Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
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.

Ключевые слова:
покрытие, супергидрофобность, краевой угол смачивания, угол скатывания
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

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 ρf =2360 кг/м3, насыпной плотностью ρn =50 кг/м3, удельной поверхностью Su= 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.

Список литературы

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.


Войти или Создать
* Забыли пароль?