ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
PROTECTIVE COATING FOR METAL SURFACES

Изобретение относится к виду защитных покрытий на основе полимерного компонента очищенной натрий-карбоксиметилцеллюлозы (класс полисахаридов), предназначенных для защиты металлических поверхностей от агрессивных сред.
51
Известен материал, предназначенный для защиты металлических трубопроводов при перекачивании агрессивных сред (пат. №2321610 РФ: МПК C09D 101/28, C08L 1/28, B65D 90/06, C08K 3/08, C08K 5/053. Защитное покрытие для металлических поверхностей / Н.М.Антонова, Г.Г.Мельник. - 3аявл. 09.01.2007; опубл. 10.04.2008, Бюл. №10). Материал содержит 2,0% раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной, порошок цинковый ПЦ1 и глицерин при следующем соотношении компонентов, вес.ч.: 2,0% раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной 94-100; порошок цинковый ПЦ1 0,5-1,5; глицерин 0,9-1,5. Изобретение позволяет получить покрытие, обладающее заданными электрофизическими характеристиками, обеспечивающими отведение накопленного при движении агрессивной жидкости по трубам электрического заряда к заземляющим контурам, отличается простотой изготовления и нанесения на поверхность и может эксплуатироваться в интервале температур 0-200°С. Механическая прочность полученного покрытия 10 МПа, величина относительной деформации 17,0%, адгезионная прочность 1 балл, толщина покрытия 70 мкм.
Недостатком указанного покрытия является длительность изготовления (6 часов), невысокая механическая прочность покрытия.
Наиболее близким по составу к заявленному является защитное покрытие для металлических поверхностей. (Пат. №2266307 РФ: МПК7 C08L 1/28, C09B 199/00, C09J 101/28, B65D 90/06. Защитное покрытие для металлических поверхностей / Н.М.Антонова, О.В.Аксенова, В.И.Кулинич, И.А.Неелова. - Заявл. 23.08.2004; опубл. 20.12.2005, Бюл. №35). Предлагаемый материал содержит полимерный компонент - 2,25% раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной /ТУ 6-55-39-90/, представляющий собой натриевую соль целлюлозогликолевой кислоты, порошок алюминия сферического дисперсного /ТУ 48-5-226-87/, и глицерин при следующем соотношении компонентов, вес.ч: 2,25% раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной 98-102, порошок алюминия сферического дисперсного 0,74-2,5, глицерин 0,74-2,5. Механическая прочность полученного покрытия 25 МПа, величина относительной деформации 22,8%, толщина покрытия 50 мкм.
Недостатком указанного покрытия является длительность изготовления (10-12 часов).
Задачей изобретения является получение защитного композиционного покрытия, устойчивого к агрессивным растворителям и полиэфирным ненасыщенным лакам, отличающегося толщиной не более 40 мкм, с механическими характеристиками, удовлетворяющими эксплуатационным требованиям, простотой изготовления и нанесения на поверхность, экологически чистого, эксплуатируемого в широком интервале температур (0-200°С).
Поставленная задача достигается за счет того, что предлагаемая композиция, помимо натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной /ТУ 6-55-39-90/, представляющей собой натриевую соль целлюлозогликолевой кислоты, и глицерина содержит дополнительно фракцию порошка алюминия с размером частиц 10-20 мкм, полученную методом рассева из порошка алюминия сферического дисперсного, содержащего частицы размером до 40 мкм /ТУ 48-5-226-87/, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
3,0% раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной
92-100
порошок алюминия сферического дисперсного
5,6-7,6
глицерин
5,0-7,6
Фракцию порошка алюминия с размерами частиц 10-20 мкм получали с помощью электростатического рассева на электростатическом анализаторе ЭЛСА-2. В работе использовались никелевые сеточные полотна с точными размерами ячеек. Раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной соответствующей концентрации перемешивали с частотой 60 об/мин в течение 10 минут при температуре 60°С в реакторе, имеющем рамную мешалку и рубашку обогрева, и выдерживали раствор 1 час до полного растворения натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной при той же температуре. Затем добавляли глицерин и порошок алюминия с размерами частиц 10-20 мкм и дополнительно перемешивали еще 10 минут. Полученный гелеобразный раствор наносили на предварительно обработанную поверхность стали 08кп. Поверхность с покрытием толщиной не менее 40 мкм высушивали в течение 2 часов при температуре (100±2)°С. Суммарное время изготовления и сушки покрытия не превышает 3,5 часов. Это обусловлено отсутствием в растворе частиц порошка алюминия размерами менее 10 мкм, склонных к образованию агломератов и приводящих к структурной неоднородности покрытия, а также повышением температуры вымешивания раствора и сушки покрытия.
