прилагается презентация

«Разработка антибактериальных
покрытий для водоканалов и SWOTанализ преимуществ/недостатков
различных технологий»
Докладчики:
И.Н. Дариенко,
В.Б. Юрханов
ТРЕБОВАНИЯ ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»





Антибактериальное покрытие должно быть нанесено на
крупногабаритные железобетонные изделия
(резервуары)
Покрытие должно иметь низкий коэффициент трения,
высокую прочность адгезии к защищаемой
поверхности, химическую стойкость
Так как покрытие будет контактировать с питьевой
водой- необходимо экспертное заключение по
гигиеническим критериям безопасности для
используемого материала
Покрытие должно быть нанесено при проведении
реконструкции резервуара с питьевой водой на ВС.
Срок службы такого покрытия в условиях эксплуатации
должен быть не менее 5 -10 лет
СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ
ПОЛИЭТИЛЕН
СВМПЭ
GUR
Молекулярный вес (моль/г)
Преимущества СВМПЭ
• Отличная стойкость к истиранию
•Самосмазка
•Очень хорошая химическая стойкость
•Высокая работоспособность при повышенных рабочих
скоростях
•Очень хорошие качества скольжения
•Малый износ трущихся поверхностей
•Незначительные потери на трение
•Очень высокая устойчивость по отношению к воздействию
химикатов, таких как кислоты, щелочи, агрессивные газы.
•Высокая стойкость к растрескиванию.
•Очень хорошее шумогашение.
•Широкий спектр применений вследствие температурной
стойкости в диапазоне от –200 до + 90°C
•Материалы специальных марок могут использоваться
в медицинских целях
•Выпускается отечественными и зарубежными производителями
Сравнительная характеристика полимерных
материалов
по данным компании «Тикона»
мДж/мм2
ударная вязкость
250
износостойкость
2000
1800
200
1600
1400
150
1200
1000
100
800
600
50
400
200
0
UHP
PP
POM
PTFE
PA 6.6
температура эксплуатации
0
PMMA PVC POM
PP PTFEPE-HD PA Steel UHP
коэффициент трения
°C
300
0,5
250
0,4
200
150
0,3
100
50
0,2
0
-50
0,1
-100
-150
0
-200
UHP
PP
POM
PTFE
PA 6.6
UHP
PP
PU
PTFE
PA
Плотность монолитных изделий из СВМПЭ по
сравнению с изделиями из других пластиков
Ударная вязкость СВМПЭ по Шарпи по
сравнению с её значениями для изделий из
других полимеров
Динамический коэффициент трения СВМПЭ по
сравнению с другими полимерами
Влияние молекулярной массы полимера, типа и содержания наполнителя на прочность при растяжении
МПа
МПа
50
МПа
50
40
50
40
Исходный
30
5% СП-А
10% СП-А
20
15% СП-А
10
40
Исходный
30
5% MoS
10% MoS
20
15% MoS
10
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Исходный
30
5 %Кокс
10 %Кокс
20
15%Кокс
10
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Влияние молекулярной массы полимера, типа и содержания наполнителя на прочность при сжатии (деформация 25 %)
МПа
МПа
МПа
50
50
40
50
40
Исходный
30
5% СП-А
10% СП-А
20
15% СП-А
10
40
Исходный
30
5% MoS
10% MoS
20
15% MoS
10
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Исходный
30
5 %Кокс
10 %Кокс
20
15%Кокс
10
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Влияние молекулярной массы полимера, типа и содержания наполнителя на прочность при изгибе
МПа
МПа
МПа
50
50
40
50
40
Исходный
30
5% СП-А
10% СП-А
20
15% СП-А
10
40
Исходный
30
5% MoS
10% MoS
20
15% MoS
10
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Исходный
30
5 %Кокс
10 %Кокс
20
15%Кокс
10
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Влияние молекулярной массы полимера, типа и содержания наполнителя на износостойкость композита
кг/мкм
кг/мкм
кг/мкм
350
350
350
300
300
300
250
250
200
150
Исходный
200
5 %Кокс
10% СП-А
150
10% MoS
150
10 %Кокс
15% MoS
100
100
4.400.000
490.000
ММ
15%Кокс
50
50
7.300.000
Исходный
5% MoS
50
0
250
5% СП-А
15% СП-А
100
Исходный
200
0
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Влияние молекулярной массы полимера, типа и содержания наполнителя на коэффициент трения композита по стали
0,2
0,2
0,16
0,2
0,16
Исходный
0,12
5% СП-А
10% СП-А
0,08
15% СП-А
0,04
0,16
Исходный
0,12
5% MoS
10% MoS
0,08
15% MoS
0,04
0
7.300.000
4.400.000
490.000
5 %Кокс
10 %Кокс
0,08
15%Кокс
0,04
0
ММ
Исходный
0,12
7.300.000
4.400.000
490.000
0
ММ
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Влияние молекулярной массы полимера, типа и содержания наполнителя на твердость по Шору Д
ед.
ед.
ед.
70
70
70
60
60
60
50
50
Исходный
Исходный
50
Исходный
40
5% СП-А
40
5% MoS
40
5 %Кокс
30
10% СП-А
30
10% MoS
30
10 %Кокс
15% СП-А
20
10
10
0
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
15% MoS
20
15%Кокс
20
10
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
0
7.300.000
4.400.000
490.000
ММ
Влияние типа и содержания наполнителя на ударную вязкость
композита
кДж/м2
20
15
5%
10
10%
15%
5
0
СП-А


