Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных декоративно-фасадных материалов широкого функционального назначения 14
1.1. Декоративно-фасадные материалы на жидком стекле и их аналоги 14
1.2. Виды декоративно-фасадных покрытий для лицевого керамического кирпича 28
1.3. Основные факторы, влияющие на атмосферостойкость декоративно-фасадных покрытий 32
1.4. Реализация подходов по созданию поглощающих покрытий строительного назначения 38
1.5. Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 48
Глава 2. Материалы и методы исследования 50
2.1. Характеристики исходных компонентов 50
2.1.1. Портландцемент 51
2.1.1. Натриевое жидкое стекло 52
2.1.3. Замедлитель коагуляции вяжущего 53
2.2. Щелочестойкие пигменты 54
2.3. Основные характеристики наполнителей 56
2.4. Функциональная добавка 59
2.5. Физико-механические методы исследования декоративно-фасадных покрытий 61
2.6. Программный комплекс, используемый для моделирования процессов структурообразования в системе 63
2.7. Комплекс методов исследования структуры и физико-химических свойств разрабатываемых составов 65
2.7.1. Рентгенофазовый анализ 65
2.7.2. Дифференциально-сканирующая калориметрия композиций 67
2.7.3. ИК-спектроскопия составов 68
2.7.4. Оптическая и растровая электронная микроскопия 69
2.7.5. Гранулометрический анализ 69
2.8. Методика исследования поглощения электромагнитного излучения разработанного декоративно-фасадного покрытия 70
Глава 3. Исследование структуры и свойств декоративно фасадной силикатной композиции 72
3.1. Процессы, происходящие при схватывании и твердении композиции 72
3.2. Гидратация силикатного покрытия в модельных системах 74
3.3. Оптимизация фасадной силикатной композиции 75
3.4. Определение физико-технических свойств силикатного покрытия 79
3.5. Исследование поглощения электромагнитного излучения силикатной композицией 92
Выводы по главе 3: 97
Глава 4. Физико-химические исследования декоративно фасадного покрытия 99
4.1. Моделирование процессов, происходящих в силикатной композиции, модифицированной функциональной добавкой 99
4.2. Рентгенофазовый анализ декоративно-фасадного покрытия 102
4.3. Дифференциально-сканирующая калориметрия состава силикатного покрытия 104
4.4. ИК-спектральный анализ силикатного покрытия 106
4.5. Микроструктура декоративно-фасадной композиции 109
Выводы по главе 4: 114
Глава 5. Апробация разрабатываемых фасадно декоративных покрытий 116
5.1. Приготовление фасадного декоративного цементно-силикатного покрытия 116
5.2. Апробация фасадного силикатного покрытия в условиях производства керамического кирпича 117
5.2. Нанесение фасадного силикатного покрытия на кирпичную поверхность 120
5.4. Расчет экономической эффективности от применения защитно декоративного покрытия 124
Выводы по 5 главе 127
Заключение 129
Список использованных источников 132
Приложение 1 153
Приложение 2 154
Приложение 3 158
Приложение 4 160
Приложение 5 161
- Декоративно-фасадные материалы на жидком стекле и их аналоги
- Реализация подходов по созданию поглощающих покрытий строительного назначения
- Определение физико-технических свойств силикатного покрытия
- Микроструктура декоративно-фасадной композиции
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В настоящее время рынок отделочных фасадных составов отечественного и зарубежного производства в основном представлен покрытиями, выполняющими либо декоративную, либо защитную функцию. При этом отсутствуют предложения отделочных лакокрасочных материалов, сочетающих одновременно несколько функций. Составы представленные на рынке реализованы: на силикатной основе – основным недостатком данных покрытий является высокая стоимость основного компонента – жидкого калиевого стекла и низкая жизнеспособность составов; на полимерной основе, которые при эксплуатации и вследствие ограниченной газо- и паропроницаемости быстро разрушаются; предлагаемые защитные составы от техногенного электромагнитного излучения не технологичны и сложно поддаются колерованию. Традиционно в качестве многофункционального материала используется керамический лицевой кирпич, декорирование которого разнообразной цветовой палитрой достигается с помощью объемного пигментного окрашивания, ангобирования и глазурования. Недостатком данных способов окрашивания является высокое требование к качеству исходного глинистого сырья, что актуально для регионов, не обладающих необходимым количеством запасов сырья для производства кирпича разнообразной цветовой палитры (включая Удмуртскую Республику, г. Ижевск).
Анализ представленных на рынке декоративных покрытий показал, что в настоящее время отсутствует предложение технологичных составов на минеральной основе с повышенной атмосферостойкостью, которые способствуют приданию фасадному покрытию новых функциональных свойств, в частности связанных с поглощением техногенного электромагнитного излучения.
Таким образом, актуальной становится разработка многофункционального покрытия на основе недорогих компонентов при изменениях рецептурного состава которого возможно получение декоративных, колеровочных и защитных составов за счет модификации базовой рецептуры.
