Луцький державний технічний університет

Бадищук Василь Ігорович

УДК 678.64:678.026

РОЗРОБКА ЕПОКСИКОМПОЗИТІВ МОДИФІКОВАНИХ ЗОВНІШНІМИ ПОЛЯМИ ДЛЯ ЗАХИСТУ УСТАТКУВАННЯ ВІД КОРОЗІЇ І СПРАЦЮВАННЯ

05.02.01 - матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луцьк – 2006

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Букетов Андрій Вікторович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, доцент кафедри комп’ютерно-інтеґрованих технологій.

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Братичак Михайло Миколайович,

Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри хімічної технології переробки нафти та газу.

кандидат технічних наук, доцент

Гулай Ольга Іванівна,

Луцький державний технічний університет, старший викладач кафедри фізичної хімії.

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України, м.Київ

Захист відбудеться 23 березня 2006 року о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.02 при Луцькому державному технічному університеті за адресою: 43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Луцького державного технічного університету (вул. Львівська, 75).

Автореферат розіслано 16 лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 32.075.02,

кандидат технічних наук, доцент Гусачук Д.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нині у багатьох галузях промисловості розвинутих країн світу для захисту технологічного устаткування від корозії та спрацювання ефективно використовують композити на основі епоксидних смол. Ускладнення умов експлуатації технологічного устаткування, зокрема, робота механізмів під впливом аґресивних середовищ при знакозмінних навантаженнях і підвищених температурах, зумовлює підвищені вимоги до експлуатаційних характеристик епоксидних композитних матеріалів. Сьогодні провідні учені світу і України на основі розроблених технологій та досконало підібраних інґредієнтів удосконалюють вже відомі і створюють нові сучасні матеріали. Одним з перспективних напрямків поліпшення властивостей композитів є модифікація їх зовнішніми силовими полями. Саме тому застосування ультрафіолетового опромінення, магнітного поля для створення композитних матеріалів з комплексом підвищених експлуатаційних характеристик є актуальним завданням сучасного матеріалознавства. У зв’язку з цим, важливим є встановлення закономірностей впливу вказаних полів на процеси структурування при формуванні матеріалів, а також на їхні властивості. Саме тому цікавим і перспективним з наукової і практичної точки зору є нові методи модифікації компонентів матриці та наповнювача зовнішніми полями на попередній стадії формування полімеркомпозитних матеріалів (до введення твердника).

Зв’язок роботи з науковими роботами, програмами, планами, темами. Роботу виконано в межах держбюджетної теми ТДТУ імені Івана Пулюя ДІ 108-03 “Створення полімеркомпозитних матеріалів для захисту технологічного устаткування від корозії та спрацювання”, ДІ 129-06 “Розробка полімеркомпозитних покриттів і матеріалів з підвищеними експлуатаційними характеристиками для машинобудування”.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є дослідження закономірностей структурування епоксидних композитних матеріалів з дисперсними наповнювачами під впливом ультрафіолетового опромінення і постійного магнітного поля для створення нових епоксикомпозитів і покриттів на їхній основі з підвищеними експлуатаційними характеристиками.

Для досягнення мети необхідно було вирішити такі наукові і практичні завдання:

1. Дослідити вплив природи мінеральних наповнювачів на механізм структуроутворення композитних матеріалів та їхні експлуатаційні характеристики.

2. Дослідити структурні характеристики поверхневих шарів (протяжність і густину) на межі поділу фаз залежно від хімічної активності і магнітної природи введеної у зв’язувач дисперсної фази.

3. Вивчити вплив постійного магнітного поля та ультрафіолетового опромінення на механізм зшивання при структуроутворенні епоксикомпозитів і експлуатаційні характеристики захисних покриттів на їхній основі.

4. Дослідити комплексний вплив режимів магнітної обробки та ультрафіолетового опромінення на адгезійні властивості, циклічну міцність і стійкість до спрацювання композитів з оптимальним вмістом наповнювача.

5. Встановити вплив аґресивних середовищ на повзучість модифікованих магнітним полем і ультрафіолетовим опроміненням епоксикомпозитів, які містять бідисперсний наповнювач.

6. Підвищити ресурс експлуатації технологічного устаткування завдяки використанню розроблених композитів і захисних покриттів на їхній основі, здійснити їх дослідно-промислову перевірку та впровадження у різних галузях промисловості України.

Об’єкт дослідження полімеркомпозитні матеріали на основі епоксидної смоли ЕД-20 з дисперсними наповнювачами різної природи.

Предмет дослідження закономірності формування епоксидних композитних матеріалів, які містять дисперсні наповнювачі різної природи, при прогнозованому впливі ультрафіолетового опромінення та постійного магнітного поля.

Методи дослідження експериментально-теоретичні: нові методики і установки для обробки композицій ультрафіолетовим опроміненням і постійним магнітним полем; методи визначення магнітної сприйнятності і питомої площі поверхні дисперсних часток; відомі методи дослідження та визначення міжфазної взаємодії при структуроутворенні полімеркомпозитних матеріалів, адгезійної міцності, внутрішніх напружень у покриттях, фізико-механічних властивостей, корозійної тривкості і стійкості до спрацювання матеріалів, а також метод багатофакторного планування експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів. Експериментально встановлено, що ультрафіолетове опромінення композицій протягом 15...20 хв. забезпечує зростання на 15...22% фізико-механічних і теплофізичних властивостей епоксикомпозитів з дисперсними наповнювачами. Показано, що зростання показників означених властивостей відбувається внаслідок формування поверхневих шарів з високим ступенем зшивання.