MoS
Кокс
Образцы из исходного СВМПЭ (ММ=4,9 105) при испытаниях
не разрушаются.
Не разрушаются также образцы из СВМПЭ (ММ 4,4 106 и
ММ=7,3 106) как исходные, так и с различными типами
минеральных наполнителей.
Особенности СВМПЭ
- Особенностью СВМПЭ является возможность его использования в
качестве добавок в каучуки и другие полимерные материалы для
придания структуры и снижения износа, создания на его основе
новых композитных материалов с заданными свойствами.
- СВМПЭ как добавка в резины при их вулканизации образует очень
прочное соединение и из таких материалов изготавливают резиновые
рукава, рабочие поверхности конвейерных лент – появляются
свойства: износостойкость, трещинностойкость, химическая
стойкость, более длительный срок службы.
- СВМПЭ может являться исходным продуктом для получения
композиционных материалов как с неорганическими, так и
органическими наполнителями, что позволяет получать изделия
имеющие различные степени огнестойкости, улучшенные
прочностные характеристики, магнитозащитные свойства при
сохранении диэлектрических характеристик, износостойкости и
коэффициента трения, или другие заданные свойства изделия,
удовлетворяющие оптимальному сочетанию ЦЕНА-КАЧЕСТВО.




Как следует из полученных нами данных для конкретного изделия
может быть выбрана необходимая марка СВМПЭ, так и на
основании заданных требований может быть разработан новый
конструкционный материал, где СВМПЭ может быть использован
и как полимер основа и как добавка.
Диапазон плавления кристаллической фазы СВМПЭ лежит в
области температур 130-150°С. Выше этой температуры материал
становится эластичным как резина, но сохраняет свою форму и
морфологию. Эти свойства позволяют использовать порошок
СВМПЭ, как уже указывалось, в качестве добавок.
Добавка СВМПЭ в каучуки позволила получить композиционную
резину с улучшенными морозостойкими характеристиками и
хорошими свойствами по истиранию и виброгашению.
Использование композиционного материала на основе СВМПЭ с
добавками магнитоактивных материалов позволило получить
новый полимерный магнитодиэлектрический материал.
- СВМПЭ позволяет нанести на его поверхность
тонкий слой полиоксиметилена, что повышает
температуру эксплуатации изделия в паре
полимер-металл.
- Нами разработана технология ламинирования
поверхности изделия из СВМПЭ слоем ПОМ, где
в паре трения возникают температуры до 115
градусов С
- Нами опробована на крупногабаритных изделиях
технология напыления СВМПЭ и композиций на
его основе на металлические поверхности
*На разработанные технологии ПОЛУЧЕН совместно с ОАО «РЖД»
патент
Особенности СВМПЭ
- Особенностью СВМПЭ является возможность его использования в
качестве добавок в каучуки и другие полимерные материалы для
придания структуры и снижения износа, создания на его основе
новых композитных материалов с заданными свойствами.
- СВМПЭ как добавка в резины при их вулканизации образует очень
прочное соединение и из таких материалов изготавливают резиновые
рукава, рабочие поверхности конвейерных лент – появляются
свойства: износостойкость, трещинностойкость, химическая
стойкость, более длительный срок службы.
- СВМПЭ может являться исходным продуктом для получения
композиционных материалов как с неорганическими, так и
органическими наполнителями, что позволяет получать изделия
имеющие различные степени огнестойкости, улучшенные
прочностные характеристики, магнитозащитные свойства при
сохранении диэлектрических характеристик, износостойкости и
коэффициента трения, или другие заданные свойства изделия,
удовлетворяющие оптимальному сочетанию ЦЕНА-КАЧЕСТВО.
Области использования СВМПЭ






