CC BY
17
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 535.347, 525.035
МАЛИНОВСКАЯ ТАТЬЯНА ДМИТРИЕВНА, докт. хим. наук, профессор, malino@sibmail. com
МЕЛЕНТЬЕВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, аспирант, sergey. melentev. 88 @mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИУРЕТАНА НА ИХ СВОЙСТВА
Впервые в качестве тепловыделяющего покрытия предложено использовать композиционный плёночный материал, включающий токопроводящую фазу на основе углеродного наполнителя, а в качестве полимерного связующего - полиуретановый лак. Дано научное обоснование такого технического решения, разработаны составы и технология получения проводящих композиционных покрытий на металлических поверхностях, проведены их температурные испытания.
Ключевые слова: композиционный материал; полиуретановый лак; технический углерод; графит.
TATYANA D. MALINOVSKAYA, DSc, Professor, malino@sibmail. com
SERGEY V. MELENTYEV, DSc, Professor, malino@sibmail. com
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya, 634003, Tomsk, Russia
SYNTHESIS CONDITIONS AFFECTING THE PROPERTIES OF HEAT-GENERATING POLYURETHANE COMPOSITE COATINGS
For the first time, the film composites, which include a current-carrying phase based on a carbon filler, have been used in the capacity of heat-generating coatings, while polyurethane varnish - in the capacity of a plastic binder. A scientific rationale has been established for this technology; compositions and heat-generating coating technology have been developed for metal surfaces; temperature tests conducted have been described in this article.
© Т.Д. Малиновская, С.В. Мелентьев, 2013
Keywords, composite material, polyurethane varnish, carbon black, graphite
Разработка тепловыделяющих композиционных покрытий на основе полиуретана является актуальной материаловедческой задачей для создания нагревательных элементов различного назначения. Несмотря на имеющийся задел в получении различных композиционных покрытий, разработка и внедрение подобных композиций проводится очень слабо. В связи с этим настоящая работа, целью которой является исследование влияния технологических факторов на электрические и теплофизические свойства тепловыделяющих композиционных покрытий на основе полиуретана, является актуальной и значимой в практическом отношении. В работе впервые была проведена оптимизация условий получения указанных покрытий для использования их в конструкциях нагревательных элементов греющих опалубок, максимальная рабочая температура которых не должна превышать 80 °С.
Для достижения поставленной цели был выбран композиционный тепловыделяющий материал, в котором в качестве полимерного связующего использован двухкомпонентный полиуретановый лак, а в качестве электропроводящей фазы - углеродный наполнитель. Пленкообразование двухкомпо-нентных систем осуществляется при взаимодействии изоцианатных групп полиизоцианатов с гидроксильными группами гидроксилсодержащих соединений. Скорость взаимодействия регулируется количеством введенного катализатора и температурой [1]. Для достижения оптимальных свойств покрытия требуется сушка на воздухе в течение 5-7 сут или же 2 ч при 120 °С [2, 3]. Однокомпонентные системы на основе «блокированных» изоцианатов отвер-ждаются только при высоких температурах (не ниже 150 °С). При высокотемпературной сушке распадается уретановая связь между изоцианатом и блокирующим агентом, и освободившаяся таким образом изоцианатная группа реагирует с гидроксильными группами второго компонента, образуя полимер. Блокирующий агент при этом испаряется. Время сушки зависит от температуры: при 350 °С - 5 мин, при 180 °С - 60 мин. Покрытия из полиуретановых лаков характеризуются значительной твердостью при хорошей эластичности, чрезвычайно высоким сопротивлением царапанию и истиранию. При воздействии разбавителя, кислот, щелочей, растворов солей свойства полиуретано-вых пленок не изменяются в течение нескольких лет. Полиуретановые покрытия характеризуются также высокой стойкостью к воде, минеральным маслам, бензину, сложным и простым эфирам, кетонам, жидким пластификаторам. Покрытия могут эксплуатироваться в широком интервале температур: от -50 до 130 °С без существенных изменений свойств. Полиуретановые покрытия характеризуются высокими диэлектрическими свойствами, мало изменяющимися при повышенной температуре и воздействии влажной среды. Недостатки полиуретановых лаков - их довольно низкая жизнеспособность в разбавленном состоянии и сравнительно невысокая свето- и атмосферостойкость. Для преодоления указанных недостатков в предложенной нами электропроводящей композиции были использованы двухкомпонентные лаки, жизнеспособность которых значительно выше, чем у однокомпонентных [4, 5].
В ходе экспериментов по установлению оптимальных технологических режимов получения тепловыделяющих толстоплёночных композиционных материалов на основе полиуретана были проведены исследования по поиску оптимального времени приготовления композиционной смеси в шаровой мельнице с последующим измерением электрических характеристик лабораторных образцов. Время перемешивания составляло 30, 60, 90, 120 мин (рис. 1, 2).
