CC BY
15
УДК 691.175/8:69.057.513
МАЛИНОВСКАЯ ТАТЬЯНА ДМИТРИЕВНА, докт. хим. наук, профессор, [email protected]
РУБАНОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
КАЛЫГИНА ВЕРА МИХАЙЛОВНА, канд. физ.-мат. наук, доцент,
Томский государственный университет,
634050, пр. Ленина, 36,
МЕЛЕНТЬЕВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, студент,
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
НАНОКОМПОЗИЦИОННОЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ТЕРМОАКТИВНОЙ ОПАЛУБКИ
Впервые в качестве тепловыделяющего покрытия для термоактивной опалубки предложено использовать композиционный плёночный материал, включающий токопроводящую фазу на основе технического углерода с размером частиц от 15 до 25 нм, а в качестве полимерного связующего - полиуретановый лак. Дано научное обоснование такого технического решения, разработаны составы и технология получения проводящих нанокомпозиционных покрытий на металлических поверхностях, проведены их температурные испытания на модельных образцах термоактивных опалубок.
Ключевые слова: композиционный материал, полиуретановый лак, технический углерод, термоактивная опалубка.
MALINOVSKAYA, TATIANA DMITRIYEVNA, Doc. of chemical sc., prof., RUBANOV, ALEXANDR VICTOROVICH, Cand. of tech. sc.,assoc. prof., Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia,
KALYGINA, VERA MIKHAILOVNA, Cand. of phys.-math. sc., assoc. prof., Tomsk State University,
36 Lenin Avenue, Tomsk 634050, Russia MELENTYEV, SERGEY VLADIMIROVICH, student,
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
NANOCOMPOSITION HEAT-PRODUCING COVERING FOR THERMOACTIVE FORMWORKS
For the first time the composite film material including a current-carrying phase on the basis of technical carbon with a particle size from 15 to 25 nanometer, and as polymer binder - polyurethane varnish were suggested to use as a heat-producing covering for thermoactive formwork. The scientific substantiation of such technical decision was given, compositions and production engineering of conducting nanocomposition coverings on metal surfac-
© Т.Д. Малиновская, А.В. Рубанов, В.М. Калыгина, С.В. Мелентьев, 2010
es were developed, their temperature tests for modeling samples of thermoactive formworks were carried out.
Keywords: composite material, polyurethane varnish, technical carbon, thermoactive formworks.
В настоящее время широкое распространение получило монолитное домостроение, имеющее ряд неоспоримых преимуществ перед панельным и кирпичным строительством и существенный недостаток - длительное время набора прочности бетона. Ускорение твердения бетона монолитных конструкций, особенно в зимних условиях, возможно различными методами электротермообработки. Одним из эффективных методов является контактный электрообогрев бетона с помощью термоактивной (греющей) опалубки [1].
Щит греющей опалубки представляет собой металлическую палубу, на поверхности которой закреплены электронагреватели, защищенные от окружающей среды слоем теплоизоляции. Снаружи теплоизоляция должна быть защищена от увлажнения и механических повреждений. В качестве электронагревателей применяются трубчатые электронагреватели, уголь-ковостержневые, сетчатые, пластинчатые, из токопроводящей угольнографитовой ткани, греющие провода и кабели и другие [1, 2]. Все они имеют те или иные недостатки. Некоторые устройства работают в высокотемпературных режимах (до 300 °С), следствием чего могут быть высокие температурные перепады на палубе щита опалубки. Другие - располагаются с определенным шагом, что не всегда обеспечивает равномерность температурного поля на наружной поверхности щита, контактирующей с бетоном. Кроме того, трудно обеспечить плотное прилегание нагревателя к палубе щита опалубки, что также сказывается на равномерности в распределении температур. Требуются большие трудозатраты в изготовлении греющего щита. Возможно нарушение целостности нагревателей (обрыв, обгорание контактов и др.) и прекращение тем самым заданного температурного режима обогрева бетона.
