Исследование прочностных свойств радиационно – модифицированных полимерных покрытий

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ РАДИАЦИОННО – МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ

Магистрант Содиқов Н. Ш

Одним из методов улучшения свойств полимерных покрытий является радиационная обработка. Она, в основном, осуществляется ультрафиолетовыми лучами и ионизирующими излучениями. Имеется несколько типов ионизирующих излучений: излучения, обусловленные глубокими изменениями в электронной оболочке и ядре атома и имеющие природу электромагнитных колебаний, рентгеновское и γ – излучение; потоки заряженных частиц, которые могут иметь как положительные, так и отрицательные заряды.

Изменения физических свойств покрытия (адгезив) и подложки (субстрат), подвергнутых действию радиоактивного излучения, как от природы и энергии бомбардирующих частиц.

Таблица 1

Адгезия и внутренние напряжения в полиэтиленовых покрытиях после γ – облучения

Индекс расплава, i, г/10 мин	Доза облучения, Мрад
0	3,6	7,1	10,6	16,6	22,5	28,4
Адгезионная прочность, МПа
0,52	6,37	7,12	9,52	12,01	12,14	11,98	11,75
1,51	6,71	7,01	7,28	7,75	9,62	9,86	9,88
3,12	7,09	7,31	7,62	8,16	9,36	9,69	9,72
6,59	7,22	7,49	7,82	8,51	9,12	9,37	9,34
10,70	7,54	7,81	8,12	8.41	8,87	9,04	9,01
Внутренние напряжения в покрытии, МПа
0,52	4,84	4,02	3,63	3,58	3,50	3,42	3,38
1,51	4,04	3,44	3,19	3,02	2,83	2,76	2,72
3,12	3,23	2,85	3,66	2,42	2,26	2,24	2,16
6,59	2,44	2,09	1,96	1,87	1,81	1,73	1,64
10,70	1,87	1,54	1,48	1,43	1,41	1,34	1,26

В таблице 1 приведены адгезионные свойства и внутренние напряжения облученных γ – лучами покрытый и полиэтилена высокой плотности различного индекса расплава на поверхности стальной подложки. Облучения проводилось изотопом Со60 в γ – лучевой установке: температура в пучке не более 460С атмосферное давление от 714 до 718 мм. рт. ст. мощность дозы – 330 рентген/сек. Образцы подвергались γ – облучению через 24 часа после получения испытывались через четверо суток после γ – облучения.

Полученные результаты показывают, что адгезионная прочность покрытий до определенной дозы облучения увеличивается на 20 – 90% в зависимости от индекса расплава полиэтилена, а дальнейшее повешение дозы облучения приводит к её снижению. Большее увеличения адгезионной прочности наблюдается у полиэтилена меньшего индекса расплава.

Увеличение адгезии связано с повышением подвижности (гибкости) сегментов макромолекул, усилением процессов ионизации в полимере и металле, а также увеличением дефектности кристаллической подложки. Это, по-видимому, приводит к повышению донорской способности субстрата и акцепторной адгезии, или наоборот. Кроме того, происходит радиационно – химическое окисление полиэтилена в зоне контакта, способствующее благоприятной ориентации карбонильных групп относительна окисной пленки металлического субстрата. В результате этого возможно повышения мощности микроконденсатора, создаваемого двойным электрическим слоем на межфазной границе, и усиления диффузионных процессов между адгезивом и субстратом. Возможно, что после γ – облучения увеличиваются и другие составляющие адгезионной прочности полимерных покрытий металлов.

Доза облучения оказывает значительное влияние и на разрывную прочность покрытий пленки, которая до определенной дозы облучения (10-100, Мрад) увеличивается, а затем снижается.

Увеличение разрывной прочности покровной пленки при γ – облучении, несмотря на снижение степени кристалличности полимера, объясняется сшиванием его макромолекул, так как разрывная прочность у сшивающихся полимеров больше зависит от плотности сшивания (до определенной дозы облучения), чем от степени кристалличности.

Снижение разрывной прочности покровной пленки после определенной дозы облучения связано с радиационно – химической деструкцией, так как при этом деструкция преобладает над сшиванием макромолекул полимера и приводит к снижению прочностных свойств покрытий.