Доведено, що попередня обробка оліґомера ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем забезпечує поліпшення фізико-механічних властивостей зв’язувача на 7...9% і на 25...30% відповідно, порівняно з необробленим. Введення в матрицю дисперсних часток, незалежно від їхньої природи, з подальшим ультрафіолетовим опроміненням композицій забезпечує суттєве зменшення коефіцієнта повзучості і відносної деформації усіх, без винятку, зразків внаслідок підвищення жорсткості матеріалу. Встановлено, що цей ефект пов’язаний з підвищенням ступеня ґелеутворення зв’язувача при обробці зовнішніми полями.

Вперше доведено, що комплексна обробка інґредієнтів композитного матеріалу ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем поліпшує фізико-механічні властивості епоксикомпозитів у 1,2...1,8 рази. У роботі запропоновано нові технології комплексної модифікації інґредієнтів матеріалу зовнішніми полями. Встановлено, що залежно від хімічної і магнітної природи вибраного бідисперсного наповнювача на 10...26% зменшується коефіцієнт повзучості, абсолютне значення прогинання зразка після початкового навантаження та відносна деформація матеріалу протягом усього часу дослідження порівняно з необробленими композитами. Це пояснюється поліпшенням міжфазної взаємодії у гетерогенних системах після проведення комплексної обробки, що підвищує ступінь ґелеутворення у епоксикомпозитах.

Експериментально встановлено, що максимально стійкими до спрацювання є модифіковані ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем епоксикомпозити, наповнені електрокорундом і феритом (з вмістом 80 мас.ч. на 100 мас.ч. матриці), К ,74...0,91. Це пояснюють поліпшенням міжфазної взаємодії після обробки композицій зовнішніми полями. При цьому зазначимо, що оптимальним варіантом є ультрафіолетове опромінення смоли ЕД-20 та магнітна обробка наповнювача. Такий варіант обробки забезпечує зниження інтенсивності спрацювання композитів на 30...44%, порівняно з іншими.

На основі аналізу експериментальних даних запропоновано фізичну модель формування поверхневих шарів навколо частки наповнювача у гетерогенних епоксидних системах. Показано, що навколо дисперсної частки виникають поверхневі шари з різною густиною, ступенем зшивання і протяжністю. Зауважимо, що залежно від природи наповнювача протяжність ділянки, а також максимальні показники густини у них суттєво відрізняються.

Методом математичного планування експерименту визначено оптимальні технологічні режими комплексної модифікації компонентів матриці ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем, а також вміст інґредієнтів композиції, що дає можливість отримати захисні покриття з прогнозованими властивостями. Розроблено способи модифікації епоксидних композицій і матеріали захисних покриттів, які відзначаються високими показниками адгезійної міцності.

На основі виконаних досліджень розроблено нові епоксикомпозитні матеріали (Патент України на винахід № 68271 А, патент України на винахід № А).

Практичне значення отриманих результатів. На основі результатів виконаних досліджень створено нові композитні матеріали з підвищеними експлуатаційними характеристиками порівняно з зарубіжними та вітчизняними матеріалами аналогічного призначення. Розроблено технологію нанесення їх на довговимірні деталі зі складним профілем поверхні. Нові матеріали і технологія їх модифікації зовнішніми полями були перевірені у дослідно-промислових умовах на підприємствах Тернопільської та Львівської областей. Економічний ефект від впровадження результатів роботи становить 18694 грн на 100 м2 робочої площі.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційну роботу ввійшли наукові результати, отримані автором особисто. Постановка задач, обґрунтування та обговорення результатів наукових досліджень виконано спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень викладено на міжнародній науково-практичній конференції “Структурна релаксація у твердих тілах” (м. Вінниця, 2003 р.), I Міжнародній науково-технічній конференції (DSR) “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин” (м. Тернопіль, 2004 р.), III міжнародній науково-технічній конференції “Композиційні матеріали” (м. Київ, 2004 р.), VII, VIII, IX науково-технічних конференціях “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- та приладобудуванні” (м. Тернопіль, 2003, 2004, 2005 рр.), II міжнародній науково-практичній конференції “Науковий потенціал світу” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании” (м. Одесса, 2005 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 15 наукових праць, з них 5 статей у фахових виданнях, отримано два патенти України на винахід.

Структура та об’єм. Дисертація складається зі вступу, п’яти основних розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Матеріал, викладений на 143 стор. машинописного тексту, містить 31 ілюстрацію, 26 таблиць, список використаних джерел зі 146 найменувань і 3 додатки. Загальний обсяг дисертації – 188 стор.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено наукову новизну роботи і перспективи її розвитку, показано практичні результати, отримані в роботі, описано структуру та короткий зміст дисертації. Наведено відомості про апробацію та публікації основних результатів досліджень.

