Пенза, Пензенская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Приведены сведения о составе антиобледенительного покрытия. Рассмотрено использование в качестве связующего акриловой смолы А-01 и DEGALAN®, высокохлорированной полиэтиленовой смолы HCPE и силиконовой смолы SILRES® MSE 100 . Выявлены закономерности изменения вязкости состава в зависимости от объемного содержания наполнителя – аэросила марки R 972. Установлено, что при наполнении в интервале 0<φ<0,012 увеличение вязкости незначительно. При дальнейшем наполнении (φ>0,012) происходит значительное изменение соотношения объемной и пленочной фаз матрицы, наблюдается резкое повышение вязкости состава. Для каждого вида смолы установлено оптимальное объемное содержание наполнителя. Выявлено, что взаимодействие в системе наполнитель-наполнитель преобладает над взаимодействием в системе наполнитель-связующее. При оценке гидрофобных свойств установлено, что покрытия имеют высокий краевой угол смачивания (более 150о), и угол скатывания не превышает 10о, что подтверждает наличие супергидрофобности и предполагает антиобледенительные свойства у покрытий. Адгезия покрытия к подложке, оцененная методом решетчатого надреза, на растворной и металлической подложках составила 1 балл. При 4-кратном увеличении отмечены ровные и четкие значения надрезов без сколов и крошения.
покрытие, супергидрофобность, краевой угол смачивания, угол скатывания
Введение. Проблема обледенения проводов ЛЭП, контактных сетей железнодорожного и городского электротранспорта, крыш жилых и общественных зданий, несмотря на предложения в научно-технической и патентной литературе, является в настоящее время актуальной. Образование льда на внешних поверхностях, таких как крыши зданий, провода приносит большие экономические потери и риски для безопасности. Применение антиобледенительной композиции позволяет снизить энергетические затраты на его удаление, продлить срок службы защищенных поверхностей и уменьшить ежегодные расходы на эксплуатацию [1–5].
Лед легко образуется в окружающей среде с температурой <5 °C и влажностью > 50 %. Способность конденсата легко скатываться с поверхности зависит от силы взаимодействия между каплей и поверхностью подложки. Механизм антиобледенительного действия непосредственно связан с гидрофобностью поверхностного слоя, которая регулируется поверхностной энергией, и поверхностной структурой [6–8].
К антиобледенительным покрытиям определены следующие требования:
– высокая адгезия к защищаемым материалам;
– низкая адгезия льда к покрытию;
– краевой угол смачивания водой не ниже 150°;
– угол скатывания воды с покрытия не более 10°.
Методика исследования. В работе были использованы следующие виды смол: акриловая смола А-01, акриловая смола DEGALAN®, высокохлорированная полиэтиленовая смола HCPE и кремнийорганическая смола. В качестве наполнителя применяли аэросил марки R 972 с плотностью ρ=2360 кг/м3, размерами частиц 16 нм и удельной поверхностью Sуд =12000 м2/кг.
Степень гидрофобности оценивали по величине краевого угла смачивания (θо) и углу скатывания капли воды с покрытия (φо).
Оптимальное содержание наполнителя было рассчитано двумя методами. В первом случае расход наполнителя рассчитывался по следующим формулам:
, (1)
, (2)
где Vn – объем частиц наполнителя, ед. об.;
α – коэффициент раздвижки частиц наполнителя; ρнас – насыпная плотность наполнителя, кг/м3; ρист – истинная плотность наполнителя, кг/м3; φ – объемное содержание наполнителя.
Коэффициент раздвижки частиц наполнителя определялся по формуле:
, (3)
где d – средний размер частиц наполнителя, м; h – средняя толщина прослойки пленкообразователя, м, принималась равной h =(0,14±0,01)D .
У аэросила R 972 плотностью ρ=2360 кг/м3, размерами частиц 16 нм h = 2,4 нм или 0,0024 мкм.
Вторым методом расчет производился по формуле:
, (4)
где Sуд – удельная поверхность наполнителя.
Удельная поверхность определялась с помощью прибора ПСХ-12.
Результаты исследований. На рис. 1 представлена зависимость относительной вязкости от объемной концентрации наполнителя. Как видно из полученных данных, при наполнении в интервале примерно 0<φ<0,012 увеличение вязкости незначительно, полимерная матрица лишь частично переходит в пленочное состояние. При малой концентрации наполнителя граничные слои удаленных друг от друга частиц не представляют собой выделенной в объеме материала самостоятельной фазы, способной оказывать влияние на его свойства.
При дальнейшем наполнении (φ>0,012) происходит значительное изменение соотношения объемной и пленочной фаз матрицы, наблюдается резкое повышение вязкости состава.
