Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

Институт механики металлополимерных систем

В. А.ДОВГЯЛО О. Р. ЮРКЕВИЧ

ОМПОЗИЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

И ПОКРЫТИЯ

НА ОСНОВЕ

ДИСПЕРСНЫХ

ПО/\ИМЕРОВ

1:1DL:11:JI:1L:'I пхнологи~IЕСКИЕ 1:11:11:11:11:11.:1 ПРОЦЕССЫ

МИНСI<

((Навука i тэхнiка»

1992

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие народного хозяйства выдвигает ряд насущных проблем: экономии трудовых, сырьевых, топливно-энергети­ ческих ресурсов, интенсификации действующих и разработки новых технологических процессов, повышения работоспособ­ ности и надежности выпускаемой техники, защиты окружа­ ющей среды, успешное решение которых во многом связано

ссозданием и рациональным использованием новых синтети­

чесrшх материалов, в том числе композиционных на основе

полимеров.

Высокая химическая устойчивость к действию агрессив­ ных сред, хорошие диэлектрические свойства, повышенная сопротивляемость изнашиванию определяют наиболее эф­ фективные области применения полимеров для защиты метал­

лов от r<оррозии и износа, создания композиционных мате­

риалов и систем, обладающих улучшенным комплеr<сом экс­

плуатационных свойств. При этом удается рационально

сочетать свойства полимеров, металлов и других компонен­ тов композицrrонных систем, добиваться экономного расходо­

вания материалов, создавать системы с заданными свой­

ствами.

В последнее время большое значение в технологии КОl\ШО­

зициоrшых материалов и покрытий приобретают полимер_ы в

тонкодисперсном (порошкообразном) виде. Интенсивному

развитию этого направления способствует ряд факторов тех­ нико-экономического и экологического характера. 1V1атериа­

лы и покрытия, получаемые на основе дисперсных нолимеров,

обладают улучшенным качеством при меньшей себестоимости

по сравнению с материалами и покрытиями, формируемыми

традиционными методами -с использованием растворов по­

лимеров. Процессы получения композиционных материалов 11 покрытий (КМП) характеризуются максимальной эффектив­

ностью использования полимеров, могут быть легко автомати­

зированы и мrшимально загрязняют биосферу.

Широкое распространение дисперсные полпмеры получи­

ли в технологии защитно-декоративных покрытий, успешно заменяя традиционные лаки и краски. Сформировалась но­

ван ветвь в технологии покрытнйпорошковая технология.

Интенсивно разрабатываются новые композиционные соста-

3

вы - «порошковые краски», методы нанесения покрытий и

приемы формирования полимерного слоя, совершенствуются

аппаратура и методы исследований.

Однако функциональные возможности дисперсных полиме­

ров позволяют су"щественно расширить области применения покрытий. Нанбольший технико-экономический эффект они дают при защите изделий от разрушающего действия агрес­

сивных сред, при обеспечении износоустойчивости и мини­ мальных потерь на трение в многочисленных фрикционных

сопряжениях, при придании поверхностям металлоизделий

электроизоляционных, антиадгезионных и других специаль­

ных свойств. Расширение областей использовання полимер­

ных покрытий привело к дальнейшему развитию методов их

получения и аппаратурного оформления процессов, поиску новых композиционных составов и интенсификации их пере­

работки.

Параллельна с технологией покрытий развивается техно­

"тогия композиционных материалов, формируемых из дис­

персных полимеров. В частности, ряд процессов получення

слоистых композиционных материалов, например металлопла­

стов, основывается на технических приемах, используемых

втехнологии покрытий.

Внастоящей книге рассматривается направление в пере­

работке дисперсных полимеров и составов на их основе, объединяющее процессы создания покрытий и композицион­

ных материалов в единую технологию композиционных мате­

риалов и покрытий (ТКМП). Это направление включает в

себя большое количество различных методов воздействия на

дисперсные полимеры (аэрогидродинамических и механиче­

ских сил, тепловых, электрических и магнитных полей), объе­ диненных единством решаемых задачполучения регуЛи­ руемого слоя полимера на поверхности твердого тела. Те случаи, когда слой полимера формируют на поверхности го­ товых деталей или изделий, относим к категории покрытий, остальные, когда слой полимера совместно с твердым телом

(субстратом, наполнителем) образуют полуфабрикат или ма­

териал,- к категории композиционных материалов.

