ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ И ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПОНИЖЕНИЯ РАЗЛИЧНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРИЕМАМИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ПОЛУЧАЕМОГО ПОКРЫТИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрено влияние внутренних напряжений на долговечность полимерных и лакокрасочных покрытий с учетом того, что внутренние напряжения рассматриваются как критерий долговечности покрытий.

ABSTRACT

The article considers the influence of internal stresses on the durability of polymer and paint coatings, taking into account the fact that internal stresses are considered as a criterion for the durability of coatings.

Ключевые слова: внутренние напряжения, адгеионная прочность эпоксидная смола, полиэфирные лаки, долговечность полимерных и лакокрасочных покрытий, эффективные составы.

Keywords: internal stresses, adhesion resistance epoxy resin, polyester varnishes, durability of polymer and paint coatings, effective formulations.

Введение

Известно, что полимерные и лакокрасочные покрытия широко применяются в машинах и механизмах различных отраслей промышленности, в том числе хлопкоочистительной, текстильной автомобильной, химической, металлургической и других [1-9]. При этом существует проблема повышения их работоспособности и долговечности за счет высоких физико-механических характеристик, которые существенно зависят от понижения в них возникающих внутренних напряжений.

В полимерных и лакокрасочных материалах и покрытиях внутренние напряжения возникают как в покрытиях, сформированных на жестких подложках [21], так и в свободных пленках [18,3,19].

Наиболее частой причиной разрушения полимерных и лакокрасочных покрытий различного назначения является растрескивание покровной пленки и её отслоение от подложки [21].

Трещины возникают, когда величина внутренних напряжений в полимерных и лакокрасочных покрытиях превышает когезионную прочность пленки в определенных эксплуатационных условиях.

С ростом толщины покрытия увеличивается сила, сдвигающая покрытие с подложки, за счет действия внутренних напряжений, что снижает адгезионную и прочность. Процесс отслоения покрытия, также, как и разрыв пленки, носит температурно-временный характер [10].

Внутренние напряжения, возникающие при формировании покрытий, оказывают существенное влияние на механические, адгезионные [18,19], электрофизические [7], теплофизические [19] и другие свойства покрытий и являются критерием, опреде­ляющим их долговечность [2,20].

В связи с этими для создания полимерных покрытий и разработки путей понижения внутренних напряжений необходимо проведение исследований, на­правленных на изучение влияния различных физико-химических и технологических факторов на величину внутренних напряжений и кинетику их нарастания при формировании и старении полимер­ных покрытий.

Объект и методика исследований. В качестве объекта исследования были выбраны следующие полимерные и лакокрасочные материалы и органонеорганические продукты:

Смола Э-49 П по ТУ 6-10-1592-90. Представляет собой продукт сополимеризации эпоксидной низкомолекулярной смолы Э-40 с дифенилолпропаном. [18]

Смола Э-41 по ТУ 6-10-607-78. Представляет собой раствор смолы Э-41 с массовой долей (66 ± 2)% в смеси ксилола с ацетоном в соотношении 4:3 по массе. [9]

Полиэфирные лаки. Лаки на основе ненасыщенных олигоэфиров, главным образом полималеинатов.

Алкидные полимеры представляют собой продукты поликонден­сации многоосновных кислот с многоатомными спиртами. Наи­большее техническое значение имеют глифталевые полимеры, получаемые поликонденсацией глицерина с фталевым ангид­ридом: [1]

Изоцианаты — органические соединения, содержащие функциональную группу −N=C=O. [20]. Мы использовали резиновый порошк СКС-30, СКН-18 в качестве эластичного наполнителя для покрытий поверхности деталей машиностроительного назначении.  Эффективными наполнителями для композиционных полимерных покрытий являются наполнители с развитой структурой и имеющие игольчатую, пластинчатую или чешуйчатую форму частиц: бентонит, каолин, тальк, графит.

