АНТИКОРРОЗИОННОЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ПОЛЫХ МИКРОСФЕР
HOLLOW MICROSPHERE-BASED ANTICORROSION AND HEAT-INSULATING COATING

Изобретение относится к антикоррозионным и теплоизоляционным покрытиям, наполненным полыми микросферами, для теплоизоляции и защиты от коррозии различных поверхностей, трубопроводов тепловых сетей, воздуховодов, нефте- и газопроводов, систем вентиляции и кондиционирования, промышленного оборудования и оборудования жилищно-коммунального хозяйства, в жилищном и промышленном строительстве.
Известен состав для теплогидроизоляционного покрытия трубопроводов, содержащий эпоксидное связующие, наполнитель в виде полых микросфер, (см. заявка на изобретение Российской Федерации №93052300, МПК С04B 26/14, С04B 14/24, C09D 163/00 опубл. 20.07.1996).
Известный состав дополнительно содержит пластификатор и отвердитель. В качестве пластификатора известный состав содержит полиизобутилен И-200, в качестве отвердителя - полиэтиленполиамин, в качестве эпоксидной связующей - модифицированную эпоксидную смолу ЭД-20, а в качестве наполнителя - полые стеклянные микросферы диаметром 200-300 мкм.
Известный состав готовят из компонентов непосредственно перед его применением.
Недостатком известного состава является низкая технологичность. Приготовленный состав быстро твердеет, что затрудняет его нанесение на поверхность. Покрытие на основе эпоксидной смолы обладает невысокой способностью к пластическим деформациям, что приводит к его отслаиванию и растрескиванию при многократном нагреве и охлаждении в период лета и зимы. Кроме того, подобные покрытия не выдерживают длительного контакта с водой.
Известен состав для получения теплоизоляционного покрытия, содержащий, полимерное связующее, наполнитель в виде полых микросфер, технологическую добавку и воду (см. описание к патенту Российской Федерации №2311397, МПК С04B 41/48, C09D 5/18, C09D 109/04, C09D 113/02 опубл. 27.11.2007).
В качестве полимерного связующего в известном составе используют латекс, выбранный из группы, включающей модифицированный акрилацетатный латекс, 33-38%-ный латекс сополимера бутадиена, акрилонитрила и метакриловой кислоты, сополимер стирола и н-бутилакрилата в соотношении 1:1 по массе.
3
В качестве наполнителя используют полые керамические микросферы с удельной массой 450-750 кг/м и твердостью по Мосу 50-70.
К недостаткам известного покрытия относится низкий уровень адгезии в процессе эксплуатации к различным видам поверхности и низкая прочность при растяжении, что уменьшает область его применения. Недостатком также является низкая атмосферостойкость при нормальных температурах, в условиях экстремальных рабочих температур использование керамических микросфер не обеспечивает необходимый уровень теплоизоляции и работоспособности покрытия.
3
Известно теплоизоляционное покрытие, выполненное как минимум в один слой нанесенной на поверхность композицией, включающей полимерное связующие наполнитель в виде полых микросфер, полимерное связующие в виде водоэмульсионной полимерной латексной композиции, содержащей от 10 до 90 об.% (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, стирол-акрилатный сополимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, полимер или сополимер винилацетата или их смеси, от 10 до 90 об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества, и наполнитель в виде полых микросфер размером 10-500 мкм и различной насыпной плотностью 50-650 кг/м (см. описание к патенту Российской Федерации №2251563, МПК C09D 5/02, C09D 5/08. опубл. 10.05.2005).
В качестве наполнителя используют смесь полых микросфер, выбранных из группы: полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые полимерные микросферы, полые техногенные (зольные) микросферы.
Недостатком данного изобретения является низкая тепло и атмосферостойкость, что не позволяет обеспечить необходимый уровень теплоизоляции и срока работоспособности покрытия. К тому же данному покрытию характерны низкие прочностные характеристики.