У першому розділі подано огляд науково-технічної літератури про сучасний стан і етапи розвитку епоксидних полімеркомпозитних матеріалів (ПКМ). Розглянуто деякі основні властивості композиційних матеріалів, а саме фізико-механічні, теплофізичні, адгезій ні, та їхній зв'язок із структурою. Обґрунтовано використання різних за хімічною природою дисперсних наповнювачів, що дозволяють значно поліпшити експлуатаційні властивості епоксидних композитних покриттів. Останні досягнення у галузі матеріалознавства сприяють створенню полімерів і композитів із заданим комплексом властивостей. Особливо перспективною у цьому напрямку є модифікація композицій на стадії формування, обробка їх магнітним полем та ультрафіолетовим опроміненням, що потребує менших енергетичних затрат, порівняно з традиційними. На основі результатів проведеного аналізу поставлено завдання, що полягає у створенні нових ПКМ, зміцнених наповнювачами різної природи, із застосуванням модифікації їх на стадії формування.

У другому розділі обґрунтовано вибір зв’язувача і наповнювачів для ПКМ, принципові схеми експериментального обладнання та режими випробувань композитів. Описано методи вивчення структурних характеристик досліджуваних матеріалів: електронної мікроскопії, ІЧ-спектроскопії, електронного парамагнітного резонансу (ЕПР). Наведено методики дослідження адгезійних, фізико-механічних, теплофізичних, діелектричних властивостей, внутрішніх напружень у ПКМ, а також корозійної тривкості і стійкості до спрацювання захисних покриттів. Подано результати випробувань, проведених у лабораторних і виробничих умовах. Крім того наведено блок-схеми, принцип роботи і режими експлуатації розроблених установок для обробки компонентів матриці, наповнювача і вихідних композицій зовнішніми полями на попередній стадії формування ПКМ. Це, зокрема, установки для обробки матеріалів магнітним полем і ультрафіолетовим опроміненням. Об’єктом дослідження вибрано ПКМ на основі епоксидіанового оліґомера марки ЕД-20 (ГОСТ 10587-84), якому властиві висока адгезійна та когезійна міцність, незначна усадка і технологічність при нанесенні на довговимірні поверхні складного профілю, а також розвинута сировинна база. Як наповнювачі використано феро- (ферит марки 1500 НМ3, коричневий шлам, газова сажа), пара- (оксид хрому, оксид міді) та діамагнітні наповнювачі (карбід кремнію, технічний графіт) дисперсністю від 5...10 до 60...65 мкм.

У третьому розділі наведено результати досліджень фізико-механічних і теплофізичних властивостей епоксидних композитів. Встановлено вплив питомої площі поверхні та магнітних властивостей дисперсного наповнювача на фізико-механічні і теплофізичні характеристики композитів на основі епоксидного оліґомера. Показано, що введення у матрицю феромагнітного наповнювача суттєво підвищує зазначені характеристики гетерогенних матеріалів, порівняно з ПКМ, наповнених діа- і парамагнетиками. Цей ефект отримано внаслідок зміни структури епоксидних систем при формуванні матеріалів. Такий вплив феромагнітного наповнювача на міжфазну взаємодію пояснюють як впливом питомої площі поверхні дисперсних часток, так і взаємодією магнітного моменту твердої фази з дипольним моментом макромолекул матриці. У результаті чого у матеріалі навколо часток наповнювача формуються поверхневі шари з вищим ступенем зшивання, порівняно з полімером у об’ємі композиту, що поліпшує фізико-механічні і теплофізичні властивості епоксикомпозитів.

На розробленій установці визначено динамічний модуль пружно-пластичної деформації (fk) зразків при згинанні. Вказаний коефіцієнт fk характеризує поведінку матеріалу під навантаженням і враховує можливість перегрупування фізичних зв’язків під впливом зовнішньої сили, релаксацію внутрішніх напружень у процесі деформації та швидкість локального мікроруйнування гетерогенної системи. На рис. показано результати експериментальних досліджень, які дозволяють стверджувати, що пружна деформація на початкових стадіях деформування ПКМ, яка є проявом зсуву кінцевих груп макромолекул, поступово переходить у пластичну деформацію, що є результатом відносного зміщення окремих груп макромолекул і дисперсних часток. Встановлено, що на різних етапах досліджень коефіцієнт пружно-пластичної деформації для композиту, наповненого феритом, є максимальним і становить 4,5...5,8 ГПа. Водночас коефіцієнт fk для ПКМ, що містить частки оксиду міді та цементу змінюється у межах 3,9...4,5 ГПа. Це пояснюється особливістю ПКМ, що містять різні за своїми магнітними властивостями наповнювачі. Показано, що введення у матрицю часток цементу і оксиду міді зумовлює формування у поверхневих шарах матриці неоднорідної структури внаслідок чого утворюються „м’які” поверхневі шари. При цьому наповнення матеріалу феромагнетиком феритом забезпечує утворення „жорстких” поверхневих шарів, що суттєво поліпшує експлуатаційні характеристики композитів.

