Введение к работе
Актуальность работы. Одно из приоритетных направлений развития
экономики страны – рациональное использование энергии, снижение
потребления энергии в производственной и непроизводственной сфере.
Особое значение приобретают энергосберегающие технологии обеспечения
теплозащиты при строительстве новых зданий и реконструкции
существующего жилого фонда. Это связано с тем, что значительная часть
территории в нашей стране характеризуется низкой среднегодовой
температурой окружающей среды, продолжительным отопительным сезоном в
целом ряде регионов. Другая побудительная причина – удорожание
традиционных энергоносителей и приведение теплозащиты в соответствие с
современными нормами (СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий"). В
условиях резкого повышения цен на энергоносители и введения новых
требований к теплоизоляции зданий и сооружений, большинство
отечественных теплозащитных материалов оказались слишком дорогими и малоэффективными.
Традиционные теплозащитные покрытия (волокнистые материалы, вспененные и напыляемые полимеры) обладают рядом недостатков, таких как повышенная влагоемкость, подслойная коррозия металлической основы, деструкция покрытия под влиянием тепла, света и влажности.
Одним из путей преодоления этих недостатков является применение новых высокоэффективных теплозащитных материалов с использованием полых сферических наполнителей и полимерных связующих. Новые теплозащитные материалы представляют собой жидкие составы, образующие при высыхании теплоизолирующие покрытия с высокими теплозащитными, адгезионными и антикоррозионными свойствами. В последнее время на отечественном рынке появились принципиально новые теплоизоляционные материалы, создаваемые с использованием полых стеклянных и керамических микросфер и различного рода связующих. Однако на сегодняшний день влияние связующих на теплофизические свойства этих материалов не изучено в полной мере. Разработка теплозащитных покрытий с применением новых полимерных связующих, использование которых позволит снизить потери тепловой энергии, является актуальной
Степень разработанности темы. Теоретические и технологические
основы получения, а также исследования теплозащитных покрытий на основе
водных дисперсий полимеров изложены в работах Ключникова О.Р., Сугкоева
А.И., Инина А.Е., Логиновой Н.А., Беляева В.С., Маслова В.А., Дружининой
А.Л., Кочетова Ю.Ю., Таусенева Е.М. Однако, несмотря на широкое
использование в качестве связующих компонентов водно-дисперсионных
акриловых пленкообразователей, получаемые покрытия по ряду характеристик
уступают традиционным теплозащитным покрытиям. Можно предположить,
что использование мономеров глицидилметакрилата (ГМА) и
гидроксиэтилметакрилата (ГЭМА) при синтезе дисперсий акрилстирольных
сополимеров, используемых в качестве связующих компонентов обеспечит
повышенные теплофизические и физико-механические характеристики
разрабатываемого теплозащитному покрытию, вследствие реализации
различного характера межмолекулярных взаимодействий между наполнителем и полимерной матрицей.
Целью диссертационной работы является разработка
высокоэффективного теплозащитного покрытия с использованием дисперсии функционализированных акрилстирольных сополимеров и полых стеклянных микросфер и выявление закономерностей совокупного влияния компонентов покрытия на его свойства.
Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:
– разработка теплозащитного покрытия на основе промышленно выпускаемых водных дисперсии полимеров и полых стеклянных микросфер;
– синтез новых дисперсии акрилстирольных сополимеров, содержащих эпоксидные и гидроксильные группы и исследование их свойств;
– исследование физико-механических и теплофизических свойств, поверхностного и внутреннего распределения полых стеклянных микросфер в полимерной матрице теплозащитных покрытий, на основе дисперсии функционализированных акрилстирольных сополимеров;
– исследование эффективности применения разработанных
теплозащитных покрытий в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Научная новизна работы.
Впервые проведена функционализация акрилстирольных сополимеров
введением боковых полярных гидроксильных и эпоксидных групп, что
приводит к снижению коэффициента теплопроводности связующего
компонента теплозащитных покрытий.