3
Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к заявляемому изобретению, принятое в качестве прототипа, является антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие на основе полых микросфер, выполненное из водно-суспензионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па·с, включающей смесь полимерного связующего 5-95 об.% с полыми микросферами 5-95 об.% и стабилизатор, в качестве полимерного связующего композиция содержит водоэмульсионную полимерную латексную композицию, содержащую 10-90 об.% (со) полимера, выбранного из группы, включающей, гомополимер акрилата, стирол-акрилатный сополимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, полимер или сополимер винил-ацетата, или их смеси и 10-90 об.% смеси воды, поверхностно-активного вещества, в качестве полых микросфер композиция содержит смесь микросфер с разными размерами 10-500 мкм и различной насыпной плотностью 50-650 кг/м, (см. описание к патенту Российской Федерации №2374281, МПК C09D 5/08, C09D 5/02, C09D 167/00 опубл. 27.11.2009).
В качестве стабилизатора в композиции для известного покрытия используют смесь многоатомного спирта с многоосновной карбоновой или аминокислотой.
Недостатком известного покрытия является низкая адгезия к горячей поверхности. К тому же известному покрытию характерна низкая устойчивость к термоокислительной деструкции, что не позволяет обеспечить необходимый уровень теплоизоляции и срока работоспособности. Также известному покрытию характерны низкие прочностные характеристики при высоком уровне наполнения микросферами, а при низком уровне наполнения композиции микросферами снижаются теплоизоляционные характеристики покрытия. Известное покрытие имеет достаточно высокий удельный вес, что в свою очередь увеличивает нагрузку на конструкцию, на которую наноситься покрытие.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение устойчивости к термоокислительной деструкции, адгезии к горячим поверхностям, увеличение прочностных характеристик и снижение удельного веса композиции.
Техническая задача решается тем, что антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие выполнено из водно-суспензионной композиции вязкостью от 1 до 100 Па с, включающей смесь полимерного связующего 5-95 об.% с наполнителем - полыми микросферами 5-95 об.%, в качестве полимерного связующего композиция содержит водоэмульсионную полимерную латексную композицию, содержащую, латекс (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, стирол-акрилатный сополимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер или сополимер винилацетата или их смеси, поверхностно-активное вещество, воду и долнительно ε-капролактам, при этом в качестве наполнителя используют смесь полых стеклянных микросфер и полых полимерных микросфер, взятых в соотношении 1:1, причем полые полимерные микросферы имеют диаметр 10-90 мкм и насыпную плотность 25-40 кг/м.
ε-капролактам, введенный в качестве исходного сырья в композицию, равномерно распределяется в ней. В процессе эксплуатации покрытия под действием остаточной влаги и тепла ε-капролактам гидролизуется с раскрытием цикла и последующим образованием ε-аминокапроновой кислоты и в результате реакции идет синтез стабилизатора. Повышение температуры защищаемой поверхности приводит к росту скорости гидролиза ε-капролактам в покрытии и накоплению ε-аминокапроновой кислоты. То есть продукт образуется в матрице композиции, в процессе работы покрытия, при воздействии внешних факторов. Наличие аминогруппы в полученном продукте ингибирует процессы окисления полимерного связующего и обуславливает высокий стабилизирующий эффект. При этом стабилизирующий эффект проявляется при воздействии разрушающих факторов, тем самым защищая покрытие от разрушения. Кроме того, образующаяся в процессе работу покрытия ε-аминокапроновая кислота способствует повышению адгезии покрытия к различным поверхностям, так как содержит несколько адгезионно-активных функциональных групп (карбоксильную, гидроксильную и аминогруппу), способных к различным видам межмолекулярного взаимодействия и увеличению глубины диффузионного слоя в зоне адгезионного контакта.
