автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка и исследование свойств эпоксидных композитов с добавками хлорпарафинов и бутилкаучука

РГ6 он

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОСКРЕСНШШЙ Алексей Валентинович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИТОВ С ДОБАВКАМИ ХЛОРПАРАЖНОВ И НГТИЛШЧУИА

Специальность №.23.05. "Строительные материалы и изделия "

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САРАТОВ - 1993

Работа выполнена в Московском институте инженеров желеэнодо-рожного^транспорта и Пензенском инженерно-строительном института.

Научный руководитель - академик Соломатов В.И.

Научный консультант - член-корреспондент Прошин А.П.

Официальные оппоненты : доктор технических наук,профессор

Селяев В.П.

кандидат технических наук,доцент Хомяков И.В.

Ведущая организация : ПСЭО " Пензаводыелиорация".

Защита состоится и " -{М^'й? 1093 года- в "¿3 час, и пуд. 201 на заседании регионального специализированного соЕэта К 063,58.02 по присуждении ученой степени кандидата технических наук в Саратовском государственном техническом университете по адроеу : 410016, Саратов, ул. Политехническая, 77.

С диссертацией ношо ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 2,0" 1^93 г.

'С*-;

»V

ОВДАЙ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настощее время серьезное внимание уделяется научным разработкам и рекомендациям по созданию антикоррозионных рокрытий для строительны* конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах.

При всех достоинствах традиционных строительных материалов бетона, железобетона, керамики и др., они имеют ряд существенных недостатков. Одним из наиболее значительных недостатков является их низкая химическая стойкость. Агрессивные среды оказывают отрицательное действие на строительные конструкции, ведут к их ускоренному разрушению. Особенно отрицательное воздействие на строительные конструкции оказывает плавиковая кислота и рабочая смесь кислот, которые используются на предприятиях по производству стекла. В состав рабочей смеси кислот входят плавиковая (15 %) и серная (65 %) кислоты, взятые в соотношении 1:1. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, направленные на разработку эффективных защитных покрытий строительных конструкций на предприятиях по производству стекла. Одним из путей создания таких материалов является развитие технологии полимерных композитов на основе эпоксидных смол.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательской темы: "Разработка и исследование свойств материалов на основе отходов оптического стекла"( № Г.Р. 01660010921).

Цел'ь и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и исследование свойств эпоксидных композитов (ЭК) для защиты строительных конструкций от наружной коррозии на предприятиях по изготовлению оптического стекла.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1) исследовать влияние входящих в композит ингредиентов на процессы структурообразования ЭК;

2) исследовать влияние модификаторов различной природы на свойства эпоксидных полимеррастворов: прочностные, реологические, адгезию, внутренние напряжения, линейную усадку,

3) оптимизировать разработанные составы ЭК по физико-механическим характеристикам;

4) исследовать химическую стойкость эпоксидных полимеррастворов при воздействии на них агрессивных сред различной хими-

ческой и физической активности;

Ь) выполнить производственные испытания и провести внед ние разработанных эпоксидных: шшшеррастворов.

Научная новизна. Разработаны составы эпокс ньос композитов для защиты строительных конструкций от корроз Установлено влияние модификаторов на процессы структурооброз ния, прочностные и деформативные характеристики эпоксидных к позитов, водостойкость и химическую стойкость ЭК. Получены а лйтические зависимости прочностных свойств от вида модификат его концентрации и времени отверздения. Научная новизна техн: ческих решений защищена авторскими свидетельствами на изобре ния К& 1637332, № 1640937, № 1677034, » 1735329, № 1737862.

Практическое значение. Созданы матер, лы, стойкие в агрессивных средах предприятий по изготовлению стекла.

Реализация работы. Результаты исследован: использованы ггри производстве работ по антикоррозионной заши строительных конструкций на п/я А-3293 и при реконструкции и защите чаете лотка плотины и шиберов плотины Пензенского упр ления эксплуатации водохранилищ. Экономический эффект от вне, рения ЭК составил 10.82 тыс.руб. в ценах 1988 года.