Методы получения полимерного слоя на поверхности

твердого тела во многом схожи с приемами получения стекло­

эмалевых, керамических и металланаплавочных покрытий, но

имеют рЯд принципиальных отличий, связанных с высокомо­ лекулярной прирадой полимерных тел. Специфика дисперс­

ного состояния полимерных тел и условий формирования по­

лимерного слоя (высокие температуры, кислородсодержащая

среда) вносят существенные коррективы в физико-химические

процессы, происходящие как на границе взаимодействия по­

лимера и твердого тела, так и в системе полимер-полимер.

Техническое осуществление процессов получения К.МП

опережает исследования в этой области, что приводит в ряде

случаев к необоснованному противопоставлению одних мето­

дов другим и не позволяет в полной мере реализовать пре­

имущества, заложенные в Jюмпозиционных системах.

Наиболее проработаиными аспектами ТКМП являются

вопросы влияния температуры и времени ее действия на структурное состояние и физико-механические свойства фор­

мируемых систем. Однако такие важные моменты, как свой­

ства дисперсных материалан (в том числе связанные с их предысторией), специфика Jюнтактирования частиц полимера

с поверхностью твердого тела, способы и интенсивность теп­

лового воздействия, режимы термической обработки систем

после завершения пленкообразования, остаются в должной

мере не изученными.

Создание новых и существенное улучшение свойств КМП, формируемых из дисперсных полимеров, требуют глубокого изучения механизма их формирования в условиях действия

различных внешних факторов, учета всего комплекса физи­

ко-химических явлений, сопутствующих и определяющих эти

процессы, оптимизации их конструкторско-технологи<Iеского

обеспечения. В связи со сложным характером структур и свойств полимерных материалов в дисперсном виде, необхо­ димостью учета действия на них различных сил н пол~й. мно­

гофактарностью процессов формирования композиционных

систем до сих пор отсутствует единый научно обоснованный

подход к оценке различных методов их получения.

Имеющиеся достижения в области композиционного ма­

териаловедения позволяют вплотную приблизиться к созда­

Ш!Ю конструкций и материалов, обладающих заданным комп­

лексом свойств. Наиболее значительного успеха в тсорсти<Iе­ ском обосновании и практической реализации удалось

достичь на пути конструирования многослойных систем, где

прирадой созданный образец (скорлупа куриного яйца при

толщине 0,3 мм состоит из семи слоев, выполняющих различ­ ные функции) дает простор для творчества. Инт~нснвно раз­

вивается направление, связанное с модификациеii исходных свойств полимеров функциональными добавками. При этом уже известны материалы, содержащие более семи компонен­

тов. Для таких систем возрастает роль технологических фак­

торов, поскольку комплекс их эксплуатационных свойств

в большинстве случаев формируется непосредственно в ходе

получения материалов и их переработки.

Полимеры в дисперсном состоянии позволяют успешно

решать многочисленные технологические задачи, возшшаю­

щие на пути создания новых материалов. Вклад диснсрсных

полимеров в технологию и переработку пластнчссю1х масс

будет. неуклонно возрастать. Этот прогноз обоснован общей тенденцией развития материаловедения. Наиболее характер-

Б

Гnава 1

ДИСПЕРСНЫЕ ПОЛИМЕРЫ Н СОСУАВЫ НА НХ ОСНОВЕ

ЧСi~стицы твердого тела или их агрегаты, находящиеся одно­

временно в контакте с окружающей средой (преимуществен­

но газообразной) и друг с другом, часто называют порошка­

ми. Однако пределы, ограничивающие порошr<ообразные тела по размеру частиц, четко не определены. К. порошкам относят тела, состоящие из частиц размером от 1 до 300 мкм. В связи с тем что основными объектами нашего рассмотрения явля­

ются твердые дисперсные полимеры, имеющие частицы ана­

логичного размера, а в качестве модификаторов применяют

порошковые материалы различной природы, термины «по­

рошки полимеров» и «полимерные материалы в порошкооб­

разном виде» будут использоваться для характеристики ис­ ходных материалов. Во всех остальных случаях предпочте­

ние отдается терминам «дисперсные полимеры» и «дисперсные

системы» как наиболее общим.