Работа выполнялась в рамках реализации тематического плана ТП 6-10 «Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование структурирования силикатной матрицы в композиционных материалах с экранирующими свойствами при модификации ее углеродными наносистемами», Ижевск, 2012 г.; проекта № 613 в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности № 2014-45 по теме: «Модификация композиционных материалов строительного назначения на основе портландцемента и сульфатов кальция комплексными нанодисперсными системами с применением многослойных углеродных нанотрубок и нанодисперсных минеральных добавок» (2014-2016 гг.); Работа выполнена в рамках Государственного задания по заказу Минобрнауки России (проект 16.7823.2017/7.8), Ижевск, 2017-2018 г.
Степень разработанности темы исследования. На основе анализа литературных данных было установлено, что предпочтение в случае нанесения декоративно-фасадного покрытия на минеральную подложку отдается составам на минеральной основе. Составы и закономерности, проявляемые разработанными покрытиями, описаны в работах Корнеева В.И., Данилова В.В., Хабибуллиной Н.Р., Давыдовой О.А., Везенцевой А.И., Шинкаревой Е.В., Лейкина А.С., Ильдархановой Ф.И., Карасева К.И., Лугининой И.Г., Елесина М.А., Агафонова Г.И., Лебедевой Е.Ю., Логаниной В.И.
При этом практически все предлагаемые составы имеют определенные недостатки как технологического, так и эксплуатационного характера. Основные методы снижения недостатков заключаются в модификации составов за счет введения рационально подобранных добавок различной природы и дисперсности, оказывающих значительное влияние на атмосферостойкость и декоративность композиции.
Научная гипотеза. Гипотеза заключается в возможности повышения эксплуатационных свойств разрабатываемого состава за счет изменения морфологии новообразований в цементно-силикатной композиции дисперсными добавками, включающими многослойные углеродные нанотрубки, которые приводят к улучшению технологических характеристик и способствуют появлению новых функциональных свойств.
Целью диссертационной работы является разработка состава декоративного фасадного покрытия на основе жидкого натриевого стекла и портландцемента с дисперсными модификаторами, обладающего повышенной жизнеспособностью, атмосферостойкостью и дополнительными функциональными свойствами.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
–на основе анализа современных исследований произвести подбор компонентов состава декоративных фасадных покрытий на силикатной основе с повышенными физико-техническими свойствами;
– оптимизировать состав цементно-силикатного покрытия по параметру жизнеспособности и подобрать микродисперсные наполнители, обеспечивающие декоративность и атмосферостойкость;
– определить основные физико-технические характеристики покрытия и выявить влияние дисперсных наполнителей на свойства цементно-силикатного состава;
– определить закономерности влияния функциональной добавки на основе дисперсии многослойных углеродных нанотрубок на технологические характеристики, структуру и свойства состава и установить возможность поглощения техногенного электромагнитного излучения разработанным покрытием;
– опытно-промышленная апробация разработанного декоративного фасадного покрытия и оценка экономической эффективности его применения для отделки зданий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработаны составы на основе портландцемента, жидкого натриевого стекла и замедлителя коагуляции с введением одновременно наполнителей, колеровочных паст и водной дисперсии многослойных углеродных нанотрубок, отличающиеся технологичностью при приготовлении, обеспечивающей снижение условной вязкости на 10 %, повышение жизнеспособности до 38%, укрывистости от 7 до 15%.
-
Установлен характер влияния водного раствора фосфата натрия на матрицу, состоящую из жидкого натриевого стекла и портландцемента, проявляющийся в замедлении коагуляции состава (до 100-120 мин.) вследствие покрытия частиц цемента труднорастворимым фосфатом кальция.
3. Установлено изменение морфологии и состава новообразований в
затвердевшем декоративном фасадном покрытии при введении микродисперсных
наполнителей и функциональной добавки, выражающееся увеличением контактной
поверхности между кристаллогидратными новообразованиями, что приводит к формированию плотного и прочного покрытия повышенной атмосферостойкости (морозостойкость до 75 циклов, адгезия по методу решетчатых надрезов – 1 балл, условная светостойкостью до 4-5 баллов и степень меления до 2 баллов).
4. Впервые получено декоративно-фасадное покрытие, способное поглощать до 42 % техногенного электромагнитного излучения (по сравнению с базовым составом) за счет введения функциональной добавки на основе многослойных углеродных нанотрубок в количестве 7 %.
Теоретическая и практическая значимость работы. Обоснован выбор и сочетание компонентов разработанных составов, дана оценка влияния функциональной добавки на основе многослойных углеродных нанотрубок и микродисперсных наполнителей, обеспечивающих улучшение технологических (жизнеспособность, вязкость) и физико-механических свойств покрытия.
Установлены зависимости изменения структуры и свойств декоративного фасадного покрытия от концентрации функциональной добавки «FulVec-100», при введении которой в состав покрытия улучшаются технологические характеристики и появляется эффект поглощения техногенного электромагнитного излучения.
