ТОО "Antares Group LTD"
050000, Казахстан, г. Алматы, ул. Чайковского 144 А, 3-й этаж
тел. (7272) 952809, 952810
www.antares.kz
В настоящей статье приводится краткий обзор сравнительно новой технологии комплексной защиты поверхностей конструкций, сооружений и оборудования от негативного влияния различных агрессивных факторов, а также от абразивных нагрузок и механических воздействий при помощи специальных эластомерных полимочевинных составов, позволяющих значительно увеличить срок службы таких поверхностей.
Интенсивное развитие новых технологий в промышленной и строительной индустрии обуславливает логическое продолжение научных исследований и изысканий в области синтеза полимерных материалов для создания нового поколения веществ и материалов с заданными характеристиками. В настоящее время, не достаточно придать полимерам отдельные химические или физические свойства, обеспечивающие избирательную устойчивость к воздействию конкретного фактора химической агрессии, или стойкость к истиранию при интенсивных абразивных нагрузках. Современное производство диктует необходимость создания новых синтетических материалов с заранее заданным комплексом свойств и способных противостоять воздействию многих физических или химических факторов. Эластомерные покрытия, создаваемые на базе полимочевинных составов, отвечают самым жестким требованиям, предъявляемым к защитным системам. Быстро реагирующие полимочевинные составы, представляющие собой двухкомпонентные системы, имеют преимущество в том, что они обеспечивают большую инвариантность в подборе рецептуры исходных составляющих (как правило, аминных смол), и, даже при незначительных изменениях в их структурных формулах, позволяют достичь заданного комплекса химических и физических свойств конечного компаунда. Благодаря применению полиэфираминов в качестве основного базового компонента, вместо традиционных для химии полиуретанов высокомолекулярных полиэфирполиолов, возникла предпосылка появления качественно нового уровня развития технологии синтеза современных полимерных материалов, основным отличием которых, является присутствие аминных групп в составе макромолекул полемочевинных эластомеров. Данная категория полимеров, к настоящему моменту, выделилась из группы полиуретанов в отдельный класс материалов – полимочевинных эластомеров.
Если обратиться к истории возникновения полимерных материалов, то можно проследить процесс развития химии полимеров от начальных научных изысканий до появления практических технологий синтеза полимочевинных эластомеров. В начале 30-х годов американский химик Карозерс, проводя исследование по полимеризации органических соединений, осуществил синтез полиамидов. На базе этих исследований немецкими учеными были предприняты попытки синтеза новых полимерных материалов, подобных полиамидам и, в результате реализации научных разработок, были получены полиуретановые эластомеры, являющиеся продуктом соединения диизоцианатов с полиолами. В дальнейшем, развитие органического синтеза и химии полимеров получило мощный толчок, причиной которого явилась необходимость поиска сырья, альтернативного натуральному каучуку, коре пробкового дерева и др. На базе первых полиуретановых эластомеров были синтезированы жесткие и эластичные пенополиуретаны, при этом, все большие научные круги вовлекались в процесс изысканий в области химии полимеров и создания новых материалов с заданными свойствами. Большой вклад в развитие химии полимеров внесли, в свое время, ученые СССР, которые синтезировали многочисленные базовые полиуретановые композиции, послужившие основой для создания большого количество материалов, обладающих массой ценных физических и химических свойств. Что касается полимочевины, то, несмотря на уникальные физико¬механические свойства этого полимера, высокая скорость реакции и короткое время отверждения (полимеризации) исходного состава ограничивали ее промышленное применение из-за отсутствия приемлемой технологии нанесения эластомерных составов, а также соответствующего оборудования.
Разработчиком полимочевиных систем в том виде, в котором они в настоящее время представлены на рынке, признана компания Texaco Chemical Co, вошедшая позднее в состав Huntsman Corporation. Специалистам этой же фирмы принадлежит идея коммерциализации новой химической технологии в совершенно иной области техники – напыляемые полимерные покрытия. Более десяти лет ушло на то, чтобы провести исследования и получить практический результат синтеза аминных сшивателей (удлинителей цепи) и изоцианатных форполимеров, а также по созданию принципиально нового оборудования для нанесения компаунда путем распыления на поверхность и преодолению таких негативных явлений, как плохое смачивание подложки, низкая межслойная адгезия и неприемлемое качество поверхности после полимеризации компаунда. Новый полимер получил название «полимочевина» (polyurea), а новая технология – «напыляемые полимочевинные эластомерные покрытия» (spray polyurea elastomer coatings).
