Хімія і хімічні технології/1

к.т.н. Голотенко С.М.¹, к.т.н. Гарматюк Р.Т.², Балябас В.Т.¹

¹Тернопільський національний педагогічний університет

імені Володимира Гнатюка, Україна.

²Кременецький обласний гуманітарно-педагогічний інститут

ім. Тараса Шевченка, Україна.

ФОРМУВАННЯ ТА ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ НАПОВНЕНИХ ЕПОКСИКОМПОЗИТІВ

Вступ. Важливими характеристиками наповнених епоксикомпозитів є їх фізико-механічні та експлуатаційні властивості, які характеризуються структурою та їх складом. Враховуючи індивідуальні властивості окремо взятих компонентів можливо отримати захисні покриття, які будуть володіти комплексом властивостей, яких не має жоден з окремо взятих компонентів [1,2]. Особливість формування та ефективність використання полімер- композитів на основі епоксидних смол у різних галузях промисловості полягає в тому, що необхідний такий підбір дисперсних наповнювачів, який би задовольняв їх умовам експлуатації [3-5]. В роботі показано, що одним із способів отримання захисних полімеркомпозиційних покриттів із заданими експлуатаційними властивостями є їх обробка зовнішніми фізичними полями.

Внаслідок багатофакторності процесу дослідження зносостійкості полімеркомпозитних захисних покриттів є досить складним завданням. Тому з метою забезпечення високої зносостійкості полімеркомпозитних матеріалів в умовах гідроабразивного зношування та дії агресивних середовищ необхідний раціональний підбір складу і структури композитних покриттів.

Мета роботи. Розробити технологію формування епоксикомпозитів наповнених дисперсними та дрібнодисперсними наповнювачами різної магнітної природи, дослідити їх вплив на експлуатаційні властивості технологічного устаткування і економічну ефективність використання розроблених захисних покриттів.

Матеріали та методика досліджень. За основу полімерної матриці вибрали низькомолекулярні (епіхлоргідринові) епоксиднодіанові смоли ЕД-16 і ЕД-20 (ГОСТ 10678-76, 10584-84) із вмістом епоксидних груп (%) 16,0…18,0; 19…22,0 і молекулярною масою 480-640, 390-430 відповідно, що володіють високими адгезійними, теплофізичними, міцнісними властивостями, а також можливістю твердіння при різних температурах в залежності від типу твердника. В якості пластифікатора використовували поліефір марки ПДЕА-4 і аліфатичну смолу ДЕГ-1, а твердника поліетиленполіамін (ПЕПА). Використовуючи наповнювачі враховували їх природу, фізико-механічні властивості а також наближеність до сировинної бази.

Корозійну стійкість полімеркомпозитів досліджували шляхом занурення зразків в агресивні середовища. Час витримки зразків в агресивному середовищі становив 720 годин і при цьому температуру змінювали в межах 293-353К. Зразки до і після випробувань зважували на вазі з точністю до 0,0001г. Стійкість зразків до корозії визначали згідно відомої методики [2].

Гідроабразивну зносостійкість полімеркомпозитів визначали згідно методики випробувань матеріалів і покриттів на гідро абразивне зношування з використанням відцентрового прискорювача (ГОСТ 23201-78), при швидкості обертання 3000 об/хв. В якості гідроабразивної суміші використовували суспензію, яка є сумішшю технічної води та кварцового піску у співвідношенні 5:1 (за об’ємом). Кут атаки змінювали в інтервалі від 30 до 90 градусів. В якості еталону використовували алюміній марки АЛ-7.

Обговорення результатів досліджень.Технологічний процес формування захисних полімеркомпозитних покриттів для захисту від корозії та гідроабразивного зношування складається із наступних операцій: підготовка поверхні, приготування полімерної композиції, обробка композиції зовнішніми фізичними полями, нанесення та полімеризація захисного покриття.

Підготовка поверхні значною мірою впливає на надійність і довговічність покриття. Вона полягає у видаленні різного роду забруднень, окалини, іржі методом піскоструменевої обробки та обезжирювання.

