Разработка защитных битумных покрытий с добавками атактического полипропилена,модифицированного этаноламинами

Актуальность темы: Природа стремится разрушить все, что создано из
металла, хоть и не мгновенно. Тем не менее, коррозия преследует его на всех
этапах служения человеку. Коррозия – это самопроизвольное разрушение
металла под воздействием окружающей среды. Специалисты подсчитали, что
убыток промышленно развитых стран от коррозии металлов достигает 4-5 %
национального дохода [1].
8 тысяч лет человек использует металл и его производство с каждым годом
устойчиво растет, поэтому были разработаны разнообразные способы его
защиты от внешних воздействий среды [2]:
– улучшение химического состава металла;
– изоляция поверхности металла антикоррозийными материалами;
– снижение агрессивности среды, в которой производятся и
эксплуатируются металлические изделия;
– наложение внешнего тока (электрохимическая защита).
Наиболее распространенным видом защиты металла является нанесение
неметаллических покрытий, по своему составу нейтральных к воздействию
кислорода [3]: керамика, битумы, пластмассы, резины, противокоррозионные
пасты, лакокрасочные материалы.
Последние имеют огромный ассортимент и могут защищать изделие от
воды, коррозии, вредных веществ. Тем более такой способ защиты легко
реализовать, затратив небольшие финансы, ведь процесс просто механизируется.
Вместе с тем срок использования такого способа невелик и через некоторое
время, покрытие, не обладающее большой степенью сродства с основным
металлом, начинают разрушаться [2].
Среди лакокрасочных материалов заметное место занимают композиции
на основе битумов так как они доступны и просты в изготовлении. Достоинства
битумных покрытий: водонепроницаемость, химическая стойкость,
электрохимическая нейтральность. В свою очередь имеются недостатки: низкая
адгезия к поверхности металла, высокая хрупкость при пониженной температуре
и невысокие защитные характеристики, но их можно контролировать. Для этого
проводят модификацию битумов различными химическими соединениями, в том
числе и являющимися отходами или побочными продуктами производств.
Такими соединениями являются и полимеры. Введение определенного полимера
и получение модифицированного битума позволяет получить покрытие с
улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время за счет развивающихся технологий и добавления
полимеров, свойства битума значительно изменяются, то есть подвергаются
модификации. Данные меры необходимы для получения качественного
материала. Модифицированный битум может обладать более высокой
морозоустойчивостью, эластичностью, иметь высокую сопротивляемость
усталостным нагрузкам, что приведет к повышению срока службы этой
продукции.
Полимер не имеет в своей структуре полярных функциональных групп,
которые бы участвовали в хемосорбционном закреплении на твердой
поверхности [4]. Для этого проводят модификацию не только самого битума, но
и полимера. Таким образом можно спрогнозировать все свойства, которые будет
иметь данная полимер-битумная композиция.
Целью исследования являлась разработка антикоррозионных покрытий на
основе модифицированного атактического полипропилена и битума.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие
задачи:
1. Синтезировать модифицированные этаноламинами (моно-, ди-,
триэтаноламинами) образцы на основе малеинизированного окисленного
атактического полипропилена.
2. Исследовать свойства исходных и полученных веществ.
3. Разработать битумно-полимерные композиции с полимером-
добавкой (исходный и модифицированный атактический полипропилен).
4. Получить покрытия на их основе и исследовать физико-
механические характеристики покрытий.
Научная новизна
Впервые получен окисленный атактический полипропилен при 260 °С с
молекулярной массой 800.
Синтезирован малеинизированный (содержание малеинового ангидрида 1-
15 % масс.) окисленный атактический полипропилен.
Получен имидизированный моно-, ди-, триэтаноламинами
малеинизированный окисленный атактический полипропилен.
Практическая значимость:
1. Разработан способ имидизации малеинизированного окисленного
атактического полипропилена.
2. Показана возможность использования модифицированного
атактического полипропилена в качестве добавки для получения битумных
покрытий.
1.1 Общие сведения о битуме
Битум издревле был самым распространенным инженерно-строительным
материалом. Он использовался для строительства домов и при создании
искусственных водоемов, им покрывали дороги. Также его применяли для
гидроизоляции посуды, лодок и освещения помещений и даже использовали при
мумификации и бальзамировании в Древнем Египте.
