по ТУ 6-01-274-79.

В качестве полых стеклянных микросфер (ПСМ) использовались полые стеклянные микросферы МС-А9 (группа А1 ТУ 6-48-108-94), представляющие собой инертные, сферические частицы, наполненные воздухом, средний размер частиц 30-60 мкм.

Для определения физико-механических показателей полученных покрытий использовали, метод определения модуля упругости по ГОСТ 9550-8, метод определения разрушающего напряжения при отрыве на адгезиметре «Константа А» и метод определения адгезии по ГОСТ 15140-78. Измерение коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) проводили при помощи кварцевого дилатометра по ГОСТ 15173 - 70.

Образцы теплоизоляционных покрытий на основе полиакрилового сферопластика с содержанием связующего до 50% (объемных) получали путем смешения заданного количества связующего и последующего отверждения образцов при комнатной температуре в течение 72 часов.

Для получения теплоизоляционных покрытий перспективным считается метод напыления композиции на защищаемую поверхность. Такой показатель, как плотность наполненных композиций, с достаточной степенью точности рассчитывается по следующей формуле [10]:

сm= ссф(Й-Исв)+ ссв Исв

где ссф, ссв - усредненная плотность микросфер и связующего соответственно;

Исв - объёмная доля связующего.

Сравнительные характеристики покрытий, полученных из полиакриловых композиций с различной вязкостью показывают, что определяющим параметром для достижения расчетной плотности сферопластиков является вязкость системы. В связи с этим необходимо строго контролировать вязкость композиции в течение всего процесса напыления.

Результаты и их обсуждение

Физико-механические свойства покрытий на основе сферопластика определяются как природой связующего и наполнителя, так и технологией их получения.

Размер частиц и фракционный состав наполнителя в той или иной мере оказывает влияние на прочностные характеристики системы наполнитель - связующее. Экспериментально определённый фракционный состав ПСМ представлен на рис. 1. Приведенные характеристики показывают, что фракционный состав ПСМ смещен в сторону мелких фракций.

При введении наполнителя в эластомер наблюдается возрастание предела прочности материала. Упрочнение можно объяснить, используя модель скольжения молекул эластомера по поверхности наполнителя (модель Даннеберга [11]). При отсутствии наполнителя вначале рвутся короткие цепи, а при его наличии число нагруженных цепей возрастает и соответственно происходит перераспределение нагрузки.

Рис. 1 Фракционный состав исследуемых полых стеклянных микросфер

Рис. 2 Зависимость предела прочности теплоизоляционного покрытия от содержания полиакрилового связующего с полыми стеклянными микросферами

При уменьшении объемной доли полиакрилата менее 30%, наблюдается резкое снижение предела прочности сферопластика, обусловленное недостатком связующего в межсферном пространстве (рис. 2).

Кроме того, эффект усиления возможен так же за счет образования химических связей между связующим и наполнителем, например активными группами связующего и силанольными группами на поверхности стеклянного наполнителя.

Исследования прочности при отрыве напыленного покрытия от подложек различной природы показали, что зависимость модуля упругости от содержания связующего носит ярко выраженный экстремальный характер. Оптимальное соединение покрытия с подложкой достигается при содержании связующего 30-45% объемных. При введении полиакрилата до 30% наблюдается возрастание прочностных характеристик при отрыве за счет возрастания предела прочности материала.

Характер разрушения полиакриловых покрытий при данных значениях когезионный, что свидетельствует о высокой адгезии материала к подложке. При дальнейшем увеличении содержания полиакрилата характер отрыва в основном смешанный. Повышение содержания полиакрилата свыше 45% объемных приводит к снижению прочностных показателей при отрыве. Это можно объяснить тем, что в композиции наблюдается снижение количества поляризованных гидроксильных групп, образующихся за счет введения наполнителя, и соответственно уменьшение количества водородных связей между сферопластиком и подложкой, обеспечивающих адгезию материала. Характер отрыва материала от подложки при таком содержании связующего как правило адгезионный.

Прочностные характеристики при отрыве в значительной степени зависят от материала подложки. Так адгезия сферопластика на подложке из стали выше, чем на подложке из алюминия. По всей видимости, это связано с наличием оксидной пленки на поверхности алюминия и соответственно различием в количестве гидроксильных групп на поверхности материалов.

Роль коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) для композитных материалов велика, так как даже незначительные различия КЛТР у составляющих композитного материала приводит к возникновению напряжений, которые могут привести к образованию микротрещин и частичному разрушению. Соответственно, на следующем этапе работы были проведены исследования по определению коэффициента термического линейного расширения теплоизоляционного покрытия в зависимости от содержания связующего. На коэффициент термического линейного расширения в значительной степени влияет объемная доля полиакрилового связующего в теплоизоляционном покрытии (рис. 3).

Рис. 3 Зависимость коэффициента термического линейного расширения от содержания полиакрилового связующего в теплоизоляционном покрытии

Высокий КЛТР полиакрилата в целом характерен для большинства полимеров. Со снижением содержания связующего вне зависимости от внешней температуры наблюдается снижение КЛТР за счет преобладания стеклянной фазы в композиции. При объемном содержании связующего 10% значения КЛТР снижаются на порядок по сравнению с ненаполненным полимером. При этом появляется возможность добиваться необходимых значений КЛТР, регулируя соотношение наполнитель - связующее. Это весьма важно при использовании сферопластиков для композитных покрытий, где значительные различия в значениях КЛТР могут приводить к деформации, а иногда и разрушению теплоизоляции.