Разработаны составы декоративного фасадного покрытия с микродисперсными наполнителями и функциональной добавкой, обладающие повышенной жизнеспособностью, атмосферостойкостью и дополнительными свойствами по сравнению с существующими силикатными красками на основе калиевого жидкого стекла и оксида цинка.
Установлены физико-технические характеристики модифицированного цементно-силикатного покрытия: условная вязкость по ВЗ-6 – 29 сек; жизнеспособность – 110 мин; стойкость пленки к статическому воздействию воды – 8 ч; расход краски на двухслойное покрытие керамического кирпича 200-400 г/м2; паропроницаемость красочного слоя V = 437 г/м2сут; водопоглощение W = 0,80 кг/м2ч0,5.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования явились структурные особенности поведения декоративного цементно-силикатного покрытия при воздействии факторов окружающей среды. Взаимодействие компонентов покрытия и структурирование вяжущей матрицы в композиции при введении микродисперсных наполнителей и функциональной добавки, включая межфазные взаимодействия, приводящие к уплотнению структуры, повышению атмосферостойкости и приобретению нового свойства, выражающегося поглощением техногенного электромагнитного излучения.
Изучение свойств и основных характеристик декоративно-фасадного покрытия проводилось с использованием стандартных физико-химических и физико-механических методов согласно действующим ГОСТ. Для оценки особенностей структурных изменений при модификации цементно-силикатной вяжущей матрицы применялись методы физико-химических исследований: дифференциально-сканирующая калориметрия, ИК-спектральный анализ, оптическая и растровая электронная микроскопия.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты оптимизации состава, включающего натриевое жидкое стекло, портландцемент и замедлитель коагуляции (фосфат натрия), обеспечивающих необходимую вязкость и жизнеспособность композиции.
-
Составы с функциональной добавкой и микродисперсными наполнителями, обеспечивающими улучшенные технологические: жизнеспособность, вязкость, укрывистость и физико-механические характеристики: адгезию, паропроницаемость, морозостойкость и способность покрытия к поглощению техногенного ЭМИ.
-
Результаты физико-химических исследований составов, включающие ИК-спектральные, дифференциально-термические, рентгенофазовые и микроскопические исследования модифицированного декоративного фасадного покрытия.
-
Результаты технико-экономического обоснования и опытно-промышленной апробации составов декоративно-фасадного покрытия, используемого для окрашивания керамического кирпича и отделки фасадов зданий.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается использованием статистических методов обработки данных, аттестованного лабораторного оборудования, стандартных методов испытаний и применением современных физико-химических методов анализа свойств и структуры материала.
Апробация результатов исследований.
Реализация работы. Опубликована заявка 2017115926 Российская Федерация, МПК C09D 5/32, B82Y 30/00. Силикатное покрытие повышенной долговечности и способ его приготовления / Шайбадуллина А. В. (РФ), Яковлев Г.И. (РФ), Первушин Г.Н. (РФ), Полянских И. С. (РФ), Огнев А. М. (РФ), Алиев Э. В. (РФ); заявитель ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова». – № 2017115926; заявл. 04.05.2017; опубл. 24.07.2017, Бюл. № 21.
Результаты исследований были отмечены стипендией Президента РФ, приказ № 1150 от 15 октября 2013 г., грантом имени В.А. Шумилова для аспирантов и молодых ученых ИжГТУ имени М.Т. Калашникова.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: Международная конференция «Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства» (г. Каир, Египет, 2010, 2011, 2013, 2014); 11th International Conference on Modern Building Materials, Structures and Techniques, MBMST (г.Вильнюс, Литва, 2013); 16 the International conference on rehabilitation and reconstruction of buildings (г. Брно, Чехия, 2014); 5th ICBM: «International Conference Binders and Materials» (г. Брно, Чехия, 2017); Выставка инноваций 2018 (г. Ижевск, 2018); 8th Scientific-Technical Conference on Material Problems in Civil Engineering (MATBUD’2018) (г. Краков, Польша, 2018).
Внедрение результатов исследований. Разработанные составы декоративного фасадного покрытия прошли апробацию на заводе по производству керамических материалов ОАО «Альтаир» в г. Ижевске и в строительной компании ООО «Талан-Ижевск».
Теоретические и экспериментальные положения, изложенные в диссертации, применяются в учебном процессе при подготовке студентов бакалавриата в ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» по направлению 08.03.01 «Строительство» профилей «Промышленное и гражданское строительство», «Городское строительство и хозяйство», и магистратуры по направлению 08.04.01 «Строительство» профиль «Строительные материалы, в том числе наноматериаловедение».
Личный вклад автора в решение исследуемой проблемы состоит в разработке программы экспериментальных исследований, получении результатов исследований, в их обобщении и анализе.
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 16 научных публикациях, в том числе в 4 научных статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в 3 статьях, входящих в базу данных Web of Science и Scopus и в 1 монографии. Оформлена и опубликована заявка на изобретение 2017115926 РФ, «Силикатное покрытие повышенной долговечности и способ его приготовления».
