Антиадгезийные и бактериостатические свойства композиций «Эпилам» для ИСХ
ENG

Антиадгезийные и бактериостатические свойства композиций «Эпилам» для ИСХ

 Антиадгезийные и бактериостатические свойства композиций «Эпилам» для ИСХ

Автор: А.С.Вохидов, ООО «АВТОСТАНКОПРОМ»

Антиадгезийные композиции различной функциональности имеют свойство – предупредить склеивание полимерных, металлических и других поверхностей, например  каучука или клейкого полимера, не позволить ему налипнуть на другой материал и обеспечить защиту от попадания загрязнений на поверхности основного материала. Антиадгезийные композиции, несмотря на сверхтонкость и наноразмерную величину выполняют дополнительную роль  прокладочного материала. Известно, что адгезия – универсальное свойство всех веществ материи. Адгезия жидкости и твердого тела,  двух несмешивающихся жидкостей достигает предельно высокого значения  вследствие полного контакта по всей площади соприкосновения. Прочная адгезия возникает и при образовании новой твердой фазы или при образовании поверхностных химических соединений (оксидные и другие пленки). Адгезия может быть и больше силы внутреннего соединения тел (когезии), когда отрыв происходит не на поверхности раздела, а внутри тел.  Адгезия и адсорбция  изучаются общей наукой – сорбцией и имеют общую природу – взаимодействие веществ под влиянием поверхностных полей: электрических, магнитных и других.  Как сказано выше, в зависимости от вида взаимодействия веществ разделяют физическую адсорбцию и химическую – хемо-сорбцию. Физическая адсорбция не производит изменения молекул адсорбата, а потому  менее прочная  и обратима. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса) между жидкостями, кристаллами и сжатыми газами. А при хемосорбции молекулы адсорбента и  адсорбата образуют необратимые химические соединения. Некоторые показатели энергии поверхностного взаимодействия веществ приведены выше в таблицах 1 и 2.

Поэтому антиадгезия – это условное свойство, которое обеспечивает повышенную, но не полную устойчивость против налипания того или иного вещества на другое. Свойства антиадгезии широко применяются в различных сферах деятельности, в т.ч. при создании полимерных композиций для создания защитно-антиадгезийных покрытий, устойчивых против  клейкости и липкости. Производство антиадгезийных композиций «Эпилам» осуществляется в соответствии со всеми стандартами и требованиям, что обеспечивает высокое качество продукции. Полимерные фторактивные композиции обладают специфическими свойствами, которые основаны на реализации законов коллоидной химии – межмолекулярной диффузии при взаимодействии с поверхностью. Процесс получения пленки характеризуется мономолекулярностью слоя;  определяющими являются  такие параметры, как температура подложки, скорость осаждения, фоновые показатели заряженности и степень активации ПАВ, давление и уровень влажности рабочей атмосферы, пористость и чистота поверхности.

Profilogramma1

Рис.1 Профилограмма твердой поверхности в процессе эпиламирования.

Исследование профилограммы можно осуществить с помощью современных приборов наноскопии.

Учитывая то, что мир коллоидной химии,  наиболее близок к пониманию фрактальных идей, ряд инновационных марок композиций имеют фрактальную структуру, и их изучение и описание строится на классических математических, физических и химических моделях. В структуре композиций в виде активированного раствора частицы находятся в высокой степени готовности к раздроблению или диспергирования, центрированные  на  макромолекулах. Таким образом, можно утверждать, что композиции относятся к дисперсным системам на основе специально подобранных экобиобезопасных растворителей, содержащие наночастицы в виде частиц определенной величины (дисперсная фаза) распределенные в дисперсионной среде. Синергия эффекта достигается за счет коллоидных процессов, описанных  Н.П. Песковым [1], который установил, что свойства коллоидных систем зависят не столько от размеров частиц, сколько от наличия поверхностей раздела со значительной свободной поверхностной энергией. В указанном источнике был сделан вывод, что кроме кинетической устойчивости, зависящей от размера частиц, имеется устойчивость частиц к взаимному слипанию (агрегативная устойчивость).

Несмотря на хорошо известные в механохимии факты, что под действием механических напряжений от звуковых волн может произойти деструкция полимерной молекулы, старение полимеров, защитная пленка эпилама (рисунок 2) прочно сцепляется практически с любыми поверхностями, в том числе с металлами, пластиками, керамикой. Это объясняется тем, что макромолекулы данного вида ПАВ полярны, упорядочены (в процессе активации) гидрофильными/ гидрофобными концами и имеют дипольный магнитный момент. Полярная часть макромолекулы, попадая в поле поверхности детали, ориентируется по направлениям силового поля детали, ее полярная часть адсорбционными связями закрепляется на детали, а неполярная часть остается снаружи над деталью. Благодаря прочной связи между ионами металла и ПАВ образующиеся комплексы повышают поляризацию гидрофильных и гидрофобных концов.