а) б)

в)

На основі аналізу експериментальних результатів фізико-механічних досліджень нами запропоновано фізичну модель формування поверхневих шарів навколо часток наповнювача у гетерогенних епоксидних системах. Показано, що навколо дисперсних часток виникають поверхневі шари з різною густиною, ступенем зшивання і протяжністю. Слід зауважити, що залежно від природи наповнювача протяжність ділянок, а також максимальні показники густини у них суттєво відрізняються. У зв’язку з цим при формуванні поверхневих шарів важливо врахувати вплив магнітної сприйнятності часток, тобто магнітного поля на ступінь зшивання матриці. Встановлено, що використання дисперсних добавок феро- (ферит, коричневий шлам) і парамагнітної (Cr2O3, CuO) природи як наповнювача забезпечує формування поверхневих шарів з високими показниками густини ( ,2...1,5 г/см3) і значною протяжністю (h1 =нап = ,05...2,30). Введення діамагнетиків цементу і Al2O3 призводить до формування поверхневих шарів із заниженими параметрами:  ,07...1,10 г/см3; h1 = ,90...1,95.

Отже, доведено, що феромагнітні частки наповнювачів активніше впливають на зміну конформаційного набору макромолекул у поверхневому шарі. Експериментально встановлено, що наявність міжмолекулярної взаємодії з утворенням хімічних і фізичних зв’язків між поверхнею наповнювача та епоксидним зв’язувачем значно впливає на структуру, характеристики поверхневих шарів і здебільшого визначає властивості ПКМ. Показано, що товщина, густина та дефектність структури шарів залежать від величини магнітного моменту наповнювача, будови його поверхні, хімічної активності і режимів комплексної обробки зовнішніми полями. Методами ІЧ та ЕПР-спектроскопії встановлено наявність міжмолекулярних зв’язків функціональних груп епоксидного зв’язувача з адсорбційно-активними центрами на поверхні дисперсних наповнювачів, що забезпечує утворення поверхневих шарів з поліпшеними властивостями та формування ПКМ з оптимальними когезійними характеристиками.

У четвертому розділі експериментально встановлено, що ультрафіолетове опромінення композицій протягом 15...20 хв. сприяє підвищенню на 15...22% фізико-механічних і теплофізичних властивостей епоксикомпозитів, наповнених феро- та парамагнітними дисперсними частками. Показано, що зростання цих показників відбувається внаслідок формування поверхневих шарів з високим ступенем зшивання. Експериментальними дослідженнями ґель-фракції епоксикомпозитів встановлено збільшення на 3...5% залежно від тривалості ультрафіолетового опромінення.

Встановлено, що введення феромагнітних наповнювачів у епоксидну матрицю дозволяє збільшити адгезійну міцність ПКМ на 10...15 МПа, порівняно з пара- та діамагнетиками. Подальша обробка оліґомерних композицій, що містять феромагнітні дисперсні частки, постійним магнітним полем і ультрафіолетовим опроміненням забезпечує зростання адгезійних характеристик ПКМ на 25...30% (при малому вмісті наповнювача). При цьому слід врахувати, що ультрафіолетове опромінення композицій не приводить до значного підвищення адгезії при високому вмісті наповнювача (більше 80...100 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидної смоли). Крім того встановлено, що після модифікації матеріалу магнітним полем і ультрафіолетовим опроміненням (при оптимальному вмісті наповнювача) ґелеутворення у композитах при зшиванні зростає на 4...6%. Це свідчить про зростання ступеня зшивання матриці у поверхневих шарах навколо часток наповнювача, що відповідно, поліпшує експлуатаційні характеристики створених матеріалів.

Як результат аналізу експериментальних досліджень повзучості епоксидної матриці встановлено, що попередня обробка оліґомера ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем поліпшує фізико-механічні властивості зв’язувача, на 7...9% і на 25...30%, відповідно, порівняно з необробленим. Введення в матрицю дисперсних часток, незалежно від їхньої хімічної та магнітної природи, з подальшим ультрафіолетовим опроміненням композицій суттєво зменшує коефіцієнти повзучості і відносної деформації усіх зразків, що свідчить про підвищення жорсткості і ступеня ґелеутворення зв’язувача модифікованих композитів. Встановлено, що це пов’язано з інтенсивністю взаємодії на межі поділу фаз „матриця – наповнювач”. Крім того зазначимо, що попередня обробка композицій у зовнішньому магнітному полі також дозволяє поліпшити фізико-механічні властивості ПКМ, однак більший ефект спостерігали при дослідженні композитів, які містять феромагнітні наповнювачі (на 36%). Це зумовлено додатковим впливом магнітної природи феромагнітних часток на зміну конформаційного набору макромолекул у процесі зшивання матриці.

В табл. наведено результати дослідження залежності повзучості епоксикомпозитів від варіанту обробки композицій зовнішніми полями.

Таблиця 1

Залежність повзучості епоксикомпозитів від варіанту обробки композиції зовнішніми полями

Бідисперсний наповнювач

Варіанти

обробки | Цемент (80 мас. ч.) + газова сажа

(20 мас. ч.) | Оксид міді (80 мас. ч.) +

ферит (40 мас. ч.) | КШ (80 мас. ч.) + оксид хрому

(20 мас. ч.)

ln•10-3,м | , % | ln•10-3, м | , % | ln•10-3, м | , %

1 варіант | 56 | 1,29 | 22,22 | 88 | 1,25 | 20,00 | 62 | 1,23 | 18,42

2 варіант | 48 | 1,16 | 14,29 | 69 | 1,12 | 10,38 | 35 | 1,15 | 12,50

3 варіант | 49 | 1,24 | 19,67 | 65 | 1,12 | 9,72 | 55 | 1,13 | 11,29

4 варіант | 51 | 1,16 | 13,56 | 38 | 1,19 | 15,55 | 42 | 1,15 | 12,50

- коефіцієнт повзучості; - абсолютне значення прогину зразка після початкового   навантаження; - відносне значення прогину зразка.