Апробация работы. По" результатам проведен них исследований сделаны доклады и сообщения: на зональном с. кннаре "Защита строительных конструкций от коррозии " (г.Пен 1987 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Пути ресурсосбережения в производстве строительных материалов" (г за, 1988 г-.), на региональном семинаре "Применение эффективн1 полимерцементных композиций и бетонов в строительстве" (г.То мень, 1990 г.).

Публикации. По результатам проведенных исслед ваний и внедрения опубликовано 7 работ, получено 5 авторских свидетельств на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводо списка литературы, приложений, содержит 140 страниц машииопи ного текста, 39 рисунков, 32 таблицы. Список литературы сост из 137 работ советских и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе приведем анализ состояния вопроса. В обзоре литературных источников, посвященному исследованиям эпоксидных композитов (ЭК), рассматриваются процессы структурообразования я основные эксплуатационные свойства композитов в зависимости от применяемых компонентов и технологических параметров.

Установлено, что для улучшения эксплуатацио> пшх свойств ЭК необходимо подобрать компоненты и оптимизировать микро- и макроструктуры композиционного материала путем сочетания различных технологических воздействий. Показано, что одним из наиболее простых и экономически выгодных методов направленного регулирования процессов структурообразования янляется использование модифицирующих добавок. Модифицированные ЭК находят широкое применение в строительстве.

Анализ литературных источников позволяет сделать вывод, что наиболее широкое применение в качестве модификаторов находят ниэкомоленулярные углеродные жидкости. Использование таких модификаторов способствует повшению физико-механических харакг теристик, улучшению технологических свойств, получении ЭК с заданными характеристиками.

Однако, как показал обзор литературных источников, многочисленные исследования не решали проблемы создания ЭК для защиты строительных конструкций предприятий по изготовлению стекла с повышенной эластичностью структуры.

. Сформулир о н аиы цели и задачи исследований диссертационной работы с учетом выводов и заключений, сделанных в обзорной главе. Представлены основные характеристики применяемых материалов. В качестве связующего использовали эпоксидную смолу ЭД-20, которую отвергали полиэтиленполиаминоы. Для наполнения ЭК применяли кварцевый песок, фторид магния и отходы после химической полировки стекла (ОП ПС). Для модификации эпоксидной смолы применяли жидкие хлорпарафины марок ХП-418, ХП-470 и синтетический бутилкаучук.

Исследования свойств ЭК проводили с применением современных механических, физико-химических и математических методов. Определение физико-механических характеристик ЭК проводили по методикам существующих ГОСТов. Внутренние напряжения измеряли методом магнитострикции при помощи кольцевых иагнитоупругих

датчиков конструкции ЦНИИСК и консольным методой, предложенным ИФ АН СССР. Предельное напряжение сдвига определяли на коническом пластометре КП-3. Динамическую вязкость смолы определяли по методу Стокса.

Исследования морфологии поверхности разрушения проводили на алектронном микроскопе M -25 . Удельную поверхность ми-т неральных наполнителей определяли на приборе ПСХ-4. Линейную усадку определяли с помощью оптического компаратора ИЗА-2. Динамический модуль упругости определяли нераз^ушающим методом с помощью прибора УК-14П.

Химическую стойкость ЭК оценивали по изменению предела прочности при сжатии после ввдеряки в агрессивных средах различной физической к химической активности. В качестве агрессивных сред приняты: вода, I % и 10 % раствор серной кислоты,-5 % раствор едкого натра, 40 % раствор плавиковой кислоты и рабочая смесь кислот. Вид и концентрация агрессивных сред принят, исходя из условий эксплуатации строительных конструкций на предприятиях по производству стекла.

Математическую обработку результатов исследований производили по современным статистическим методам с использованием ЭШ "Искра-1030".

