ИНГИБИТОР КОРРОЗИИ СТАЛИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
INHIBITOR OF STEEL CORROSION AND PROCEDURE FOR ITS PRODUCTION

Область техники, к которой относится группа изобретений
Группа изобретений относится к области защиты стали от коррозии и может быть использована для защиты путепроводов (железнодорожных и автомобильных мостов) и других металлических конструкций или сооружений.
Уровень техники
Известен состав защиты металлов от коррозии на основе хроматов и фосфатов с введением в него солей аминов и органических кислот с добавкой поверхностно-активных веществ (Авт. Свид. СССР №280163, C23F 11/08, 1972).
К недостаткам известного состава следует отнести сложность состава и сложность его приготовления, а также большие расходы солей, что приводит к высокой стоимости этого метода защиты металла от коррозии.
Кроме этого, используемые компоненты являются химически активными веществами и требуют для их использования специальных мер защиты, а также специального дорогостоящего оборудования.
Известен также состав ингибитора коррозии металлов на основе водорастворимых полимеров, включая водорастворимый полиэлектролит, который получают при полимеризации четвертичной аммониевой соли 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата в водной среде в присутствии окислительно-восстановительного инициатора β-оксипропилтретбутилпероксида (патент RU №2202653, C23F 11/173, 20.04.2003 г., Бюл. №11). Ингибирующее действие известного ингибитора заключается в том, что, адсорбируясь на поверхности металла, он образует тонкую защитную пленку, которая препятствует протеканию окислительно-восстановительных процессов.
Применяемое вещество является малодоступным и дорогостоящим, а способ его «превращения» (получения) в ингибитор коррозии металлов - трудозатратным, поскольку требует организации специального производства и специального оборудования, что следует отнести к причинам, препятствующим его широкому использованию. К тому же продукт токсичен.
Имеется потребность в новых эффективных средствах и способах, которые могут обеспечить:
1) высокую степень защиты металлов от коррозии при использовании недорогих общедоступных ингредиентов, в том числе выпускаемых отечественной промышленностью;
2) одновременно значительно снизить трудозатраты на его производство;
3) упростить технологию его получения (приготовления), что позволит организовать его производство (получение) непосредственно на месте (обработка, например, железнодорожного моста);
4) добиться экологической безопасности при использовании ингибитора в полевых условиях;
5) снизить энергозатраты при производстве и нанесении ингибитора;
6) снизить стоимость всего технологического процесса ингибирования.
Предпосылки создания предлагаемого изобретения, решающего указанную выше триединую задачу (состав, способ получения, способ нанесения), были заложены в патенте № RU 2353709. Указанное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому и выбрано нами за прототип.
В указанном техническом решении вещество-ингибитор коррозии стали на основе водорастворимого полимера содержит бентонитовую глину, а в качестве водорастворимого полимера используют полиоксиэтилен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Полиоксиэтилен
0,001-0,1
Бентонитовая глина
0,5-4,0
Кальцинированная сода
0,1-1,0
Вода
Остальное
В этом составе используется водорастворимый полимер (полиоксиэтилен) с малой молекулярной массой, равной 6000 (марка ПЭГ 6000).
Данный ингибитор при нанесении на стальное изделие обеспечивает высокую степень защиты, а также снижает скорость коррозии.
К недостаткам его следует отнести следующее: 1) готовый ингибитор чувствителен к изменениям внешних условий (температура), что может привести к его необратимой коагуляции с потерей ингибирующих свойств и трудностям использования в полевых условиях; 2) состав приготавливается в относительно узком температурном диапазоне (18-22°С); 3) требуется длительное время для набухания и смешения компонентов; 4) относительно высокая концентрация компонентов.
В известном способе получения ингибитора коррозии стали на основе водорастворимого полимера в водной среде в емкость, снабженную мешалкой и рН-метром, загружают водный раствор полимера, в качестве которого используют полиоксиэтилен, с концентрацией 0,9-1,0 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке и при 18-22°С, затем вводят раствор кальцинированной соды с концентрацией 0,9-1,0 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью 1 л/мин вводят раствор водной суспензии бентонитовой глины с концентрацией 5-10 мас.%, затем добавляют расчетное количество воды и полученную массу перемешивают в течение 10-15 мин.