Profilogramma2

Рис. 2.  Структура защитного покрытия композиции «Эпилам»

ТУ2412-002-13868195-2012

Эпиламирующие составы базируются на фторорганических полимерных соединениях, обладающих низким поверхностным натяжением, химической инертностью, высокой тепло- и радиационной стойкостью, газопроницаемостью, водо-, масло- и грязеотталкиванием. Имеются составы для разных потребностей, с низкой концентрацией фторорганических веществ и экологической безопасностью. После попадания состава на обрабатываемую поверхность  происходит испарение растворителя, а сами молекулы вступают в реакцию с поверхностью, при этом определенные молекулы композиции могут создавать структуры Ленгмюра-Блоджетт (частокол Ленгмюра) в виде спиралей с нормально направленными к поверхности осями, позволяющих удерживать смазочные среды, каучуковые или полимерные массы. Несмотря на то, что средний размер частиц полимеров установлен испытаниями лабораторий ФГУП «ВИИОФИ» и «ИХС им. И.В. Гребенщикова»  не более, чем 10,6нм, толщина плёнки зависит от качества подготовки поверхности (уровня шероховатости поверхности — наношероховатости), от условий и методов нанесения композиций «Эпилам», от структуры материала основы, от химического состава композиции и др. В определенных условиях (при термовоздействии) образование плёнки может сопровождается химической реакцией (хемосорбцией). При формировании слоя плёнки происходит упорядочение пространственной ориентации молекул композиции, например – полимеризация, и меняются физико-химические свойства поверхности (рисунок 3). Важно и то, что вследствие высокой адсорбционной связи частицы покрытия от поверхности не отделяются, а движение адгезийных (в ряде случаев – абразивных) частиц материала по поверхности соответствует практической реализации принципов механики осаждения, коагуляции и взаимодействия антиадгезийной структуры, описанных в работе [2].

Profilogramma3

а                                                б

Рис. 3.  Эпиламы на поверхности деталей:

а) фрагмент частокола Ленгмюра на эпиламированной поверхности твёрдого тела;

б) изображение поверхностной плёнки композиции «Эпилам СФК-05»

При измерении количественных величин адгезия характеризуется удельной работой, затрачиваемой на разделение единицы площади поверхности соединившихся тел.  Эта величина зависит от способа разделения: сдвигом вдоль плоскости соединения или отрывом. Другая характеристика адгезии – выделяющаяся теплота адсорбции: чем прочнее адсорбция, тем больше выделяемая ею теплота. Для физической адсорбция это до 10 ккал/моль вещества (до 40 кДж/моль), а для хемосорбции – несколько десятков ккал/моль.

Таблица 1. Усилия отрыва упора  прибора «PosiTest» от поверхностей деталей, испытанных в Наноцентре ГОСНИТИ

Испытуемый

материал

Усилие, МПа Характер отрыва
пусковое отрыва
1 Стальная пластина 0,7 >6,07 Высокая адгезия
2 Лист фторопласта

 

0,7 0,55 Низкая адгезия, отрыв на поверхности образца
3 Диск из полиэтилена 0,7 3,20 Не высокая адгезия, отрыв на поверхности образца
4 Брусок керамики 0,7 >7,75 Когезионный разрыв. Адгезия очень высокая
5 Пластина из стекла 0,7 5,48 То же самое

Адгезия органических веществ усиливается в случае, если молекулы жидкости, полимеров полярны и имеют большое количество химически активных функциональных  групп [3]. При этом молекулы жидкости или органических веществ  могут одним концом присоединяться к поверхности твердого вещества, а другим – с массой молекул жидкости или полимера.

Для испытаний  на антиадгезийность образцов пластин, покрытых композицией «Эпилам СФК-05» ТУ2412-002-13868195-2012, к упору прибора «PosiTest» (Наноцентр ГНУ «ГОСНИТИ», г.Москва) на него наносился двухкомпонентный эпоксидный клей. Далее, вращательными движениями из-под упора удалялся воздух и ватным тампоном снимались с поверхности образца излишки клея [4]. Для достижения максимального сцепления упора прибора «PosiTest»  с поверхностью испытуемых пластин  они  оставлялись на 7 суток. Через 7 суток вокруг упора по периметру его окружности делалась прорезь, после чего выполнялось испытание на отрыв.

По результатам  испытаний на силу сцепления упора — детали адгезиметра с поликарбонатными пластинами, покрытыми в ГОСНИТИ композицией «Эпилам СФК-05» от ООО «Автостанкопром» получены следующие данные:

— пластина поликарбоната от ООО «Автостанкопром» № 1 — 0,49 МПа,

— пластина поликарбоната от ООО «Автостанкопром» № 3 — 0,77 МПа.

Полученную разницу в силе сцепления на пластинах поликарбоната от ООО «Автостанкопром» № 1 и № 3 сотрудники Наноцентра ГОСНИТИ  объясняют тем, что образцы были разные по геометрическим показателям, вследствие чего сцепление с тонким (и меньшим по размерам) образцом оказалось хуже, чем с толстым [5]. Для сравнения антиадгезийных свойств эпиламированных покрытий в таблице 2 приведены  результаты других аналогичных испытаний.