Полимочевинные покрытия характеризуются рядом высоких физико-механических показателей, выделяющих их среди других материалов, образующих защитную пленку в результате отверждения (эпоксидных, полиэфирных, акриловых, каучуковых и др.). Они сочетают в себе такие прикладные свойства, как высокая скорость полимеризации (даже при температурах ниже 0°С), инертность эластомерной мембраны к воздействию влаги, исключительные физические свойства (высокая твердость наряду с эластичностью, большое сопротивление на раздир и высокий предел прочности при растяжении, высокая степень адгезии к различным материалам подложки). Полимочевинные составы также обладают высокой химической стойкостью и имеют хорошие диэлектрические показатели. Указанные свойства обеспечивают стойкость полимочевинной мембраны к воздействию природных факторов, таких как: резкие температурные перепады, значительные изменения влажности, образование конденсата, ультрафиолетовое излучение; специальным подбором формулы полимочевинного эластомера может быть достигнуто высокое сопротивление истиранию и динамическим нагрузкам, а также способность противостоять химической агрессии среды. Специфические свойства отверждения и исключительные физические свойства эластомерных компаундов, позволяют использовать технику нанесения полимочевинных покрытий методом распыления для создания защитных покрытий и мембран.
Как полиуретаны, так и полимочевинные системы имеют два основных компонента А и Б, которые при смешении вступают в реакцию полимеризации в присутствии катализатора, или без него:
1. Реакция полимеризации полиуретанов
Основой компонента «А» полиуретановых систем служат полиолы – простые и/или сложные полиэфиры с концевыми гидроксильными группами. Как правило, для ускорения реакции образования полиуретанов используют добавки катализаторов.
2. Реакция полимеризации полимочевины
Основой компонента «А» полимочевины служат полиэфирамины с концевыми аминогруппами, намного превосходящими гидроксильные группы по реакционной способности с изоцианатами. Реакция образования полимочевины проходит очень быстро даже на холодных поверхностях и не нуждается в катализаторах, то есть является автокаталитической. Компонент «Б» (изоцианат, выступающий в качестве отвердителя), представляет собой в данном случае форполимер с концевыми изоцианатными группами, в обеих системах, по сути, одинаков, что дает основание классифицировать полимочевину как одну из разновидностей полиуретанов.
3. Реакция изоционата с водой
Различия между полиуретаном и полимочевиной наглядно отображает побочная реакция изоцианата с водой, проходящая с выделением углекислого газа и способная ухудшить качество покрытия. По скорости она сравнима с реакцией образования полиуретана, но значительно уступает реакции образования полимочевины. Поскольку влага в больших или меньших количествах присутствует и на поверхности подложки, и в окружающем воздухе, и в компоненте «А», – процесс нанесения полиуретановых покрытий и последующей полимеризации является нестабильным, так как часть изоцианата, вступает в реакцию с присутствующей влагой, что приводит к образованию углекислоты, способствующей вспучиванию покрытия. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что в отличие от полимочевинных составов, качество полиуретановых покрытий в большой степени зависит от внешних условий, обуславливающих наличие влаги в процессе нанесения компаунда, т.е. перепад температуры, приводящий к возникновению конденсата на поверхности, сырая погода и т.д.
Полимочевина, в свою очередь, может использоваться в экстремальных условиях. Обладая высокой реактивностью, полимочевинные составы могут быть применены для нанесения на подложки с высокой влажностью, при этом, процесс полимеризации полимочевины не будет сопровождаться образованием пузырей или кратеров. При высокой влажности окружающего воздуха также не возникнет негативных эффектов типа вздутия или шелушения, кроме того, даже при низких температурах будет происходить процесс отверждения полимочевинного компаунда.