Исключение данных недостатков возможно путем применения в качестве нагревательного элемента термоактивной опалубки композиционного тепловыделяющего толстопленочного покрытия (КТТП). КТТП относится к новому поколению устройств для обогрева бетона, имеющих повышенный коэффициент полезного действия, комфортность, надежность и безопасность эксплуатации [3].
Цель данной работы - разработка составов и технологии получения композиционных тепловыделяющих толстоплёночных покрытий на металлической поверхности щита опалубки.
Для достижения поставленной цели был выбран композиционный резистивный материал, в котором в качестве связующего использован полиуретановый лак, а в качестве электропроводящего наполнителя - технический углерод [4]. Полиуретанам свойственна высокая адгезия практически ко всем известным материалам, изделия из него могут работать в условиях высокой влажности в широком температурном интервале от -70 до 120 °С
без существенного ухудшения механических свойств и выделения в атмосферу вредных примесей. Получают полиуретаны из жидких компонентов, дозировка и смешение которых не составляет труда, при этом, как правило, для полимеризации не требуется высоких температур, что значительно упрощает технологию получения покрытий на основе полиуретана. Поэтому они обладают низкой стоимостью. КТТП на основе полиуретана с электропроводящим наполнителем позволит обеспечить равномерное распределение температур на наружной поверхности щита при обогреве бетона. Если же в качестве наполнителя использовать мелкодисперсный технический углерод, который не только является отличным дешевым электропроводящим компонентом, но и способен экранировать УФ-излучение, то предлагаемое КТТП будет не только недорогим и простым в технологическом исполнении, но и долговечным.
КТТП наносили заливкой жидкого композиционного материала на поверхность металлического щита термоактивной опалубки с предварительно нанесенным диэлектрическим слоем полиуретанового лака толщиной 1 мм. Жидкий композиционный материал получали смешением технического углерода марки К-163 с компонентами полиуретанового лака марки «Контрацид Д-3010. Для лучшего перемешивания компонентов и регулирования вязкости в состав вводился растворитель - ацетон. Использование углерода марки К-163 было обусловлено тем, что этот технический углерод, полученный канальным способом, имеет на поверхности частиц реакционно-активные группы, связывающие кислород, что повышает его светозащитные свойства и значительно облегчает диспергирование в связующих. А размер частиц углерода в области от 15 до 25 нм, соответствующий марке К-163, является оптимальным для эффективной фильтрации УФ-излучения [5].
В качестве электрических контактов к КТТП были выбраны ленточные медные шины, присоединение которых осуществлялось на стадии пульверизации (заливки), поэтому образование адгезионного соединения покрытия с контактами происходило одновременно с процессом поликонденсации полиуретана. При таком способе присоединения обеспечивались высокая прочность сцепления и отсутствие переходного контактного сопротивления. На рис. 1 представлена схема технологического процесса изготовления модельных образцов щита термоопалубки. По указанной технологии было приготовлено шесть модельных образцов, характеристики КТТП которых представлены в таблице.
Как следует из таблицы, область концентраций технического углерода марки К-163 в полиуретановом лаке в интервале от 18 до 22 % является оптимальной с точки зрения потребляемой мощности. Увеличение в составе КТТП технического углерода выше 22 % приводит к резкому снижению удельного сопротивления, а значит, к повышению электропроводности и невозможности поддержания температуры нагрева в заданных пределах 25-110 °С с абсолютной погрешностью ± 0,4 %. При уменьшении технического углерода менее 18 % невозможно добиться равномерного нагрева по всей площади образца в диапазоне 25-110 °С (например, при содержании технического углерода < 16 %) и получить
удельное электрическое сопротивление менее 10 Омсм (например, при содержании технического углерода < 14 %), что необходимо для КТТП данного типа в связи с отсутствием механического контакта между проводящими частицами.