Дисперсные полимеры широко используются для получе­

ния покрытий различного назначения. Химическая устойчи­ вость и износостойкость полимеров определили области их высокоэффективного применении-защита материалов от

коррозии и износа. Параллельна при введенип в поJшмеры

пигментов были получены составы для защитно-декоратив­ ных покрытий, названные «порошковыми красками». По­

скольку эти материалы позволяют успешно заменять тради­

ционные лаки и краски на основе растворителей, а процессы получения покрытий из порошков обеспечивают лучшие тех­

нические, экономические и экологические характеристики,

объемы их производства непрерывно возрастают. В настоя­

щее время «порошковые краски» относят к наиболее перс­

пектинным видам лакокрасочной продукции. В промышлен­

ном производстве «порошковых красою> используют две

группы исходных продуrпов: олигамеры - термореактивные

пленкообразователи и термопластичные полимеры. Составы

на основе олигамеров дополнительно содержат отверднтель,

инициатор отверждения, наполнители и пигменты. Полимер­

ные составы обычно включают стабилизаторы, rrапоJrшпели и пигменты. Объем производства составов на терморсактпв­ ных пленкообразователях составляет 65-70% общего вы­

пуска «порошковых красою>. Доля СССР в мирово'.! пронз­

водстве таких материалов не превышает 2%.

7

Кроме готовых к употреблению составов промышленность

выпусi\ает ряд полимеров в дисперсном виде: полиэтилен

низкого н высокого давления, полипропилен, саполимеры эти­

.ТJена с пропиленом и винилацетатом, фторопласты, поливи­ нилхлорид, полнвинилбутираль, пентапласт, полиамиды, по­

тшарбонат, полисульфон и т. д. При необходимости полимер­

ные материалы, выпускаемые в виде гранул, могут быть

переведсны в порошковое состояние различными методами.

На базе некоторых из этих материалов разработаны составь! для защитно-декоративной отделки изделий из металла (стек­ ла, бетона, древесины и т. д.). Однако гораздо чаще они яв­

ляются основой для получения покрытий специального на­ значения, что достигается направленным подбором компонен­ тов, в качестве которых используют широкий класс веществ

как органической, так и неорганической природы. Кроме

того, дисперсные полимеры применяют для получения изде­

лий методами прессования, вибрационного или ротационного

формовання, свободного спекания и т. д., а в последнее вре­

мя- в качестве связующих композиционных конструкцион­

ных материалов, в том числе угле-, стекло-, органопластиков.

Наиболее важными характеристиками порошi<овых матс­

риалов являются гранулометрический состав, плотность, сы­

пучесть, влагосодержание, способность к пленкообразованию,

тепло- н элсктрофизические свойства. Для оценки пригод­ ности материалов к тому или иному методу переработки ис­

пользуют такие характеристики, как способность к псевдо­

ожижению, электрозаряжению, распылению и т. д. Обычно в нормативной дш<ументации на дисперсные полимеры, в том числе на готовые к употреблению «порошковые краски», по­ добные сведения отсутствуют, что затрудняет установление оптимальных условий их переработки.

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСПЕРСНОГО СОСТОЯНИЯ

Гранулометрический состав и дисперсность частиц оценивают разли'IНыми способами [5, 104, 141, 142]. Наибольшее при­

менснис нашли ситовый анализ, миi<роскопический и седимен­ тационный методы.

Ситовый анализ дает сведения о массовых долях частиц

опюсите.1ыю узких фракций, что позволяет более или менее просто оценивать гранулометрический состав дисперсного ма­

териала. Рассев материалов проводят на приборах ситового анализа (в частности, типа 028М), оснащенных. набором стандартных сит (ГОСТ 3584-73). Характер гистограмм и диффсрсНILИаJiьных кривых распределения частиц по разме­

ру некоторых полимерных материалов приведен на рис. 1.1.

Количественную характеристику полидисперсных систем

получают через средние значения размеров частиц, их мас-

8