» » Противодействие агрессивным средам

Противодействие агрессивным средам

30.08.2016

Большое разнообразие типов высокомолекулярных соединений позволяет сделать выбор полимерного материала в соответствии с любыми техническими требованиями, по крайней мере исходя из условий работы горно-шахтного оборудования. Однако практически такой подход к назначению материала удается осуществить не всегда: выбранная композиция может оказаться дорогой, дефицитной, не освоенной промышленностью.
Вторым путем обоснованного подбора материалов является модификация полимеров, заключающаяся в изменении способа химического сшивания их цепей, особенно при наличии в этих цепях водородных связей. Водородные связи являются межмолекулярными и появляются у большинства полимеров регулярного строения, содержащих специальные типы водородных, кислородных или азотных групп, в частности у полиамидов.
Взаимодействие соседних молекул посредством водородных связей проявляется в виде межмолекулярной энергии и численно характеризуется величиной энергии когезии на единицу объема, т. е. прочностью. Таким образом, для увеличения прочности материала необходимо усилить его водородные связи.
Практически это осуществляется введением в полимерный материал модификаторов или наполнителей. Например, введение в полимерную сшивку таких материалов, как масло или пластификаторы (фталаты и пр.), способствует улучшению скольжения молекул и сообщает им большую податливость. Получаемая смесь отличается меньшим по сравнению с исходным сопротивлением сдвигу, является более эластичной.
Наоборот, повысить сопротивление материала сдвигу можно введением твердого наполнителя: появление между цепями диспергированных твердых частиц затрудняет движение цепей. Если наполнитель, кроме того, вступает в химическую связь с молекулярными цепями, его называют активным.
Возможность регулирования свойств полимерных материалов создает предпосылки для подбора композиций, устойчивых к воздействию шахтных агрессивных сред. Воздействие агрессивной среды на полимерные материалы коренным образом отличается от механизма коррозии металла. Здесь отсутствуют электролитические ионообменные процессы между окисляющей средой и материалом.
Несмотря на общеизвестное положение о химической стойкости полимерных материалов, замена ими металлических изделий целесообразна главным образом при условии, что срок службы последних в агрессивной среде не превышает по крайней мере три года. Правильно сконструированное изделие из полимерных композиций при работе в агрессивных средах с нормальной температурой обеспечивает средний срок службы не менее 5 лет.
Химическая стойкость полимерных материалов зависит от их способности сопротивляться проникновению в них диффундирующих веществ. Проницаемость полимерных материалов зависит от структуры и физического состояния полимера, химических свойств и кинетики внешнего реагента.
Проникновению агрессивных сред в полимерные материалы во многом способствуют дефекты структуры (раковины, поры, каверны), возникшие в результате примененной технологии изготовления изделия (например, газообразного выделения побочных продуктов), или появленье трещин и пор из-за старения материала, особенно в сочетании с внешними механическими воздействиями — перенапряжениями, ударами и пр. Проникновение низкомолекулярных веществ в глубь тела полимерного материала происходит за счет их субмикрокапиллярного движения, начиная от поверхности сопротивления обеих сред.
Внешняя нагрузка и колебания в температуре приводят к развитию новых трещин и пор, что способствует дальнейшему проникновению жидкой среды внутрь изделия. Глубинное проникновение агрессивной среды в материал приводит к его деструкции, разделению отдельных звеньев, ослаблению межмолекулярных связей, а в композитных материалах (стеклопластики, наполненные полимеры) может привести к нарушению межмолекулярных связей между наполнителем и связующим.
Активность ослабляющего действия внешней среды на полимерный материал зависит не только от физико-химического состояния последнего, но и от вида воздействующего агента. Например, изделия из термопластов не рекомендуется применять в водонасыщенных средах в связи с их повышенной склонностью к водопоглощению. В то же время большинство конструкционных материалов типа стеклопластиков имеют нейтральную реакцию водной вытяжки и считаются устойчивыми к воздействию агрессивной среды. Однако степень этой стойкости зависит как от структуры и плотности материалов, так и от химического состава связующего и наполнителя. Так, стеклопластики на основе бесщелочного стекла плохо противостоят действию кислот, а если они изготовлены на основе Щелочного стекла, то обладают слабой стойкостью к воздействию щелочей.
Прессованные стеклопластики устойчивы к действию нефтепродуктов: при их весьма длительном (в течение двух лет) воздействии на стеклопластик АГ-4В масса последнего изменялась менее чем на 1%. Из кислот на фенольные пластики наибольшее влияние оказывает азотная кислота, а из щелочей — 10%-ный раствор NaOH.
В растворах неорганических солей свойства полимерных материалов изменяются в меньшей степени, чем в воде. Например, в 20%-ном растворе NaCl срок службы поливинилхлорида (ПВХ) в 1,5 раза выше, чем в чистой воде. Повышение концентрации раствора солей приводит к улучшению состояния пластмасс, так как снижается их водопоглощение. Минеральные кислоты (соляная, фосфорные, разбавленные азотная и серная), галогенсодержащие растворы, большинство органических кислот не оказывают разрушающего воздействия на фенольные и фурановые термореактивные пластмассы, а также на некоторые термопластичные — фторопласты, полистирол, ПВХ и др.
Влияние атмосферной среды на состояние и долговечность полимерных материалов определяется прежде всего действием газообразных составляющих воздуха (озона, влаги, кислорода, углеродных и фосфорных окислителей). В шахтных условиях к этому следует добавить запыленность воздуха, резкие колебания температур, а на открытом воздухе — солнечных лучей.
В частности, установлено возникновение так называемого озонного растрескивания высокоэластичных материалов, особенно резин. Под действием озона и воздуха на поверхности изделия образуются трещины, перпендикулярные к направлению растяжения. Подобные же трещины образуются при действии газообразных составляющих соляной и фтористой кислот.
Воздействие атмосферных условий на состояние изделий из полимерных материалов зависит также от состава композиции, конструктивного исполнения изделия и величины действующих нагрузок. Например, стеклопластики на фенольной основе более устойчивы к работе в условиях тропиков, чем на других связующих. Тонкостенные изделия более подвержены влиянию атмосферы, а под действием нагрузок процесс старения материалов ускоряется.
Таким образом, высокая стойкость изделия из полимерных композиций при действии жидких или газообразных агрессивных сред может обеспечиваться в тех случаях, когда правильно выбран полимерный материал, качественно изготовлено изделие, поверхность смачивания или соприкосновения изделия с агрессивной средой минимально, запас прочности достаточен, перепады температур невелики.