Варіант 1 – необроблена композиція; варіант 2 – композиція, модифікована за режимом: ультрафіолетове опромінення смоли ЕД-20 з подальшою магнітною обробкою композиції; варіант 3 – композиція, модифікована за режимом: ультрафіолетове опромінення смоли ЕД-20 з подальшою магнітною обробкою наповнювача; варіант 4 - композиція, модифікована за режимом: магнітна обробка композиції з подальшим ультрафіолетовим опроміненням композиції.

Встановлено, що коефіцієнт повзучості і відносна деформація ПКМ у середовищі промислового мастила марки И-20 зменшується на 12...26% після комплексної обробки їх зовнішніми полями, порівняно з необробленими зразками.

Отже, доведено, що комплексна обробка інґредієнтів ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем поліпшує фізико-механічні властивості епоксикомпозитів у 1,2...1,8 рази. У роботі запропоновано варіанти технології комплексної обробки інґредієнтів композиту зовнішніми полями. Встановлено, що залежно від хімічної та магнітної природи вибраного бідисперсного наповнювача при оптимальному його вмісті коефіцієнт повзучості зменшується на 10...13%, абсолютне значення прогину зразка після початкового навантаження – на 12…23% та відносна деформація матеріалу протягом усього часу досліджень – на 10…26%, порівняно з необробленими композитами, що пояснюється поліпшенням міжфазної взаємодії у гетерогенних системах після проведення комплексної обробки зовнішніми полями. Внаслідок цього зростає ступінь ґелеутворення у епоксикомпозитах, що значно поліпшує когезійні характеристики досліджуваних матеріалів.

У п'ятому розділі експериментально досліджено комплексну модифікацію епоксидних композицій на попередній стадії їх формування, залежно від природи і вмісту бідисперсного наповнювача. Встановлено, що така модифікація підвищує адгезійну міцність захисних покриттів на 12...34%. Методом математичного планування експерименту визначено оптимальні технологічні режими комплексної модифікації компонентів матриці ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем, а також вміст інґредієнтів композиції, що дає можливість отримати захисні покриття з прогнозованими властивостями. Розроблено способи модифікації епоксидних композицій і матеріали захисних покриттів, які відзначаються високими експлуатаційними характеристиками.

Доведено, що попереднє ультрафіолетове опромінення епоксидної смоли з подальшою магнітною обробкою композиції забезпечують підвищення межі витривалості системи “основа – модифіковане покриття” у 1,8...2,0 рази, порівняно із системою “основа – немодифіковане покриття”. Використання отриманих результатів дає практичну можливість прогнозувати довговічність конструкційних елементів, зменшити час на встановлення пошкоджень у деталях, ремонту їх, а також модернізації технологічного устаткування.

Результати проведених досліджень показують високу стійкість до спрацювання полімеркомпозитних матеріалів на основі епоксидних смол, наповнених бідисперсними частками. Експериментально встановлено, що максимальної стійкості до спрацювання досягли модифіковані ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем полімеркомпозити, наповнені електрокорундом і феритом (при вмісті 80 мас.ч. на 100 мас.ч. матриці), К = 0.74...0.91. Це пояснюється поліпшенням міжфазної взаємодії у таких системах після обробки композицій зовнішніми полями.

З метою підвищення ресурсу експлуатації робочих органів технологічного устаткування для них було розроблене спеціальне покриття і впроваджене на підприємствах харчової промисловості Тернопільської та Львівської областей. В результаті експлуатації контрольних об’єктів встановлено, що використання захисних покриттів особливо ефективне при захисті від корозії металоконструкцій і устаткування в умовах впливу лужних середовищ, а також від атмосферної корозії деталей транспортних засобів і контейнерів. Встановлено, що захисні покриття після проведених випробувань зберегли початковий вигляд, не виявлено слідів сколювання, корозійного руйнування та механічних пошкоджень. При розрахунку економічного ефекту техніко-економічні переваги покриттів, порівняно з емалями, визначали за такими факторами: зниження вартості матеріалів, трудомісткості виконаних робіт і збільшення терміну експлуатації покриттів. Впровадження покриттів на підприємствах харчової та хімічної промисловості сприяє збільшенню міжремонтного періоду роботи у 3,0...3,5 рази, підвищенню корозійної тривкості обладнання у 2,5...2,7 рази, а стійкості до спрацювання у 2,0...2,2 рази. Промисловими випробуваннями підтверджено високі експлуатаційні характеристики розроблених захисних покриттів на основі епоксидної матриці і бідисперсних наповнювачів. Економічний ефект від впровадження захисних покриттів становить 186,94 грн. на 1м2 робочої площі устаткування. Підвищені експлуатаційні властивості нових покриттів свідчать про їхню високу ефективність і необхідність розширення масштабів впровадження на підприємствах різних галузей народного господарства України.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що введення у матрицю феромагнітного наповнювача забезпечує підвищення фізико-механічних і теплофізичних властивостей епоксидних композитів у 1,5…1,8 рази. Поліпшення міжфазної взаємодії при використанні феромагнітного наповнювача пояснюється взаємодією магнітного моменту твердої фази з дипольним моментом макромолекул матриці та впливом питомої площі поверхні дисперсних часток. Це сприяє формуванню навколо наповнювача поверхневих шарів з вищим ступенем зшивання, порівняно з полімером у об’ємі композиту, що й підвищує експлуатаційні характеристики композиту.

