Полимерные защитные покрытия в настоящее время являются неотъемлемой составляющей при защите зданий и сооружений от воздействия неблагоприятных факторов: влаги, высоких и низких температур, солнечных лучей, атмосферных осадков. Однако в связи с ростом цен на большинство полимерных материалов как на российском, так и на мировом рынке, на наш взгляд, необходимо уделять большее внимание использованию вторичных полимеров. Помимо снижения себестоимости защитных покрытий (что немаловажно для строительной отрасли) это приведет и к улучшению экологической ситуации, в частности, за счет утилизации вторичных отходов [1].
Целью представленной работы является изучение физико-механических и эксплуатационных характеристик разработанной Владимирским государственным университетом недорогой, но достаточно эффективной полимерной композиции за счет модификации вторичного полистирола алкоксисиланом (ПСМА). Получаемое полимерное покрытие на основе данной композиции должно отвечать ряду требований, таких, как устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов, повышенные адгезионные характеристики к различным строительным материалам и др. Один из путей повышения эксплуатационных свойств полимерных материалов – это модификация полимерных композиций кремний органическими соединениями [2-3].
Основное назначение разработанного полимерного покрытия – защита строительных конструкций на основе бетона и железобетона.
Материалы и методы иссследований
В качестве полимера использовался вторичный гранулированный суспензионный полистирол (ПСС). ПСС обладает высокой твердостью, хорошими диэлектрическими свойствами, стойкостью к агрессивным средам, высокой влагостойкостью и морозостойкостью. В качестве алкоксисилана был использован тетра-н-бутоксисилан – Si(OC4H9)4 [ТБС], характеризующийся очень высокой устойчивостью к воздействию влаги по сравнению с малоустойчивыми при хранении низшими гомологами – тетрапропоксисиланом и тетраэтоксисиланом. Процесс получения композиции ПСМА заключался в предварительном измельчении вторичного полимера и растворении его в комплексном растворителе. В процессе получения композиции проводилась ее модификация алкоксисиланом. Физико-механические свойства защитного покрытия, полученного на основе разработанной полимерной композиции ПСМА, были исследованы следующими методами: твердость покрытия определялась на маятниковом приборе М3 в соответствии с ГОСТ 5233-89, адгезионные характеристики определялись на приборе ПСО – 5МГ4 в соответствии с ГОСТ 28574– 90, ударная прочность определялась на приборе У-2 в соответствии с ГОСТ 4765-87. Определение кинематической вязкости композиции проводили по ГОСТ 33-2000. Для выделения нерастворимой сшитой гель-фракции полимера в исследованиях использовался экстрактор Сокслета. ИК-спектроскопию образцов полимерных пленок проводили на инфракрасном Фурье-спектрометре ФСМ-1201 с использованием программного пакета FSpec.
Результаты исследований и их обсуждение
Можно предположить, что введение в полимерную композицию алкоксисиланов может привести к повышению физико-механических и эксплуатационных характеристик как за счет образования сложной структуры, свойственной композиционным материалам, так и за счет возможного химического взаимодействия компонентов.
Рис. 1. Зависимость условной вязкости раствора ПСМА от температуры
Исследования показали, что введение в растворы полистирола алкоксисилана приводит к значительному снижению кинематической вязкости композиции. ТБС фактически является не только компонентом композиции, но и активным растворителем, что положительно сказывается на возможности использования исследуемой системы не только для наружных покрытий, но и для пропиточных составов. Представленная на рис. 1 зависимость кинематической вязкости раствора ПСМА от температуры показывает возможность нанесения композиции на строительные конструкции высокопроизводительными методами воздушного и безвоздушного распыления.
При комнатной температуре защитное покрытие приобретает необходимые эксплуатационные свойства уже через 12 часов после нанесения на строительную конструкцию. Однако модификация полимерной композиции тетра-н-бутоксисиланом помимо повышения эксплуатационных характеристик может повысить и физико-механические свойства покрытия за счет образования сшитой трехмерной структуры в процессе эксплуатации защитного материала. Для экспериментального подтверждения образования сшитой трехмерной структуры, наличия гель-фракции, был использован экстрактор Сокслета для экстракции растворимых линейных фракций и выделения нерастворимой сшитой гель-фракции. Экстракция проводилась в среде толуола. На рис. 2 показана зависимость степени сшивки от температуры и времени отверждения композиции.
Из приведенных графических зависимостей видно, что степень сшивки определяется как температурой, так и временем отверждения.
Вследствие наличия реакционноспособных алкоксигрупп в алкоксисиланах, а также активного α-водорода в полистироле было сделано теоретическое предположение о возможности образования химических связей между этими веществами. Это предположение было подтверждено исследованиями с помощью средневолновой ИК-спектроскопии отвержденных на воздухе полимерных пленок модифицированного полистирола.