Рис. 1. Зависимость относительной вязкости
от объемной концентрации наполнителя
1 – акриловая смола А01;
2 – силиконовая смола SILRES® MSE 100;
3 – высокохлорированная полиэтиленовая смола HCPE; 4 – акриловая смола DEGALAN
Рис. 2. Зависимость вязкости от объемной доли наполнителя в координатах – С
1 – акриловая смола А-01; 2 – силиконовая смола SILRES® MSE 100; 3 – высокохлорированная
полиэтиленовая смола HCPE;
4 – акриловая смола DEGALAN
На рис. 2 представлена зависимость вязкости от объемной доли наполнителя в координатах – С (где С – концентрация наполнителя в системе). Эта зависимость представляет собой две пересекающиеся прямые. Точка пересечения, спроецированная на ось абсцисс, будет представлять собой критическую объемную концентрацию наполнителя (КОКП). Наличие точки перегиба на кривой зависимости lg η = f(C) свидетельствует о том, что взаимодействие в системе наполнитель-наполнитель преобладает над взаимодействием в системе наполнитель-связующее.
Установлено, что оптимальное содержание наполнителя аэросила R 972 плотностью 
=2360 кг/м3, насыпной плотностью 
=50 кг/м3, удельной поверхностью 
12000 м2/кг для акриловой смолы А-01, высокохлорированной полиэтиленовой смолы HCPE составляет V=0,008, для силиконовой смолы SILRES® MSE 100–0,009, для акриловой смолы DEGALAN – 0,012, что согласуется с полученными расчетными данными
Полученные растворы были нанесены на растворные подложки. При оценке гидрофобных свойств установлено, что покрытия имеют высокий краевой угол смачивания (более 150о), и угол скатывания не превышает 10о (см. табл.1), что подтверждает наличие супергидрофобности и предполагает антиобледенительные свойства у покрытий. Результаты проведенных исследований показывают, что гидрофобные свойства покрытий на металлической подложке проявляются в большей степени, чем на растворной подложке.
Рельеф поверхности покрытия, сформированный с помощью аэросила R-972, который имеет поверхностные гидрофобные метильные группы, позволило увеличить значение краевого угла смачивания свыше 150° (табл. 1). Гидрофобный слой понижает поверхностное натяжение покрытия, препятствуя растеканию капли воды (рис. 3). Созданная за счет сформированной высокоразвитой морфологии структуры шероховатость поверхности покрытия уменьшает площадь контакта из-за присутствия воздушных зазоров между каплей воды и гидрофобизированной поверхностью и, как следствие, снижает адгезионные силы.
Таблица 1
Значение краевого угла смачивания на
антиобледенительном покрытии на основе различных смол
|
Покрытие на основе смолы |
Угол смачивания (θо), град |
Угол скатывания, (jо), град |
||
|
на растворной подложке |
на металлической подложке |
на растворной подложке |
на металлической подложке |
|
|
Высокохлорированная полиэтиленовая смола HCPE |
151 |
170 |
16 |
9,6 |
|
Акриловая А-01 |
151 |
175 |
15 |
9,6 |
|
Акриловая смола DEGALAN® |
152 |
154 |
16 |
10 |
|
Силиконовая смола SILRES® MSE 100 |
152 |
176 |
9,6 |
5 |
Рис. 3. Капля воды на поверхности
антиобледенительного покрытия на основе
акриловой смолы А-01
Адгезия покрытия к подложке оценивалась методом решетчатого надреза и составила 1 балл. При 4-кратном увеличении отмечены ровные и четкие значения надрезов без сколов и крошения.
1. Шилова О.А., Проскурина О.И., Антипов В.Н., Хамова Т.В., Есипова Н.Е., Пугачев К.Э., Ладилина Е.Ю., Кручинина И.Ю. Золь-гель синтез и гидрофобные свойства антифрикционных покрытий для использования в высокооборотных минитурбогенераторах // Физика и химия стекла. 2014. Т. 40. № 3. С. 419-425.
2. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. Т. 77. № 7. С. 619-638.
3. Lakshmi R.V., Bharathidasan T. Fabrication of superhydrophobic and oleophobic sol-gel nanocomposite coating // Surface & Coatings Technology. 2011. Vol. 257. Nо. 24. P. 7.
4. Nosonovsky M., Bhushan B. Superhydrophobic Surfaces and Emerging Ap-plications: Nonadhesion, Energy, Green Engineering // Current Opinions Coll. Interface Sci. 2009. Nо. 14. Рp. 270-280.
5. Shirtcliffe N.J., McHale G., Newton M.I., Perry C.C. Intrinsically Superhydrophobic Organosilica Sol-Gel Foams // Langmuir. 2003. Vol. 19. Nо. 14. Pp. 5626-5631.
6. Venkateswara Rao A., Latthe S.S., Nadargi D.Y., Hirashima H., Ganesan V. Preparation of MTMS based transparent superhydrophobic silica films by sol-gel method // J. Colloid Interf. Sci. 2000. Vol. 332. Nо 2. Pp. 484-490
7. Thorpe A.A., Smith J.R., Peters V. Poly (methylpropenoxyfuoroalkylsiloxane) s: a class of fuoropolymers capable of inhibiting bacterial adhesion onto surfaces // J. Fluor. Chem. 2000. No. 104. P. 37-45.
8. Кожухова М.И., Флорес-Вивиан И., Рао С., Строкова В.В., Соболев К. Г. Комплексное силоксановое покрытие для гидрофобизации бетонных поверхностей // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 26-30.