Приготування полімерної композиції полягає у підготовці матриці і наповнювачів. Процес підготовки наповнювачів полягає у просіюванні і просушуванні наповнювачів при 373К протягом 2 годин та дозуванні компонентів. Підготовлена композиція підлягає обробці зовнішніми фізичними полями для кращого перемішування компонентів і впорядкування структури композиту. Твердник вводять безпосередньо перед нанесенням покриття.

Найбільш технологічним і продуктивним способом нанесення покриття є метод пневматичного розпилення, який дозволяє рівномірно наносити покриття на деталі складної конфігурації і необхідної товщини.

Результати досліджень зносостійкості полімер композитних матеріалів свідчать, що покриття, наповнені металовуглецевою композицією (МВК) і оксидом хрому Сч₂О₃ добре протистоять гідроабразивному зношуванню та корозії. Це пояснюється високими механічними властивостями покриттів з вказаними наповнювачами, розвиненістю їх поверхні, високою міцністю і зносостійкістю, а також процесами, що проходять на межі поділу фаз полімер-наповнювач. При цьому максимальні фізико-механічні характеристики досягаються при їх вмісті 40-100 мас.ч. на 100 мас.ч. в’яжучого. Більш ефективний вплив металовуглецевої композиції на фізико-механічні властивості полімеркомпозитів пояснюється як властивостями самого наповнювача (високі міцність, твердість, зносостійкість), так і його дисперсністю (40мкм), рівномірним його розподілом в епоксидному в’яжучому, високою адгезією між в’яжучим і частинками наповнювача за рахунок виникнення водневого зв’язку, що пояснюється розвинутістю поверхні МВК. Для запобігання седиментації основного наповнювача і зменшення внутрішніх напружень в покриттях було проведено дослідження впливу додатково введеного дрібнодисперсного наповнювача Сч₂О₃ на корозійну стійкість та інтенсивність зношування.

В результаті проведених випробувань технологічного устаткування з нанесеним захисним покриттям, яке працює в агресивному лужному середовищі, свідчать, що після двох років експлуатації корозійне руйнування практично відсутнє. В результаті застосування захисних зносостійких покриттів для нафтоперекачуючих відцентрових насосів дозволило збільшити їх міжремонтний період майже у два рази. Також висока ефективність використання захисних покриттів підтверджена і при захисті рефлекторів параболічних антен (відсутнє відбиття сигналу, що призводить до подвійного зображення).

Склади розроблених покриттів приведено в табл. 1.

Таблиця 1

Склади розроблених захисних полімеркомпозитних покриттів

Вид покриття	Компоненти покриття, мас.ч.
	ЕД-20	ЕД-16	ПДЕА-4	ДЕГ-1	ПЕПА	МВК	КОК	Сч2О3
Антикорозійне покриття	100	40	20	-	14	100	-	40
Зносостійке покриття	100	40	-	20	14	100	40	40

Встановлено, що зносо- та корозійна стійкість захисних полімеркомпозитних покриттів характеризується дисперсністю, та концентрацією наповнювача а також товщиною покриття в залежності від області застосування.

Високою зносостійкістю володіють композиції наповнені метало вуглецевою композицією у кількості 100 мас.ч. на 100 мас.ч. в’яжучого. Ефективний вплив МВК на зносостійкість захисних покриттів пояснюється як властивостями самого наповнювача (висока міцність, твердість, розвинутість поверхні), так і його дисперсністю (40 мкм.), рівномірним розподілом в епоксидному в’яжучому, високою адгезією між в’яжучим і наповнювачем за рахунок виникнення між ними водневого зв’язку.

Додаткове введення у композицію, яка містить 100 мас.ч. МВК, дрібнодисперсного оксиду хрому в кількості 40 мас.ч. дозволяє підвищити відносну зносостійкість на 40% і знизити інтенсивність зношування на 45% за рахунок рівномірного розподілу наповнювачів в об’ємі композиту.

Проведеними дослідженнями встановлено (табл.2), що фізико-механічні властивості розроблених захисних полімеркомпозитних покриттів змінюються при дії розчинів кислот і лугу.