2. Вперше на основі аналізу експериментальних результатів фізико-механічних досліджень запропоновано фізичну модель формування поверхневих шарів навколо частки наповнювача у гетерогенних епоксидних системах. Встановлено, що використання дисперсних добавок феро- (ферит, коричневий шлам) і парамагнітної (Cr2O3, CuO) природи як наповнювача забезпечує формування поверхневих шарів з високими показниками густини ( ,2…1,5 г/см3) і значною протяжністю (h1 =нап ,05…2,30), тоді як при введенні ж діамагнетиків – цементу і Al2O3 формуються поверхневі шари з нижчими показниками  ,07…1,10 г/см3; h1 = ,90…1,95.

3. Доведено, що попередня обробка оліґомера ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем забезпечує поліпшення фізико-механічних властивостей зв’язувача порівняно з вихідним на 7...9% і на 25...30%, відповідно. Встановлено, що це пов’язано з підвищенням ступеня ґелеутворення зв’язувача при обробці зовнішніми полями.

4. В результаті експериментальних досліджень встановлено, що комплексна модифікація епоксидних композицій на попередній стадії їх формування, залежно від природи і вмісту бідисперсного наповнювача, дозволяє додатково підвищити адгезійну міцність захисних покриттів на 12...34%, циклічну міцність покриттів на 70…80%, максимальну стійкість до спрацювання на 16…24%.

5. Вперше досліджено, що залежно від хімічної і магнітної природи вибраного наповнювача при оптимальному вмісті зменшуються коефіцієнт повзучості, полімеркомпозитного покриття в аґресивних середовищах, абсолютне значення прогину зразка після початкового навантаження і відносна деформація протягом усього часу досліджень. Додаткового підвищення на 10…26% цих показників порівняно з вихідним (необробленим) полімеркомпозитним матеріалом досягли введенням бідисперсного наповнювача.

6. Промисловими випробуваннями підтверджено високі експлуатаційні характеристики розроблених захисних покриттів з композитних матеріалів , забезпечені комплексною дією ультрафіолетового опромінення і магнітної обробки та присутністю бідисперсних наповнювачів. Впровадження покриттів на підприємствах харчової та хімічної промисловості забезпечує збільшення міжремонтного періоду роботи у 3,0...3,5 разів, підвищення корозійної тривкості обладнання у 2,5...2,7 рази, а стійкості до спрацювання у 2,0...2,2 рази. Економічний ефект від впровадження захисних покриттів становить 186,94 грн. на 1м2 робочої площі устаткування.

Основний зміст дисертації викладено в таких працях:

1. Букетов А., Стухляк П., Бадищук В. Вплив активності наповнювача на властивості епоксидних матеріалів // Вісник Тернопільського державного технічного університету.- 2003.- Т. 8, № 4. – С. 12-19.

Внесок автора – дослідження фізико-механічних властивостей епоксидних матеріалів на основі епоксидної смоли ЕД-20.

2. Стухляк П.Д., Букетов А.В., Бадищук В. И.. Повышние точности исследований полимерных материалов при изгибе //Оптимизация производственных процесов.-Севастополь: Севастопольский государственный технический університет.-2004.-№7. – С. 27-33.

Внесок автора полягає у встановлені впливу фізичних процесів при структуроутворенні матеріалів на властивості епоксикомпозитів.

3. Букетов А.В., Стухляк П.Д., Бадищук В.І. Дослідження впливу ультрафіолетового випромінювання та магнітної природи наповнювачів на властивості епоксинаповнених матеріалів // Вопросы химии и химической технологии.- Дніпропетровськ: Украинский государственный химико-технологический університет.-2004.-№3. – С. 101-104.

Особистий внесок автора полягає у проведенні досліджень впливу тривалості ультрафіолетового опромінювання на властивості епоксидних матеріалів.

4. Букетов А.В., Стухляк П.Д., Бадищук В.І. Залежність адгезійної міцності епоксикомпозитів від попереднього ультрафіолетового опромінення та магнітної обробки // Наукові нотатки.- Луцьк: Луцький державний технічний університет.-2004. – С. 20-27.

Автором вивчено вплив магнітної обробки на адгезійну міцність епоксикомпозитів.

5. Букетов А.В., Стухляк П.Д., Микитишин А.Г., Бадищук В.І., Чихіра І.В. Температурні релаксаційні процеси у полімеркомпозитних матеріалах // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції "Структурна релаксація в твердих тілах.- Вінниця.-2003. – С. 218.

Дисертантом досліджено релаксаційні процеси у полімеркомпозитних матеріалах при різних температурах.

