ТЕХНОЛОГИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВРЕМЕНИ ПЕРЕРАБОТКИ И ВЯЗКОСТИ КОМПАУНДА

На этапе 2003 г. осуществлялся выбор активного разбавителя для оперативного регулирования вязкости компаундов КС-2 и КС-3 на месте их применения.
С этой целью в компаунды вводили ацетон. Оказалось, что при введении ацетона в количестве 1% по массе связующего время переработки КС-2 при 20 ºС увеличивается до 40 минут, а вязкость снижается на 25%, с 24 до 19 Па•с. Однако через 15 суток отверждения при температуре 20 ºС прочность на сжатие уменьшилась с 85 до 65 МПа .
Поэтому в дальнейшем были проведены опыты по использованию активного разбавителя с вязкостью 0,85 Па•с при 5 ºС и 0,1 Па•с — при 20 ºС, который образует сшитую систему с компаундом в отвержденном состоянии.

Результаты измерений вязкости представлены на рисунках 1 и 2 в координатах ln η = f(1/T). Видно, что точки укладываются на прямые линии и, следовательно, описываются выражением:

ln η = A + B/T.

Откуда следует, что вязкость исследованных компаундов связана с температурой уравнением Андраде — Френкеля [1.2]:

где k_B – константа Больцмана, U_в = k_BB – энергия активации вязкого течения, зависящая от концентрации активного разбавителя, ν₀ = expA — предэкспоненциальный сомножитель.

Значения параметров и U_В композита КС-2 и КС-3 при различной концентрации С активного разбавителя приведены в таблицах 1 и 2.

Из таблиц следует, что величина предэкспоненциального сомножителя оставляет (10¹³ — 10¹⁵) с, в согласии с теорией [2].

Энергия активации вязкого течения варьирует от 80 до 100 кДж/моль в зависимости от концентрации активного разбавителя. Такие зависимости показаны на рисунках 3 и 4. Видно, что при увеличении концентрации активного разбавителя энергия активации вязкого течения монотонно уменьшается.

Для создания композита, к в дальнейшем к активному разбавителю добавляли 30 масс. % аминофенольного отвердителя. Композиту было присвоено название КС-4.

Оказалось (см. ниже), что после введения КС-4 в КС-2 и КС-3 в течение 30 минут – 1 часа начинающий процесс отверждения практически не изменяет вязкости полученных композитов. За это время удалось измерить их вязкость.

Оказалось, что, как и для компаундов, в координатах ln η = f(1/T) экспериментальные точки укладываются на прямые линии, отсекающие от оси ординат отрезки, равные ln Τ₀ ≈ ln (10^-12 — 10¹⁴) Таким образом, для композитов также оправдывается уравнение Андраде-Френкеля (1).

Найденные из рисунков 5 и 6 значения Τ₀ и энергии активации вязкого течения приведены в таблицах 3 и 4.

Из данных, приведенных в этих таблицах, следует, что энергия активации вязкого течения композитов варьирует от 82 до 93 кДж/моль в зависимости от концентрации композита КС-4.

Зависимости U_В = f(C) (рисунки 7 и 8) имеют слабо выраженный минимум при концентрации КС-4 ≈ 1%. Затем энергия активации «начальной» вязкости монотонно растет.

Сравнивая приведенные результаты, можно увидеть, что композит КС-4 изменяет вязкость меньше, чем активный разбавитель. Так, например, при введении 4 % активного разбавителя вязкость композита КС-3 снижается почти в 3 раза, тогда как введение такого же количества КС-4 уменьшает вязкость всего в 2,2 раза.

Слабая зависимость вязкости от концентрации при малых (1 – 4 % по массе) и малая скорость процесса отверждения (см. ниже) показали, что КС-4 весьма перспективен для регулирование вязкости наполненных композитов.

Разработка технологии применения компаундов для инъектирования под высоким давлением

Жизнеспособность композитов

Разрабатываемые композиты представляют собой двухкомпонентные системы, приготовление которых (смешение компонентов) и последующее использование производится на месте применения. Наряду с начальной вязкостью, возможность их применения определяется скоростью отверждения. С одной стороны она не должна быть она не должна быть слишком высокой, чтобы неотвержденный компаунд успел заполнить все щели и полости. С другой стороны она не должна быть слишком низкой, чтобы композит не вымывался потоками воды из щелей и полостей.

Для оценки скорости отверждения разработанных композиций была определена их жизнеспособность и время переработки при трех температурах для каждого состава. Время переработки определялось как момент увеличения начальной вязкости в четыре раза.

Результаты измерений приведены в таблице 5. Видно, что время переработки композиций КС-2 и КС-3, отвержденных с помощью аминофенольного отвердителя, при температуре более 20 ºС не превышает 20 мин. Однако при низких температурах (5 ºС) оно достигает полутора часов.

Композиция КС-1 с аминным отвердителем при низких температурах (10 ºС) недоотверждается, но обладает достаточным временем переработки (1 час) при температурах более 15 ºС.

