CC BY
65
УДК 621.891
Е. М. Абакачева (к.т.н., доц.), К. А. Киреев (асп.), С. Р. Музафаров (асп.)
Экспериментальное исследование влияния электромагнитных волн СВЧ-диапазона на адгезионную способности полимерных материалов
Филиал Уфимского государственного нефтяного технический университета в г Стерлитамаке кафедра оборудования нефтехимических заводов 453118, г. Стерлитамак, пр. Октября 2б, тел. (3473)291130, e-mail: [email protected]
E. M. Abakacheva , K. A. Kireev, S. R. Muzafarov
Experimental research of influence of microwaves on adhesive
ability of polymeric materials
Branch of Ufa State Petroleum Technological University in Sterlitamak 2b, Oktyabrya Pr, 453118, Sterlitamak, Russia; ph. (3473) 291130, e-mail: [email protected]
Приводятся некоторые результаты исследования факторов, оказывающих влияние на условия формирования адгезионного контакта и методов повышения адгезионной прочности полимеров к металлу; исследовано влияние электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона на адгезионную способность полимерных материалов, которые продемонстрировали высокую эффективность использования электромагнитного излучения для нетепловой модификации полимеров.
Ключевые слова: адгезив; металл; микроволновое излучение; модификация; полимер.
При формировании многих адгезионных соединений в контакт с поверхностью субстрата вступает высоковязкая масса. В этих случаях для процесса формирования контакта адге-зива и субстрата, важнейшее значение приобретают вязкоупругие характеристики адгезива и условия формирования контакта (давление, температура). Большое значение имеют реологические процессы, происходящие на границе раздела адгезив—субстрат, связанные с заполнением полимером микродефектов поверхности. Предельное упрочнение адгезионного шва достигается при максимальном заполнении микродефектов на поверхности субстрата. Контакт адгезива с субстратом во многих системах не может быть абсолютным. На границе между адгезивом и субстратом всегда остаются незаполненные адгезивом полости, раковины, и другие дефекты. Высокая вязкость адгезива, особенности топографии поверхности, недостаточно продолжительное время пребывания адгезива в пластическом состоянии или в виде низковязкого расплава — каждая их этих причин может привести к тому, что в готовом адге-
Дата поступления 09.03.11
In the present study show some results of the study of factors affecting the formation conditions of the adhesive contact of the polymer to the metal. Results of an experimental research of influence of electromagnetic waves of a superhigh-frequency range on adhesive ability of polymeric materials which have shown high efficiency of use of electromagnetic radiation for not thermal updating of polymers are resulted.
Key words: adhesive; metal; modification; microwave radiation; polymer.
зионном соединении на границе раздела останутся поры и пустоты. В результате не только уменьшится фактическая площадь контакта, но и возникнут потенциальные очаги разрушения адгезионной связи, так как около воздушных полостей на границе раздела происходит
" 1
концентрация напряжений
В настоящее время известны следующие возможности повышения адгезионной прочности.
Химическая модификация адгезива. Увеличение содержания функциональных групп адгезива, активных по отношению к субстрату, как правило, может приводить к улучшению адгезионного взаимодействия, хотя взаимосвязь функциональных групп и прочности может иметь экстремальный характер. Значительное влияние может оказывать соотношение полярных и неполярных групп в адгезиве и их взаимное расположение.
Подготовка и модификация субстрата. Например, для изменения кислотно-основного баланса полимера с поверхностью наполнителя применяют метод обработки в высокочастотной плазме.
Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Увеличение плотности упаковки молекул ПАВ на поверхности субстрата приводит к увеличению адгезионной прочности за счет того, что неполярная часть молекул ПАВ диффундирует в связующее, а полярная адсорбируется на поверхности субстрата. Кроме того, ПАВ могут влиять на надмолекулярную структуру связующего, уменьшая его дефектность.
Положительно влияет на увеличение адгезионной прочности снижение внутренних напряжений за счет введения пластификаторов, каучуков, наполнителей, термопластичных модификаторов и оптимизации температурно-временного режима формирования адгезионного соединения.