Методы измерения внутренних напряжений можно разделить на два больших класса: физические и механические. [21,1,23,4] Механический случай реализуется в нескольких методах, из которых самым распространенным является метод консольный.

Физические методы измерения напряжений основаны на зависимости физических свойств материала от внутренних напряжений, эта группа методов весьма обширна, (оптические, электрические, магнитные, размеры кристаллической решетки, внутреннее трение, твердость). Адгезионную прочность покрытий на основе исследованных композиций определяли методом отрыва грибков, соединенных между собой связующим на разрывной машине “FP-100/1 (ГДР)” [5].

Результаты исследования и их обсуждения.

 Далее рассмотрим результаты исследований виляния внутренних напряжений на долговечность полимерных и лакокрасочных покрытий, возможности их понижения технологическими приёмами с целью повышения срока службы получаемого покрытия.

а)                                                                                         б)

Рисунок 1. Зависмость долговечности полиэфирных, алкидных (а) и эпоксидных (б) покрытий от внутренних напряжений: 1-полиэфирная смоле ПЭ-220; 2-алкидная смола; 3-эпоксидноя смола Э-20; 4-эпоксидной лак Э-41.

На рисунке 1 приведены зависимости долговечности полимерных и лакокрасочных покрытий от значения внутренних напряжений.

Как следует из рисунка 1, зависимость долговечности от внутренних напряжений имеет однообразный характер - линейная зависимость lgɛ от δ_вн, причем характер этой зависимости сохранятся для покрытий, полученных из различных пленкообразующих: полиэфирный лак ПЭ-220; алкидная смола; эпоксидная смола Э-20 и эпоксидные лак Э-49.

Из таблицы 1 видно, что у всех исследованных покрытиях с увеличением внутренних напряжений наблюдается снижение логарифма долговечность. Как видно из рис. 1с, при увеличении внутренних напряжений полиэфирных и алкидных покрытий от 0,2 до 5 МПа логарифм долговечности снижается 4,8 до 2,7 и от 3.4 до 1.1 соответственно.

 А у покрытий на основе эпоксидной смолы Э-20 и эпоксидного лака ПЭ-220 с увеличением внутренних напряжений от 1,0 до 18 МПа логогрифм долговечности снижается от 9,8 до 4,1 и от 8.0 до 2.0 соответственно (1б).

Таким образов, из этих данных вытекает, что в различных условиях эксплу­атации покрытий менее долговечными оказываются образцы с наибольшими внутренними напряжениями. Все это свидетель­ствует о том, что внутренние напряжения могут быть предло­жены в качестве критерия, определяющего долговечность поли­мерных покрытий в различных условиях их эксплуатации.

Далее была исследована кинетика изменения внутренних напряжений при термическом старении при температуре 180 ^оС алкидных покрытий, деформированных при различных температурах.

На рис 2 приведена кинетика изменения внутренних напряжений при термическом старении при 180 ⁰С алкидных покрытий, сформированных при различных температурах 1-180 ⁰С, 2-130 ⁰С, 3-80 ⁰С.

Рисунок 2. Кинетика изменения внутренних напряжений при термическом старении при 180⁰С алкидных покрытий, сформированных при различных температурах: 1-180⁰С; 2-130⁰С; 3-80⁰С.

Из рисунка 2 видно, что внутренние напряжения в процессе термического старения покрытий при 180°С, сформированных при более низкой 130°С, и 80°С, температуре, имеют экстремальный характер, проходя через максимум при 300 ч старения; аналогичный характер изменения внут­ренних напряжений наблюдается и при старении покрытий под действием ультрафиолетового облучения.

При этом можно отметить, что высокая долговечность алкидных покрытий сформированы при 80°С, где наблюдаются самые низкие внутренние напряжения и соответственно высокая долговечность.

Как было отмечено выше, при анализе современных литературных источников снижение внутренних напряжений в покрытиях возможно с использованием подслоя при получении полимерных и лакокрасочных покрытий.