Полученное композиционное покрытие обладает при толщине покрытия 40 мкм механическими характеристиками: механическая прочность полученного покрытия σ=30,6 МПа, величина относительной деформации ε=16,0%, адгезионная прочность 1 балл, что позволяет достичь технический результат, заключающийся в следующем:
- отсев частиц порошка алюминия с размером более 20 мкм приводит к уменьшению оксидных включений, представляющих рыхлую оксидную пленку на частицах металла. Количество дефектов на поверхностях частиц, являющихся концентраторами напряжений, уменьшается, и механическая прочность покрытия возрастает;
- частицы порошка алюминия, имеющие размер, сопоставимый с неровностями микрорельефа защищаемой поверхности (стали 08кп), заполняют ее впадины и равномерно распределяются в объеме покрытия, обеспечивая прочное сцепление покрытия с металлической поверхностью и высокую адгезионную прочность покрытия;
- доступность порошка алюминия обеспечивает значительную экономию в получении покрытия.
Для определения механических характеристик покрытия из раствора методом налива изготовили пленки толщиной 40 мкм с частицами порошка алюминия с размерами 10÷20 мкм, 21÷30 мкм и 31÷40 мкм. Характеристики - механическую прочность на разрыв (σ, МПа) и относительную деформацию удлинения при разрыве (ε, %) определяли в соответствии с методикой, изложенной в ОСТ 84-434-71, адгезионную прочность по ГОСТ 16253-70 (здесь 1 балл - наилучшая адгезия, 5 баллов - неудовлетворительная).
Результаты испытаний приведены в табл.1 (примеры 1-3). Полученные механические характеристики для состава с порошком алюминия, с частицами размером 10-20 мкм удовлетворяли эксплуатационным требованиям и приведены в табл.1 (пример 1).
Для анализа процессов совместного структурообразования сочетаний порошка алюминия с размерами частиц 10÷20 мкм, 21÷30 мкм и 31÷40 мкм соответственно с натрий-карбоксиметилцеллюлозой очищенной и глицерином и влияния этих процессов на механические характеристики был проведен электронно-микроскопический анализ образцов покрытий.
На чертеже показаны фрагменты поверхности образцов полученных композиционных покрытий.
С увеличением размера частиц алюминия количество оксидных включений, толщина и рыхлость оксидной пленки на частицах, дефекты на ее поверхности возрастают и служат концентраторами напряжений (чертеж, А), что приводит к падению прочности. Частицы меньшего размера (10÷20 мкм) имеют более тонкую пленку без дефектов, распределены в матрице сравнительно однородно и обуславливают повышенную прочность границ раздела «металл-полимер». При размерах частиц менее 10 мкм преобладает склонность мелкой фракции к агломерации как внутри, так и на границах покрытия. Коагулянты из таких частиц порошка алюминиевого способствуют улучшению адгезии покрытия к защищаемой поверхности, выполняя роль стягивающих элементов, однако структурная однородность покрытия, не содержащего более крупных частиц алюминиевого порошка, нарушается, и прочность понижается (чертеж Б).
Полимер натрий-карбоксиметилцеллюлоза очищенная без металлического порошка и глицерина в покрытии имеет слоистую структуру, способствующую трещинообразованию (чертеж В). Пластификатор выполняет роль компонента, снижающего внутренние напряжения в композите и на границе раздела «защищаемая поверхность - покрытие», увеличивая механическую прочность за счет повышения упругих свойств покрытия. Добавление в состав порошка алюминия, имеющего размер частиц 10÷20 мкм, позволяет при меньшей толщине покрытия, равной 40 мкм, получать более высокие механические характеристики и значительно снизить время его сушки.
Совместная комбинация натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной с глицерином и порошком алюминия с частицами размером 10÷20 мкм позволяет получить покрытие, обладающее высокими защитными свойствами, наряду с удовлетворяющими эксплуатационным требованиям значениями механических характеристик: прочности при разрушении (σ, МПа), относительной деформации (ε, %) и адгезионной прочности. Для трех диапазонов размеров частиц 10÷20, 21÷30, 31÷40 мкм с помощью метода математического планирования эксперимента были определены в каждом диапазоне оптимальные значения: температурный режим, размер частиц, сочетания компонентов, обеспечивающие заданные механические характеристики, удовлетворяющие эксплуатационным требованиям.