6. Стухляк П.Д., Шкодзінський О.К., Пісцьо В.П., Букетов А.В., Бадищук В.І. Визначення густини шару на межі поділу фаз "наповнювач-в’яжуче" в епоксикомпозитах рівнянням Вольтери першого роду // Праці 1 Міжнародної науково-технічної конференції "Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин "DSR AM-1".- Тернопіль.-2004. – С.555-563.

Дисертантом визначено густину шарів на різних віддалях від поверхні наповнювача.

7. Букетов А.В., Стухляк П.Д., Микитишин А.Г., Бадищук В.І., Левицький В.В. Дослідження впливу магнітного поля на адгезійну міцність та внутрішні напруження полімеркомпозитних покриттів // Матеріали сьомої наукової конференції ТДТУ.- Тернопіль.- 2003. – С.108.

Автором проведено досліди та вивчено вплив магнітного поля на внутрішні напруження у полімеркомпозитних покриттях.

8. Букетов А., Бадищук В.. Дослідження впливу ультрафіолетового поля на фізико-механічні властивості епоксидних матеріалів // Матеріали восьмої наукової конференції ТДТУ.- Тернопіль.- 2004.- С.88.

Особистий внесок автора полягає у дослідженні впливу тривалості магнітної обробки на руйнівне напруження при згинанні, ударну в’язкість і внутрішні напруження у епоксикомпозитах.

9. Стухляк П., Бадищук В., Чихіра І. Вплив ультрафіолетової і магнітної обробки на повзучість епоксикомпозитів, на основі ЕД-20, що містять дисперсні феро, пара та діамагнетичні дисперсії // Матеріали девятої наукової конференції ТДТУ.- Тернопіль.- 2005. – С.106.

Внесок автора полягає у дослідженні повзучості в епоксикомпозитах, наповнених частками різної магнітної природи.

10. Стухляк П.Д., Бадищук В.І., Тотосько О.В. Підвищення властивостей епоксикомпозитних матеріалів при ультрафіолетовому випромінюванні //Тези доповідей ІІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Композиційні матеріали”.- К.:КПІ. - 2004. – С.128.

Внесок автора полягає у дослідженні впливу ультрафіолетового опромінення на фізико-механічні властивості композитних матеріалів.

11. Патент №68271 А. Україна, МПК C08L63/00. Епоксикомпозитне покриття / А.В.Букетов, П.Д. Стухляк, В.І. Бадищук, В.В. Левицький (Україна). – №2003119904; Заявл. 04.11.2003; Опубл. 15.07.2004, Бюл. №7. – 6 с.

Дисертантом досліджено властивості розроблених матеріалів і прототипу.

12. Патент № 69738 А. Україна, МПК C08L63/00. Епоксидне в’яжуче / А.В.Букетов, П.Д. Стухляк, В.В. Левицький, В.І. Бадищук (Україна). – №20031110745; Заявл. 27.11.2003; Опубл. 15.09.2004, Бюл. №9. – 4 с.

Автором досліджено і визначено властивості епоксидного зв’язувача.

13. Бадищук В. Вплив аґресивних середовищ на повзучість епоксикомпозитів модифікованих ультрафіолетовим опроміненням і магнітним полем // Вісник Тернопільського державного технічного університету.- 2005.- Т. 10, № 4. – С. 44-51.

14. Букетов А.В., Чихіра І.В., Бадищук В.І., Добротвор І.Г. Дослідження впливу природи наповнювача і ультразвукової обробки на крайовий кут змочування епоксидних композицій // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании”.-Одесса: Черноморье.-2005.-Т.3.-С.49-50.

Внесок автора полягає у дослідженні впливу природи і концентрації наповнювача на крайовий кут змочування епоксидних композицій.

15. Букетов А.В., Бадищук В.І., Левицький В.В., Чихіра І.В. Вплив зовнішньої модифікації бідисперсного наповнювача на формування покриттів з високими адгезійними характеристиками // Матеріали ІІ Міжнародної науково-практичної конференції “Науковий потенціал світу - 2005”.-Дніпропетровськ: Наука і освіта.-2005.-Т.9.-С.42-44.

Внесок автора полягає у дослідженні впливу бідисперсного наповнювача на адгезійні властивості покриттів.

АНОТАЦІЯ

Бадищук В.І. Розробка епоксикомпозитів, модифікованих зовнішніми полями, для захисту устаткування від корозії і спрацювання.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01. – матеріалознавство. – Луцький державний технічний університет, м. Луцьк, 2005.

Досліджено і обґрунтовано механізм впливу ультрафіолетового опромінення на експлуатаційні характеристики епоксикомпозитів, а також досліджено механізм впливу обробки магнітним полем на властивості композитів, що містять частки феро-, пара- та діамагнітної природи. На основі проведених досліджень фізико-механічних і теплофізичних властивостей епоксидних композитів встановлено, що ультрафіолетове опромінення композицій протягом 15...20 хв. забезпечує зростання на 15...22% фізико-механічних і теплофізичних властивостей епоксикомпозитів, наповнених дисперсними частками. Показано, що підвищення показників означених властивостей відбувається внаслідок формування навколо часток наповнювача поверхневих шарів з високим ступенем зшивання. Експериментально встановлено, що поетапна обробка зовнішнім магнітним полем з подальшим ультрафіолетовим опроміненням композицій змінює і поліпшує властивості матеріалу покриттів, зокрема, адгезійну міцність на 12...34%, залежно від природи і вмісту бідисперсного наповнювача у захисних покриттях.