В этом аспекте нами были проведены исследования влияния различных подслоев на внутренние напряжения и адгезионную прочность полиэфирных и эпоксидных покрытий.
 На рис 3 представлено возникновение внутренних напряжений и адгезионной прочности при формировании покрытий из полиэфирной смолы ПЭ-220 на металлическом субстрате, подслоем которых является поливинилацетатные грунтовки: 1-ПВАК и 2-ПВА.

Как видно из рис. 3.1, с увеличением времени формирования полиэфирных покрытий на поверхности металлического субстрата, подслоем которого являются поливинилацетатные грунтовки ПВАК и ПВА, внутренние напряжения в них существенно снижаются от 5,2 до 1,2 МПа и от 2,2 до 0,4 МПа соответственно, а адгезионная прочность повышается от 12 до 40 МПа и от 15 до 57 МПа.

Аналогичные закономерности в изменении свойств покрытий наблюдаются (рис. 4,9) при использовании в качестве подслоя для покрытий из полиэфиров и эпоксидной бутадиен-стирольных каучуков, а также сополимеров на основе метилметакрилата и бутил акрилата (рис 3.2).

При использовании эластичного подслоя резкое понижение внутренних напряжений при формировании покрытий наблюдается только при оптимальной его толщине.

С уменьшением толщины подслоя до 30-40 мкм указанные полимеры теряли свои высокоэластические свойства и не обеспечивали релаксации внутренних напряжений при формировании на поверхности их покрытий. Причина этого явления, по-видимому, связана с особенностями надмолекулярной структуры тонких пленок и зависимостью ее от толщины покрытия.

Следовательно, указанный способ модификации поверхности подложки, применения полслоя позволяет резко снизить внутренние напряжения и увличивает запас адгезионной и когезионной прочности полимерных и лакокрасичных покрытий и соответственно их долговечность.

Заключение

Таким образом, можно констатировать, что для разработки составов композицонных полимерных и лакокрасочных материалов необходимо подбирать эффективные составы путем регулирования внутренние напряжения технологическими приёмами и режимами и получать покрытия на их основе с внутренними напряжениями, повышенной адгезионной и прочностными свойствами и соответственно долговечностью.

Список литературы:

1. Благонравва А.А,  Непольнящий А.Я Лакокрасочные эпоксидные смолы. «Химия», 1970, 248с.
2. Берлин А. А., Кефели Т. Я., Королев Г. В. — Полиэфиракрилаты. М., Наука. 1967. 372 с.
3. Зубов П. И., Киселев М. Р., Сухарева Л. А. 1967, т.176, с. 336.
4. Зубов П.И., Сухарева Л.А., Смирнова Ю.П.- ДАН, 1963, т. 150, № 2, с. 359-360.
5. Зубов П.И, Лепинкина Л.А, «Вестник АН СССР», 1962, №3, с 49-57.
6. Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С., Берлин А.А. Полимерные композиционные материалы; структура, свойства, технология. -Санкт Петербург, 2011. -560 с
7. Куксин А. Н., Сергеева Л. М., Липатов Ю. С., Безрук Л. И. — Высокомол. соед., 1970, сер. А, т. 12, с. 2332.
8. Макҳметова, А., Негим, Э. С., Аинакулова, Д., Елигбаева, Г., & Кҳатиб, Ж. (2024). Ан Овервиеw оф Эпохй Ресинс ас cоатинг то протеcт металс фром cорросион. Комплексное Исползование Минералного Сйра= Cомплех усе оф минерал ресоурcес, 328(1), 20-32.
9. Негматов С.С Исследование долговечности полиэтиленовых покрытий, канд. ДиссТашПи, Ташкент, 1969, 121 с.
10. Негматов С.С. Разработка и исследование композиционных полимерных покрытий для рабочих органов машин и механизмов уборки и переработки хлопка-сырца: Автореф. дис. д - ра техн. наук. – Москва,1980.  – 43с.
11. Негматов С.С Технология получения полимерных покрытий- Ташкент, Узбекистан, 1975. -232 с.
12. Негматов, С., Улмасов, Т., Наврузов, Ф., & Жовлиев, С. (2021). Вибратион дампинг cомпоситион полймер материалс анд cоатингс фор энгинееринг пурпосе. Ин Э3С Wеб оф Cонференcес (Вол. 264, п. 05034). ЭДП Сcиенcес.
13. Негматов, С., Улмасов, Т., Каршиев, М., Макҳаммаджонов, З., Абдулаев, О., & Матшарипова, М. (2021). Адҳесион-стренгтҳ анд триботечниcал пропертиес оф мачине-буилдинг cомпосите полймер cоатингс. Ин Э3С Wеб оф Cонференcес (Вол. 264, п. 05032). ЭДП Сcиенcес.
14. Негматов С. С. эт ал. Ресеарч анд Девелопмент оф Мануфаcтуре Течнологй оф Полймериc Cомпосите Материалс оф Элеcтротечниcал Пурпосе Филлед wитҳ Ҳйдролйтиc Лигнин //АИП Cонференcе Проcеедингс. – Америcан Институте оф Пҳйсиcс, 2008. – Т. 1042. – №. 1. – С. 238-239.
15. Негаматов, С. С., Мамадалимов, Р. М., Латипов, И. Х., Бабханова, М. Г., Негматова, К. С., & Салимсаков, Й. А. (2008, Аугуст). Ресеарч адҳесион анд пҳйсиcо‐мечаниcал пропертиес анд девелопмент оф антиcорросиве cомпосите полймериc cоверингс. Ин АИП Cонференcе Проcеедингс (Вол. 1042, Но. 1, пп. 236-237). Америcан Институте оф Пҳйсиcс.
16. Негматов, С. С., Собиров, Б. Б., Абдуллаев, А. Х., Салимсаков, Й. А., Рахмонов, Б. С., Негматова, К. С., ... & Жонузоков, А. А. (2008, Аугуст). Инcреасе оф лонгевитй оф ҳигҳ филлед cомпосите полймериc материалс интендед фор cоверинг оф ҳигҳwайс. Ин АИП Cонференcе Проcеедингс (Вол. 1042, Но. 1, пп. 150-152). Америcан Институте оф Пҳйсиcс.
17. Негматов, С. С., Мамадолиев, К. М., Собиров, Б. Б., Латипов, И. К., Эргашев, Э., Ракҳманов, Б. С., ... & Тажибаев, Б. М. (2008, Аугуст). Импровемент оф пҳйсиcо‐мечаниcал пропертиес оф тҳермореаcтиве анд тҳермопластиc полймериc cоверингс бй пҳйсиcал метҳодс оф модифиcатион. Ин АИП Cонференcе Проcеедингс (Вол. 1042, Но. 1, пп. 67-69). Америcан Институте оф Пҳйсиcс.
18. Сухарева Л. А„ Воронков В. А., Зубов П, И. — Коллоид. ж., 1971, т. 33, с. 592.
19. Сухарева Л. А., Иванова С. С., Зубов П. И. — Высокомол. соед., 1973, сер. А, т. 15, с. 2506.
20. Счондорн Ҳ. – Ж.Полймер Сcи., 1967. пт Б, вол. 5. Н 10, п.912.
21. Эшкобилов, К., Негматов, С., Абед, С., & Гулямов, Г. (2021). Феатурес оф cонтаcт интераcтион оф cомпосите полймер материалс wитҳ раw cоттон ин тҳе проcесс оф фриcтион. Ин ИОП Cонференcе Сериес: Материалс Сcиенcе анд Энгинееринг (Вол. 1030, Но. 1, п. 012172). ИОП Публишинг.
22. Яблоков Г. А., Сухарева Л. А., Киселев М. Р. и др. — В кн.: ВИИ Всесоюзная конференция по электронной микроскопии. Тезисы докл., М., 1969, с. 40.