Описанный способ соответствует требованиям получения ингибитора заданной эффективности. Однако практическая реализация способа, особенно в полевых условиях, сопряжена с целым рядом трудностей:
1) требуется жестко контролировать температуру процесса, а также требуется относительно длительное время на подготовку компонентов и смешение раствора, и любое нарушение технологии неизбежно приводит к необратимой коагуляции бентонита;
2) отсутствует возможность заранее приготовить ингибитор в концентрированном виде, чтобы перед использованием его можно было только разбавить водой;
3) требуется специальное оборудование с термостатированием;
4) низкие гидродинамические свойства состава, затрудняющие нанесение ингибитора.
5
6
Предлагаемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом, т.е. единая задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, заключается в использовании общедоступного водорастворимого полимера с молекулярной массой 10-8·10, такого как, например, полиоксиэтилен, и других компонентов, причем в небольшом количестве, и упрощение технологии (способа) получения конечного продукта, не требующего особых условий. Процесс получения ингибитора может быть организован непосредственно на объекте, например при обработке железнодорожного моста.
Техническим результатом группы изобретений является:
1) упрощение технологии приготовления ингибитора за счет исключения операций по контролю температуры;
2) сокращение времени приготовления раствора;
3) появление возможности приготовления концентрированного раствора ингибитора с последующим его разбавлением до требуемой концентрации непосредственно перед употреблением;
4) снижение расхода реагентов для ингибирования поверхности, улучшение гигиенических и экологических свойств состава за счет уменьшения концентрации компонентов;
5) уменьшение внутреннего трения при перекачивании и нанесении ингибитора за счет использования водорастворимого полимера с высокой молекулярной массой.
Сущность группы изобретений
5
6
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений в отношении вещества достигается тем, что известном ингибиторе коррозии стали на основе водорастворимого полимера полиоксиэтилена и бентонитовой глины в качестве водорастворимого полимера использован полиоксиэтилен с молекулярной массой 10-8·10, а в качестве бентонитовой глины использован модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Полиоксиэтилен с молекулярной массой 10<sup>5</sup>-8·10<sup>6</sup>
0,0005-0,01
Модифицированный бентонит
0,1-0,5
Кальцинированная сода
0,002-0,02
Вода
Остальное
6
6
Предложенный ингибитор обладает более устойчивыми термохимическими свойствами, его можно готовить в концентрированном виде и разбавлять водой до требуемой концентрации непосредственно перед нанесением. Кроме того, использование высокомолекулярных водорастворимых полимеров улучшает гидродинамические характеристики раствора ингибитора, что существенно облегчает его нанесение с использованием насосов высокого давления. Очень малые концентрации полимера обеспечивают экологическую безопасность производства и использования материала в полевых условиях без организации дополнительных мер безопасности. Использование полиоксиэтилена с более высоким молекулярным весом также возможно, нами были испытаны композиции на основе полиоксиэтилена с молекулярной массой до 20·10. Однако область молекулярных весов до 8·10 является предпочтительной с практической точки зрения, так как при более высоких молекулярных массах исходные концентрированные растворы полимера становятся очень вязкими, легко подвергаются механодеструкции, и их использование в полевых условиях без специального оборудования невозможно.
Помимо этого, в предлагаемом составе использован модифицированный бентонит с высоким содержанием (более 80%, тогда как в обычных бентонитах его содержание не превышает 50%) основного действующего компонента - минерала монтмориллонита. В модифицированном бентоните размер глинистых частиц снижен до 1-100 нм и улучшена набухаемость, это обеспечивает легкость растворения, повышенную седиментационную устойчивость суспензии, облегчение и сокращение времени на приготовление растворов. Более высокая стоимость модифицированного бентонита (примерно в 1,5-2 раза) компенсируется его более низким содержанием (примерно в 5 раз).