т, °С
Рис. 1. Время выхода температуры образцов на постоянную величину при концентрации наполнителя С-1 25 % в зависимости от времени перемешивания
т, °С
Рис. 2. Время выхода температуры образцов на постоянную величину при концентрации наполнителя С-1 20 % в зависимости от времени перемешивания
Перемешивание осуществлялось в шаровой и вибрационной мельницах. Из рис. 1 и 2 видно, что оптимальное время приготовления композиционной
смеси - 60 мин, т. к. при увеличении времени перемешивания до 90, 120 мин изменение температурных характеристик не наблюдалось. При этом концентрация наполнителя на время приготовления композиционной смеси влияния не оказывало.
Нанесение композиционного материала на металлическую поверхность подложки осуществлялось заливкой приготовленной композиции. С наполнителем, в качестве которого был взят коллоидно-графитовый препарат С-1 в количестве 20 и 25 об. %, проведены измерения температуры образцов в зависимости от толщины покрытия (рис. 3, 4).
т, °С
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
-♦-0,3 мкм -Ф-0,4 мкм 0,6 мкм
t, мин
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Рис. 3. Время выхода температуры образцов на постоянную величину при концентрации наполнителя С-1 20 % в зависимости от толщины покрытия
Т, °С
90 90
70 60 50 40 30 20 10 0
1. >-
— . ►.........ф *
/ /
—1
Г-г»1
0,2 мкм 0,3 мкм 0,4 мкм
t, мин
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Рис. 4. Время выхода температуры образцов на постоянную величину при концентрации наполнителя С-1 25 % в зависимости от толщины покрытия
Измерения проводились при постоянном напряжении 12 В. Увеличение толщины покрытия больше 0,4 мк было нецелесообразно, т. к. при этой толщине достигалась максимальная рабочая температура модельных образцов 80 °С. Из рис. 3 и 4 видно, что выход на необходимую рабочую температуру 80 °С достигается при концентрации наполнителя С-1 25 % при толщине 0,4 мкм, а при концентрации наполнителя С-1 20 % - при толщине 0,6 мкм. При этом нагрев покрытия наблюдается для концентрации его наполнителя 20 % при минимальной толщине 0,3 мкм, а при концентрации его наполнителя 25 % - при минимальной толщине 0,2 мкм.
Эти зависимости свидетельствуют о двух этапах формирования контактов между проводящими частицами наполнителя С-1. Первый этап связан с испарением растворителя из двухкомпонентной суспензии, нанесённой на подложку, при комнатной температуре (20 °С) после 1 часа полимеризации. Второй этап характеризуется увеличением количества контактов и формированием проводящих фрактальных структур из углеродных частиц коллоидно-графитового препарата С-1 в условиях химического взаимодействия изоциа-натных групп полиизоцианатов с гидроксильными группами гидроксилсо-держащих соединений.
Выводы
Таким образом, в ходе проведённых экспериментов установлены оптимальный состав и технологический режим получения тепловыделяющих толстоплёночных композиционных материалов на основе полиуретана, при которых наблюдается стабилизация их толщины и электросопротивления. На основании проведённого сравнительного анализа механизмов полимеризации одно- и двухкомпонентных полиуретановых покрытий обоснована целесообразность использования композиционного покрытия из двухкомпонентного лака. Определены оптимальные температурные и временные режимы полимеризации двухкомпонентных полиуретановых покрытий с углеродным наполнителем из коллоидно-графитового препарата С-1 для нагревательных элементов термоопалубок. Установлена концентрация наполнителя, время приготовления, минимальная толщина композиционного полиуретанового покрытия, при которых достигается максимальная рабочая температура термоопалубки.
Библиографический список
1. Краус, Дж. Усиление эластомеров / Дж. Краус. - М. : Химия, 1968. - 484 с.
2. Воробьев В.А. Технология полимеров / В.А. Воробьев, Р.А. Андрианов. - М. : Высш. шк., 1980. - 303 с.
3. Новиков, В.У. Полимерные материалы для строительства / В.У. Новиков. - М. : Высш. шк., 1995. - 448 с.
4. Бюист, Дж. М. Композиционные материалы на основе полиуретана / Дж. М. Бюист. -М. : Химия, 1982. - 238 с.
5. Гуль, В.Е. Электропроводящие полимерные композиции / В.Е. Гуль, Л.З. Шенфиль. -М. : Химия, 1984. - 239 с.
References
1. Kraus, Dzh. Usileniye elastomerov [Reinforcement of elastomers]. Moscow : Khimiya, 1968. 484 p. (transl. from Engl.)
2. Vorobyev, V.A., Andrianov, R.A. Tekhnologiya polimerov [Polymere technology]. Moscow : Vysshaya shkola, 1980. 303 p. (rus)
3. Novikov, V.U. Polimernyye materialy dlya stroitelstva [Polymere materails in construction]. Moscow : Vysshaya shkola, 1995. 448 p. (rus)
4. Buist, J.M. Kompozitsionnyye materialy na osnove [Composite materials based on polyurethane]. Moscow : Khimiya, 1982. 238 p. (transl. from Engl.)
5. Hull, V.E., Shenfil, L.Z. Elektroprovodyashchiye polimernyye kompozitsii [Electrically conducting polymer compositions]. Moscow : Khimiya, 1984. 239 p. (transl. from Engl.)
