Защитные покрытия и облицовочные изделия широко применяют в промышленности и других отраслях человеческой деятельности, чтобы избежать негативного влияния внешних неблагоприятных факторов, которые приводят к ухудшению свойств и внешнего вида материалов и изделий, сокращают срок их эксплуатации. Наиболее часто защиту и облицовку применяют для наружных или внутренних поверхностей изделий и конструкций, поверхности исполнительных механизмов в машиностроении, радиотехнике и электротехнике, для дорожных покрытий, при прокладке трубопроводов, возведении или ремонте строительных конструкций [1–3]. При этом в первую очередь обеспечивают защиту изделий и механизмов от внешних механических воздействий, от действия воды, коррозионных сред, микроорганизмов, насекомых и т.п., от контакта с атмосферой и ультрафиолетового излучения, что позволяет продлить срок службы изделий, механизмов и конструкций, сохранить их свойства и качество на протяжении всего срока эксплуатации, а кроме того, в большинстве случаев дополнительно придать им эстетичный внешний вид [4, 5].
Защитные покрытия и облицовочные изделия преимущественно получают из полимерных материалов, металлов, стекла (эмали, глазури и т.п.) и керамики, в том числе используя эти материалы при создании композиционных покрытий [6–8]. Большой интерес представляет использование полимерных композиционных материалов в качестве защитных покрытий для бетонных и металлических поверхностей и элементов различных строительных конструкций зданий и сооружений, промышленного оборудования и трубопроводов, эксплуатируемых в условиях негативного воздействия внешних факторов, таких как атмосферные осадки, в том числе кислотные дожди, ультрафиолетовое излучение, температурное воздействие и т.п. Специфика их применения указывает на то, что они должны обладать хорошими прочностными, адгезионными, гидрофобными и другими защитными физико-механическими свойствами.
В зависимости от того, какие конкретные технические и эксплуатационные характеристики хотят придать защитному покрытию, в качестве полимерной основы используют различные реакционноспособные олигомеры и сополимеры [9–11]. С целью повышения физико-механических показателей покрытий часто применяют основной полимер совместно с алкосиланами и полиорганосилоксанами [12–14]. Усиление прочностных и адгезионных показателей достигается за счет использования элементорганических соединений, способных образовывать наноразмерные частицы соответствующих элементов или их оксидов, способствуя значительному улучшению свойств покрытий [14, 15].
Целью представленной работы является разработка полимерной композиции на основе олигопипериленстирольного олигомера, модифицированного 3-аминопропилтриэтоксисиланом и тетраизопропилтитанатом, для создания защитного покрытия с высокими значениями прочностных, адгезионных и гидрофобных характеристик.
Материалы и методы исследования
В данной работе полимерной основой разрабатываемой композиции являлся олигомер ПС-70М первого сорта по ТУ 38303-01-30-91, представляющий собой раствор пипериленстирольного олигомера, модифицированного малеиновым ангидридом или метакриловой кислотой в углеводородном растворителе. Применяемый олигомер имел условную вязкость 30–60 с, массовую долю незаполимеризованного стирола не более 0,4 % и массовую долю нелетучих веществ в пределах 40–60 %.
В качестве аддитива для повышения эксплуатационных свойств покрытия использовался 3-аминопропилтриэтоксисилан, изготовленный по ТУ 6-02-724-779 (продукт АГМ-9), представляющий собой прозрачную жидкость из смеси двух изомеров: гамма-аминопропилтриэтоксисилана и бета-аминоизопропилтриэтоксисилана. 3-аминопропилтриэтоксисилан легко растворим в органических растворителях, имеет плотность 0,942 г/см3, температуру плавления 70 °C и температура кипения 217 °C.
Для достижения высокой скорости холодного отверждения защитного покрытия и в роли второго аддитива для повышения эксплуатационных свойств покрытия использовался тетраизопропилтитанат (ТИПТ), изготовленный по ТУ 2423-008-50284764-2006 и представляющий собой продукт взаимодействия четыреххлористого титана с изопропиловым спиртом. Для достижения вязкости покрытия, оптимальной для его нанесения, применялся уайт-спирит по ГОСТ 3134-78. Композицию для получения защитного покрытия готовили путем последовательного смешивания в течение 20 мин в лабораторном смесителе пипериленстирольного олигомера, 3-аминопропилтриэтоксисилана и тетраизопропилтитаната, затем в композицию добавляли уайт-спирит, а после достижения оптимальной вязкости полученный состав наносили при помощи фильеры на металлическую подложку. Для проведения испытаний по определению краевого угла смачивания и прочности при отрыве образцы выдерживали при комнатной температуре 25 °С в течение 30 дней.
Определение физико-механических характеристик разработанного защитного покрытия проводили по стандартным методикам: краевой угол смачивания определяли по ГОСТ 7934.2-74, адгезию к подложке определяли по ГОСТ 28574-90, твердость полученного защитного покрытия определяли на маятниковом приборе по ГОСТ 5233-89.
Результаты исследования и их обсуждение
При проведении работы были исследованы свойства покрытий, полученных на основе составов композиций, представленных в табл. 1. Физико-механические характеристики покрытий, полученных на основе исследуемых составов композиций, представлены в табл. 2.
Из данных табл. 2 видно, что с увеличением в полимерной композиции количества 3-аминопропилтриэтоксисилана величина краевого угла смачивания увеличивается, а это, в свою очередь, способствует тому, что гидрофобность защитного покрытия возрастает.
