ФУРИЛУГЛЕРОДНАЯ КОМПОЗИЦИЯ "ГОЛТАР" Российский патент 1996 года по МПК C09D171/14 

Изобретение относится к области получения полимерных композиций на основе фурановых соединений, в частности фурфурилового спирта для изготовления композиционных материалов и защитных покрытий, обладающих высокой абразивной и химической стойкостью.

Известно применение продуктов конденсации фурфурилового спирта (ФС) в присутствии кислых катализаторов в качестве связующих [ 1 для получения углеграфитовых материалов (катализатор n-толуолсульфокислота в количестве 1-3% от ФС и наполнитель смесь порошков прокаленного нефтяного кокса и каменноугольного пека [2] ), для изготовления полимербетонных изделий (катализатор смесь 1-10% трихлортолуола, 20-80 хлорида цинка (от массы ФС и смесь силикатных наполнителей [ 3 катализатор хлористый цинк 5-8 от тетрафурфурилоксисилана, силикатный наполнитель [ 4 ), для пропитки графитовых изделий (катализатор n-толуолсульфокислота 2-20 от ФС или смеси ФС с фурфуролом, активный наполнитель тетраэтилен- или пропиленгликоль [ 5), получения защитных покрытий (катализаторы фосфорная, щавеливая или n-толуолсульфокислота в количестве 1,5-2,0 и oт ФС [ 6) и полимерной пены [ 7
Известные композиции, получаемые конденсацией ФС, содержат воду в качестве продукта конденсации, которая в процессе твердения включается в его состав, создавая сквозные поры при последующем нагревании выше 100^oС, что исключает использование таких композиций для получения непроницаемых защитных покрытий и композиционных материалов. Этот недостаток ликвидируют путем отгонки воды при поучении фурилового лака. Применение последнего в качестве связующего требует органических разбавителей или специального оборудования [1]
Наиболее близким к изобретению является композиция для пропитки пористых изделий [ 8 на основе ФС ( 65-99 мас.-% ), хлористого цинка ( 0,5-10 мас. ) и воды ( 0,5-19,5 мас. ).

Однако поверхностный слой пористых изделий после обработки известной композицией [ 8 и последующих нагревании выше 150^oС и быстром охлаждении в воде до 0^oС (термоударе) становится водопроницаемым и теряет защитные свойства в агрессивных средах.

Технической задачей изобретения является получение водонепроницаемого и стойкого к термоударам покрытия материалов и изделий Предложенная композиция дополнительно содержит углерод технический, углеродное волокно, серу и ортофосфорную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.

Фурфуриловой спирт 82,4-91,3
Хлористый цинк 0,8-1,2
Вода 0,8-1,2
Ортофосфорная кислота 0,1-0,2
Углерод технический 4-8
Углеродное волокно 2-5
Сера элементарная 1-2
Указанные компоненты играют активную роль при формировании фурил-углеродной композиции: ультрадисперсный углерод способствует образованию полимера при конденсации ФС в присутствии катализатора и отделению образующейся воды, углеродное волокно армирует полимер, сера прочно сшивает его молекулы при нагревании. Катализатор (водный раствор хлористого цинка в присутствии ортофосфорной кислоты) способствует золь-гель процессу поликонденсации ФС при 15-2^oC в течение 1-4 недель с образованием гидрогеля фуриловой смолы, который легко сохнет при комнатной температуре на воздухе или вакууме, а затем наполненная смола плавится и твердеет при повышении температуры. Указанное количество катализатора подобрано так, что меньшие значения не достаточны для осуществления полного процесса полимеризации ФС (при сушке композиции испаряется не прореагировавший спирт), а большие значения способствуют слишком быстрому ходу процесса полимеризации до 1OO^oC и часть воды при этом но успевает удалиться из затвердевшего связующего (при нагревании покрытия выше 100^oС оно становится пористым или образует трещины). Количество углеволокна подобрано так, что при меньших количествах резко увеличивается хрупкость покрытия, а при больших значениях возрастает электропроводность и незначительно гибкость и прочность покрытия. Количества углерода технического, меньшие 4 недостаточны для заполнения пространства между волокнами углерода в композиции, а большие 8 количества приводят к получению пористых покрытий. Количества серы меньше 1 не обеспечивают полную сшивку молекул полимера и соответственно его высокую химическую стойкость, а большие 2 количества серы не оказывают положительных качеств для покрытия.