Однако, для гарантированного получения качественной полимерной мембраны после полного отверждения нанесенной полимочевины на поверхность, влажность которой превышает 5%, используется грунтовка, химически связывающая присутствующую на поверхности влагу, а также, увеличивающая адгезию основного защитного слоя. Химическая специфика полимочевин определяется участием в построении полимерной цепи олигомерных блоков различной природы и гибкости, что дает основание рассматривать полимочевину как блок-сополимер, в котором чередуются гибкие и жесткие блоки. Чередование блоков различной природы позволяет получать материалы со всей гаммой свойств. Роль гибких блоков в полимочевине играют олигомерные эфиргликоли, роль жестких – уретановые и мочевинные группировки, а также ароматические ядра, входящие в состав диизоцианатов и удлинителей цепи. Масса полиэфирных звеньев составляет 50–80 % от массы конечного продукта и определяет гибкость его цепей и другие свойства.
Ароматические диизоцианаты более активны и менее токсичны, чем алифатические, но последние, вследствие отсутствия ауксохромных групп, образуют полимочевинные мембраны, более устойчивые к воздействию ультрафиолетового излучения. Приведенное выше описание построения полимерной цепи полимочевинных эластомеров наглядно показывает возможности обширной вариации подбора рецептуры исходных компонентов и их соотношения для придания полимочевинной мембране заданных свойств, необходимых для комплексного решения задач по защите поверхностей от воздействия внешних факторов как химического, так и физического генезиса.
Немаловажным фактором влияния на качество поверхностной пленки, образующейся в результате нанесения полимочевинного компаунда, является однородность компонентов, принимающих участие в реакции и тщательность их смешения между собой во время нанесения. Так как смешивание компонентов происходит непосредственно перед нанесением, ввиду высокой скорости их реакции, большое значение имеет вязкость исходных реагентов, прямо пропорционально зависящая от температуры, которая должна поддерживаться в пределах оптимального значения 60–80° С, причем подогрев, обычно, осуществляется как в емкостях с компонентами, так и в шлангах, подающих компоненты в пистолет-распылитель.
Также, качество перемешивания компонентов зависит от давления, создаваемого в системе подачи компаунда на сопло распылителя. Оптимальное значение давления лежит в пределах от 150 до 220 Бар, при условии, что вязкость каждого из компонентов не опускается ниже 95 МПа*с. Для правильного проистечения реакции необходима скрупулезная регулировка дозирования компонентов, которое, как правило, соответствует соотношению 50:50. Иногда пропорция увеличивается в сторону изоцианатов, в случае если нанесение компаунда происходит на влажную поверхность или в сырую погоду; это делается для компенсации в общем объеме изоцианата той доли, которая вступает в реакцию с влагой.
Другим важным моментом, влияющим на качество и долговечность эксплуатации полимерных покрытий, является предварительная подготовка поверхности подложки. Для обеспечения максимальной адгезии полимочевинного эластомера к материалу подложки, на которую он наносится, необходима тщательная предварительная очистка поверхности объекта от сторонних включений, устранение дефектов, раковин, впадин, неровностей, каверн и т.д., а также соблюдение температурного режима.
Перед нанесением покрытия на металл необходимо удалить с поверхности налипшие загрязнения, продукты коррозии и окалину. Очистка металлической поверхности, как правило, осуществляется путем абразивной обработки до чистого металла, при этом необходимо принимать во внимание, что подбор типа абразивного материала необходимо производить с учетом требуемой степени шероховатости, для обеспечения декларируемой величины адгезии. После абразивной обработки необходимо очистить поверхность от пыли и обезжирить ее при помощи сольвента или растворителя непосредственно перед нанесением компаунда. При нанесении состава, во избежание образования конденсата на подложке, необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что температура поверхности металла должна быть на 4–5 градусов выше точки росы.