Приведены результаты исследований влияния компонентов на процессы структурообразования ЭК.

В результате исследований реологических свойств ЭК установлено, что применяемые добавки зелорпарафлнов и бутилкаучука существенно влияют на предельное напряжение сдвига ЭК (см.таблицу) .

Влияние вида и концентрации добавок на предельное напряжение сдвига впоксидних композиций

Вид IKok- ( Предельное напряжение сдвига, х

I0J Па .через мин.

'К; гт" ! 15 ! 30 ! 45 I 60 ! 75

i ic le zc 1111 le 1С :с 31 le le i i зс 11 z 1 n

16,701 18,341 19,908 27,854 66, №9

I 10,103 13,10? 15,413 16,775 17,854 20,997

Xil-418 3 8,014 8,436. 8,615 28,102 32,067 43,065

5 5,984 6,376 6,679 7,005 28,540 34,456

7 5,103 5,111 6,091 6,717 23,154 60,500

Продолжение таблицы

I 1 2 13 14 15 ! 6 5 7 1 8

I 5,689 6,082 6,475 6,851 17,946 25,206

ХП-470 3 5,816 6,516 6,766 8,055 30,050 55,156

5 6,551 6,001 7,015 8,010 25,168 40,166

7 5,876 6,144 7,066 8,160 12,255 24,206

I 12,262 20,404 25,980 26,879 28,001 34,825

Бутил- 3 12,189 12,986 17,658 19,620 21,803 31,601

каучук 5 12,162 12,556 12,753 16,145 19,608 32,072

7 10,971 11,974 13,356 16,243 17,168 22,052

Как показали исследования, варьируя компонентами БК, моано существенно пластифицировать эпоксидную композицию в начальной ■томент отверждения.

Исследования тепловыделения ЭК при отверждении показали, по применяемые добавки хлорпарафмнов и бутилкаучука понижают максимальную температуру саморазогрева полимерной композиции 5 процессе отверждении. Это подтверждает структурирующий аффект иипния добавок хлорпарафинов и бутилкаучука на ЭК.-

Изучено влияние вида и концентрации добавок на скорость '.»ижеиия температуры саморазогрева эпоксидной композиции в провесе отверядения.

Установлено, что вид и концентрация применяемой добавки ущоственно изменяет динамику скорости снижения т.емпературы оппозиции. Объясняется это упорядочиванием структуры ЭК, сидением дефектности структуры.

Исследовании морфологии скола показали, что используемые одификаторы оказывают на нее ааметное влияние. При применении обавок надмолекулярная структура становится более упордцочен-ой, разрушение ЭК носит когезионный характер.

Установлено, что применение бутилкаучука сникает динами-зский модуль упругости на 68 %.

Исследованы прочностше и деформативные свойства ЗК в эд-•симоста от вида и концентрации модификаторов и Рида наполнишь

Получены аналитические зависимости предела прочности при (атии и изгибе от вида и концентрации добавок и времени отвер*-жия. Проверка полученных моделей по критериям Фишера и Стьидвн-

та показала, что они являются адекватными при значении надеа-ности 0,95.

Применяемые добавки способствуют повышению физико-механических характеристик на 18-38 %. Влияние модификаторов на прочностные показатели ЭК связано с особенностями физико-химических процессов на границе "полимер-наполнитель".

Применяемый в качестве модифицирующей добавки бутилкаучук выпадает в отдельную фазу в объеме эпоксидной композиции. Являясь частично совместимым с полимерной матрицей добавкой, бутилкаучук способствует образованию двухфазной системы. Непрерывная фаза состоит из эпоксидной матрицы, а дискретная - из частиц бутилкаучука, воспринимающих ударные воздействия.

Применение в качестве модификаторов бутилкаучука и хлор-парафинов способствует повышению сопротивления удару на 32 адгезии к металлу на 56 $>.

Определены оптимальные концентрации применяемых добавок 3,0-5,0 % от массы эпоксидной смолы.

