Адгезионные свойства окисленного атактического полипропилена к поверхности капиллярно-пористых тел различной природы

Адгезионные свойства окисленного атактического полипропилена к поверхности капиллярно-пористых тел различной природы

В мире производится более ста видов гидрофобизаторов. Наиболее распространенные кремнийорганические или силиконовые гидрофобизаторы на основе алкилсиликонатов калия, алкоксисиланов гидросодержащих силоксанов, гидроксидсодержащих силоксанов. Среди современных гидрофобных материалов можно выделить различного рода полиорганосилоксаны, а также композиции на их основе и эластомеры. В статье приведены результаты исследования адгезии окисленного атактического полипропилена к поверхности строительных материалов и кинетики водопоглощения на цементных, гипсовых материалах, силикатном кирпиче, древесине как на исходных, так и гидрофобизированных образцах.

Защита капиллярно-пористых материалов и изделий на их основе от проникновения влаги является актуальной проблемой как в теоретическом, так и практическом плане. На практике применяют различного рода преимущественно синтетические гидрофобизаторы. В настоящей работе предлагается в качестве гидрофобизатора применять модифицированный атактический полипропилен (АПП), который является побочным продуктом при производстве полипропилена. Среди полиолефинов АПП является наиболее реакционно-способным полимером, который легко поддается химической модификации, что позволяет целенаправленно регулировать широкий круг его физико-химических свойств. Одним из эффективных способов модификации является окисление атактического полипропилена. Известно, что в зависимости от времени и температуры окисления состав и свойства композиции изменяются в широких пределах. После проведения модификации окисленный атактический полипропилен (ОАПП) представляет собой твердотельный термопластичный материал с повышенными адгезионными свойствами и низким значением водопоглощения [5]. Кроме того, путем введения химических добавок, наряду с водоотталкивающей способностью, обрабатываемой поверхности можно придавать, например, декоративные, износостойкие и другие свойства.

Цель работы заключается в исследовании адгезионных свойств окисленного атактического полипропилена к поверхности капиллярно-пористых тел различной природы и оценка эффективности защиты материалов от проникновения влаги.

В настоящее время в мире производится более ста видов гидрофобизаторов, обладающих различными реологическими, химическими и другими свойствами. Наиболее распространенные — кремнийорганические или силиконовые гидрофобизаторы на основе алкилсиликонатов калия, алкоксисиланов гидросодержащих силоксанов, гидроксидсодержащих силоксанов. Среди современных гидрофобных материалов можно выделить различного рода полиорганосилоксаны: жидкости (полиметил — полиметилгидридсилоксаны), алкилсиликонаты щелочных металлов, смолы (полиметилфенил — и полиметилсилоксаны), а также композиции на их основе и эластомеры [2−4].

Наиболее полно теоретические аспекты гидрофобной защиты материалов рассмотрены у Л. Б. Бойнович и А. М. Емельяненко [1].

Объекты исследования: модифицированный атактический полипропилен; капиллярно-пористые строительные материалы: цементный камень, гипс, силикатный кирпич, древесина.

В работе исследованы адгезия окисленного атактического полипропилена к поверхности строительных материалов и кинетика водопоглощения на цементных, гипсовых материалах, силикатном кирпиче, древесине, как на исходных, так и гидрофобизированных образцах.

Цементные и гипсовые материалы готовили путем смешивания оптимальных количеств воды с навесками цемента и гипса и формовали образцы-кубики размером 2Ч2Ч2 см. Цементный камень набирал прочность в течение 28 суток во влажных условиях, а гипсовые кубики твердели на воздухе в течение 3 суток. Из силикатного кирпича и древесины вырезали образцы указанных выше размеров. Образцы помещали в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов на 50 мм и через заданные промежутки времени определяли изменение массы образцов. Водопоглощение отдельного образца по массе (W_м) в процентах определяли по формуле:

где m_c — масса высушенного образца, г; m_в — масса водонасыщенного образца, г.

Гидрофобизацию исследуемых образцов проводили из расплава методом окунания в окисленный при температуре 180 ⁰С в течение 2-х часов атактический полипропилен (ОАПП) [6]. В табл.1 приведены некоторые свойства ОАПП по сравнению с исходным АПП.

Таблица 1. Свойства АПП до и после окисления

Для оценки адгезионной прочности ОАПП на поверхность материала наносился тонкий слой расплавленного полимера, затем система охлаждалась в естественных условиях и выдерживалась в течение суток с целью стабилизации протекающих здесь процессов. На гидрофобизированную поверхность наносилась капля дистиллированной воды, и измерялся угол краевого смачивания, по величине которого судили об адгезионных свойствах полимера к поверхности образцов-кубиков. Расчеты параметров адгезии пленки АПП к капиллярно-пористым телам проводили по формулам [8]: F_отр = ma — сила отрыва, H; W_отр = F_отрh/S — адгезионная прочность, Дж/м²; W_адг = F_отр (1-cosи) /b — работа адгезии, Дж/м²; W_ког = 2W_адг/ (1+cosи) — работа когезии, Дж/м²; F = W_адг — W_ког — коэффициент растекания капли Гаркинса, Дж/м².