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 161 странице машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы из 189 наименований и 5 приложений, содержит 29 таблиц, 57 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность за научные консультации и помощь в проведении исследований к.т.н., доценту Полянских Ирине Сергеевне, всему коллективу кафедры «Геотехника и строительные материалы» ФГБОУ ВО «ИжГТУ им. М.Т. Калашникова», а также Никитиной Светлане Владимировне (ООО «Новый дом») за консультации и оказанное содействие при выполнении работы.
Декоративно-фасадные материалы на жидком стекле и их аналоги
Фасадные декоративные покрытия в процессе взаимодействия с окружающей агрессивной средой испытывают различные воздействия обусловленные факторами, связанными с внешней средой (вибрация, многократный изгиб, растягивающие напряжения) и внутренними явлениями, обусловленными природой покрытия (возникновение внутренних напряжений, процессов структурирования, кристаллизации и деструкции). Проявляемые покрытиями механические параметры предопределяются структурой сформированных покрытий, условиями их получения и нанесения.
Так, получение наполненных сферолитами покрытий (с диаметром элементарного сферолита 300 мкм и более) приводит к уменьшению прочности при растяжении пленок; в покрытии, в местах локализации сферолитов, возникают пограничные дефекты структуры, способствующие хрупкому разрушению.
Деформируемость покрытий, возможно снизить за счет увеличения поперечных связей, в случае использования в качестве покрытий олигомерных пленкообразователей (эпоксидные, мочевинно-формальдегидные, полиэфирные), плотность которых увеличивается с ростом трехмерных сеток, приводя к значительному увеличению прочности.
Свойства многокомпонентных покрытий, полученных с использованием пластификаторов и пигментов, по-разному проявляются в зависимости от концентрации модифицирующего компонента. Так, при использовании пигментированных покрытий, химическая природа, размер и форма частиц пигмента оказывают значительное влияние на конечные характеристики материала. Принимают во внимание так же энергетическое взаимодействие модифицирующего элемента с матричным веществом, образующим покрытие и возникновение адгезионных связей в контактной зоне между покрытием и основой. Данные связи возникают на этапе нанесения покрытия на подложку, приводя к изменению химического состава, структуры и свойств материала, предопределяющимися строением новообразований. Процесс может так же сопровождаться активацией поверхности нанесения и приводить к возникновению напряжений, что объясняется изменением характера первоначальных связей, их изменением, разрушением и образованием новых связей.
Защитные свойства покрытий в основном определяются проницаемостью, изолирующими свойствами, отвечающими за проникновение из окружающей среды жидкостей, паров и газов через слой покрытия к основе и проявление миграции в обратном направлении. Скорость проникновения влаги через покрытие определяется диффузией, движением, под действием капиллярных сил. Высокая механическая пористость покрытия, обусловленная наличием пор, микротрещин, капилляров способствует возникновению капиллярного течения сквозь толщу покрытия, посредством одновременно протекающих процессов таких как: сорбция, диффузия и десорбция с другой стороны покрытия.
На перемещение воды в толще покрытия влияет полярность, фазовые и физические параметры материала покрытия, его химический состав. При высокой застеклованности или преобладающем кристаллическом состоянии покрытия, происходит снижение коэффициента диффузии, при увеличении дискретности структуры покрытия, диффузия, наоборот возрастает. Паропроницаемость оказывает значительное влияние на долговечность покрытий, так как около 20% разрушений приходится на водяной пар, воздействующий на покрытие изнутри зданий. При высоких градиентах температур необходимо соблюдать соответствие прочностных параметров основания, на которое наносится покрытие и прочности самого покрытия, что способствует более свободному выходу влаги из конструкции. Одним из оптимальных вариантов в данном случае являются неорганические цементные покрытия, так как их основа имеет аналогичную природу со штукатурными составами, позволяет формировать пористую структуру покрытия, с одной стороны способствуя беспрепятственному проникновению влаги, с другой стороны приводя к загрязнению и возможному разрушению при замерзании влаги в порах покрытия. Так, известны облицовочные известково-цементные штукатурки, наносимые на кирпичные поверхности (на их долю приходится 90% всех оштукатуренных поверхностей), в которых цемент используется для придания прочности, известь для создания пористого пространства. Данные составы при варьировании основных компонентов композиции могу выполнять различные функции [1].
С точки зрения теории, для качественной защиты конструкций от воздействия окружающей среды, в том числе влаги, необходимым является создание покрытия с высокой степенью водонепроницаемости. Однако необходимо учитывать движение влаги изнутри к покрытию, причем скорость диффузии в таком случае может быть достаточно высокой за счет повышенной влажности внутри помещений, градиента температур внутренней и наружной поверхности, изначально высокой конструкционной влажности материалов. Совокупность данных явлений в конечном итоге приводит к деформациям и деструкции фасадно-декоративного покрытия зданий.