Кинетика упрочнения при отверждении

Затем исследовали кинетику упрочнения в процессе отверждения. Результаты измерений представлены на рисунках 9-11. Видно, что они опытные точки укладываются на затухающие кривые: с течением времени скорость упрочнения уменьшается и в пределе, при t → ∞, прочность стремится к предельному значению σ_∞.

где k_σ – константа скорости увеличения прочности. Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть рисунки 9 – 14, сплошные линии на которых вычислены при помощи этого уравнения, после соответствующего компьютерного подбора констант скоростей (k) и σ_∞.
«Предельные» значения прочности σ_∞, константы скоростей упрочнения приведены в таблице 6.

На рисунках 15 – 17 приведены зависимости константы скорости от обратной температуры.

Чтобы найти зависимость константы скорости от температуры строили графики ln k_σ = f(1/T). Из рисунков 15 – 17 видно, что они могут быть описаны выражением

где k₀ ≈ (10¹³ – 10¹⁴) с, U_σ — энергия активации упрочнения композитов при отверждении.

Найденные из графиков 15 — 17 значения U_σ приведены в таблице 6.

Видно, что энергия активации упрочнения имеет наименьшее для КС-3 и наибольшее – для КС-1. Другими словами, КС-3 имеет наибольшую, а КС-1 – наименьшую скорость упрочнения. В тоже время величина «предельного» значения прочности для КС-3 больше, чем для КС-2 и КС-1.

Таким образом, из трех рассмотренных выше композитов наиболее предпочтительным для ремонта является КС-3.

Выбор оборудования для инъекционных работ

В настоящее время специализированного оборудования для проведения работ по инъекции высоковязких полимерных материалов не производится.

Требования к оборудованию следующие:

• Инъектирование компаунда КС-3 должно производится под давлением до нескольких десятков атмосфер с использованием шестеренчатого или плунжерного насоса производительностью 10 — 20 л/мин.
• Для проведения инъектирования компаунда КС-2 насос должен обеспечивать закачку материала в скважину под давлением до 500 атм. с расходом 10-20 л/мин. Давление воздуха в магистрали должно составлять не менее 6 атм.

В настоящее время в лакокрасочной промышленности существует высокопроизводительный метод окраски безвоздушным распылением лакокрасочных материалов под высоким давлением. Эти установки предназначены для распыления материалов, вязкостью до 80-100 Па×с по вискозиметру ВЗ-4 с расходом 1-2 кг в минуту при рабочем давлении 150-200 атм и исполнены во взрывобезопасном исполнении.

Однако в последнее время появились установки, предназначенные для шпатлевания поверхностей. Они отличаются большей производительностью (до 15-20 л/мин.), большим рабочим давлением (до 500 атм.) и возможностью работы на высоковязких материалах (динамическая вязкость до 40-50 Па×с). Предварительный опыт показал, что такие насосы наиболее подходят для решения поставленной задачи.

Смеситель для приготовления компаунда должен обеспечивать перемешивание жидкостей с динамической вязкостью до 100 Па×с в таре поставщика (30 литровое евроведро) в течение 2-3 мин. Размеры ведра: диаметр — 300 мм, высота — 370 мм. Смеситель должен иметь электрический привод во влагозащищенном исполнении. Питание от трехфазной сети переменного тока, частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Питание от трехфазной сети переменного тока, частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Смеситель должен быть укомплектован сменными мешалками для высоко- и низковязких материалов.

Такие установки промышленностью не выпускаются.

Оборудование должно быть работоспособно при температуре от 0 до 30 ⁰С и относительной влажности воздуха до 100 %. Оно должно иметь взрыво- пожаробезопасное исполнение.

Опробование работоспособности перемешивающего устройства для высоковязких жидкостей должно проводиться по следующему плану:

• регулирование числа оборотов мешалки 90 об/мин.;
• реверсирование мешалки;
• перемешивание компаундов КС 2 и КС 1 при 20 ⁰С;

Время перемешивания компонентов компаунда при максимальных оборотах мешалки должно составлять не более 2 минут.

Заключение

1. Найдены составы и концентрации активного разбавителя, обеспечивающего оперативное регулирование на месте применения вязкости компаундов.
2. Определены составы и концентрации отвердителя, обеспечивающие достаточное время для переработки композитов на месте их использования.
3. Сформулированы требования к оборудованию для инъектирования компаундов и композитов в щели и трещины строительных конструкций и горных пород.

Поставленные в 2003 году задачи выполнены полностью.

Разработанные в результате исследований композиты КС-2 и КС-3 могут быть использованы для восстановления монолитности и водонепроницаемости бетонных стен и оснований крупномасштабных конструкций и сооружений.

Список использованных источников

1. I. Frenkel. Acta Physicochemica URSS V. 3, 633, 1935
2. Andrade. Phil. Mag. V. 17, 495, 698, 1934.