С увеличением индекса расплава полиэтилена экстремум разрывной прочности смещается в область больших доз облучения. Это, очевидно, объясняется необходимостью затраты большей энергии для сшивания макромолекул полиэтилена с меньшей плотностью. После γ – облучения прочность пленок увеличивается на 40-70%. Большой процент увеличения наблюдается у полиэтилена с высоким интересом расплава.

Внутреннее напряжения в полиэтиленовых покрытиях имеет сложный характер в зависимости от дозы облучения, то есть, при меньших дозах снижается, а при больших – повышается. При дальнейшем увеличении дозы облучения внутреннее напряжение в покрытиях имеет тенденцию к резкому снижению.

Снижение внутренних напряжений в покрытиях при малых дозах облучения объясняется ускорением релаксационных процессов и перестройкой надмолекулярной структуры полимера. Увеличение внутренних напряжений с увеличением дозы облучения связано с повышением усадки и удельной плотности покрытия в результате сшивания макромолекул полимера. Резкое снижение внутренних напряжений в покрытиях с дальнейшем увеличением дозы облучения связано уже с преобладанием деструкции сшитых макромолекул материала покрытия.

Наименьшие внутренние напряжения в полиэтиленовых покрытиях наблюдаются в интервалах облучения от 10 до 30 Мрад. При этом внутренние напряжения в покрытиях снижаются до 50% в зависимости от индекса расплава полиэтилена высокой плотности.

Дальнейшее увеличение дозы облучения, несмотря на то, что повышает разрывную прочность покровной пленки, снижает адгезионную прочность и повышает внутренние напряжения в покрытии. В результате снижаются величины коэффициентов запаса по разрывной и адгезионной прочности и тем самым, свойства покрытия ухудшаются.

Таким образом, для радиационной обработки полиэтиленовых покрытий с целью увеличения адгезионной прочности и других физико – механических свойств можно рекомендовать дозы облучения в интервалах от 10 до 30 Мрад в зависимости от индекса расплава и вида полиэтилена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.  Установлено, что изменения адгезионных и прочностных свойств обученных γ-лучами полиэтиленовых, пентопластовых, эпоксидных и фурано-эпоксидных покрытий зависят от их природы и структуры. При этом указанный способ обработка эффективно воздействует на покрытия, полученные на основе полимеров.

2.  Показано, что физико-механические свойства радиационно-обработанных, как термореактивных, так и термопластичных полимерных покрытий, существенно зависят от значений дозы облучения. Как показали результаты исследований, физико-химические свойства от дозы облучения имеют экстремальний характер. Так, что при оптимальной дозе облучении-лучами полимерных покрытий значительно увеличиваются их адгезионные и прочностные свойства. В случае полиэтиленовых покрытий адгезионная прочность повышается с 1,0 до 1,6 кН/м, микротвердость, соответственно от 57 до 76 МПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.  Установлено, что изменения адгезионных и прочностных свойств обученных γ – лучами полиэтиленовых, пентопластовых, эпоксидных и фурано - эпоксидных покрытий зависят от их природы и структуры. При этом радиационная обработка эффективно воздействует на покрытия, полученные на основе полимеров.

2.  Показано, что физико – механические свойства радиационно – обработанных, как термореактивных, так и термопластичных полимерных покрытий существенно зависят от значений дозы облучения. Как показали результаты исследований, значения свойств от дозы облучения имеют экстремальний характер. Показано, что при оптимальной дозе облучении – лучами полимерных покрытий значительно увеличиваются их адгезионные и прочностные свойства. Так, у полиэтиленовых покрытий адгезионная прочность повышается с 1,0 до 1,6 кН/м, у пентопластовых покрытий с 1,4 до 2,45 кН/м, у эпоксидных покрытий с 1,80 до 2,70 кН/м, а их микротвердость с 57 до 76 МПа, с 94 до 134 МПа, с 116 до 152 МПа, и с 54 до 122 МПа, соответственно.

3.  Выявлено, что для каждого вида полимерного покрытия имеется оптимальная доза облучения, обеспечивающая улучшение физико – механических свойств покрытий и их долговечность за счет сшивания макромолекул полимера. Так, у полиэтиленовых, пентопластовых, эпоксидных и фурано - эпоксидных покрытий оптимальное значение дозы γ – облучения находится в пределах 10-30 Мрад, 10-20 Мрад, 50-70 Мрад, 80-100 Мрад, соответственно. Необходимо отметить, что дальнейшее увеличение дозы γ – облучения, несмотря на то, что повышается разрывная прочность покровной плёнки, в тоже время снижает адгезионную прочность и повышает внутренние напряжения в покрытии. В результате снижаются величины коэффициентов запаса по разрывной и адгезионной прочности и тем самым комплексные свойства покрытия ухудшаются.