При направленном создании покрытий с низкой проницаемостью к агрессивным действующим средам используют кристаллические полимеры (полифторлефины, полиолефины, пентапласты, поливинилхлорид, сополимеры, винилхлориды) и олигомерные пленкообразователи (эпоксидные, фурановые, фенолформальдегидные, полиуретановые, полидивинилацетиленовые). Возможными подходами для осуществления повышенной проницаемости покрытий являются применение подхода, основанного на сродстве материалов и проникающих компонентов, повышение пористости за счет механических приемов перенаполнения, введения грубодисперсных наполнителей и/или пигментов, внедрение наполнителей волокнистой природы, направленная ориентация наполнителей перпендикулярно подложке за счет воздействия силовых полей. Технологически наиболее легко реализуемым представляется использование рецептурного метода избыточного введения пигментов, применение специально подобранных поверхностно-активных веществ (ПАВ) и различных гидрофильных - солей, кислот, что, однако, зачастую приводит к удорожанию конечной стоимости покрытия [2].
Одной из основных целей декоративных отделочных составов является их направленность на повышение качества поверхности как за счет эстетических составляющих – придание определенного, заданного цвета, текстуры, так и обеспечение совместной работы покрытия и ограждающих конструкций для обеспечения долговечности последних [3].
При рассмотрении целостных характеристик отделочных покрытий, составы можно рассматривать как дисперсные наполненные системы, в основном в качестве дисперсной фазы содержащие пигменты и различные концентрации сопутствующих компонентов и связующего. После затвердевания покрытия в нем содержится некоторый объем вовлеченного воздуха, при этом значительные изменения так же происходят в связующем за счет физических и химических превращений. Для предсказания возможных процессов, возникновения внутренних напряжений, неоднородностей, зачастую используют методы моделирования, в которых применяют допущение, что геометрическая форма частиц, слагающих покрытие, стремится к идеальной сферической форме. Особое внимание так же уделяется высокой дисперсности поверхности пигментов, которая проявляет высокую активность и адсорбирует на себя значительный объем связующего, при этом в модельных системах покрытые частицы пигмента оказывают основополагающее влияние на плотность упаковки, влияя на формирование проницаемости покрытий. В свою очередь проницаемость покрытия способствует регулированию влажности и скорости коррозионных процессов, возникающих за счет диффузии через связующее.
Регулирования наполненности покрытий можно добиться за счет изменения дисперсности и природы пигментов, а так же введением различных наполнителей. Так 4, 5, использование тонкой полистирольной крошки или полистирольного латекса (размер ячейки которого располагается в пределах 0,1-0,6 мкм) приводит к формированию значительного количества микропор в красочном составе, приводя к повышению укрывистости при естественном высыхании, при этом сплошность пленки снижается незначительно. Разработаны добавки 6, направленно влияющие на повышение укрывистости, представляющие крошку (размер частиц в диапазоне 0,4-0,5 мкм) вспененного сополимера стирола с акрилатами, поставляющуюся в виде водной суспензии.
Реализация подходов по созданию поглощающих покрытий строительного назначения
В современном мире при повсеместном распространении радиоэлектроники и импульсной техники возникают проблемы, решить которые возможно только посредством снижения уровня электромагнитного излучения. Возникающие проблемы в основном носят экологический характер, так например, исследования электромагнитной обстановки на территории г. Красноярска за период с 1996-2006 г, показали экспоненциальный рост электромагнитного излучения [64].
Электромагнитное поле (ЭМП), каждодневно воздействующее на население, в скором времени превысит или уже превышает адаптационные возможности человека. Значительный вклад в электромагнитное воздействие на организм человека оказывает использование электронных приборов [65], микроволновых печей [66], персональных компьютеров [67], бытовой техники [68], внося дополнительный вклад в реакцию биологических объектов, которые зачастую носят комплексный характер [69].
Определены основные источники электромагнитного поглощения, проявляющиеся как внутри зданий и сооружений, так и снаружи. Выявлены основные возможные изменения в организме человека, происходящие под влиянием напряженности электромагнитного поля [70].При этом, предельно допустимые уровни электромагнитных полей при воздействии на население указаны в СанПиНах [71, 72]. Основным методом защиты человека от электромагнитного излучения является экранирование.
Требования к системам защиты обуславливают необходимость поиска комплексных решений задачи защиты от электромагнитных излучений, а также защиты информации, содержащейся в них [73, 74]. Общее развитие материалов и технологий, направленных на разработку комплексных решений по защите от электромагнитных воздействий, сопровождается развитием современных подходов, методов контроля и свойств получаемых материалов [75].
Эффективным решением, способствующим установлению благоприятной электромагнитной обстановки, является экранирование электромагнитных волн, за счет локализации передаваемой электромагнитной энергии при преграждении ее распространения. В качестве экранов в основном применяют материалы различной природы, металлические корпуса, закладки и т.д. [76].
Уровень эффективности оценивается по ослаблению составляющих электромагнитного поля, получаемого отношением действующих значений напряженности полей в данной точке пространства при отсутствии и наличии экрана. Также оценивается технологичность и затраты на монтирование покрытий внутри помещений [77]. При этом зачастую устанавливаемые конструкции дороги и достаточно сложны при монтаже.
Немаловажной является и проблема защиты информационных систем от несанкционированного доступа, проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств, защита биологических объектов от электромагнитного излучения.