На основі проведених досліджень розроблено способи модифікації епоксидних композицій та матеріали захисних покриттів, які мають високі експлуатаційні характеристики.

Ключові слова. модифікація, епоксикомпозит, ультрафіолетове опромінення, адгезійна міцність, магнітна обробка, полімеркомпозиційне покриття, епоксидна матриця.

АННОТАЦИЯ

Бадищук В.И. Разработка епоксикомпозитов модифицированных внешними полями для защиты оборудование от корозии и сработки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – материаловедение. – Луцкий государственный технический университет, г. Луцк, 2006.

Экспериментально установлено, что ультрафиолетовое облучение композиций в течение 15...20 хв. на 15...22% обеспечивает рост физико-механических и теплофизических свойств эпоксидных композитов, наполненных дисперсными наполнителями. Показано, что рост показателей указанных свойств происходит в результате формирования поверхностных слоев с высокой степенью сшивания.

Анализ экспериментальных исследований ползучести эпоксидной матрицы демонстрирует, что предыдущая обработка матрицы ультрафиолетовым облучением и магнитным полем обеспечивает улучшение на 7...9% и на 25...30% физико-механических свойств связуючего, сравнительно с исходным соответственно. Введение в матрицу дисперсных наполнителей, независимо от их химической и магнитной природы, с последующим ультрафиолетовым облучением композиций обеспечивает существенное уменьшение коэффициента ползучести и относительной деформации всех образцов.

Доказано, что комплексная обработка ингредиентов композитного материала ультрафиолетовым облучением и магнитным полем улучшает физико-механические свойства эпоксидных композитов в 1,2... 1,8 раза. В работе предложены варианты обработки ингредиентов материала комплексом внешних полей. Установлено, что, взависимости от химической и магнитной природы выбранного бидисперсного наполнителя (при оптимальном содержании), уменьшается на 10...26% коэффициент ползучести, абсолютное значение прогибания образца после начальной нагрузки и относительная деформация материала в течение всего времени исследований сравнительно с исходными композитами. Это объясняется улучшением межфазного взаимодействия в гетерогенных системах после проведения комплексной обработки, что увеличивает степень гелеоброзования в эпоксидных композитах. Это, в свою очередь, улучшает когезионние характеристики исследуемых материалов.

В результате экспериментальных исследований установлено, что комплексная модификация эпоксидных композиций на предыдущей стадии их формирования, взависимости от природы и содержания бидисперсного наполнителя позволяет повысить адгезионную прочность защитных покрытий на 12...34%. Показано, что поэтапная обработка внешним магнитным полем с последующим ультрафиолетовым облучением композиций изменяет и улучшает свойства материала покрытий, в частности, адгезионную прочность.

Результаты проведенных исследований показывают высокую стойкость к износу эпоксидных композитных материалов, наполненных бидисперснимы наполнителями. Экспериментально установлено, что максимальную стойкость к износу К ,74...0,91 наблюдали у модифицированных ультрафиолетовым облучением и магнитным полем эпоксидных композитах, наполненных электрокорундом и ферритом соответственно (при содержании 80 мас.ч. на 100 мас.ч. матрицы).

Внедрение покрытий на предприятиях пищевой и химической промышленности обеспечивает увеличение межремонтного периода работы в 3,0...3,5 раза, повышение коррозионной прочности оборудования в 2,5...2,7 раза, а стойкости к износу в 2,0...2,2 раза. Промышленными испытаниями подтверждены высокие эксплуатационные характеристики разработанных защитных покрытий на основе эпоксидной матрицы и бидисперсных наполнителей. Экономический эффект от внедрения защитных покрытий составляет 186,94 грн. на 1м2 рабочей площади оборудования.

ANNOTATION

Badyshchuck V.I. The working out of epoxy composites modificated by external fields to protect the equipment against corrosion and wear.

The thesis for Ph. D. Award (technical sciences) on speciality 05.02.01 – Science of Materials – Lutsk State Technical University. Lutsk, 2006.

The mechanisms of effect of ultraviolet radiation on the operating characteristics of epoxy composites are researched and substantiated. The mechanisms of effect of processing the matrix ingredients by magnetic field on the properties of composites possessing the particles of para-, ferro- and dynamic origin are investigated as well. While researching the physico-mechanical and thermophysical properties of epoxy composites it was proved that the ultraviolet radiation courses the increasing of physico-mechanical and termophysical properties of epoxy composites to 15-20% in the period of 15-22 min. the increasing of mentioned above properties is proved to occur vecause of the forming the surface layers with the high lacing degree. It was proved by means of experiments that the stage-by-stage processing of composites by external field with the further ultraviolet radiation perfects the properties of cover materials, in particular – adhesive strength to 12-34%, it depends on the nature and concentration of bi-dispersed filler of safing covers.

The technique of modificating the epoxy composites and materials of safing covers, characterized with the high index of operating characteristics is developed as well.

Key words: modification, epoxy composite, ultraviolet radiation, adhesive strength, magnetic processing, polymercomposite cover, epoxy matrix.