4.  Установлено, что радиационная обработка полимерных покрытий, кроме улучшения их свойств, также способствует интенсивному отверждению покрытия, получаемого из термореактивных полимеров - эпоксидной и фурано - эпоксидной композиции. При этом полимер может отверждаться без применения отвердителей и высоких температур, за счёт сшивки существующих и новых образованных функциональных групп благодаря воздействию γ – облучения.

5.  Установлено, что физико – механические свойства у всех исследованных наполненных полиэтиленовых, пентопластовых, эпоксидных и фурано - эпоксидных композиционных покрытий в зависимости от дозы облучения, имеется экстремальный характер. Как показали результаты исследований, у наполненных полимерных покрытий эффект влияния γ – облучения в пределах исследованных значений доз практически одинаков с ненаполненными полимерными покрытиями. Показано, что это, в основном, связано с радиационно – химическим окислением полимеров в зоне контакта как субстрат – адгезива, так и наполнитель – полимера, способствующим ориентации функциональных групп относительно окисной пленки подложки или металлического наполнителя, а также повышением гибкости макромолекул, ведущих к увеличению числа контактов между адгезивом и субстратом и сшивке макромолекул. Снижение адгезионной прочности и прочности покровной пленки после определенной дозы облучения, вероятно, связано с падением когезионной прочности в результате радиационно – химической деструкции полимеров.

6.  Установлено, что оптимальное значение дозы γ – облучения у всех исследованных композиционных полимерных покрытий имеет тенденцию в сторону их увеличения по сравнению с ненаполненными полимерными покрытиями. Так, для покрытий из полиэтиленовых композиций оптимальные дозы γ – облучения лежат в пределах 20 – 40 Мрад, для пентопластовых композиций – 20 – 30 Мрад, для эпоксидных композиций 80 – 100 Мрад, для фурано – эпоксидных композиций 90 – 130 Мрад.

7.  Показаны возможности существенного повышения износостойкости и других физико – механических свойств композиционных эпоксидных покрытий посредством γ – облучения. Исследованиями закономерностей изнашивания полимерных покрытий при взаимодействия с абразивной средой применительно к условиям работы форм в производстве декоративных строительных конструкций установлены возможности значительного повышения их эффективности и работоспособности подбором рецептур композиций и воздействием на них γ – облучением. При этом установлено, что оптимальные дозы облучения лежат в переделах от 50 до 80 Мрад.

8.  Установлена взаимосвязь долговечности композиционных полимерных покрытий с их физико – механическими свойствами и показана возможность целенаправленного регулирования этих характеристик посредством влияния радиационной обработки γ – лучами различных по природе полимерных покрытий и применяемых в них наполнителей. Применение радиационно - обработанных композиционных эпоксидных покрытий на рабочих поверхностях форм в производстве декоративных строительных конструкций γ – лучами позволило повысить их эффективность и, соответственно, долговечность в 2-2,5 раза. По данным расчетов ожидаемая экономическая эффективность от внедрения обработанных композиционных полимерных покрытий на ГП по РЭДХ ГАК “Узавтойул” составляет 85 млн. сум в год.

ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Пахомов полимерной химии. В 2-х частях. - Тверь, ТвГУ, 1991. – 324 с.

2.  и др. Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении / Под ред. - М.: Готика, 2003.-515 с.

3.  Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров технологии процессы // Инст. Механика металополимер. систем. М.: Наука и техника, Гомель, 1992 – С 255.

4.  , , Садыков и прочностные свойства полимерных материалов и покрытий на их основе // Фан. – Ташкент, 1979. – С 68 - 71.

5.  , , Шляпин основы и технологии обработки современных материалов. Теория, технология, структура и свойства. – М.: Химия, 2004. - Т.2. –С 302.

6.  изико-механические свойства композитов на основе полиэтилена высокой плотности // Высокие технологии XXI века: Тез. докл. межд. конф. IX Межд. форума. 23 апреля 2008. – Москва, 2008. – С. 28 – 31.