Для решения поставленных проблем необходимо подобрать технологичные, малозатратные при монтаже конструкции или защитные покрытия, которые одновременно с декоративными функциями способны выполнять функцию снижения интенсивности электромагнитных волн.
Эффективным является применение многослойных покрытий, что позволяет варьировать толщину покрытия [78], однако данный метод достаточно затратен в плане технологической реализации.
Основная цель в технологии композиционных материалов направлена на создание гетерогенных композиционных составов, в которых путем варьирования материала связующего, дисперсности и вида наполнителя, модификаторов, возможно получение высокоэффективных покрытий. Возможно так же применение методов порошковой металлургии и технологий композиционных материалов. Исходным материалом могут являться неорганические порошки, вяжущие, органические матрицы в качестве наполнителей волокна, фибры, дисперсные модификаторы [79].
Зачастую в качестве компонента, позволяющего композиционному материалу получить поглощающие способности, рассматривают ферритовые взвеси [80], наполнители различной природы и форм [81, 82, 83].
Для обеспечения требований электромагнитной экологии, возможно применением экранирующих и радиопоглощающих материалов и покрытий. В основном радиопоглощающие покрытия изготавливаются на основе композиционных материалов с включением ферритовых элементов, при этом вес подобных изделий достигает 8–15 кг/м2. К недостаткам можно так же отнести низкую механическую прочность и термостойкость. Для снижения приведенных недостатков разработаны тонкопленочные наноструктурированные радиопоглощающие материалы для СВЧ-диапазона от 1 ГГц до 300 ГГц [84, 85]. Основной материала является пленка аморфного гидрогенизированного углерода с ферромагнитными наночастицами [86, 87], нанесенными на гибкую подложку изарамидной ткани методом ионно-плазменного магнетронного напыления, позволяющая поглощать излучения в сверх широком диапазоне частот 7–300 ГГц. Материал отличается невысокой массой 1–1,5 кг/м2.
Известны композиты, изготавливаемые на основе силиконовых композиций (20%), наполненные дисперсными сферическими частицами железа или стеклянными шариками, покрытыми магнитными материалами (80%), данные композиты сложны в изготовлении и хрупки. При изменении состава на карбонильное железо (50-90%) с платиной и силоксановым полимером, получают поглощающий композит, однако стоимость данного состава значительна [88].
Одним из способов является нанесение тонких проводящих прозрачных пленок на стеклянные поверхности (в частности, двуокиси олова) применение которых позволяет ослабить СВЧ полена 30 дБ [89].При производстве гибких конструкций экранов используют методику вакуумного напыления[90] по различным поверхностям, в том числе по тканевой поверхности [91].
На основе полиэфирных красок, с применением различных пигментов, разработаны защитные декоративно-фасадные покрытия по асбестоцементному шиферу и металлу [92].
Так же существуют разработки по созданию поглощающих материалов, основу которых, в качестве связующего, выполняет полимерная матрица, в которую вводят до 20 % наноферритовых композиционных наполнителей. В результате использования которых получают высокотехнологичный материал [93]. Допирование многослойных углеродных нанотрубок редкими металлами и сочетание допированных нанотрубок 0,2% с не допированными 8% в поливинилхлоридной матрице приводит к проявлению поглощающего эффекта в диапазоне 8,2-12,4 ГГц. [94]. Матрица, представленная термопластичным натуральным каучуком, при введении нанодисперсных модификаторов так же проявляет поглощающие способности, величина которых напрямую зависит от концентрации добавки [95].
Электрофизические параметры поглощения композиционных материалов, в основе которых полиметилметакрилат, полистирольная и полиэтиленовая матрица, модифицированные многослойными углеродными нанотрубками, проявляются в диапазоне частот 26 - 37 ГГц [96].
Выявлено, что в зависимости от вида матрицы (эпоксидной смолы) эффект поглощения тонких пластин изготовленных на ее основе напрямую зависит от оптимальности подобранного вида наноматериала и его концентрации. Так углеродный материал Nanocyl NC7000 (небольшой диаметр, тонкие стенки, высокое соотношение длина/ширина и высокая гомогенность) позволяет создать на его основе пластины толщиной 2-3 мм с содержанием нанодобавки0,25-0,5% практически с 90% поглощением в диапазоне частот 5,2-11ГГц, при этом при доработке технологии производства степень поглощения возможно увеличить до 97% [97].
Альтернативой применения материалов на основе полимерного связующего в области получения радиопоглощающих составов являются разработки эффективных пеностекольных материалов [98], обладающих комплексом свойств, требуемых устройствам, активно взаимодействующим с электромагнитным излучением. Снижение уровня отраженного и прошедшего электромагнитного излучения [99] и проявление повышенных механических характеристик [100], является основной особенностью пеностекольного материала в сочетании с комплексом высоких теплотехнических характеристик, негорючестью, влагостойкостью и долговечностью.
