ТРАНСПОРТ И ПОДГОТОВКА НЕФТИ
УДК 622.692.4.004.5
© Коллектив авторов, 2015
Исследование влияния соотношения компонентов с целью получения эластичной полимерной теплоизоляции с оптимальными теплофизическими и механическими характеристиками1
С.В. Левитин,
Е.В. Беляева, к.т.н.,
Н.А. Логинова, к.т.н.,
Е.Е. Лапин,
А.В. Рыженков, к.т.н.,
(Научный центр «Износостойкость»,
Национальный исследовательский
университет «МЭИ»)
Адрес для связи: levitinsv@mail.ru
Ключевые слова: кремнийорганические связующие, полые микросферы, гибкая теплоизоляция, реологические характеристики, физико-механические свойства, синтактные пены, теплоизоляция трубопроводов.
Требования к тепловой изоляции промысловых и технологических трубопроводов, а также трубопроводов теплоснабжения регламентируются ведомственными документами, разработанными в 80-х годах ХХ века. В настоящее время появилось много перспективных полимерных материалов с улучшенными теплофизическими и механическими характеристиками, которые позволяют получать долговечные, удобные в монтаже и эффективные в эксплуатации теплоизоляционные конструкции.
Основным направлением совершенствования теплоизоляционных конструкций является создание эластичных, прочных и долговечных материалов с высокими теп-лофизическими характеристиками. При получении таких композиционных материалов на основе полимеров важную роль играет определение максимального (критического) наполнения полимерной матрицы. Для определения данного параметра с целью дальнейшего прогнозирования физико-механических свойств необходимо изучение реологических характеристик наполненных олиго-мерных систем, зависящих от размера и концентрации дисперсионной фазы, геометрической формы и смачиваемости сфер, природы вязкотекучей фазы, молекулярно-массового распределения каучука [1].
Study of relations components for making flexible polymer insulation with optimum thermal and mechanical characteristics
S.V. Levitin, E.V. Belyaeva, N.A. Loginova, E.E. Lapin, A.V. Ryzhenkov (Scientific Research Center Wear Resistance, National Research University Moscow Power Engineering Institute, RF, Moscow)
E-mail: levitinsv@mail.ru
Key words: silicone binders, hollow microspheres, flexible insulation, rheolog-ical characteristics, syntactic foams.
Syntactic foams made on the basis of silicone rubber and microspheres are promising insulating coating processing equipment and pipelines in the oil industry The advantage of these constructions is high thermal and mechanical properties while retaining the flexibility and elasticity of the insulation in the temperature range up to 300°C. Analysis of the rheological curves (dependence of dynamic viscosity versus shear rate) of the test mixtures produced using a rotational viscometer, allowed to evaluate the effect of chemical composition rubber in determining the critical degree of filling of the system, to determine the phase transition when the flow system at various concentrations of the components. The studies concluded that the creation of syntactic foams as thermal insulation materials for field pipelines, heating systems is the most promising for use as a binder of silicone elastomer (rubber) and a glass filler microspheres in the ratio 1:2-1:3.
Материалы, наполнителем в которых выступают полые стеклянные микросферы, называют синтактными пенопластами (СП). Основой для изготовления микросфер служат стекло, керамика, углерод и различные полимерные материалы. Количество микросфер в композите является определяющим в СП, причем увеличение количества микросфер в системе, как правило, разнонаправленно влияет на механические и теплофизические характеристики. Кроме того, увеличение количества микросфер в матрице ухудшает такие важные характеристики СП, как эластичность, гибкость, которые обеспечивает связующее.
Весьма перспективными связующими для СП являются кремнийорганические эластомеры, которые обладают высокой устойчивостью к воздействию влаги, повышенных температур, ультрафиолетовому излучению. Материалы на основе этих соединений могут длительно эксплуатироваться при температуре 250 °С [2]. Высокая термическая стойкость данного класса соединений обусловлена высокой энергией и полярностью связи Si-O. Свойства кремнийорганических эластомеров зависят от их молекулярной массы и типа органического радикала, входящего в состав полимера [3]. Необходимым условием получения материалов с заданными физико-механи-
1Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения № 14.574.21.0069 от 27 июня 2014 г. «Разработка гибкой, экономичной, быстромонтируемой теплоизоляционной конструкции для повышения эффективности теплообменного оборудования и трубопроводов» (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0069).
ческими свойствами является управление процессом структурообразования дисперсных систем на всех стадиях технологического процесса [4].
Исследование характера течения наполненных систем позволяет выявить оптимальное соотношение компонентов и обеспечить гармоничное сочетание их характеристик. При превышении критической степени наполнения связующего происходит инверсия фаз, которая заключается в смене непрерывной фазы течения и характеризуется снижением динамической вязкости системы [5].
