Физика. Физика полимеров

Баруздина О.С., Байджанов А.Р., Моисеева А.И.

Череповецкий Государственный Университет, Россия

Исследование полимерных покрытий металла с целью управления их прочностью

На современном этапе развития науки и техники наиболее часто и с высокой степенью эффективности в промышленности и в быту находят применение изделия с покрытиями, как класс слоистых композиционных материалов. Высокая эффективность применения покрытий достигается только при единственно – правильном выборе конструктивных параметров поверхностных слоев, отвечающих заданным условиям эксплуатации, а также разработке оптимальных методов формирования таких слоев.

Первоначально лакокрасочный материал представляет собой систему мономеров, затем, по мере выпаривания растворителя, производится их ориентация, прилипание к поверхности металла и последующая полимеризация.

В роли модели рассматривается отображение реальной системы, имеющей определенное соответствие, и позволяющее прогнозировать и исследовать характеристики (параметр порядка, коэффициент прилипания), определяющие взаимодействие системы с внешней средой [1].Для исследования объемных свойств полимерных покрытий применена трехмерная решеточная модель Гейзенберга с ориентационными анизотропными взаимодействиями. Влияние металла рассматривалось в форме существования двойного электрического слоя, то есть в потенциальную энергию полимерной системы введено дополнительное слагаемое, зависящее от расстояния до межфазной границы.

Моделирование проводилось с помощью метода Монте-Карло с использованием программного комплекса MK-ORDER.

Ориентационная модель полимерной системы

На рис.1.а приведено изображение контактного слоя между полимером и сталью, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа [4], из которого видно, что его структура состоит из ориентационно упорядоченных волокон, перпендикулярных поверхности стального листа. Поэтому для исследования таких полимерных покрытий металлического листа можно использовать решеточную модель (рис.1.б).

а)

б)

Рис.1. Изображение контактного слоя между полимером и сталью, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа [4] (а). Пространственная многоцепная модель жестких звеньев полимерных цепей с ориентационными взаимодействиями (б).

Учет взаимодействия металла с полимером

Для описания взаимодействия полимера с металлом используется модель двойного электрического слоя, то есть в потенциальную энергию полимерной системы введено дополнительное слагаемое, зависящее от расстояния до межфазной границы.

Как известно, возможны три механизма образования двойного электрического слоя (ДЭС) [3]:

1) За счет перехода ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация),

2) Благодаря адсорбции соединений – примесей водных сред.

3) За счет определенного ориентирования молекул сопряженных фаз в результате их взаимодействия.

Величина потенциала ДЭС (рис.2) в значительной мере связана со значением рН среды и химическими свойствами полимерного покрытия.

Рис.2. Строение двойного электрического слоя и изменение в нем потенциала (φ).

Согласно уравнению Гуи – Чепмена, внутри диффузионного слоя потенциал можно рассчитать как: (1),

где λ – толщина диффузионного слоя, т.е. количество слоев, при котором φ уменьшается в е раз.

Результаты моделирования.

Имитируя различные реальные ситуации на модели, а именно исследование полимерных покрытий металла, прежде всего, получаем возможность решения таких задач, как оценка прочности покрытий, сравнение вариантов структурных схем, определение степени влияния изменений параметров системы (параметр дальнего порядка, поверхностная энергия) и начальных условий на показатель эффективности системы [1].

В данной работе рассчитана такая макроскопическая характеристика полимерного материала как: параметр порядка в зависимости от температуры и жесткости цепи (рис.3). На рис.3. приведена зависимость параметра порядка от величины приведенной температуры , при различных значениях потенциала φ.

В полимерах с полярными молекулами (например, ПВДФ, поливинилхлорид (ПВХ) и др.) параметр дальнего ориентационного порядка определяется как средний косинус угла между ротаторами и направлением их преимущественного направления (директора):

(2)

Рис.3. Зависимость параметра дальнего порядка μ, рассчитанного по формуле (2) от величины , при =0 (*), =1(>)

Как видно из рис.3, при определенной температуре в полимерной системе наблюдается фазовый переход типа «порядок-беспорядок». Нахождение полимера вблизи металлической поверхности приводит к сдвигу точки фазового перехода, кроме того, этот переход «размывается».

Рассмотрим теперь, как на данную зависимость влияет значение толщины диффузионного слоя:

Рис.4.Зависимость параметра дальнего порядка μ, рассчитанного по формуле (2) от величины , при λ=0.01(*),λ=0.001(+)

Таким образом, при большом значении λ на фазовый переход влияет только нижний слой. Из этого следует что, переход наступает при более высоких температурах, что также подтверждается теорией Ландау, включение внешнего электрического поля приводит к увеличению температуры фазового перехода и к его размытию.

Заключение

Прочность полимерного покрытия определяется параметром порядка [2], так как ориентированный полимер в 10-15 раз прочнее неориентированного. Поэтому, зависимости, приведенные на рис. 3 и 4, показывают, что увеличение двойного электрического слоя металла приводит к увеличению прочности покрытия. Для увеличения потенциала двойного электрического слоя, который определяется значением рН – фактора поверхности металла, его необходимо обрабатывать специальным шелочным раствором с наибольшим значением pH.

Литература

1. Антонов А.В. Системный анализ./А.В.Антонов// Учеб. для вузов.- М.: Высш. шк., 2004. – С.101-102,131-132.

2. Гуль, В. Е. Структура и механические свойства полимеров / В. Е. Гуль, В. Н. Кулезнев. - М.: Высшая школа, 1972.

3. Савицкая Т.А. Коллоидная химия: строение двойного электрического слоя, получение и устойчивость дисперсных систем. Пособие для студентов химического факультета/Т.А. Савицкая , Д.А. Еотиков, Т.А. Шичкова – Минск:БГУ, 2011. –С. 5-7

4. Van den Bosch, M. J. An improved description of the exponential Xu and Needleman cohesive zone law for mixedmode decohesion / M. J. Van den Bosch, P. J. G. Schreurs and M. G. D. Geers // Eng. Frac. Mech. – 2007. – Vol. 73.  – p. 1220–1234.