Перед нанесением покрытия на бетон следует удалить с изолируемой поверхности все загрязнения, рыхлый ослабленный слой и известковое молоко с помощью шлифовальной машины или абразивной обработки. Бетонное основание должно быть сухим (без видимых следов влаги, влажность не более 4%). Затем поверхность должна быть зашпатлевана (при наличии в бетоне раковин, выбоин, сколов) и загрунтована в один или несколько слоев до полного перекрытия пор. В случае невозможности очистки бетонной поверхности от загрязнений (когда происходит глубокое проникновение загрязняющих веществ в поры бетона), возможно применение специальной геотекстильной ткани, которая механически закрепляется при помощи дюбелей на поверхности бетона, после чего, полимочевинный состав наносится на уложенную геотекстильную ткань, что позволяет создать прочную водонепроницаемую мембрану по поверхности бетона.
В случае необходимости нанесения полимочевинного компаунда на бетон, влажность которого превышает 4%, требуется предварительно нанести на его поверхность грунтовку, представляющую собой праймер, способный химически связать поверхностную влагу и обеспечить хорошую адгезию основного защитного слоя.
С приходом полимочевины на рынок защитных покрытий у некоторых потребителей, к сожалению, возникли ничем необоснованные иллюзии по поводу возможности нанесения полимочевинных эластомеров на неподготовленную поверхность, а также неукротимое желание сократить затраты на трудоемкие и, с точки зрения новичка, излишние работы по очистке подложки, и подготовке ее для нанесения основного защитного покрытия. В большой степени этому способствуют эффектные ролики западных производителей полимочевинных составов, обычно показывающие только заключительную фазу нанесения покрытия и рекламирующие уникальные свойства эластомерных мембран, однако, никоим образом не информирующие потребителя о предшествующей кропотливой работе по скрупулезной подготовке подложки, что и обеспечивает гарантированную прочность и долговечность защитного покрытия. В результате несоблюдения полного цикла технологии нанесения полимочевинного компаунда, наступает разочарование, когда расслаивание, каверны и вздутия неизбежно появляются на эластомерной пленке. Соответственно, потери дорогостоящего сырья и затраты на зачистку неверно нанесенного покрытия приводят к большим непроизводительным финансовым потерям. Кроме того, из приведенной выше информации следует, что не существует единого универсального рецепта подбора компонентного состава полимочевинного компаунда на все случаи жизни, который может защитить поверхность от любых внешних воздействий, поэтому, в каждой конкретной ситуации, необходимо проводить тщательный анализ условий, в которых предстоит эксплуатировать защитное покрытие, а также условий, в которых будет наноситься состав. При подборе типа полимочевинного покрытия необходимо учитывать вид агрессии или фактора воздействия на поверхность, рабочий диапазон температур, диапазон влажности, наличие ультрафиолетового излучения и т.д., Способность полимочевинного покрытия противостоять тем или иным негативным воздействиям окружающей среды и технологической среды обусловлена строением молекулярной цепи, формирующейся при полимеризации эластомерной пленки. Именно поэтому, правильный подбор формулы компаунда обеспечит нормальную работу полимочевинной мембраны по защите поверхности в заданных условиях, и гарантированный срок службы до 20 лет.
Существует также комплексный подход к решению задачи по защите поверхности объекта, когда, к примеру, возникает необходимость снизить влияние перепада температур на полимерное покрытие резервуара, предохраняющее его внутреннюю поверхность от агрессивного воздействия технологической среды. В этом случае по наружной стенке резервуара выполняется термоизоляция, для чего наносится определенной толщины слой пенополиуретана (ППУ), на поверхность которого, в свою очередь, наносится полимочевинный состав для защиты ППУ от воздействия ультрафиолетового излучения и влаги. Толщина слоя ППУ определяется расчетным путем с учетом температурного градиента. Таким образом, осуществляется индивидуальная инжиниринговая разработка с последующим выполнением целого комплекса мероприятий, что, в результате, обеспечивает правильное функционирование эластомерной пленки и длительный срок ее эксплуатации.