6
При этом использование полимера с высокой молекулярной массой 10-8·10 дает возможность существенно, в 5-10 раз, уменьшить требуемое количество (концентрацию) как самого полимера, так и других компонентов. Снижение концентрации компонентов становится возможным также за счет одновременного использования модифицированного бентонита, где доля основного действующего вещества - минерала монтмориллонита достигает 80% и более.
Удается достигнуть оптимального соотношения между компонентами с одновременным уменьшением их количества, необходимым для достижения требуемого защитного эффекта.
5
6
Технический результат изобретения в отношении способа получения ингибитора достигается тем, что в емкость загружают концентрированный водный раствор полиоксиэтилена с молекулярной массой 10-8·10, с концентрацией 0,01-0,2 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке, затем вводят концентрированный водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 2-4 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии модифицированного бентонита с концентрацией 1-2 мас.% и полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин до однородного состояния, затем добавляют расчетное количество воды.
Состав материала сформирован таким образом, что при его изготовлении нет прямой зависимости от температурного режима. Предложенный способ позволяет существенно упростить и ускорить технологический процесс за счет увеличения скорости смешивания компонентов (2 л/мин вместо 1 л/мин) и сокращения времени их перемешивания (3-5 мин вместо 15-20 мин). Как следствие, процесс ингибирования упрощается и удешевляется, улучшаются экологические последствия применения ингибитора в полевых условиях, а также упрощается процесс его нанесения на стальную поверхность.
Процесс получения ингибитора может быть организован непосредственно на объекте, например при обработке железнодорожного моста, или с помощью передвижной установки с получением единого технического результата:
- использование общедоступного недорогого водорастворимого полимера и других дешевых нетоксичных компонентов;
- упрощение технологии (способа) получения конечного продукта, не требующего специального оборудования;
- возможности организации производства ингибитора на рабочей площадке обрабатываемого объекта.
5
6
Предлагаемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом, т.е. единая задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, заключается в использовании общедоступного водорастворимого полимера - полиоксиэтилена с молекулярной массой 10-8·10 и модифицированного бентонита с содержанием монмориллонита от 80% и более, причем в небольшом количестве, и упрощение технологии (способа) получения конечного продукта, не требующего специального оборудования.
Предпочтительный вариант выполнения изобретения
Ингибитор коррозии стали
Общий пример.
Ингибитор коррозии стали на основе водорастворимого полимера, в качестве которого использован полиоксиэтилен и модифицированный бентонит, содержит полиоксиэтилен с молекулярной массой при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Полиоксиэтилен с молекулярной массой 10<sup>6</sup>-4·10<sup>6</sup>
0,001-0,01
Модифицированный бентонит
0,3-0,4
Кальцинированная сода
0,002-0,02 (до рН 8-9)
Вода
остальное
Присутствие в растворе полимера - полиоксиэтилена с высокой степенью полимеризации и модифицированной бентонитовой глины с повышенным содержанием монтмориллонита обеспечивают агрегативную устойчивость полученного состава (седиментационно устойчивая коллоидная система) с необходимыми реологическими свойствами.
В указанном диапазоне рН длинные и полярные молекулы полимера в растворе выпрямляются (при меньших значениях свертываются в компактный клубок, более высокие значения допустимы, но нежелательны из-за гигиенических и экологических требований), легко и прочно адсорбируются на полярной поверхности микрочастиц монтмориллонита и надежно обеспечивают агрегативную устойчивость получаемой коллоидной дисперсии. В указанном диапазоне концентраций также обеспечивается требуемый уровень реологических свойств: псевдопластичность (тиксотропия) при малых скоростях сдвига и дилатантность (изменение объема материла при сдвиговой деформации) в условиях высокоскоростного динамического воздействия. Из-за очень высокой длины молекулы (превышает размер частиц монтмориллонита) самого полимера требуется значительно меньше, а качество стабилизации повышается (увеличивается межчастичное расстояние). Кроме того, присутствие высокомолекулярного полимера улучшает гидродинамические характеристики потока композиции (ламинарность потока при больших скоростях течения) и, следовательно, упрощает процесс нанесения ингибитора с помощью насосов высокого давления.