Рис. 1. Схема технологического процесса изготовления модельных образцов щита термоактивной опалубки
Характеристики лабораторных образцов с КТТП
№ обр. Содержание технического углерода в КТТП, % Толщина КТТП, см Отклонение температуры на поверхности КТТП от заданной, оС Удельное сопротив- ление КТТП, Ом-см
1 14 0,049 0,8 10,256
2 16 0,046 0,46 6, 345
3 18 0,046 0,39 3,423
4 20 0,049 0,33 2,415
5 22 0,043 0,37 1,569
6 24 0,045 0, 47 0,349
На рис. 2 представлена типичная зависимость температуры модельных образцов от подаваемой мощности. Так как температура образцов линейно зависит от подаваемой мощности, то возможна плавная регулировка температуры опалубки для термообработки бетона.
70
60
50
о о
40
30
20
-
-
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
К, Вт
Рис. 2. Зависимость температуры модельных образцов (образец № 2) щита термоактивной опалубки от подаваемой мощности
На модельных образцах были проведены испытания по определению времени выхода температуры на постоянную величину. Из характерных для этих испытаний графиков, представленных на рис. 3, следует, что выход на постоянную температуру для тепловыделяющих покрытий на металлических подложках слабо зависит от подаваемой мощности и составляет примерно 250-300 с.
Исследования, выполненные по определению времени снижения температуры (рис. 4), показали, что время самопроизвольного понижения температуры до 25 оС после снятия напряжения с модельных образцов составляет примерно 350-400 с.
Таким образом, в настоящей статье предложено в качестве электронагревательных элементов для термоактивных опалубок использовать сажена-полненные полиуретановые покрытия и решены следующие задачи:
- разработаны и обоснованы составы и технологии получения электропроводящих композиций на основе полиуретана, а также технологическая схема получения щитов термоактивных опалубок с саженаполненными полиуретановыми покрытиями;
- исследованы модельные образцы термоопалубок с толстопленочными тепловыделяющими покрытиями, изготовленными на основе саженаполнен-ного полиуретана;
- проведены исследования по изменению температуры КТТП в зависимости от подаваемой мощности;
- получены временные зависимости установления стационарных значений температуры при включении и выключении тока.
а
t, с
б
t, с
Рис. 3. Время выхода температуры модельных образцов щита термоактивной опалубки на постоянную величину в зависимости от подаваемой мощности: а - образец № 1; б - образец № 2
О
О
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
t, с
О
о
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
t, с
Рис. 4. Время самопроизвольного понижения температуры до 25 оС после снятия напряжения с модельных образцов: а - образец № 3; б - образец № 5
а
б
Полученные результаты однозначно свидетельствуют о возможности использования саженаполненных полиуретановых покрытий в качестве элек-
тронагревательных элементов для термоактивных опалубок, достаточно температуростабильных во времени и легкоуправляемых путем изменения подаваемой мощности. Такие покрытия электробезопасны в эксплуатации и исключают поражение электрическим током. Это достигается нанесением на металлический щит опалубки и на проводящий слой саженаполненных полиуретановых покрытий изолирующего слоя чистого полиуретана.
Технология изготовления таких покрытий достаточно проста и позволяет использовать практически все известные технологии нанесения лакокрасочных покрытий на поверхности любых площадей и конфигураций.
Библиографический список
1. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / под ред. Б.А. Крылова. -М. : НИИЖБ, 2005. - 255 с.
2. Рубанов, А.В., Технология строительного производства в зимних условиях / А.В. Рубанов, Ю.П. Рачковский. - Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2008. - 145 с.
3. Толстопленочные нагреватели и приборы на их основе / под ред. А.С. Веслера. - Иркутск : Изд-во гос. тех. ун-та, 2001. - 80 с.
4. Пат. 2364967. Российская Федерация, МПК Н01С7/00. Композиционный резистивный материал ; опубл. 20.08.2009, Бюл. № 23.
5. Усиление эластомеров / под ред. Дж. Крауса. - М. : Химия, 1968. - 484 с.