Экспериментальные данные позволяют сделать вывод о феноменологическом эффекте вводимых добавок на свойства эпоксидных полимерраст воров.

Проведены исследования влияния вида наполнителя на физико-механические характеристики ЭК.

Определено, что использование в качестве наполнителя фторида магния позволяет повысить прочностные показатели ЭК на 3741

Данные проведенных исследований показывают, что применяемые добавки хлорпарафинов и бутилкаучука позволяют снизить внутренние напряжения на 34-38 линейную усадку на 42-48

Проведены исследования химической стойкости ЭК при воздействии агрессивных сред различной природы.

Выявлено, что применение оптимальных концентраций добавок хлорпарафинов и бутилкаучука (3,0-5,0 % от массы смолы) повышает стойкость ЭК в 1,0 % растворе серной кислоты на 50 %•, в 10 % растворе серной кислоты на 55 %. Наибольший эффект наблюдается при использовании хлорпарафина марки ХЙ-418 и бутилкаучука.

В работе исследовалось влияние вида наполнителя на стойкость ЭК в 5 % растворе едкого натра. Определено, что наибольшей стойкостью обладают ЭК на фториде магния, наименьшей ЭК на ОГХПС.

Исследования водостойкости ЭК показали, что применение модифицирующих добавок хлорпарафинов и бутилкаучука поэволлот повысить водостойкость ЭК на различных наполнителях. Объясняется это тем, что применяемые добавки способствуют гидрофоби-зации поверхности наполнителей. .

В работе проводились исследования влияния вида наполнителя на стойкость ЭК в агрессивных средах предприятий по производству стекла. Определено, что наиболее стойкими к действию 40 % раствора плавиковой кислоты оказались эпоксидные полимеррсст-ворн, наполненные фторидом магния. Образцы, наполненные кварцевым песком, разрушились после 2,5-3 месяцев экспозиция в 40 % растворе плавиковой кислоты.

Установлено, что применение в качестве наполнителя отходов после химической полировки стекла, позволяет повысить коэффициент химической стойкости ЭК на 15 %.

Наиболее стойкими к действию рабочей смеси кислот, состоящей из 15 ^ плавиковой кислоты и 65 % серной кислоты, оказались эпоксидные полимеррастворы, наполненные отходами после химической полировки стейла.

Установлено, что применение хлорпарафинов к бутилкаучука в качестве модифицирующих добавок позволяет повысить стойкость ЭК в агрессивных средах предприятий по производству стекла. Экспериментально определены концентрации добавок максимально повышающие .химическую стойкость ЭК: ХП-418, ХП-470- 3,0 %, бутилкаучук - 5,0 % от массы эпоксидной смолы.

Применение в качестве модифицирующих добавок хлорпарафинов и бутилкаучука позволяет повысить стойкость ЭК к действию 40 % раствора плавиковой кислоты и рабочей смеси кислот на 3238

В работе приведен опыт промышленного внедрения разработанных эпоксидных композитов. Разработанные составы обладают повышенными залдатными свойствами при действии растворов плавиковой кислоты и смеси плавиковой и серной кислот, являются прочными и водостойкими. Экономический эффект от внедрения разработанных ЭК при реконструкции и антикоррозионной защите части лотка и шиберов плотины Сурского водохранилища составил 10,82 тыс.руб. в ценах 1988 года.

общие вывода

1. Разработаны эпоксидные композиты с добавками хлорпара-финов и бутилкаучука, стойкие к действию плавиковой кислоты и смеси плавиковой и серной кислот с высокими физико-механическими характеристиками.

2. Получены аналитические зависимости пределов прочности при сжатии и изгибе от вида и концентрации применяемых добавок.