Можно выделить несколько факторов, оказывающих влияние на условия формирования адгезионного контакта. К ним, в первую очередь, следует отнести температурный режим. Роль этого фактора особенно велика в тех случаях, когда адгезив представляет собой расплав. Расплав полимера должен обладать определенной подвижностью, чтобы заполнять многочисленные углубления на поверхности металла. Поэтому повышение температуры в момент формирования адгезионного контакта вызывает снижение вязкости расплава и благоприятствует достижению в конечном итоге более высокой адгезионной прочности.
Установлению возможно более полного контакта в системе полимер—металл препятствуют надмолекулярные образования, существующие в расплавах полимеров. При повышении температуры эти образования разрушаются, что способствует достижению более полного адгезионного взаимодействия. Повышение температуры не только облегчает достижение адгезионного контакта, но и может приводить к некоторым дополнительным эффектам, например, вызывать появление у адгезива функциональных групп, способствующих повышению адгезии.
Кроме температурного режима важнейшим фактором, определяющим формирование адгезионного контакта, является количество пластификатора. При введении в полимер пластификатора облегчается достижение контакта между адгезивом и субстратом, снижаются остаточные напряжения, но в тоже время ухудшаются прочностные свойства полимера.
Широкое применение в качестве адгези-вов для металлов нашли полимеры на основе фенольных, эпоксидных и полиуретановых смол. Известно, что фенолформальдегидные смолы были основой одного из самых первых
конструкционных клеев. В настоящее время немодифицированные фенолформальдегид-ные смолы как адгезив для металлов не применяются, так как в отвержденном состоянии клеевой шов очень хрупок. Однако, поскольку фенолформальдегидные смолы содержат активные функциональные группы (гидроксиль-ные), их используют при создании различных композиций, обладающих адгезией к металлам. Фенолформальдегидные смолы модифицируют различными термопластами и эластомерами. Наибольшую известность получили фенолполивинилбутирольные композиции — клеи типа БФ. Большой интерес представляют фенолформальдегидноэпоксидные композиции. При 150—2000 оС эпоксидные группы взаимодействуют с фенольными и метилольными гидроксилами резольной смолы, что приводит к отверждению системы. Адгезионные свойства композиции изменяются не монотонно, а имеют максимум при определенном соотношении эпоксидной и резольной смол (60:40).
Эпоксидные смолы применяются как ад-гезивы для металлов в несиловых конструкциях, а также в качестве конструкционных клеев.
Хорошими адгезионными свойствами по отношению ко многим субстратам, и особенно к металлам, обладают полиуретаны. Величина адгезии полиуретанов к металлам зависит в первую очередь от типа исходных продуктов — полиола и полиизоцианата. Например, у полиуретанов, полученных из полиэфира и десмо-дура (продукта реакции 2,4-толуилендиизоци-аната и триметилолпропана) максимальная адгезия к алюминию достигается при соотношении групп —СООН и —ОН в полиэфире в пределах 0.8—1.0. Соотношение в исходной композиции десмодура и полиола оказывает решающее влияние на величину адгезии. Сопротивление срезу клеевого шва алюминия на образцах, склеенных внахлест, достигает максимума при соотношении десмодура и полиола равном 1.3—1.6, а затем резко снижается 2.
Уретановые группы повышают адгезию полиэфируретанов в большей степени, чем эфирные. Определенный интерес представляют глицидилуретаны — мономерные вещества, содержащие в молекуле уретановые и эпоксидные группы. Глицидилуретаны легко взаимодействуют с органическими веществами, содержащими группы с активным атомом водорода (органические кислоты, основания, спирты, фенолы). При этом образуются твердые и прочные покрытия с высокой адгезией к металлам. Кремнийорганическим полимерам присуща низкая адгезия. Однако путем моди-
фикации, а также введением полярных групп в состав кремнийорганических полимеров удается незначительно повысить адгезию этих смол к металлам и другим субстратам. Композиции кремнийорганических полимеров с полиэфирами, эпоксидными и фенольными смолами и другими полимерами, содержащими полярные группировки, являются основой многих теплостойких клеев, в том числе конструкционного назначения.
В настоящее время для интенсификации процессов модификации адгезивов и полимерных материалов широко используются электрофизические методы, такие как упругие колебания звукового и ультразвукового диапазонов частот, виброобработка, токи высокой частоты, лазерное, электронное, ультрафиолетовое излучения 3.
