125944 (Розробка модифікованих композиційних покриттів на поліорганосилоксановій основі для захисту магістральних трубопроводів), страница 2

Тест-контроль систем "сталь – покрив", в тому числі на зразках труб і магістральних трубопроводах, здійснювали згідно вимог ДСТУ 4219: 2003 і ВБН В.2.3-00018201.01.02.01-96.

У третьому розділі в процесі розробки кремнієорганічних композиційних матеріалів досліджено процеси адсорбції та десорбції вологи мінеральними наповнювачами та розроблено спрощений метод контролю їх готовності для приготування композицій за визначенням їх діелектричної суцільності, оскільки використання сухих наповнювачів є передумовою створення якісного покриття. Встановлено, що застосування різнодисперних мінеральних наповнювачів – кам’яновугільної золи та оміакарбу для приготування композиції підвищують показники гель-фракції, знижують внутрішні напруження та втрату маси кремнієорганічних матеріалів. Отже, виникла потреба встановити оптимальні кількості вказаних мінеральних наповнювачів в композиції. Спостерігали підвищення комплексу фізико-механічних і діелектричних параметрів мінерально наповнених кремнієорганічних покриттів, зокрема, міцності під час удару до 8,5 Дж та термостійкості до 262 0С за концентрації оміакарбу в межах 19…21 мас. ч. в композиції (рис.1), (Деклараційний патент України, (11) UA № 16276 CO8L 83/04 (2006/01), CO9D 183/04).

Методом електронної мікроскопії встановлено, що різна структура і розміри мінеральних наповнювачів призводять до утворення щільно упакованої структури композитів, що пояснює покращення характеристик кремніє-органічних матеріалів та покрить (рис.2, в).

Дослідження кінетики тверднення композитів на кремнієорганічній матриці з різними мінеральними наповнювачами підтвердили, що оптимальною швидкістю структурування характеризуються композиції з кам’яновугільною золою та оміакарбом.

Встановлено, що механо-хімічна та наступна ультразвукова обробка композицій значно підвищують характеристики мінерально наповнених кремнієорганічних покриттів. Зокрема показник міцності під час удару зростає на 7 Дж, а питомий об’ємний електричний опір – на величину 10,3∙1012 Ом∙м. Отже, ультразвукова обробка композицій дозволяє отримати куремнієорганічні покриття з високими захисними характеристиками, придатними для захисту високотемпературних ділянок газокомпресорних стацій.

У четвертому розділі представлено результати дослідження композиційних матеріалів і покриттів типу "кремнієорганічна матриця – мінеральні наповнювачі – поліуретанові модифікатори". Метою досліджень було створення покрить з підвищеною еластичністю, оскільки недоліком кремнієорганіки є її крихкість.

В процесі підбору поліуретанових модифікаторів з оптимальними технологічними та експлуатаційними характеристиками вивчено вплив природи і структури їх складових на процеси уретаноутворення. Використано поліуретани на основі полідиетиленглікольадипінатів та їх суміші, а також ізоціанатні компоненти.

Встановлено, що для модифікації кремнієорганічної матриці найбільш ефективними є поліуретанові композиції високої реакційної здатності на основі поліестеру ПДА-800 і 4,41 - дифенілметандиізоціанату (МДІ).

Дослідження впливу поліестерних та диізоціанатних компонентів (поліестер П-7; фталевий ангідрид; 2,4-толуїлендиізоціанат; поліізоціанат) на процеси структурування вихідної кремнієорганічної матриці встановило підвищення фізико-механічних характеристик і питомого об’ємного електричного опору в їх присутності (див. рис.3).

Отже, встановлено, що перспективними модифікаторами для кремнієорганічної матриці на основі лаку КО-921 є рідкі поліуретанові композиції високої реакційної здатності. Зокрема, до них відноситься поліуретан ALFAPUR SZ 1040, що має високі фізико-механічні та протикорозійні параметри.

Дослідження кінетики тверднення мінерально наповнених кремніє-органічно-уретанових композицій підтвердили процеси структурування поліметилфенілсилоксану з поліуретаном ALFAPUR SZ 1040 P. Встановлено оптимальну кількість поліуретану в композиції - до 4% мас., збільшенні якого процес полімеризації сповільнювався.