В медицине как материал для
протезирования связок
Для изготовления «суперволокон» с
прочностью на 40% выше, чем у Kevlar,
которые используются для
бронежилетов, в авиакосмической
технике и мн. др.
В машиностроении (втулки, шестерни,
опоры, подпятники, подшипники,
клапаны, поршни, крыльчатки насосов и
др.)
В изготовлении спортивной амуниции
(сноуборды, лыжи, детали рам
снегоходов и мн. др.)
Направляющие подвижных конструкций
(раздвижные и распашные двери, окна,
дверцы холодильников, элементы
торговых автоматов. Ролики
транспортеров ЩОМ.
Сепараторы аккумуляторных батарей.
Причальные системы судов





Стойкость к морской воде,
хорошие свойства
скольжения,
высокая износостойкость,
поглощение энергии:
При причаливании,
например,танкеров,
возникает энергия удара
до 20 тонн.
Методы нанесения покрытия из СВМПЭ
Сложности процесса распыления СВМПЭ связаны с его низким коэффициентом текучести, частичной
непроплавляемостью порошковой смеси при газопламенном напылении.
Мы освоили технологию нанесения СВМПЭ с использованием метода газопламенного напыления.
Появились сообщения, что путем незначительного изменения тепловых показателей, возможно создание
ровного и плотного слоя СВМПЭ с толщиной до 100 µm.
И анализ таких покрытий методом инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием, а также цвет
полученного покрытия, по мнению разработчиков говорит о незначительном разрушении частиц. И при
толщине 50 µm покрытие показало антикоррозионную стойкость стальных подложек в морской среде.
Поэтому мы в настоящее время уделяем серьезное внимание не только получению композиционного
конструкционного полимерного материала с улучшенными механическими свойствами, но и
совершенствованию аппаратуры, используемой при напылении СВМПЭ на различные типы поверхностей,
так и определению оптимальной молекулярной массы СВМПЭ (исключение термической деструкции
материала при газопламенном напылении) для создания качественных защитных покрытий, в том числе
антибактериальных.
Для антибактериальных покрытий СВМПЭ и композиционные материалы на его основе имеют
преимущество – химическая стойкость, низкий коэффициент трения, совместимость как с органическими,
так и неорганическими добавками
Технологический процесс ручного нанесения полимерного
покрытия на внутренние стенки полувагона
•Наша совместная работа с ФГУП «Прометей» и Объединенным институтом машиностроения АН Беларуси
позволила подойти к созданию технологии нанесения как СВМПЭ, так и композиционного материала на основе
СВМПЭ.
•Проверку мы проводили на металлических и бетонных образцах и она показала очень хорошую
прочность адгезии к поверхности, низкую прочность сцепления льда с полимерным покрытием,
достаточную эластичность, износостойкость.
•Первое полупромышленное опробование такого покрытия мы осуществили для ОАО «РЖД», нанеся
его на внутренние стенки грузовых полувагонов, перевозящих уголь, используя метод газопламенного
напыления для создания гидрофобного покрытия, обеспечивающего не примерзание грузов при выгрузке.
•Испытания показали, что для таких грузов как уголь покрытие необходимо сделать более жестким и
повысить краевой угол смачивания, необходимо использовать размер частиц СВМПЭ до 70μм,
доработать гидрофобные добавки. Но такое покрытие -перспективно для защиты крупногабаритных
изделий от коррозии и обледенения.
Поверхность напыленного
сверхвысокомолекулярного полиэтилена
газоплазменным методом
В настоящее время существует несколько методов напыления порошкообразного СВМПЭ- как
уже указывалось – это газопламенный метод и плазменное напыление.
При плазменном напылении покрытие формируется на подложке из нагретых и ускоренных в
газовом потоке частиц. Причем, если частицы металла при таком напылении, вследствие
большой теплопроводности полностью проплавляются в потоке плазмы и дальнейшее их
движение осуществляется в виде жидких сфер, температуры которых практически стремятся к
температуре струи, то частицы полимера, вследствие низкой теплопроводности и наличия
релаксационных процессов прогреваются неравномерно по радиусу.
Степень их проплавления зависит от природы полимера, его дисперсности и времени
пребывания в плазменной струе.
Кроме того, нагрев полимерных частиц в плазменной струе сопровождается рядом
химических превращений, затрагивающих преимущественно поверхностный слой.
Поэтому и технологические процессы плазменного напыления полимерных покрытий при
создании специализированного переносного оборудования могут быть также использованы
для практического применения в качестве антикоррозионной и гидроизоляционной защиты,
для создания износостойких и уплотнительных систем.
Взаимодействие с партнерами
Нашими партнерами являются СПбГУ, институт катализа (Новосибирск),ГИПХ, Центр
SKZ (Вюрцбург), ФГУП «Прометей», ОАО «Пластполимер», предприятия Красноярска
и Москвы, перерабатывающие СВМПЭ, предприятия выпускающие органические и
неорганические добавки
Работа по доработке покрытий ведется совместно с химическим факультетом СПбГУ получение нового поколения полимерных композиционных наноматериалов на
основе процессов наноструктурирования (наноармирования) полиэтиленовой
матрицы наночастицами (от 10нм до 50нм) SiO2, а также SiO2 с нанослоями TiN
для упрочнения конструкционных материалов на основе СВМПЭ и направлена на:
- разработку способа получения композиционного конструкционного полимерного
материала с улучшенными механическими свойствами.
- выявление условий синтеза, при которых практически отсутствует фазообразование
неорганического дисперсного вещества, что позволяет при эксплуатации этих
материалов в жестких условиях обеспечить стабильность состава и функциональных
свойств, без разрушения полимерной матрицы .
- увеличение прочности получаемого композиционного конструкционного полимерного
материала за счет управляемого наноструктурирования полиэтиленовой матрицы
дисперсными неорганическими частицами.