Правильное понимание экономических аспектов и эффективности вложения средств в защиту оборудования, сооружений и конструкций при помощи полимочевинных эластомеров является очень важным моментом. На первый взгляд, стоимость полимочевинных компаундов превышает стоимость других полимерных покрытий, ввиду значительных цен на ингредиенты полимочевины, однако, если смотреть глубже, и принять во внимание, что срок службы полимочевинных мембран в несколько раз превышает срок службы традиционных защитных покрытий, более того, исключается простой технологического оборудования при проведении регламентных работ по восстановлению изношенного (традиционного) покрытия, а также исключаются затраты на многоразовую подготовку поверхности, то выгода применения защитных полимочевинных покрытий становится очевидной. Кроме перечисленных доводов в пользу рассматриваемой новой технологии, немаловажным является тот факт, что временной интервал между нанесением покрытия и моментом, когда поверхность объекта готова к эксплуатации, находится в интервале от 5 секунд до 2 минут.
Это обстоятельство позволяет использовать полимочевинные составы там, где традиционные покрытия невозможно применять в принципе, например, нанесение защитного покрытия на конструкции прибрежных портовых сооружений во время отливов стало возможным только после появления полимочевинных компаундов, более того комплекс уникальных свойств, обеспечивающих способность противостоять негативному воздействию нескольких факторов одновременно, во многих случаях, ставит данную технологию вне конкуренции.
Область применения полимочевинных составов настолько широка, что нет смысла перечислять их полностью в данной статье, отразим лишь важнейшие направления:
• Защита бетонных резервуаров, фундаментов, каналов, отстойных прудов, водохранилищ, емкостей, тоннелей от агрессии растворенных в воде солей.
• Гидроизоляция и декоративное оформление бассейнов, цокольных этажей, фонтанов, зоопарков и т.д.
• Антикоррозийная защита металлических конструкций, труб, свай, коробов, силосов, мостовых пролетных строений.
• Антикоррозийная защита нефтяных резервуаров, трубопроводов, емкостей для подтоварной воды, нефтешламовых хранилищ и др.
• Защита от истирания поверхностей бетонных полов складов, торговых центров, паркингов, тротуаров, офисных помещений
• Защита кузовов грузовых автомобилей, выгонов, горношахтного оборудования от воздействия абразивных и ударных нагрузок
• Создание гидрозащитных кровельные покрытия, в том числе наносимые поверх теплоизоляционного слоя из жесткого напыляемого пенополиуретана
• Создание бесшовных пленочных покрытий, наносимых на подложку из геотекстиля, для обкладки земляных котлованов-отстойников, могильников, хвостохранилищ, золоотвалов, мусорохранилищ, с целью предохраннения от просачивания вредных веществ в почву
• Защита технологического оборудования от агрессивного воздействия некоторых видов кислот, щелочей и др.
• Защита потовых сооружений, бортов и палуб плавучих средств, пирсов, причалов от воздействия морской воды.
• Покрытие блочных конструкций как для защиты их от внешних воздействий, так и для упрочнения фасада конструкции за счет образования прочной бесшовной мембраны.
В заключение данной статьи отметим наиболее важные моменты, характеризующие особенности и достоинства защитных полимочевинных покрытий.
Свойства защитных покрытий на основе полимочевины значительно преобладают над свойствами традиционных покрытий, также существенно отличается метод их нанесения. Это обстоятельство позволяет использовать технологию нанесения полимочевинных защитных покрытий там, где невозможно применение других систем. Высокая скорость отверждения (полимеризации) позволяет использовать эти покрытия в тех случаях, когда покрытие необходимо нанести в очень короткий промежуток времени. Наличие влаги в окружающей среде не оказывает влияния на процесс нанесения состава и на качество эластомерной мембраны, образующейся после нанесения компаунда на поверхность. Реакция полимеризации полимочевинных покрытий может протекать и при низких температурах, при которых эта реакция не протекает для других химических соединений.
Таким образом, правильный подбор сырья для исходной композиции, тщательная подготовка поверхности подложки, тонкая отладка оборудования и наличие высококвалифицированных операторов, обеспечивают надежность и долговечность полимерных покрытий на основе полимочевин, напыляемых в самых жестких условиях.
Список использованной литературы:
1. Покровский С.Л., «Особенности технологии нанесения напыляемых полимочевинных покрытий. Возможные виды брака и способы их устранения».
2. Юкельсон И И., «Технология основного органического синтеза»
3. Тихвинская М.Ю., Волынский В.Е., «Практикум по химической технологии»
