ПОКРИТТЯ НА ОСНОВІ ЕПОКСІУРЕТАНІВ, Будівельні матеріали та вироби
Козіцин В.С., Кондратьєва Є.В., Кувшинов В.М., Лахно А.В., Туманова Н.М., Курін С.В. Пензенська державна архітектурно-будівельна академія
Захист будівельних конструкцій від впливу агресивних середовищ завжди є важливим завданням, вирішення якого дозволить збільшити термін експлуатації будівель та будівельних споруд. Захисні покриття повинні мати ряд якостей, серед них слід відзначити - адгезію до матеріалів, що захищаються, стійкість до впливу агресивних середовищ і декоративність.
Аналіз характеристик існуючих захисних покриттів показав, що найчастіше сучасні розробки мають вузьку спрямованість, тобто високу адгезію лише до певного класу матеріалів, або відмінні декоративні якості при незадовільній стійкості до агресивних впливів навколишнього середовища і т.п. Створення універсального покриття дозволить спростити процес підбору матеріалів технологію нанесення захисного шару на будівельні конструкції та вироби.
Вибір матеріалів для створення нового покриття проводився за одним із основних критеріїв – адгезії. Високу адгезію до різних матеріалів мають поліуретанові композити (ПК). Однак, як показує практика, уретаноутворюючі компоненти дуже чутливі до вологи. Їхня взаємодія з водою призводить до спінювання композиту. Відомо, що пінополіуретани при порівняно низьких показниках міцності хороші тепло- і звукоізоляційні матеріали. Невисока міцність цих композитів значно звужує сферу застосування пінополіуретанів. Створення жорстких неспінених ПК вирішить проблему універсальності захисних покриттів.
Дослідження поліуретанових композитів показали, що виключити пороутворення поліуретану шляхом теплової обробкиуретаноутворюючих компонентів (поліефіру та поліізоціанату) неможливо. Взаємодія структурної вологи у складі поліефіру з поліізоціанатом, навіть у сухих лабораторних умовах, веде до спінювання композиту. Вивчення хімічних процесів порообразования поліуретанах призвело до створення методу випереджальної полімеризації.
При поєднанні уретанообразующих компонентів рівноймовірні дві реакції. Перша – реакція взаємодії між гідроксильними (ОН) групами поліефіру та ізоціанатними (NCO) групами поліізоціанату. Внаслідок цієї реакції утворюються молекули поліуретану. Друга – реакція взаємодії молекул води із NCO-групами поліізоціанату. Вона призводить до утворення поліуретану з виділенням двоокису вуглецю (СО2), що є причиною спінювання композиту загалом. Суть методу випереджувальної полімеризації полягає в наступному: введенням в компоненти поліуретанової суміші (в один або обидва) хімічних модифікаторів значно прискорити першу реакцію уретаноутворення і одночасно уповільнити або виключити взагалі другу реакцію.
В результаті вивчення хімічних властивостей поліефіру, поліізоціанату та хімічно сумісних з ними органічних сполук знайдено універсальні модифікатори – елементоорганічні сполуки класу силазанів. Універсальність полягає в тому, що введення силазанів у компоненти поліуретанової системи дозволяє одночасно вирішити обидві задачі, поставлені методом випереджальної полімеризації.
Реакційні властивості силазанів визначаються основним гідролітично нестійким Si-N-Si зв'язком. При взаємодії з водою у макромолекулі силазана розривається хімічний зв'язок між атомом кремнію та атомом азоту. В результаті реакції утворюються молекули силазана і силоксану (Si-O-Si) з кінцевими гідроксильними групами, а такожвиділяється аміак. Взаємодія силазана з поліефіром супроводжується розривом Si–N зв'язку та утворенням розгалужених молекул модифікованого поліефіру з кінцевими ОН-групами. Значне збільшення гідроксильних груп в уретанообразующем поліефірі підвищує ймовірність протікання реакції полімеризації без виділення реагенту порообразующего (СО2). Модифікація силазаном дозволяє також зменшити кількість структурної вологи в поліефірі і тим самим зменшити кількість реакцій, що призводять до спінювання композиту.