Наша работа совместно с СПБГУ с нанодисперсными наполнителями показала, что
введение нанодобавок осложняется склонностью таких наполнителей к агрегации,
кроме того, в ряде случаев требуется гомогенное распределение в СВМПЭ небольших
количеств наполнителя.
Поэтому надо добиться гомогенности распределения частиц наполнителя в объеме
порошкообразного полимера и полностью исключить возможность слипания частиц
наполнителя, что особенно важно при использовании субмикро-и нанодисперсных
наполнителей.
Для лучшего взаимодействия с полимерной матрицей наночастицы мы покрывали
слоем необходимой толщины органических соединений. В качестве контроля
эффективности смешения и гомогенности распределения частиц наполнителя в
матрице полимера использовали метод оптической микроскопии отпрессованных
пластин материала.
Предварительные исследования показали что обработка наночастиц гептиловым
спиртом методом химической сборки привело к максимальной гомогенизации
распределения неорганического наполнителя (15%) в СВМПЭ.
Этот результат должен привести и к улучшению деформационно–прочностных
свойств материала за счёт более полного прохождения твёрдофазных реакций
совмещения между матрицей и наполнителем.
Синтез наночастиц состоящих из аэросила с нанослоями TiN и органическими
группами СПБГУ проводили с помощью метода химической сборки (ALE).
Принципиальное значение данного метода синтеза твердого вещества состоит в том,
что вместо самопроизвольной укладки структурных единиц, идущей в процессе
кристаллизации, здесь осуществляется их принудительная укладка в заданном
порядке, т.е. реализуется заданный состав и строение твердого вещества.
Поскольку, варьируя температуру и другие условия, при которых производится
химическая сборка, можно изменять плотность укладки структурных единиц (длины,
углы межатомных связей), продукты синтеза могут иметь регулярную, но не
обязательную периодическую структуру. Это значит, что помимо кристаллических
структур можно создавать иные, значительно более сложные структуры, количество
которых бесконечно.
Износостойкое покрытие дна багажного отсека
Применения в автомобиле
Износостойкие покрытия для
предотвращения налипания


В настоящее время мы также совместно с химическим
факультетом СПбГУ и другими нашими партнерами ведем
выбор антибактериальных добавок, совместимых с СВМПЭ и
отрабатываем механизм их введения, определяем требуемые
размеры частиц и изменение структуры поверхности
полимерного слоя с такими добавками, изучаем изменение
физико-механических характеристик получаемых материалов в
сравнении с чистым СВМПЭ
Изучаются специальные грунтовые слои под полимерное
покрытие из СВМПЭ, в том числе и с использованием
эпоксидных смол нового поколения
Спасибо!
Мы готовы к сотрудничеству!