Таблиця 2

Вплив агресивних середовищ на фізико-механічні властивості розроблених покриттів

Агресивне середовище	Показники властивостей
	Руйнівне напруження при розтягу, Мпа	Руйнівне напруження при згині, МПа	Відносне видовження при розтягу, %	Твердість, НRB
-	78,1	48,3	4,0	48
Вода	70,7	48,1	4,0	47
Нафта	70,9	47,9	4,2	46
Бензин	69,7	44,1	3,7	43
Мінеральні масла	71,6	48,0	4,0	47
НСІ 10% 15% 30%	69,2 60,3 51,0	37,0 28,2 18,6	3,6 3,0 2,8	40 34 23
HNO3 7%	37,8	16,8	3,5	9,8
NaOH 5% 10% 20%	63,5 57,4 54,5	35,7 27,6 16,3	3,9 3,6 3,3	39 32 28
H2SO4 10% 20% 50%	61,3 48,2 37,3	38,6 30,5 23,7	2,9 2,4 2,1	34 26 14

Підвищення концентрації агресивного середовища веде до зниження фізико-механічних властивостей, що пов’язано з проникненням його в полімер, зміною структурних параметрів і деструкцією епоксидного в’яжучого. Введення в полімерну матрицю дрібнодисперсних наповнювачів, які володіють високою хімічною стійкістю за рахунок високої адгезійної міцності на границі фаз, забезпечує зменшення коефіцієнту дифузії агресивного середовища.

Економічна ефективність від впровадження захисних полімер композитних покриттів полягає у:

- економії за рахунок збільшення ресурсу роботи і надійності технологічного устаткування внаслідок зменшення затрат на ремонтні роботи;

- економії за рахунок заміни дорогих кольорових металів більш дешевими;

- економії за рахунок підвищення коефіцієнту корисної дії технологічного устаткування, що дає значну економію електроенергії.

На основі одержаних результатів можна констатувати про доцільність використання захисних полімер композитних покриттів, що дозволяє збільшити довговічність роботи технологічного обладнання за рахунок високої зносо- і корозійної стійкості, а також – за рахунок багаторазового відновлення пошкодженого покриття зменшити потребу у новому обладнанні.

Висновки. У результаті проведених промислових випробувань захисних полімеркомпозитних покриттів встановлено, що вони зберегли свій початковий вигляд, слідів пошкодження не виявлено. Впровадження розроблених покриттів дозволяє збільшити міжремонтний період обладнання в 2…3 рази, підвищити корозійну стійкість у 2…2,5 рази.

Висока зносостійкість розроблених покриттів дозволяє збільшити міжремонтний період роботи технологічного обладнання у 2…2,5 рази, підвищити їх коефіцієнт корисної дії на 4%.

Використання захисних покриттів дає можливість замінити дефіцитні кольорові метали та сплави на відносно недорогу сталь Ст3, що дає змогу знизити собівартість технологічного обладнання у 2,5…2,7 рази.

У майбутньому авторами планується проведення досліджень захисних властивостей плімеркомпозитних покриттів у машинобудівній та харчовій промисловості з використанням більшого спектру наповнювачів.

Література.

1. Терхунов А.Г., Черновол М.И., Типунов В.М. Комбинированные металлополимерные покрытия и материалы. – К.: Техника, 1983. – 168с.

2. Практикум по полімерному материаловедению / Под. ред.. П.Г.Бабаевского. – М.: Химия, 1980. – 250с.

3. Кальба Є.М., Голотенко С.М. Захисні покриття гетерогенної структури на основі полімерів і метало вуглецевих композицій. – Корозія – 98: Матеріали 4 – ї Міжнародної конференції – виставки. – Львів: ФМІ. – 1998. – С.275 – 278.

4. Михайлова С.С., Фрейдин А.С., Сокольникова И.Н. Влияние адсорбционного модифицирования твердой поверхности на свойства композиционных полимерных систем на основе эпоксидных смол // Композиционные полимерные материалы. – 1980. – Выпуск 6. – С.42 – 45.

5. Вонсовский С.В. Магнетизм. – М.; Наука, 1984. – 214с.