Необходимость в альтернативных технологиях модификации полимеров связана с многостадийностью традиционных процессов, высокими энерго- и трудовыми затратами, экологической напряженностью производства. Исследования по применению электрофизических методов обработки материалов и изделий показали эффективность использования для этой цели энергии сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний 4. Объемная обработка полимерных материалов и изделий позволяет значительно ускорить процесс модификации по сравнению с другими методами обработки, при этом повышается качество готовых изделий, уменьшаются термомеханические эффекты, габариты производственной установки, улучшаются экономические показатели процесса 5.
Экспериментальная часть
В представленной работе приводятся результаты экспериментального исследования влияния электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона на адгезионную способность полимерных материалов, которые продемонстрировали высокую эффективность использования электромагнитного излучения для нетепловой модификации полимеров.
В ходе исследования адгезионной способности модифицированной ПВХ пленки изменялись как мощность излучения (от 60 до 300 Вт с шагом в 60 Вт), так и время воздействия (1 — 3 мин).
При оценке адгезионных свойств защитных покрытий наибольший интерес представляют две группы факторов:
1) факторы, обеспечивающие адгезионную прочность (адгезионные связи при контакте полимерного материала с поверхностью, продолжительность контакта, радиуса кривизны поверхности, значение шероховатости поверхности и т.д.);
2) необходимые усилия для нарушения адгезионного соединения, зависящие от условий эксплуатации покрытий (температуры, воздействия агрессивных сред, вида и продолжительности действий нагрузки и др.).
Экспериментальные исследование проводились на образцах из углеродистой стали 20 диаметром: 57, 89, 108, 159 мм с использованием ПВХ изоляционной пленки, СВЧ-модифи-цированной ПВХ изоляционной пленки. В связи с тем, что элементы, изготовленные из композиционного материала, могут находиться в условиях резкого изменения температур, возникает опасение, что в силу различия коэффициентов линейного расширения и в связи с относительно большой толщиной покрытия возможно уменьшение адгезионной прочности.
Результаты и их обсуждение
Нами представлены результаты исследования адгезионной способности полимерных изоляционных покрытий: изменение адгезии полимерных изоляционных покрытий от диаметра трубопроводов (рис. 1) и влияние циклических изменений температуры на адгезию полимерного покрытия (рис. 2).
Коэффициент линейного расширения армированного полимерного покрытия в интервале 297—373 К равен 9-10-5, коэффициент линейного расширения ПВХ покрытия 5-10-5, битума 2.19-10-4 а коэффициент линейного расширения металла равен 12-10-6.
В связи с этим был вызван интерес к исследованию влияния циклических изменений температуры, а также длительного воздействия пониженной температуры на физико-механические свойства системы металл—прай-мер—полимерное покрытие. Образцы в течение 30 мин выдерживались в криогенной камере с жидким азотом (233 К), после чего доводились до температуры 293 К. Всего было проведено 5 таких циклов.
После 5-го цикла СВЧ-модифицирован-ная ПВХ изоляционная пленка не изменила адгезионной способности, а у ПВХ изоляционной пленки адгезия понизилась на 30%.
Проведенные исследования показали высокую эффективность использования электромагнитного излучения для нетепловой моди-
Рис. 1. Показатель адгезии ПВХ изоляционной пленки и СВЧ-модифицированной ПВХ изоляционной пленки при различных диаметрах
Рис. 2. График зависимости показателя адгезии от циклического охлаждения при Т = 233 К
фикации полимеров позволяющего улучшить адгезионную способность покрытия, механические свойства и качество сопряжения системы металл—полимер.
Литература
1. Басин В. Е. Адгезионная прочность.— М: Химия, 1989.- 208 с.
2. Вакула В. Л., Притыкин Л. М. Физическая химия адгезии полимеров, М.: Химия, 1995.- 224 с.
3. Калганова С. Г. Электротехнология нетепловой
модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле: Дис.... доктора тех.н. — Саратов: СарГТУ, 2009.
4. Архангельский Ю. С., Девяткин И. И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов.— Саратов: СарГТУ, 1983.— 140 с.
5. Даминев Р. Р., Бикбулатов И. Х., Шулаев Н. С., Рахманкулов Д. Л. Гетерогенные каталитические промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ диапазона.— М.: Химия, 2006.— 134 с.