Заключение

Технология нанесения разработанного теплоизоляционного покрытия на полиакриловом связующем, наполненного полыми микросферами, довольно проста и универсальна.

При теплоизоляции изделий простой формы можно использовать нанесение слоя теплоизоляционного материала валиком или шпателем. При теплоизоляции изделий сложной формы целесообразно послойное напыление с использованием любых типов распылителей, способных работать с высоковязкими системами. Технологические режимы работы распылителя и последующей сушки теплоизоляционного покрытия определяются производителем. Нанесение всех акриловых теплоизоляционных материалов на обрабатываемую поверхность однотипно и осуществляется по стандартной схеме.

Для получения наилучших физико-механических характеристик материала необходимо соблюдать следующие требования. Рабочая поверхность должна быть сухой и чистой, металлическую поверхность рекомендуется предварительно загрунтовать грунтовкой по металлу. Расход теплоизоляционного материала составляет 300 г/м2. Толщина наносимого слоя покрытия - не менее 1-1.5 мм. Наносится распылителем в несколько слоев до достижения заданной толщины с промежуточной сушкой 2 часа. Время высыхания до отлипа - 1 час, полное высыхание через 24 часа при нормальных условиях.

Благодаря высоким физико-механическим свойствам, небольшой плотности и стойкости к большинству внешних агрессивных факторов, разработанные теплоизоляционные покрытия могут быть использованы в качестве теплоизоляционных материалов для строительной отрасли, теплоэнергетики, атомной энергетики и других областей промышленности.

Выводы

1. Ведение полых стеклянных микросфер в полиакрилат приводит к возрастанию прочностных характеристик композиции как за счет перераспределения нагрузки на полимерные цепи, так и за счет образования прочных связей между полярными группами наполнителя и связующего.

2. Зависимость прочности при растяжении от содержания полиакрилового связующего носит ярко выраженный экстремальный характер. Оптимальное соединение покрытия с подложкой достигается при содержании связующего 30-45% объемных.

3. Со снижением содержания полиакрилового связующего в сферопластике наблюдается снижение коэффициента линейного термического расширения за счет преобладания стеклянной фазы в композиции. При объемном содержании связующего 10% значения КЛТР снижаются на порядок по сравнению с ненаполненным полимером.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке министерства образования и науки РФ (договор № 75/Б/4526/15/П218 от 10.07.2015 г.)

Литература

1. V.Yu. Chukhlanov, T.A. Trifonova, O.G. Selivanov, M.E. Ilinа, N.V. Chukhlanova. Thin-Film Coatings Based on Hollow Inorganic Microsheres and Polyacrylic Binder. International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol.12. No.7. Р.1194-1199.

2. V.Y. Chukhlanov, O.G. Selivanov. Electrical properties of syntactic foams based on hollow carbon microspheres of polydimethylsiloxane. Russian Physics Journal. 2016. Vol.59. No.7. Р.944-948.

3. L.G. Aleksandrova. Adhesive materials in the production of glad dielectrics forprintedcircuits. Polym. Sci., Ser. D. 2013. No.6 (1). Р.54-58.

4. E.M. Wouterson, F.Y. Boey, X. Hu, S.C. Wong. Specific properties and fracture toughness of syntactic foam: Effect of foam microstructures. Compos. Sci. Technol. 2005. No.65. Р.1840-1847.

5. A.F. Yarullin, L.E. Kusnetsova, A.F. Yarullina, O.V. Stoyanov. Electrophysicalproperties of oligomer-polymer complexes based on heat-resistant oligoaryleneamines. Polym. Sci., Ser. D. 2013. No.6 (2). Р.109-115.

6. V.K. Skachkova, A.V. Lyubimov, G.V. Lyubimova, M.N. Gusev. Optically transparent heat resistant nanocomposites based on epoxy resin and silicon oxide. Ross. Nanotekhnol. 2013. No.8 (1-2). Р.82-86.

7. V.Yu. Chukhlanov, S.S. Kriushenko, N.V. Chukhlanova. Elastic polyurethane foams modified by tetraethoxysilane. Theor. Found. Chem. Eng. 2015. No.49 (4). Р.518-522.

8. V.Y. Chukhlanov, O.G. Selivanov. Thermophysical properties of syntactic plastic foams based on polydimethylsiloxane binder. International Polymer Science and Technology. 2016. Vol.43. No.3. Р.39-41.

9. P. Bunn, J.T. Mottram. Manufacture and compression properties of syntactic foams. Composites. 2013. Vol.24. No.7. Р.565-571.

10. N.V. Ulitin, T.R. Deberdeev, D.Sh. Kalinina, E.V. Samarin, A.A. Berlin. Molekulyarno-massovye svojstva polibutilakrilata: vychislitelnyj ehksperiment na osnove kineticheskoj modeli “zhivoj” radikalnoj polimerizacii v rezhime obratimoj peredachi tsepi. Molecular mass properties of poly butyl acrylate: computing experiment based on kinetic model of “alive” radical polymerization in a reversible chain transfer mode. Chemical Physics. 2014. Vol.33. No.5. Р.82.

11. V.Y. Chukhlanov, E.N. Tereshina. Polyorganosiloxane-based heat-resistant sealant with improved dielectric characteristics. Polymer Science, Ser. C. 2007. Vol.49. No.3. Р.288-291.

Размещено на Allbest.ru