Известно использование углеродного волокна для создания композиционных материалов [9] проводящих пленок и покрытий [10] Углерод технический (сажа) и сера элементарная являются обычными компонентами композиций для изготовления резиновых изделий [11] Однако только указанное соотношение компонентов композиции в изобретении позволяет получить при ее нанесении (пропитывании) поверхностный слой изделия сохраняющий водонепроницаемые свойства после нагревания выше 150^oС и последующем резким охлаждением в ледяной воде (в отличие от известных аналогов предлагаемого изобретения).

Опытные партии композиции успешно опробованы для получения фурил-углеродных защитных покрытий по угольным, деревянным, металлическим и полимербетонным изделиям и могут быть использованы для изготовления композиционных материалов.

Примеры конкретного выполнения.

1. Приготовление фурил-углеродной композиции ФР "Голтар".

500 кг фурфурилового спирта ГОСТ 28960 помещали в шаровую мельницу с керамическими шарами диаметром 10-12 мм, добавляли 25 кг нарезанного углеволокна "Эвлон" ТУ Ленхимволокно длиной 3-5 мм, добавляли 50 кг углерода технического ГОСТ 7885-68, 20 кг серы элементарной ТУ 6-09-2546-77 и смесь размешивали в течение 24 ч. К смеси добавляли 10 кг водного раствора катализатора (хлористого цинка 4,5 кг, ортофосфорной кислоты 0,5 кг) и размешивали еще 12 ч, подвергали фор-вакуумированию в течение 1 ч для удаления пузырьков воздуха.

Через 1 неделю к смеси добавляли 125 кг ФС и 2,5 кг раствора катализатора и перемешивали 3 ч. Спустя 2-ю неделю опять добавляли 125 кг ФС и 2,5 кг раствора катализатора и перемешивали 3 ч. В 3-ю и 4-ю недели процесс добавления ФС и раствора катализатора повторяли и композиция после 1 ч фор-вакуумирования (для удаления пузырьков воздуха) была готова для использования.

2. Получение фурил-углеродного поверхностного слоя.

Десять угольных электродов (пористость 10-15 мас. по водопоглощению) окунали в композицию, сушили при 20^oС в течение 10-15 ч, нагревали до 75^oС, выдерживали 10-15 ч, охлаждали на воздухе. Повторное пропитывание в композиции, сушку и нагревание осуществляли еще 2 раза аналогичным образом.

3. Испытание фурил-углеродного покрытия.

Образцы нагревали до 200^oС, взвешивали и погружали в воду со льдом, выдерживали в воде 24 ч и взвешивали. Если вес электродов оставался неизменным, то результаты испытаний считались положительными.

Результаты проведенных испытаний по описанной выше методике, но других соотношениях компонентов композиции, приведены в таблице.

Таким образом, введение в состав известной композиции углерода технического, углеродного волокна, серы элементарной и ортофосфорной кислоты при следующих соотношениях компонентов, мас.

Фурфуриловый спирт 82,4-91,3
Углерод технический 4-8
Углеродное волокно 2-5
Сера элементарная 1-2
Хлористый цинк 0,8-1,2
Вода 0,8-1,2
Ортофосфорная кисла 0,1-0,2
обеспечивает получение стойкого к термоудару (нагрев до 200^oС и охлаждение в воде при О^oС), влагонепроницаемого фурил-углеродного покрытия (поверхностного слоя). ТТТ1

Использование: для приготовления композиционных материалов и защитных покрытий, обладающих высокой абразивной и химической стойкостью. Сущность: фурил-углеродная композиция "Голтар" содержит,%: фурфуриловый спирт 82,4-91,3 , хлористый цинк 0,8-1,2 , воду 0,8-1,2 , ортофосфорную кислоту 0,1-0,2 , углерод технический 4-8 , углеродное волокно 2-5 , серу элементарную 1-2. Характеристика свойств: стойкость к термоудару-нагрев до 200^oС и охлаждение в воде при 0^oС. 1 табл.

Фурил-углеродная композиция "Голтар", включающая фурфуриловый спирт, хлористый цинк и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит углерод технический, углеродное волокно, серу элементарную и ортофосфорную кислоту, при следующем соотношении компонентов, мас.

Фурфуриловый спирт 82,4-91,3
Хлористый цинк 0,8-1,2
Вода 0,8-1,2
Ортофосфорная кислота 0,1-0,2
Углерод технический 4-8
Углеродное волокно 2-5
Сера элементарная 1-2