Заявленная совокупность существенных признаков, а именно качественный и количественный состав ингибитора коррозии стали:
1) позволяет получить недорогое средство на основе общедоступных компонентов, причем их количественный состав и концентрации сведены до минимума;
2) исходные компоненты нетоксичны, что очень важно с экологической точки зрения;
3) состав обладает целым рядом новых положительных качеств: устойчив к термодеструкции, его можно приготовлять заранее в концентрированном виде, работоспособен в широком диапазоне температур, обладает улучшенными гидродинамическими характеристиками, упрощена технология применения (нанесения) ингибитора.
Предпочтительный вариант выполнения изобретения.
Способ получения ингибитора коррозии стали
Общий пример.
6
В емкость, снабженную мешалкой и рН-метром, загружают концентрированный водный раствор полиоксиэтилена с молекулярной массой 4·10, с концентрацией 0,01-0,2 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке, затем вводят концентрированный водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 3 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии модифицированного бентонита с концентрацией 1-2 мас.% и полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин, затем добавляют расчетное количество воды до получения ингибитора заданной концентрации.
Пример конкретного способа получения ингибитора
Для обработки, например, одного пролета железнодорожного моста заявленный ингибитор готовят следующим образом.
6
В двух отдельных емкостях объемом 120 л и 60 л предварительно готовят набухшие растворы исходных компонентов. В первую емкость объемом 120 л загружают при перемешивании 0,02 кг полиоксиэтилена с молекулярной массой 4·10 (например, марки «Polyox WSR-301» производства корпорации Union Carbide Chemicals & Plastics Technology) и 50,0 кг воды. Во вторую емкость объемом 60 л при перемешивании загружают 3,0 кг модифицированной бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита более 80% (например, марки «Бентокон» ТУ 5751-002-5 8156178-02) и 47,0 кг воды.
В емкость с полиоксиэтиленом добавляют 3% раствор кальцинированной соды и доводят рН раствора до 8-9 (требуется около 1 кг раствора соды). Затем содержимое емкости с бентонитом выливают при постоянном перемешивании со скоростью 2 л/мин в емкость с полиоксиэтиленом, состав перемешивают до однородного состояния 3-5 мин.
В результате получается 101 кг концентрированного раствора ингибитора, который может храниться в закрытом виде длительное время. Непосредственно перед нанесением ингибитора полученный концентрат заливают в емкость объемом 1000 л, добавляют 899 кг воды и перемешивают. Можно также использовать и более концентрированные растворы полиоксиэтилена и бентонита при приготовлении концентрата, однако при этом повышается вязкость раствора полимера, что затрудняет процедуру смешивания компонентов, особенно в полевых условиях.
Таким образом, полученный состав находится в пределах заявленных концентраций (полиоксиэтилен 0,002 мас.%, бентонит 0,3 мас.%, сода 0,003 мас.%).
Применение ингибитора коррозии стали, полученного описанным способом, осуществляется следующим образом.
Жидкий ингибитор на стальные конструкции наносят с помощью наноса высокого давления. В результате взаимодействия жидкой струи ингибитора со стальной твердой поверхностью образуется полимерно-минеральная пленка с высокими механическими и адгезионными свойствами.
2
Предварительные лабораторные испытания заявленного ингибитора коррозии стали при температуре от -40 до +45°С показали, что он обеспечивает степень защиты 95-99% и снижает скорость коррозии до 0,0001 г/мч.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании каждого из объектов заявленной группы изобретений следующей совокупности условий:
для заявленного каждого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в соответствующей формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
заявленные технические решения способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «промышленная применимость».
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта вещество, так и для объекта способ, позволяют утверждать, что заявляемые решения соответствуют требованию «новизна» и «изобретательский уровень».
Следует заметить, что преимущества предлагаемой группы изобретений обеспечиваются представленной совокупностью существенных признаков, каждый из которых выполняет свою функцию, а вместе, во взаимосвязи, они решают задачу создания эффективного ингибитора из недорогих компонентов и простой технологии его получения, причем практически в любом месте.