Таблица 1
Составы разработанных композиций
|
№ состава |
Составы композиций, мас. ч. |
||
|
ОПС |
АГМ-9 |
ТИПТ |
|
|
1 |
100 |
10 |
2 |
|
2 |
100 |
5 |
6 |
|
3 |
100 |
20 |
4 |
|
4 |
100 |
15 |
10 |
|
5 |
100 |
10 |
8 |
Такое влияние 3-аминопропилтриэтоксисилана на свойства покрытия на основе пипериленстирольного олигомера можно объяснить наличием в данной добавке функциональных групп у атома кремния, способствующих образованию такой связи покрытия с рабочей поверхностью обрабатываемого материала, при которой неполярные углеводородные фрагменты молекулы 3-аминопропилтриэтоксисилана оказываются направлены в противоположных от защищаемой поверхности направлениях, а полярные – к обрабатываемой поверхности [12].
Таким образом, поверхность оказывается защищена гидрофобными углеводородными группами и теряет способность смачиваться водой, что повышает ее водостойкость и препятствует водопоглощению. Кроме того, 3-аминопропилтриэтоксисилан является амино-функциональным аппретом, обеспечивая прочную связь между неорганическим субстратом (рабочей поверхностью подложки) и органической полимерной основой покрытия: кремнийсодержащая часть молекулы обеспечивает прочное связывание с субстратом, а первичная аминогруппа взаимодействует с пипериленстирольным олигомером.
В то же время из табл. 2 следует, что с увеличением содержания тетраизопропилтитаната повышается твердость пленки покрытия и прочность покрытия при отрыве. При проведении исследований также было установлено, что добавление тетраизопропилтитаната в полимерную композицию в количестве свыше 10 мас. ч. приводит к образованию очень жесткого покрытия, характеризующегося большими внутренними напряжениями и обладающего низкой адгезией к подложке.
Влияние данной добавки можно объяснить образованием прочных химических связей между олигомером и тетраизопропилтитанатом за счет наличия реакционноспособных групп как у самого тетраизопропилтитаната, так и у пипериленстирольного олигомера. Необходимо отметить возможность разложения тетраизопропилтитаната под действием атмосферной влаги, с образованием частиц наноразмерного оксида титана, которые в качестве активных центров встраиваются в структуру полимерных макромолекул и обеспечивают пространственно-сшитую структуру получаемого покрытия, значительно увеличивая его прочность.
Для оценки степени достижения цели данной работы дополнительно сравнили физико-механические характеристики разработанного покрытия с характеристиками известного покрытия на основе пипериленстирольного олигомера, в котором в роли модификатора выступает тетраэтоксисилан, а дисперсным наполнителем является гальванический шлам [14].
Из результатов сравнения (табл. 3) видно, что получаемое в данной работе защитное покрытие по всем показателям превосходит покрытие, выбранное для сравнения.
Следовательно, разработанное защитное покрытие характеризуется высокими эксплуатационными характеристиками и может успешно применяться для защиты металлических поверхностей.
Таблица 2
Физико-механические характеристики образцов разработанного защитного покрытия
|
№ образца |
Прочность при отрыве, МПа |
Твердость пленки покрытия, по маятниковому прибору ТМЛ (маятник А), усл. ед. |
Краевой угол смачивания, град. |
|
1 |
3,3 |
0,29 |
102 |
|
2 |
3.1 |
0,32 |
107 |
|
3 |
3,8 |
043 |
121 |
|
4 |
4,4 |
0,41 |
118 |
|
5 |
4.2 |
0,39 |
109 |
Таблица 3
Физико-механические характеристики известного и разработанного защитных покрытий
|
Показатель |
Значение |
|
|
Известное защитное покрытие |
Разработанное защитное покрытие |
|
|
Прочность при отрыве, МПа |
3,2 |
3,3–4,4 |
|
Твердость пленки покрытия, по маятниковому прибору ТМЛ (маятник А), усл. ед. |
0,3 |
0,32–0,43 |
|
Краевой угол смачивания, град |
107 |
109–121 |
Заключение
Таким образом, по итогам данной работы был получен состав полимерной композиции, позволяющий создавать защитные покрытия и включающий в себя 100 мас. ч. пипериленстирольного олигомера, 5–20 мас.ч. 3-аминопропилтриэтоксисилана и 2–10 мас. ч. тетраизопропилтитаната.
Установлено, что повышение гидрофобности покрытия, получаемого на основе разработанного состава, достигается введением 3-аминопропилтриэтоксисилана, а введение тетраизопропилтитаната способствует существенному росту прочности и адгезионных показателей покрытия. Важными преимуществами разработанной в данной работе композиции являются технологическая легкость нанесения на поверхности с различными типом и формой, отверждение покрытия при комнатных температурах.
По итогам сравнения образцов полученного защитного покрытия с образцами на основе известной и сходной по составу полимерной композиции установлено, что полученное покрытие отличается повышенными показателями адгезии, гидрофобности, прочности и превосходит известное покрытие по прочности связи с металлическими поверхностями.
При сравнении образцов покрытия на основе разработанной композиции с покрытиями на основе известной и сходной по составу полимерной композиции установлено, что у разработанного защитного покрытия выше адгезионные, гидрофобные и прочностные характеристики, а также выше сцепление с рабочей поверхностью.
Разработанная полимерная композиция может быть использована для получения защитных покрытий на поверхности металлических элементов строительных конструкций, промышленного оборудования и трубопроводов для их защиты от влаги, агрессивных сред и механических повреждений.