На ИК-спектрограммах четко прослеживается интенсивная полоса поглощения в области 900-700 см-1, которая отвечает колебаниям связи Si – C и не зависит от природы замещающих групп. В исходных компонентах эта полоса не прослеживается [5].
Рис. 2. Зависимость степени сшивки ПСМА от времени отверждения
Рис. 3. Зависимость твердости покрытия на основе модифицированного и немодифицированного полистирола
Таким образом, исследования подтверждают тот факт, что, действительно, вследствие наличия реакционноспособных групп в алкоксисиланах и активных водородных заместителей в полистироле при обычных условиях образуется частично сшитый полимер, имеющий сильнейшие гидрофобные свойства. При этом возникает реальная возможность использования данной композиции не только в качестве эффективного полимерного связующего в лакокрасочных материалах, но и в качестве самостоятельного гидрофобизирующего материала [4].
Изменение структуры в процессе эксплуатации, несомненно, будет сказываться на физико-механических характеристиках покрытия, и в частности, твердости. Как показали исследования немодифицированного и модифицированного покрытий, последнее имеет более высокие значения твердости (рис. 3). Эффект объясняется как образованием трехмерной сшитой структуры, так и возможным присутствием в композиции микрочастиц диоксида кремния, образующегося при полном гидролитическом разложении алкоксисилана.
Одним из основных условий проявления высоких защитных характеристик полимерных композиций является наличие достаточной адгезии между защитным покрытием и защищаемым строительным материалом в течение всего гарантированного срока эксплуатации. Для изучения адгезионных характеристик покрытия разработанная композиция наносилась на поверхность исследуемого образца с помощью специализированной фильеры с регулируемым зазором. В качестве образца использовались шлифованные пластины бетона. На покрытие цианокрилатным клеем наклеивались стальные грибки, и проводились испытания по определению предела прочности при отрыве. На рис. 4 представлена зависимость, характеризующая значение прочности при отрыве от содержания модификатора в композиции.
Рис. 4. Зависимость прочности покрытия при отрыве от бетона в зависимости от содержания модификатора
Добавление алкоксисилана уже в количестве 3 м.ч. на 100 м.ч. полимера приводит к резкому увеличению прочности при отрыве. Это объясняется, по всей видимости, возможным химическим взаимодействием реакционноспособных алкоксигрупп ТБС с гидроксильными группами известкового камня.
Судить об эффективности защитного материала в процессе эксплуатации можно как по изменению физико-механических характеристик самого покрытия, так и по изменению свойств образца, защищенного этим покрытием. Так, в таблице представлены характеристики модифицированной и немодифицированной полимерных пленок после их облучения ртутно-кварцевой лампой ПРК-4 интенсивным УФ-излучением. Пленки были нанесены на стандартную подложку. Контроль осуществлялся по изменению ударной прочности пленок. Критерием ударной прочности являлось появление деформаций и микротрещин на полимерной пленке после ударного воздействия на нее шарика прибора У-2. Результаты испытаний, представленные в таблице, показали, что модифицированные пленки в условиях интенсивного воздействия УФ-излучения подвергаются значительно меньшим изменениям. Это, по-видимому, связано с высокой устойчивостью силоксановых связей, содержащихся в значительном количестве в модифицированном материале, к излучению коротковолнового оптического диапазона.
Ударная прочность пленок до и после УФ-облучения
|
Состав покрытия |
Время выдержки, ч |
Ударная прочность по У-2, кг*см |
Внешний вид пленки |
|
Полистирол немодифицированный |
0 |
17 |
Прозрачная |
|
8 |
6 |
Помутнение |
|
|
16 |
- |
Растрескивание |
|
|
Полистирол модифицированный (ПСМА) |
0 |
21 |
Прозрачная |
|
8 |
18 |
Прозрачная |
|
|
16 |
15 |
Легкое помутнение |
Выводы
Таким образом, проведенные исследования показали высокую эффективность разработанного полимерного защитного покрытия на основе композиции ПСМА для защиты зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения, при этом использование в композиции вторичных полимеров, в частности ПСС, значительно снижает ее себестоимость, что дает возможность быть конкурентоспособной на строительном рынке, а использование вторичных полимеров в производстве способствует решению проблемы уменьшения загрязнения окружающей среды промышленными отходами.
Рецензенты:
Кухтин Б.Г., д.х.н., профессор, зав. кафедрой «Химия»; Институт прикладной математики, информатики, нано- и биотехнологий, Владимирский государственный университет, г. Владимир;
Акулова М.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Строительное материаловедение, специальные технологии и технологические комплексы», Ивановский государственный политехнический университет, г. Иваново.
Работа поступила в редакцию 24.06.2014.