Определение физико-технических свойств силикатного покрытия
Определение условной вязкости исследуемого силикатного покрытия производилось в соответствии с ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Методы определения условной вязкости» с помощью вискозиметра типа ВЗ-6 при температуре окружающего воздуха 20 С. За условную вязкость лакокрасочных материалов, обладающих свободной текучестью, принимают время непрерывного истечения в секундах определенного объема испытуемого материала через калибровочное сопло вискозиметра типа ВЗ-6 с диаметром сопла 6 мм.
Кинематическая вязкость разработанного силикатного покрытия определялась согласно приложению 3 ГОСТ 8420-74. Как видно из табл. 3.4. введение функциональной добавки «FulVec-100» в состав цементно-силикатной композиции приводит к снижению вязкости исследуемого силикатного покрытия.
Измерения динамической вязкости исследуемых составов защитно-декоративного покрытия выполнялись при температуре окружающего воздуха 23 С с помощью вискозиметра компании «Brookfield» DV-II+Pro согласно ГОСТ 25271-93 (ИСО 2555-89) «Пластмассы. Смолы жидкие, эмульсии или дисперсии. Определение кажущейся вязкости по Брукфильду».
Из таблицы 3.5. видно, что введение дисперсии многослойных углеродных нанотрубок «FulVec-100» приводит к существенному снижению вязкости цементно-силикатного состава, что позволяет оптимизировать технологию нанесения покрытия.
Жизнеспособность силикатного покрытия определялась согласно ГОСТ 27271-2014 «Материалы лакокрасочные. Метод определения жизнеспособности многокомпонентных систем». Жизнеспособность лакокрасочного материала – это максимальное время, в течение которого лакокрасочный материал, выпускаемый в виде отдельных компонентов, может быть использован после смешения компонентов. Настоящий стандарт распространяется на лакокрасочные материалы, состоящие из нескольких компонентов, которые хранят отдельно и смешивают перед применением, и устанавливает метод определения срока их жизнеспособности после смешения компонентов путем определения конкретного показателя в лабораторных условиях. В качестве измеряемого показателя был выбран показатель вязкости силикатного покрытия, вследствие быстрой коагуляции натриевого жидкого стекла и портландцемента.
Как видно из табл. 3.6 жизнеспособность модифицированной функциональной добавкой «FulVec-100» цементно-силикатной композиции повышается по сравнению с контрольным составом покрытия на 20-30 мин, что подтверждается моделированием системы защитно-декоративного покрытия.
Определение массовой доли нелетучих веществ НВ фасадного силикатного покрытия определялось в соответствии с ГОСТ 31939-2012 «Материалы лакокрасочные. Определение массовой доли нелетучих веществ». Данный метод обеспечивает получение только относительных (не истинных) значений массовой доли нелетучих веществ из-за удерживания растворителей, термодеструкции, а также испарения низкомолекулярных компонентов.
После взвешивания составов композиции помещали чашку в сушильный шкаф, предварительно нагретый до 150 С, и выдерживали чашку с пробой испытуемой композиции в сушильном шкафу в течение 60 минут.
Массовая доля нелетучих веществ исследуемого цементно-силикатного покрытия составляет 83-92 %, что говорит о дегидратации состава композиции.
Время высыхания до степени 3 декоративно-фасадного покрытия определялось согласно ГОСТ 19007-73 «Материалы лакокрасочные. Метод определения времени и степени высыхания». Степень высыхания характеризует состояние поверхности лакокрасочного материала, нанесенного на пластину, при определенных времени и температуре сушки.
Время и степень высыхания разработанного покрытия определяли при температуре 20 Сна образцах после естественной сушки нанесенного слоя силикатного покрытия.
Как видно из таблицы 3.8, что введение функциональной добавки «FulVec-100» приводит к снижению времени высыхания цементно-силикатного состава от 5 до 10 мин, позволяя оптимизировать технологию нанесения покрытия.
Определение водородного показателя рН исследуемого силикатного покрытия выполнялось с помощью рН-метра рН-150МП (ОАО «Гомельский завод измерительных приборов») в соответствии с ГОСТ 52020-2003 «Материалы лакокрасочные водно-дисперсионные. Общие технические условия».
Как видно из табл. 3.9 состав вяжущей матрицы имеет ярко выраженную щелочную среду, что предопределяет использование в красочных составах только щелочестойких пигментов.
Определение морозостойкости силикатного покрытия на окрашенной поверхности производилось согласно с ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости».
Как видно из табл. 3.10, испытуемые образцы силикатного покрытия выдержали испытания на морозостойкость и соответствуют ГОСТ 9.401-91.
Определение укрывистости фасадной силикатной композиции производилось согласно методике, установленной ГОСТ 8784-75 «Материалы лакокрасочные. Методы определения укрывистости». Укрывистость – это способность лакокрасочного материала делать невидимым цвет или цветовые различия окрашиваемой поверхности. Метод заключается в нанесении слоев силикатного покрытия на стеклянную пластинку до тех пор, пока контуры черно-белой контрастной пластинки, подложенной под стеклянную пластинку, станут невидимыми.
