Оптимизация гранулометрического состава наполнителей в лакокрасочных материалах для толстослойных покрытий

Предыдущими исследованиями установлено, что наиболее предпочтительными, с точки зрения, получения прочных и долговечных композитов декоративного назначения являются материалы с наполнителями определенной природы. При введении в качестве наполнителей асбеста или мела получаются композиты, обладающие повышенными показателями прочности и водостойкости, а также стойкостью к изменению декоративных свойств при воздействии эксплуатационных сред. Применение данных наполнителей оправдано в большей степени по сравнению с другими и тем, что композиты с мелом и хризотил асбестом легко окрашиваются в различные цвета.

Как известно оптимальные физико-технические показатели композитов достигаются при определенных концентрациях дисперсной фазы, наполняющей дисперсную среду. При увеличении содержания наполняющих компонентов сверх оптимального количества прочность композитов падает, что связано нехваткой связующего на полное смачивание частиц наполнителя. В результате этого монолитность смеси нарушается, растет объем пустот в композите и как следствие уменьшение его плотности и физико-химической стойкости.

Оптимизация состава по наименее возможной полимероемкости композита при сохранении высоких прочностных характеристик достигается за счет использования в них заполнителей различного гранулометрического состава. В качестве такого заполнителя рассматривали мел разных фракций. За постоянные факторы, определяющие равные условия проведения опытов, были выбраны: содержание вяжущего и отвердителя и вязкость полимерминеральной композиции. Гранулометрический состав комплексного наполнителя варьировался на трех уровнях: пигмент фракции менее 0,071 мм (Х₁); мел фракции 0,071–0,16 мм (Х₂); мел фракции 0,16–0,315 мм (Х₃). Стоимость компонентов за 1 кг: пигмент – 200 руб/кг, мел – 20 руб/кг, смола ЭД-20 – 165 руб/кг, отвердитель – 250 руб/кг.

Исследованию подвергалась диаграмма «состав – свойства» с вершинами: Z₁ (X₁=100%, X₂=0%); Z₂ (X₂=100%, X₃=0%); Z₃ (X₃=100%, X₁=0%).

В качестве пигмента рассматривался Fepren Y-710 желтый ж/о (производство Чехия), обладающий хорошей красящей способностью и придающий композитам высокие физико-механическими характеристики.

Матрица планирования, рабочая матрица и результаты эксперимента приведены в табл. 4.

Таблица 4 – Матрица планирования и результаты эксперимента

№ п/п	Кодированные значения факторов	Состав компонентов в масс. ч.	Показатели
Х1	Х2	Х3	пигмент фракции менее 0,071 мм	мел фракции 0,071–0,16 мм	мел фракции 0,16–0,315 мм	смола	отвердитель	Cобщ, руб/кг	Rсж, МПа
				8,2					183,3	83,75	0,457
								9,9	173,3	91,09	0,526
								9,8	171,5	93,25	0,544
	0,333	0,667		2,7	10,7			9,6	170,8	87,89	0,515
	0,333		0,667	2,7		10,7		9,6	170,8	97,71	0,572
		0,333	0,667		5,3	10,7		9,8	171,5	97,41	0,568
	0,667	0,333		5,5	5,3		95,6	9,56		91,72	0,530
	0,667		0,333	5,5		5,3	95,5	9,55	172,8	97,54	0,564
		0,667	0,333		10,7	5,3	98,2	9,82	171,9	92,09	0,536
	0,333	0,333	0,333	2,7	5,3	5,3		9,7	172,5	93,51	0,542

После расчета коэффициентов полинома производилась оценка адекватности, т.е. оценивалось, насколько адекватно рассчитанная модель отражает исследуемое свойство. Адекватность модели 3-го порядка оценивалась по трем проверочным точкам с помощью критерия Стьюдента, что позволило признать адекватность выбранной модели, для построения которой проводили измерения значений исследуемых свойств в 10 точках треугольника, свойств по схеме, использованной в работе.

Статистическая обработка результатов эксперимента позволила получить зависимости прочности при сжатии (y₁), прочности при сжатии к общей цене состава (y₂) эпоксидных композитов от гранулометрического состава наполнителей:

y₁ = 83,75Х₁ + 91,09Х₂ + 93,25Х₃ + 10,73Х₁Х₂ + 41,09Х₁Х₃ + 11,61Х₂Х₃ + 42,37 (Х₁+Х₂) + 20,20(Х₁+ Х₃) – 31,05(Х₂+ Х₃) – 78,04Х₁Х₂Х₃;

y₂ = 0,457Х₁ + 0,526Х₂ + 0,544Х₃ + 0,139Х₁Х₂ + 0,304Х₁Х₃ + 0,076Х₂Х₃ + 0,256(Х₁+ Х₂) + 0,142(Х₁+Х₃) - 0,175(Х₂+ Х₃) – 0,668Х₁Х₂Х₃.

По регрессионным уравнениям были построены графики в изолиниях исследуемых показателей (рис. 1).

а)

б)

Рисунок 1 – Зависимости отношения прочности при сжатии (а) и прочности при сжатии к общей цене состава (б) эпоксидных композитов от гранулометрического состава наполнителей.

Из графиков следует, что повышение прочностных свойств эпоксидных композитов достигается за счет применения наполнителей в виде частиц различного гранулометрического состава. Наибольшая прочность достигается при применении смеси порошков следующего фракционного состава: менее 0,071 мм – 20%, 0,071–0,16 мм – 20%, 0,16–0,315 мм – 60%. Применение наполнителей указанных составов позволяет повысить прочность при сжатии полимерных окрашенных композиций на 15%.

Результаты исследования показали, что совмещение наполнителей различного зернового состава способствует получению композитов с улучшенными свойствами по сравнению с материалами на однофракционных наполнителях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным критерием оценки защитных свойств покрытия является период, в течение которого сохраняется возможность изолировать защищаемую поверхность от разрушающего действия агрессивных сред. Защитные свойства лакокрасочных покрытий определяются совокупностью таких свойств как проницаемость, химическая стойкость, адгезия к защищаемой поверхности. Поэтому, изучая защитные свойства лакокрасочных покрытий, необходимо знать механизм взаимодействия среды с покрытием и ее разрушающее действие.

На долговечность полимерных композиционных материалов влияет их способность сопротивляться деструктивному воздействию агрессивных факторов. Взаимодействие композитов с агрессивными средами является сложным и многоступенчатым процессом. Необходимым условием высокой стойкости полимерных материалов является создание плотной структуры. Наличие плотной структуры у композитов достигается оптимальным соотношением между связующим, отвердителем, частицами твердой фазы, а также находится в непосредственной зависимости от факторов, влияющих на структурообразование и формирование прочностных показателей.

Резервы улучшения свойств композиционных строительных материалов на основе эпоксидных связующих, предназначенных для устройства защитных покрытий, позволяющих повысить их прочность, химическое сопротивление в настоящее время далеко не исчерпаны.