Таблица 2.  Результаты измерения усилия отрыва упора  прибора «PosiTest» от поверхностей деталей, представленных лабораторией № 5 ГОСНИТИ

Образец Усилие, МПа Характер адгезии
пус-ковое на отрыв
1 Пластина — сталь 65Г неэпиламированная 10,42 Высокая адгезия
2 То же, пластина № 2 8,99 То же самое
3 Брусок керамики 0,7 7,75 Когезионный разрыв. Адгезия очень высокая
4 Стальная пластина, не очищенная 0,7 6,07 Высокая адгезия
5 Пластина стеклянная № 1 0,7 5,48 То же самое
6 Диск из полиэтилена 0,7 3,20 Не высокая адгезия, отрыв на поверхности образца
7 Пластина стеклянная № 2 1,04 Не высокая адгезия
8 Пластина пластиковая № 1 0,88 Низкая адгезия
9 То же самое, пластина № 2 0,84 То же самое
10

 

Пластина сталь 65Г  эпиламированная 0,68 То же самое
11 Диск стальной эпиламированный  от ООО «Автостанкопром» 0,64 То же самое
12 Пластина 1 поликарбоната эпиламированная в  ООО «Автостанкопром» 0,49 То же самое
13 То же самое, № 3 0,77 Низкая адгезия
14 Лист фторопласта (два испытания) 0,7 0,41;

0,55

Низкая адгезия, отрыв на поверхности образца

Комментарии сотрудников Наноцентра к таблице 2:

Для образцов из полиэтилена и фторопласта отрыв упора происходил на поверхностях деталей и здесь значения сил отрыва приняты достоверными.

Для образца из стали по п. 4 выявлено, что весь клей остался на нем. Отсюда следует, что относительная сила адгезии на стали больше, чем показанная в таблице.

При исследовании бруска керамики и пластины стекла отрыв упора произошел когезионно,  с вырывом  поверхностных слоев образцов, поэтому здесь результаты исследований нельзя считать достоверными, т.к. адгезия здесь очень высокая и выше величины когезии.

Выводы сотрудников Наноцентра по данным таблицы 2:

Испытания подтвердили очень низкую (0,55 МПа) адгезию на фторопласте, которая в 6 раз меньше чем на полиэтилене, в 11 раз – чем на стекле, в 13 – чем на стали и в 15 раз — чем на керамике.

Оценка антиадгезионности эпиламированных нанопокрытий:

Результаты испытаний по данным таблицы 2 показывают низкую адгезию пластин поликарбоната, покрытых эпиламами, сравнимую с адгезией самого современного низкоадгезионного материала – фторопласта.

По результатам исследования можно предположить, что при металлоколлоидном процессе прочно адсорбируется жидкая полимерная композиция Эпилам по алгоритму, где входящий поток может быть диффузионным, а выходящий может обладать свойствами центральной сферической симметрии [6]. Допускается предположение, что в основе физической сути активации молекул с помощью электромагнитных волн лежат опыты Майкла Фарадея и уравнения Максвелла, которые показывают, что магнитные и электрические поля меняются синхронно и всегда находятся в сопряженном состоянии. Если эти изменения синусоидальны, то изменение напряженностей электрических и магнитных полей чаще всего представляют как две взаимно перпендикулярные синусоиды, изменяющиеся во времени t  [7]. Считается, что Генрих Герц доказал экспериментально существование электромагнитных волн Максвелла и их распространение в пространстве, и примерное количество энергии, которое должно выделяться в электролитическом растворе можно рассчитать по аналогии с методикой получения одного кубометра водорода в условиях, когда свободные атомы водорода объединяются в молекулы [8].

Физхимия этих процессов, скорее всего, состоит в том, что потоки фторсодержащих ПАВ в эпиламирующих составах при нанесении создают на границе своего соприкосновения с поверхностью материала условия, которые необходимы сначала для  адсорбции мономолекулярного слоя, а затем ее хемосорбции с поверхностью при термоактивации. Таким образом, коллоиды и жидкие кристаллы можно рассматривать как ту или иную фрактальную структуру, образованную в процессах, характерных для данных условий (термодинамических параметров).

Литература:

  1. Песков И.П. Физико-химические основы коллоидной науки.; Л. Госхимтехиздат. 1932. 436 с. 2-е изд. 1934.
  2. Фукс Н.А. Механика аэрозолей.; Издательство АН СССР, 1955, 353 с
  3. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения. — М.: Физматгиз, 1963. — 472 с.
  4. Дунаев А.В. Нетрадиционная триботехника. Модификация поверхностей трения.// LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013, 270 c.
  5. Дунаев, А.В. Исследование диагностических параметров, разработка методов и средств их контроля для совершенствования диагностирования и технического обслуживания МТП АПК [Текст]/ А.В. Дунаев, С.А. Соловьев //  М.:- ГОСНИТИ, 2014, 360 с. — ISBN 978-5-98231-016-3
  6. И.Г. Железнов. Физика Эфира. Москва, 2010
  7. Ф.М.Канарев. Начала физхимии микромира. Монография. Краснодар, 2007.
  8. Л.Полинг. Общая химия. Москва: Мир. 1974