Как показывают экспериментальные данные кинетика водопоглощения на исходных образцах имеет близкую природу. Расчет и анализ кинетических кривых показывает, что процессы диффузии влаги в объем образцов описываются общим уравнением:

C = a + bЧexp (-k₁Чt) +cЧexp (-k₂Чt), (2).

где k₁, k₂ — константы скоростей диффузии, а, b, c — постоянные коэффициенты, (b+c) — максимальное количество влаги, поглощенное образцом, [а — (b+c)] - первоначальное количество влаги в образце, t — время поглощения влаги.

Параметры кинетических уравнений приведены в табл.2.

Таблица 2. Параметры кинетических уравнений для различных капиллярно-пористых тел

Как видно из данных табл.2 и уравнения 1, процесс водопоглощения характеризуется двумя константами диффузии, что говорит о том, что он осуществляется двумя способами. По нашему мнению, это связано с наличием различных по размерам пор в исследуемых образцах.

Примеры формы капель воды на поверхности различных образцов приведены на рис. 1. Результаты расчетов представлены в табл.3.

1 2 3 4.

Рис. 1. Формы капель воды на поверхности образцов через 5 минут нанесения: 1 — цементный камень, 2 — гипс, 3 — силикатный кирпич, 4 — древесина

Таблица 3. Результаты расчетов параметров адгезии пленки ОАПП к поверхности различных капиллярно-пористых тел

Как видно из табл.3, окисленный атактический полипропилен обладает достаточно высокой адгезионной прочностью к исследованным образцам, а наибольшая адгезия наблюдается к поверхности древесины. По-видимому, здесь определяющую роль играет не только природа химической связи гидрофобизатора, структура, размеры и распределение пор материала, но и наличие родственных функциональных групп адсорбата.

Так, например, в ОАПП (табл.1), также как и в древесине (рис.2), присутствуют карбонильные группы, что и определяет более высокое значение адгезионной прочности окисленного атактического полипропилена к поверхности древесины.

Рис. 2. Фрагмент структуры лигнина

Отрицательные значения коэффициента Гаркинса указывают на то, что капли воды не растекаются на поверхности исследуемых образцов.

По результатам испытания водопоглощения гидрофобизированных окисленным атактическим полипропиленом образцов установлено, что обработка поверхности капиллярно-пористых тел позволяет снизить водопоглощение в среднем на 90−98% (рис. 3, табл. 4), и тем самым, увеличить долговечность строительного материала.

Рис. 3. Сравнительные результаты значений процента водопоглощения на гидрофобизированных (гф) и негидрофобизированных (нгф) образцах

Таблица 4. Водопоглощение гидрофобизированных (гф) и негидрофобизированных (нгф) образцах (доверительный интервал ± 0,02).

Заключение

На основе исследования кинетики процессов водопоглощения на цементном камне, гипсе, силикатном кирпиче, древесине показано, что диффузия влаги в объем образцов описывается общим уравнением: C = a + bЧexp (-k₁Чt) +cЧexp (-k₂Чt).

По результатам измерения краевого угла смачивания установлено, что окисленный при температуре 180 ⁰С в течение двух часов атактический полипропилен имеет значения адгезионной прочности к поверхности исследованных строительных материалов в пределах (1,9−8,2) Ч10^-3 Дж/м², увеличивающиеся в ряду: силикатный кирпич — цементный камень — гипс — древесина. Рассчитаны количественные характеристики параметров адгезии к поверхности капиллярно-пористых тел, а именно, работа адгезии, работа когезии, коэффициент растекания капли.

Показано, что нанесение окисленного атактического полипропилена на поверхность исследуемых строительных материалов позволяет снизить их водопоглощение на 90−98%.

• 1. Бойнович, Л. Б. Успехи химии 77/Л.Б. Бойнович, А. М. Емельяненко. — М., 2008 — 637 с.
• 2. Борисов, С. Н. Кремнийэлементоорганические соединения. Производные неорганогенов / С. Н. Борисов, М. Г. Воронков, Э. Я. Луцкевич. — Л.: Химия, 1966. — 544 с.
• 3. Вершинина, Г. C. Применение кремнийорганических соединений в строительстве / Г. С. Вершинина. — М.: 1989. — 62 с.
• 4. Органосиликатные и кремнийорганические материалы в практике строительных, противокоррозионных, защитно-декоративных, ремонтных и реставрационных работ: Материалы научно-практической конференции / Под ред. А. В. Кротикова. — Л., 1991. — 76 с.
• 5. Нехорошева, А. В. Атактический полипропилен и некристаллические полимеры пропилена: получение, свойства и применение / А. В. Нехорошева, В. П. Нехорошев. — Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2008. — 130 с.
• 6. Нехорошев, В. П. Химическое модифицирование АПП методами термической и термоокислительной деструкции / В. П. Нехорошев, Е. Г. Балахонов, Д. И. Давыдов // Пластические массы. — 1989. — № 2. — С.82 — 85.
• 7. Синявский, В. В. Материалы для гидроизоляции и гидрофобизации сооружений / В. В. Синявский // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. — 2003. — № 6. — С.22−23.
• 8. Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю. Г. Фролов. — М.: Химия. — 1982. — 400 с.