Електронна мікроскопія кремнієорганічно-уретанового матеріалу з сумішшю наповнювачів – кам’яновугільної золи та оміакарбу підтвердила утворення однорідного композиційного матеріалу, (рис.4, б).

При введенні у мінеральнонаповнену кремнієорганічну композицію поліуретанового модифікатора збільшуються товщини полімерних зв’язок з поліметилфенілсилоксану, поліуретану і продуктів їх співконденсації, формуються глобули композиційного матеріалу з кількох частинок кам’яновугільної золи і оміакарбу (світлі ділянки ділянки, оточені темною полімерною матрицею), (рис.4, б).

Утворення композиційної структури також підтвердили дослідження фізико-механічних та діелектричних властивостей кремнієорганічно-уретанових покриттів (табл.1).

Встановлено, що із збільшенням вмісту в кремнієорганічній композиції модифікатора "ALFAPUR SZ 1040 P" до 15,0% мас. еластичність покриття зростає в 2,5 рази, проте міцність під час удару знижується з 6,5 до 4,5 Дж. Максимальні показники питомого об’ємного електричного опору (4,12∙1012 Ом·м) характерні для покриття з кількістю поліолу 2,0% мас.

Таблиця 1.

Фізико-механічні та діелектричні параметри

кремнієорганічно-уретанових покриттів

У п’ятому розділі досліджено імпедансні характеристики (опір і ємність) мінерально наповнених і модифікованих кремнієорганічних покрить сталевих електродів в 3% - ному розчині хлориду натрію методом "пустотілих циліндрів" і методикою розробленого електродом.

Електрод розроблено на рівні винаходу (патент України (19) UA № 12978 від 2006 р., МПК (51), GO1N 27/07 (2006.01)) і призначено для вимірювання імпедансних характеристик покрить на сталевих пластинах, трубопроводах і металоконструкціях не тільки в лабораторних, а й в експлуатаційних умовах, (рис.5). Перевагою електроду є можливість проведення прискорених вимірювань на трубах різної кривизни та вертикальних поверхнях металоконструкцій.

Імпедансні дослідження встановили, що для кремнієорганічних покриттів з щільноупакованою структурою наповнювачів, затверднених при 170 і 300 0С, характерні високі протикорозійні параметри (Рис.6).

а)

б)

в):

Рис.6. Залежності логарифмів опорів (частота - 1 кГц) сталевих електродів з покриттями:

1) з кам’яновугільною золою та оміакарбом

2) 2 - з кам’яновугільною золою;

3) з кам’яновугільною золою та поліуретаном після тверднення при температурах 20, 170,

300 0С у 3% - ному розчині NaCl.

Для кремнієорганічно-уретанових покриттів оптимальними є нормальні умови тверднення. Кремнієорганічна ізоляція з кам’яновугільною золою характеризується мінімальними показниками опору при різних температурах тверднення.

У шостому розділі досліджено структурні характеристики розроблених кремнієорганічних матеріалів і покриттів. Встановлено, що застосування диетиламіну для затверднення кремнієорганічного лаку КО-921 підвищує показник гель-фракції з 20 до 89,7% мас. під час зростання температури твердення.

Процеси кінетики тверднення фіксують пришвидшене структурування поліметилфенілсилоксану з модифікаторами - диетиламіном та поліуретановою системою ALFAPUR SZ 1040 P.

Інфрачервона спектроскопія підтвердила, що поява смуг поглинання NH – 3450, 3296 см-1, на затвердненому при 20 0С в присутності диетиламіну поліметилфенілсилоксані говорить про їх "холодне" каталітичне структурування. А також, виявленні на спектрі кремнієорганічної матриці з поліуретаном – типові для поліметилфенілсилоксану смуги поглинання (см-1): Si–C6H5 – 1432; OH – 3616; CH3 – 2960, 2880; C6H5 – 1592, 1500, 1450, засвідчили хімічне зшивання ОН-груп поліметилфенілсилоксану з функціональними групами поліуретанового модифікатора, (рис.7).

Встановлено, що термічне тверднення композицій на основі лаку КО-921 підвищує показники гель-фракції кремнієорганічних та кремнієорганічно-уретанових матеріалів. Найвищі показники мають композити з оміакарбом та з щільно упакованою структурою наповнювачів – (95,0%), наступним був кремнієорганічно-уретановий матеріал (92,0%), з кількістю поліолу 2,0% мас.