Експериментально встановлено оптимальну кількість силазанового модифікатора для отримання жорстких неуспенених поліуретанів. Застосування силазана дозволяє отримувати монолітні (без пір) покриття в умовах нормальної вологості без застосування спеціального обладнання.
Встановлено, що суміш поліефіру та епоксидного олігомеру дозволяє створити сополімер, при затвердінні якого утворюється жорсткий поліуретан, армований макромолекулами епоксидного полімеру. Введення епоксидного модифікатора призводить до підвищення механічної міцності поліуретанових композитів та покращує адгезійну міцність покриття, що доведено експериментально. Для збільшення ударної міцності та пластичності покриття до епоксиуретанового композиту вводився високомолекулярний каучук у кількості 1–3 %.
Для захисних покриттів важливим показником, що характеризує довговічність, є кінетика набухання (масопоглинання) при експонуванні в агресивних середовищах. Покриття розробленого епоксиуретанового композиту пройшли випробування на масопоглинання за ГОСТ 12020-72.
Внаслідок високої полярності вода є однією з найбільш агресивних рідких середовищ. На рис. 1 показана кінетика набухання епоксиуретанового композиту у воді.
Якіснийаналіз результатів (див. рис. 1) показує, що зразки покриття протягом перших 15 діб розчиняються. Далі починається набухання покриття (збільшення маси за рахунок проникнення води всередину зразка), причому швидкість набухання не перевищує 0,05% за 60 діб. При таких малих темпах набухання неможливі різкі зміни міцності адгезійного контакту з поверхнею, що захищається, що виключає відшаровування покриття спочатку експлуатації. Подальші дослідження показали, що через 150 діб експонування зразків у воді зростання масопоглинання практично припиняється.
Хімічна стійкість епоксиуретанових композитів оцінювалася коефіцієнтом хімічної стійкості , де - міцність при одновісному стисканні після витримки у воді - до занурення зразків у воду. Результати експерименту подано на рис. 2.
Отримані результати показують зміцнення композиту через 15 діб у воді. Подальше експонування веде до зниження міцності. Після 150 діб міцність епоксиуретанового композиту остаточно встановлюється на рівні 96 % від початкової. Результати експериментів доводять теоретичне припущення довговічності епоксиуретанових покриттів.
Порівняльний аналіз експериментальних даних (див. рис. 1 та рис. 2) показує, що зміцнення епоксиуретанового покриття спостерігається на тлі розчинення композиту за перші 50-60 діб витримки зразків у воді. Цей ефект пояснюється так.
Поверхня композиту має мікродефекти, «вершини» яких є зонами концентрацій напруг при навантаженні композиту (рис.3, а). Вода, розчиняючи верхній шар епоксиуретанового композиту, згладжує глибокі та ліквідує порівняно дрібні мікротріщини (рис. 3, б) і тим самим знищує небезпечні зони наповерхні покриття, що знижують міцність.
Ще одним важливим параметром для захисних покриттів є міцність адгезійна до матеріалу поверхні. Універсальність адгезійних якостей епоксиуретанових композитів зумовлює можливість застосування розробленого покриття для захисту конструкцій, виготовлених з різних матеріалів.
Адгезійна міцність епоксиуретанових композитів до сталі становить 25-30 МПа при рівномірному одновісному відриві та 12-15 МПа при зсуві. Випробування проводилися за методикою ГОСТ 14760-69 та ГОСТ 14759-69. Отримані результати відповідають вимогам до адгезійної міцності покриттів. Проведені японською фірмою Field co., ltd випробування адгезійної міцності розробленого композиту до поліетилену показують, що міцність сполуки становить 61-68% міцності поліетилену. Відомо, що поліетилен один з матеріалів, що важко склеюються. З огляду на це можна стверджувати, що отримані результати допускають можливість застосування епоксиуретанових композитів як покриття для виробів з поліетилену. Хоча, як правило, будівельні вироби з поліетилену досить стійкі до дії агресивних середовищ і не потребують додаткового захисного покриття, результати проведених випробувань доводять універсальність властивостей адгезійних епоксиуретанових композитів.