3. Установлено, что добавка бутилкаучука снижает динамический модуль упругости ЭК на 68

4. Определено влияние вида и концентрации добавок на физико-механические характеристики ЭК. Установлено, что оптимальное количество модификаторов повышают предел прочности при сжатии

на 18 изгибе на 38 %, сопротивление удару на 32 адгезию к металлу на 56 %. Совместное использование хлорпарафина марки ХП-418 (3,0 %) и бутилкаучука (5,0 %) повышают сопротивление удару на 65 предел прочности при изгибе на 62 %.

5. Выявлено, что добавки хлорпарафина и бутилкаучука снижают внутренние напряжения в ЭК на 36-38 %, линейную усадку

на 42-48 %.

6. Установлено, что водостойкость ЭК на квг^цевом песке

при применении хлорпарафинов и бутилкаучука повышается на 20-25 %

7. Установлено, что оптимальная концентрация модификаторов повышает химическую стойкость эпоксидных композитов на 32-38

8. Разработанные эпоксидные композиты внедрены на предприятии п/я А-3293 Пензенской области и в Управлении эксплуатации водохранилищ Пензенской области. Экономический эффект от внедрения разработанных ЭК в качестве антикоррозионной защиты части лотка плотины и шиберов составил 10,82 тыс.руб. в ценах 1966 года.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Повышение водостойкости эпоксидных полимеррастворов /В.И.Соломатов, А.П.Прошин, В.А.Давиденко, А.В.Воскресенский //Информ.листок. - Пенза: ЦШ, 1987. - № 146-87 - 4 с.

2. Разработка и исследование свойств материалов на основе отходов производства оптического стекла: Отчет о НИР /Пензенский инженерно-строительный институт. Рук.Прошин А.П. -

# Г.Р. 01860010931. Инв. № 02890021973. - Пенза, 1988. - ПО с.

3. Влияние бинарного наполнителя на физико-механические юйства эпоксидных композитов /В.И.Соломатов, Л.П.Прошил,

В.Воскресенский //Информ.листок. - Пенза, ЦНИ1, I98Ö. - № 321 - 4 с.

4. Соломатов В.И., Прошин А.П., Воскресенский A.B., 1Биденко В.А. Повышение водостойкости эпоксидных полимерраст-|ров //Научно-технический сборник. - Москва, 1989. - С. 53-64.

5. Влияние хлоруглеродной жидкости на сопротивление удару [оксидных композитов /В.И.Соломатов, А.П.Прошин, А.В.Воскре-1НС1ШЙ //Информ.листок. - Пенза: ЦНТИ, 1989. - № 146-69 - 4' с.

6. Соломатов В.И., Прошин А.П., Воскресенский A.B., ¡лобородов A.B. Эффективный модификатор эпоксидных скол //Применив эффективных композиций и бетонов в строительства: Тез. чел. Всесоизн,конференции 14-16 марта, 1990.г. - Тюмень: ДНиТ, ¡90. - С. 29-30.

7. Соломатов В.И., Прошин А.П., Воскресенский A.B., Бело-рддов A.B. Ударопрочные покрытия на основе эпоксидных олиго-ров //Применение эффективных полимерцементных композиций и бз~ моп в строительстве: Тез.докл. Всесоюзной конференции 14-16 рта, 1990 г., Тюмень: ДНиТ, 1990. - С. 28-29.

8. A.C. МНИ4 С04 В 26/14. Полимерраствор /В.И.Солсматоп,

П.Прошин, А.В.Воскресенский, П.А.Кожевников (СССР). - J? 1677034.

9. A.C. !.5КЙ4 С 04 В 26/14. Полимерраствор /В.И.Соломатов, П.Прошин, А.В.Воскресенский (СССР). - № 1637232.

10. A.C. МКИ4 С 04 В 26/14. Полимерраствор /В.И.Соломатов, П.Прошин, А.В.Воскресенский (СССР). - № 1640937.

11. A.C. МКИ4 С 04 В 26/14. Полимерраствор /В.И.Соломатов, П.Прошин, А.В.Воскресенский (СССР). -№ 1735229.