Битум – это твёрдый или смолоподобный продукт, состоящий из смеси
углеводородов и их азотистых, сернистых, кислород- и металлосодержащих
производных [5]. Исходя из физико-химических характеристик, разные виды
битумов могут применяться в широком спектре отраслей [6]: укладка дорожных
покрытий; кровельные работы; гидроизоляционные работы; изготовление
кабелей для электропроводки; производство автотранспортных шин;
изготовление лакокрасочных материалов; металлургическая промышленность;
изготовление угольных брикетов; переработка нефти.
Битумы делятся на природные и искусственные.
Природные битумы – это производные нефти (образованные
естественным путем), которые подверглись биохимическим, химическим
воздействиям внешней среды. Природный битум делится на три вида:
Пластовые битумы – это горная порода осадочного происхождения
(например: известняк, песчаник) пропитанная битумом.
Поверхностные битумы образуются при выходе битумов на поверхность.
Жильные битумы, содержащие незначительное количество минеральных
примесей.
Получение природных битумов чаще всего производится путем выварки в
горячей воде, либо путем извлечения органическими растворителями из горных
пород. Природные битумы применяют, как правило, в химической и
лакокрасочной промышленности, так как в строительстве применение
ограничивается высокой стоимостью сырья [7].
Искусственные битумы (технические битумы) – это остаточные
продукты переработки нефти, каменного угля и сланца. Искусственные битумы
сходны по химическому составу с природными битумами. Искусственные
битумы разделяют на остаточные, окислительные и крекинговые [7].
Остаточный битум получают в вакуумных установках после
непрерывного действия отгонки (путем глубоковакуумной отгонки) топливных
и смазочных продуктов из высокосмолистой нефти. Остаточные битумы
представляют твердые, с небольшой вязкостью, вещества.
Окисленный битум получают путем продувки кислородом воздуха
остаточного нефтяного сырья при высокой температуре (180-300 °С). В процессе
этого вязкость остатков повышается, они уплотняются, так выделяется
окисленный битум. Окисленный битум более эластичный и термостойкий, чем
остаточный битум.
Крекинговый битум получают путем разложения сырой нефти и масел
при высокой температуре с целью получения большого выхода бензина. Далее
эти остатки продувают кислородом воздуха, в результате чего получается
окисленный крекинговый битум, обладающий высокой хрупкостью.
1.1.2 Состав и свойства нефтяных битумов
Элементарный состав битумов: C (углерод) – 70-80 %, H (водород) – 10-
15 %, S (сера) – 2-9 %, O (кислород) – 1-5 %, N (азот) – 0-2 %. Эти элементы
находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом
и азотом [8].
Все разнообразные органические углеводородные соединения, из которых
состоит битум делятся на три группы: твердая часть, смолы и масляные фракции.
Твердая часть битума состоит из высокомолекулярных углеводородов и
их производных с молекулярной массой от 1000 до 5000 г/моль и плотностью
более 1000 кг/м3. Все они объединены под общим названием «асфальтены».
Асфальтены содержат карбиды, нерастворимые в летучих растворителях и
маслах, и карбены, которые могут быть растворены только в тетрахлорметане. К
твердой составляющей битумов относят также твердые углеводороды,
называемые парафинами.
Смолы представляют собой темно-коричневые аморфные вещества с
молекулярной массой от 500 до 1000 г/моль, их плотность около 1000 кг/м3.
Масляные фракции битума представляют собой различные
углеводороды с молекулярной массой от 100 до 500 г/моль и плотность
менее 1000 кг/м3.
Количественное соотношение асфальтенов, масел парафинов и смол в
составе битума оказывает большое влияние на его технические характеристики.
С увеличением содержания асфальтенов и смол повышаются твердость,
температура размягчения и хрупкость битума. А масла, которые частично
растворяют смолы, делают его легкоплавким и мягким. Пластичность битума
повышается при снижении молекулярной массы смол и масел. В нефтяных
битумах содержится парафин, который способствует ухудшению их свойств,
повышая хрупкость при понижении температуры. Поэтому необходимо, чтобы
битум содержал парафин не более 5 %.