Из таблицы 3.11 видно, что введение дисперсии «FulVec-100» приводит к существенному повышению укрывающей способности силикатного покрытия.
Расход фасадной цементно-силикатной композиции на двухслойное покрытие по поверхности керамического кирпича составляет 200-400 г/см2, расход зависит от вида подложки и необходимого оттенка готового декоративно-фасадного покрытия.
Стойкость пленки к статическому воздействию воды исследуемого силикатного покрытия выполнялось по методике А, описанной в ГОСТ 9.403-80 «Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Покрытия лакокрасочные. Методы испытаний на стойкость к статическому воздействию жидкостей».
Испытания образцов состава силикатного покрытия производились в возрасте 7 суток, соответственно, процессы гидратации минералов прошли частично, также карбонизация жидкого стекла в составе покрытия прошла в неполном объеме, что снизило показатели стойкости пленки к статическому воздействию воды.
Определение адгезии фасадного силикатного покрытия производилось согласно методике решетчатых надрезов, установленной ГОСТ 31149-2014 «Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом решетчатого надреза».
В ходе испытания определялась способность покрытия к прилипанию или прочному сцеплению с окрашиваемой поверхностью, от величины которой зависят механические и защитные свойства покрытий.
Микроструктура декоративно-фасадной композиции
Исследования микроструктуры разработанных декоративно-фасадных композиций с добавлением модификаторов проводились на растровых электронных микроскопах JSM 5600 фирмы «JEOL», PhenomG2 Pure, Quanta 200 FEG (USA), XL 30 ESEM-FEG фирмы Philips с увеличением до 100 000-крат.
Исследование микроструктуры с помощью растровой электронной микроскопии показало, что структура отделочного состава общей толщиной 120 мкм (рис. 4.12а) состоит из коагулированного жидкого стекла покрытого сеткой микротрещин (рис. 4.12б).
Наличие микротрещин позволяет улучшить паро- и газопроницаемость покрытия (подтверждено исследованиями физико-технических характеристик в главе 3, раздел 3.4), что особенно важно при отделке ограждающих стен здания. Кроме того, при миграции растворов солей через коагулированное стекло, происходит их связывание за счет химических реакций и кристаллизации химических продуктов в объеме микротрещин, что исключает образование высолов на поверхности стен при эксплуатации [188].
Модификация силикатного состава дисперсией многослойных углеродных нанотрубок «FulVec-100» приводит к структуризации минеральной матрицы с образованием плотных новообразований аморфной структуры (рис.4.13а). При одновременном введении функциональной добавки и щелочестойких пигментов в силикатное покрытие отмечено проявление синергетического эффекта [189], выражающееся формированием плотной микрокристаллической структуры, паро- и воздухопроницаемость которой обеспечивается микропорами в структуре композиции (рис. 4.13б).
При 100000-кратном увеличении микроструктура силикатной композиции с введением функциональной добавки имеет более плотную и однородную структуру, в которой отмечены углеродные нанотрубки как в сколе матрицы (рис. 4.14а), так и в микротрещинах (рис. 4.14б). Таким образом, многослойные углеродные нанотрубки не только структурируют композицию, но и являются армирующим компонентом предотвращающим дальнейшее развитие микротрещин.
При анализе микроструктуры силикатного покрытия, модифицированного функциональной добавкой «FulVec-100», отмечено наноармирование структурированной матрицы (рис. 4.15), что приводит к уплотнению структуры и повышению прочности материала за счет упрочнения связей между новообразованиями, формирующимися при твердении модифицированной композиции.
Как видно из рис. 4,16, поверхность углеродных нанотрубок покрыта слоем новообразований диаметром до 38 нм при начальном диаметре углеродных нанотрубок 15 нм. Следовательно, толщина новообразований превышает 10 нм, что позволяет обеспечить создание плотного конгломерата из новообразований, в котором нанотрубки играют роль нанодисперсной арматуры.
Таким образом, при наличии нанотрубок отмечается интенсивная коагуляция цементно-силикатного покрытия по поверхности многослойных углеродных наносистем, что приводит к обеспечению лучшего сцепления новообразований друг с другом и, следовательно, к повышению плотности структуры. Анализ микроструктуры позволяет установить схематичное расположение многослойных углеродных нанотрубок, покрытых новообразованиями, которые на рис. 4.17а представлены прерывистыми линиями.
Следовательно, введение в силикатную композицию функциональной добавки на основе углеродных нанотрубок позволяет стимулировать структурообразование композиций и улучшать их физико-технические свойства, за счет структурной модификации формирующихся новообразований, в которых углеродные нанотрубки одновременно являются наноармирующей составляющей вяжущей матрицы.
Таким образом, физико-химические исследования структуры цементно-силикатного покрытия показали возможность регулирования морфологии кристаллогидратных новообразований посредством предложенных добавок за счет увеличения контактной поверхности между ними с формированием плотного, прочного и долговечного покрытия повышенной водостойкости, имеющего повышенную электропроводность, которая обеспечивает поглощение техногенного электромагнитного излучения.