В данной статье определен оптимальный состав композиции гибкой теплоизоляции на основе анализа реологических характеристик кремнийорганических каучу-ков, наполненных стеклянными микросферами в различных соотношениях.
Материалы и оборудование
В качестве связующих выбраны недорогие и распространенные промышленные герметики на основе кремнийорганических соединений: ВПГ-300М, «Виксинт У-2-28», Permatex НТ. Был также исследован разработанный состав на основе фенил-метилсилоксанового каучука (СКТН-А). Состав на основе СКТН-А полимеризуется в присутствии оловоорганического катализатора К-68. Для улучшения смачиваемости в состав введен полидиметил-силоксан (ПДМС-500). Физико-химические характеристики исследуемых связующих представлены в таблице.
Связующее Плотность, г/см3 Физическое состояние
ВПГ-300М 1,3 Вязкая жидкость
«Виксинт У-2-28» 2,2 Паста
Permatex HT 1,05 Паста
СКТН-А 0,98 Вязкая жидкость
В качестве наполнителя были использованы полые стеклянные микросферы (МС) марки 3М К-25, изготовленные из натрийборсиликатного стекла (представлены на отечественном рынке, недорогие и распространенные материалы). Характеристики микросфер представлены ниже. Устойчивость к раздавливанию
90 % неповрежденных микросфер, бар.....................52
Истинная плотность, г/см 3......................................0,25
Средний диаметр, мкм..................................................55
Толщина стенки, мкм.................................................0,93
Отношение внутреннего объема к внешнему.........0,90
Теплопроводность, Вт/(м-К)....................................0,05
Реологические характеристики исследовали на ротационном вискозиметре «Реотест 2.1» с системой конус - плоскость в диапазоне скоростей сдвига 1,11-486 с-1. «Реотест 2.1» предназначен для определения динамической вязкости ньютоновских жидкостей и получения реологических характеристик неньютоновских жидкостей: структурной вязкости, дилатансии, пластичности (предел текучести), тиксотропии, реопексии.
Результаты и их обсуждение
В работе исследовались реологические характеристики дисперснонаполненных систем в зависимости от концентрации наполнителя.
Угол наклона реологических кривых течения смеси дает возможность оценить молекулярно-массовое распределение (ММР) каучуков и микросфер в дисперсной смеси и интенсивность снижения вязкости при увеличении скорости сдвига. Анализ кривых позволяет оценить степень влияния химического состава (по молекулярной массе) каучуков при определении критической степени наполнения системы. Чем меньше молекулярная масса каучука, тем менее заметным может быть фазовый переход вследствие того, что в такой системе каучук будет выступать как пластификатор или «смазка» в условиях сдвигового течения «квазижидкости» и таким образом нивелировать свой вклад в общую вязкость системы.
На рис. 1 для выбранных видов каучуков при различном объемном соотношении каучуков и микросфер представлена зависимость логарифма динамической вязкости дисперсной смеси, когда скорость сдвига отсутствует, т.е. в ее исходном состоянии, от объемного соотношения компонентов.
4
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5
Кау -я- вп гчук: -ЗПОМ- мс
/ -♦- «Виксинт У-2-28»- МС -*- Permatex НТ- МС -Х- СКТН-А-ПМС500- МС
1:0 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 1:7 Объемное соотношение каучук:микросферы
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости т дисперсной смеси от объемного соотношения компонентов
На рис. 2 приведены реологические кривые исследуемых систем, которые характеризуют зависимость логарифма динамической вязкости от логарифма скорости сдвига х ротационного вискозиметра при различных соотношениях наполнения системы микросферами.
Согласно полученным данным каучук ВПГ-300М (см. рис. 2, а) является типичной неньютоновской жидкостью - снижение вязкости наблюдается во всем диапазоне скоростей сдвига. Кривая течения чистого каучука имеет характерный 5-образный переход, который можно объяснить наличием в составе каучука второй фазы - высокодисперсного наполнителя, проявляющегося в виде прямого участка после перехода. Угол наклона кривой течения указывает на широкое молекулярно-массовое распределение (ММР) каучука. При добавлении микросфер начальная вязкость системы незначительно уменьшается, однако малый угол наклона кривой течения и отсутствие 5-образного перехода свидетельствуют о структурированном течении системы и наличии пространственной структурной сетки [6].
При дальнейшем увеличении объема микросфер наблюдается повышение вязкости, при этом угол наклона кривых существенно увеличивается, что указывает на низкую структурированность системы, и отрицательно влияет на растекаемость наполненных композиций. При достижении соотношения 1:4
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.