Установлено, что одновременное введение элементарных звеньев на основе ГМА и ГЭМА в структуру акрилстирольных сополимеров обеспечивает теплозащитному покрытию повышенные физико-механические свойства и низкое водопоглощение за счет увеличения смачивающей способности связующего компонента стеклянных микросфер и высокие теплофизические показатели, вследствие использования связующего с низкими значениями коэффициента теплопроводности.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Получение дисперсий функционализированных акрилстирольных
сополимеров введением боковых полярных гидроксильных и эпоксидных
групп за счет использования сомономеров ГЭМА и ГМА.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния мономеров, содержащих эпоксидные и гидроксильные группы, на физико-механические свойства акрилстирольных дисперсий.
-
Получение теплозащитных покрытий с использованием дисперсий функционализированных акрилстирольных сополимеров введением боковых полярных гидроксильных и эпоксидных групп и полых стеклянных микросфер.
4. Результаты экспериментальных исследований свойств теплозащитных
покрытий с использованием дисперсий функционализированных
акрилстирольных сополимеров введением боковых полярных гидроксильных
и эпоксидных групп и полых стеклянных микросфер.
5. Экспериментальные исследования эффективности применения
теплозащитных покрытий с использованием дисперсии
функционализированных акрилстирольных сополимеров и полых стеклянных микросфер.
Практическая значимость работы.
Разработана технология получения дисперсии функционализированных акрилстирольных сополимеров введением боковых полярных гидроксильных и эпоксидных групп.
Разработан состав теплозащитного покрытия с применением дисперсии
функционализированных акрилстирольных сополимеров, содержащих
эпоксидные и гидроксильные группы, и полых стеклянных микросфер.
Выпущена опытная партия теплозащитного покрытия на оборудовании опытно-промышленного производства в АО «КазХимНИИ», физико-механические свойства которого превышают свойства аналогичных покрытий, полученных с использованием традиционных акриловых дисперсий.
Показана эффективность применения разработанного теплозащитного покрытия на примере задвижки трубопровода подачи теплофикационной воды потребителям.
Методы исследования, методология и достоверность полученных результатов обеспечиваются комплексным подходом с привлечением современных физико-химических, физико-механических и теплофизических методов исследования и испытаний, корреляцией экспериментальных результатов, полученных разными независимыми методами, согласованностью полученных результатов с опубликованными работами других исследователей.
Исследования структуры полученных материалов, физико-механические и
теплофизические свойства теплозащитных покрытий проводили с
использованием стандартных методик.
Обработка полученных результатов экспериментов выполнена методами
численной и статистической обработки данных. Оценка полученных
результатов исследований осуществлялась в том числе и путем сравнения и
сопоставления с экспериментальными и теоретическими данными,
представленными в литературе.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Межд. научн. конф. «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2013); III Межд. конф. по химии и химической технологии (Ереван, 2013); Всеросс. научн. конф. «Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров» (Уфа, 2013); II региональной научно-технич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наноматериалы и нанотехнологии» (Красноярск, 2013); IV Всеросс. конф. «Образовательный, научный и инновационный процессы в нанотехнологиях» (Курск, 2013); IX Межд. молодежной научн. конф. «Тинчуринские чтения» (Казань, 2013); Всеросс. конф. с межд. участием «Химия и химическое образование. XXI век» (Владикавказ, 2014); Четвертых Воскресенских научных чтениях «Полимеры в строительстве» (Казань, 2014); II Межд. научно-практич. конф. «Наука и современное общество: взаимодействие и развитие» (Уфа, 2015).
Основные результаты работы изложены в 17 публикациях, в том числе в 6 статьях, опубликованных в реферируемых журналах из перечня ВАК РФ и 2 патентах РФ на изобретение. Результаты исследований отмечены стипендией
Мэра города Казани (2013/2014 уч. год), стипендией Президента РФ (2015/2016 уч. год).
Личный вклад автора заключается в сборе и анализе литературных данных, участии в постановке задач и их дальнейшем решении, в проведении экспериментальных исследований, обсуждении результатов, в формировании выводов по сделанной работе, подготовке материалов публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 137 литературных источников. Работа изложена на 123 стр. машинописного текста, содержит 32 рисунка, 53 таблицы.
Благодарность. Автор выражает глубокую признательность д.х.н., профессору Гарипову Руслану Мирсаетовичу за помощь в обсуждении результатов работы.