Встановили показники гель-фракцій для матеріалів "модифікований грунт+матеріал" після термообробки: І) з кам’яновугільною золою; ІІ) з оміакарбом; ІІІ) з кам’яновугільною золою та оміакарбом; ІV) з кількістю поліолу SZ 1040 P – 2,0% мас; V) з кількістю поліолу SZ 1040 P – 4,0% мас.; VІ) з кількістю поліолу SZ 1040 P – 15,0% мас., (рис.8).

Встановлено, що кремнієорганічні матеріали мають вищі показники гель-фракції, ніж кремнієорганічно-уретанові. Порівняння гель-фракцій композиту "грунт + покривні матеріали" засвідчило, що ці величини є значно вищими, ніж у композиту без грунту.

З рис.9, слідує, що мінерально наповнені кремнієорганічно-уретанові покриття з грунтом мають значно нижчі значення внутрішніх напружень, ніж кремнієорганічні. При збільшенні вмісту поліолу понад 2,0% мас. внутрішні напруження зменшуються.

Окрім цього, внутрішні напру-ження збільшуються із збільшенням товщини покриття.

Методом диференційно - термічного аналізу встановлено, що найвищою термотривкістю характер - ризувались кремнієорганічні матеріали з оміакарбом та з щільно-упакованою структурою мінеральних наповнювачів, що підтверд-жують криві термічних ефектів (рис.10, а).

Рис.10. Порівняльні криві термічних ефектів ΔТ (а) та залежність втрати маси (б) при нагріванні мінерально наповнених і модифікованих кремнієорганічних матеріалів, що містять:

1 – кам’яновугільну золу; 2 – оміакарб; 3 – кам’яновугільну золу та оміакарб; 4 – кам’яновугільну золу та поліуретан (2,0% мас).

З термогравіметричного аналізу видно, що найменше втрачає масу матеріал з кам’яновугільною золою та оміакарбом. Найменш стабільним є композит з поліуретаном та кам’яновугільною золою, оскільки для нього процеси втрати маси відбуваються при температурах 100-120 та 120-210 0С (рис.10, б).

ВИСНОВКИ

Встановлено закономірності впливу мінеральних наповнювачів та олігомерно-полімерних модифікаторів на структурування та фізико-механічні, діелектричні та протикорозійні параметри композиційних матеріалів та покрить на основі поліметилфенілсилоксанового лаку КО-921. На основі цих досліджень розроблено нові термостійкі кремнієорганічні та кремнієорганічно-уретанові покриття з покращеними ізоляційними і протикорозійними властивостями.

Розроблено пристрій та методику для визначення імпедансних характеристик покрить. Створено пристрій для контролю готовності мінеральних наповнювачів для приготування кремнієорганічних композицій.

1. Встановлено, що поліепоксидні та поліуретанові модифікатори, а також амінні та оловоорганічні каталізатори забезпечують "холодне" зшивання поліметилфенілсилоксанової матриці та її систем з мінеральними наповнювачами, утворюючи ефективні композиційні матеріали і покриття.

2. Встановлено, що підвищення температури тверднення композицій на основі кремнієорганічної матриці пришвидшують процеси їх структурування.

Дослідження кінетики тверднення та ІЧ-спектри показали, що поліметилфенілсилоксанова матриця вступає в реакції хімічної взаємодії з поліольними та ізоціанатними компонентами поліуретанової системи ALFAPUR SZ 1040 P та на основі цього розроблено мінерально наповнені кремнієорганічно-уретанові покриття, з підвищеною еластичністю, діелектричною суцільністю та низькими внутрішніми напруженнями.

Встановлено позитивний синергетичний ефект впливу мінеральних наповнювачів різної природи - оміакарбу та кам’яновугільної золи на структуру на характеристики кремнієорганічних композиційних матеріалів і покриттів. На основі цих досліджень розроблено композиційні покриття з щільно упакованою структурою наповнювачів з високою міцністю під час удару 8,5 Дж, які запатентовано і впроваджено в практику.

Встановлено, що структурування мінерально наповнених кремнієорганічних композицій під дією механо-хімічної та ультразвукової обробки значно покращує характеристики ізоляційних матеріалів і покриттів;