Пример 1. Образцы получены при использовании фракции с размерами частиц порошка алюминия 10÷20 мкм.
Гелеобразный 3,0% раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной содержал сверх 100 г раствора 5,6 г порошка алюминия с размером частиц 10 мкм и 7,6 глицерина. Методом налива из полученного гель-раствора была изготовлена пленка толщиной 40 мкм, высушенная при температуре 100,0°С.
Механические характеристики - прочность при разрушении (σ, МПа) и относительную деформацию удлинения при разрыве (ε, %) - определяли в соответствии с методикой, изложенной в ОСТ 84-434-71, на разрывной машине РМ-4, обеспечивающей скорость движения подвижного захвата относительно неподвижного 2,5 мм/мин, значения адгезионной прочности покрытия к поверхности стали 08 кп по ГОСТ 16253-70.
Значения механической прочности (σ), относительной деформации (ε) и адгезионной прочности удовлетворяют эксплуатационным требованиям. Результаты приведены в табл.1.
Покрытие теплостойко в интервале температур ≤200°С.
Пример 2. Образцы получены при использовании фракции порошка размерами 21÷30 мкм.
Образцы получены на основе 2,3% раствора натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной с добавлением 1,7 г порошка алюминия с размером частиц 28 мкм и 0,6 г глицерина к 100 г раствора вышеизложенным способом. Пленку толщиной 40 мкм высушили при температуре 44,0°С и провели испытания, как указано в примере 1. Результаты испытаний отражены в таб.1.
Механическая прочность (σ) низка, относительная деформация (ε) соответствует эксплуатационным требованиям, адгезионная прочность высокая. Результаты механических испытаний не удовлетворяют эксплуатационным требованиям и приведены в табл.1.
Покрытие теплостойко в интервале температур ≤200°С.
Пример 3. Образцы получены при использовании фракции порошка размерами 31÷40 мкм.
Гелеобразный 2,7% раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной содержал сверх 100 г раствора 3,5 г порошка алюминия с размером частиц 40 мкм и 0,8 г глицерина. Пленку толщиной 40 мкм высушили при температуре 43,8°С и провели испытания, как указано в примере 1. Результаты испытаний отражены в табл.1. Результаты механических испытаний не удовлетворяют эксплуатационным требованиям.
Покрытие теплостойко в интервале температур ≤200°.
Составы, указанные в примерах 1, 2, 3, испытывали на устойчивость к агрессивным средам. Для этого стальные образцы-пластинки с нанесенным покрытием (толщиной покрытия 40 мкм) высушивали в течение 2 часов при температуре (100±2)°С и испытывали на устойчивость к агрессивным средам - растворителям и полиэфирному лаку. Результаты испытаний приведены в табл.2.
Соотношение весовых частей, использованных в примерах 1, 2, 3, указано в табл.3.
Из описанных примеров видно, что покрытие наилучшего качества получается на основе композиции, описанной в примере 1.
Таблица 1
σ, МПа
ε, %
Адгезия, баллы
Примечание
30,6
16,0
1
Пример 1
11,8
12,0
1
Пример 2
10,8
16,0
2
Пример 3
Таблица 2
Устойчивость
Примечание
Растворители
Лаки полиэфирные ненасыщенные
Толуол
Этилацетат
Ацетон
Спирт этиловый
Стирол
ПЭ-246
+
+
+
+
-
+
Пример 1
+
+
+
+
+
+
Пример 2
+
+
+
+
-
-
Пример 3
Таблица 3
Соотношение весовых частей
Раствор натрий-карбоксиметилцеллюлозы очищенной
Порошок алюминия
Глицерин
Размер частиц, мкм
Температура сушки покрытия, °С
Примечание
3,0% - 100 вес.ч.
5,6 вес.ч.
7,6 вес.ч.
10
100,0
Пример 1
2,2% - 100 вес.ч.
1,7 вес.ч.
0,6 вес.ч.
28
44,0
Пример 2
2,7% - 100 вес.ч.
3,5 вес.ч.
0,8 вес.ч.
40
43,8
Пример 3