Для получения покрытия с высокими теплоизоляционными характеристиками необходимо иметь наименьший объем свободного пространства между микросферами в матрице композита. При этом для хорошей работы адгезии необходимо обеспечить наибольшую поверхность контакта связующего с поверхностью.
3
3
На фиг.1-5 представлена структура покрытия, где: на фиг.1 изображено распределение микросфер в матрице композиции при одинаковой насыпной плотности и одинаковым радиусом микросфер; на фиг.2- распределение микросфер в матрице композиции при разной насыпной плотности и близкими размерами микросфер; на фиг.3- распределение микросфер в матрице композиции с разными размерами и разной насыпной плотностью микросфер; на фиг.4 - распределение микросфер в матрице композиции с разными размерами и насыпной плотностью порядка 500 кг/м; на фиг.5 - распределение микросфер в матрице композиции с разными размерами и насыпной плотностью 50 кг/м.
При использовании микросфер с одинаковым радиусом и насыпной плотностью имеет место неравномерное распределение микросфер по объему матрицы (фиг.1 и 5), а также частичное осаждение микросфер.
При использовании микросфер с разной плотностью, но близкими размерами наблюдается более равномерное распределение, но при этом заполнение пространства матрицы композиции низкое (фиг.2).
3
3
Наилучшее распределение микросфер по объему матрицы композиции возможно при использовании микросфер с разными размерами и разной насыпной плотностью (фиг.3 и 5), причем разность, как между размерами, так и плотностью микросфер должна быть максимальной. Такой эффект можно получить при использовании комбинации полых стеклянных микросфер диаметром 10-500 мкм с насыпной плотность 50-750 кг/м и полых полимерных микросфер диаметром 10-90 мкм с насыпной плотностью 25-40 кг/м взятых в соотношении 1:1. Кроме того, за счет более низкой насыпной плотности микросфер снижается удельная масса покрытия, и, следовательно, снижается нагрузка на конструкцию и расширяется область его применения.
На прочностные и адгезионные характеристики большое влияние оказывает совместимость компонентов. Достигнуть улучшения совместимости полимерного связующего с наполнителем возможно при применении в качестве наполнителя полимерных микросфер, имеющих схожую природу макромолекулы со связующем. Так, при использовании в качестве полимерного связующего гомополимера акрилата, стирол-акрилатного сополимера необходимо использовать полимерные микросферы изготовленные из акрилатного (со)полимера. При использовании в качестве связующего бутадиен-стирольного сополимера, полистирола необходимо использовать полисти-рольные полимерные микросферы. В предлагаемом изобретении в качестве наполнителя полимерного связующего используют полые стеклянные микросферы и полые полимерные микросферы, что позволяет управлять плотностью, истираемостью и теплопроводностью композиции.
Водоэмульсионная полимерная латексная композиция, используемая в качестве связующего в заявленном антикоррозионном и теплоизоляционным покрытии, дополнительно может содержать различные белые и красящие пигменты, антипиреновые добавки, преобразователи ржавчины и ингибиторы коррозии.
Предлагаемую композицию для антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия готовят следующим образом.
В водоэмульсионную полимерную композицию вязкостью от 1 до 100 Па с (примеры 1-4) на основе, например, стирол-акрилового, или бутадиен-стирольного или винилацетатного латекса вводят воду, поверхностно-активное вещество, например, триполифосфат натрия, диоксид титана, ингибитор ржавчины и тщательно перемешивают с полыми стеклянными и полимерными микросферами взятыми в соотношении 1:1. Затем в приготовленную водно-суспензионную композицию дополнительно вводят е-капролактам (пример 1 и 2). В качестве поверхностно-активного вещества могут быть использованы продукт ОП-7, продукт ОП-10 и др.
Е-капролактам (лактам Е-аминокапроновой кислоты) ГОСТ 7850-86 представляет собой кристаллическое вещество белого цвета, хорошо растворимое в воде, что позволяет равномерно распределить его в водной суспензии композиции.
Композицию по прототипу (пример 5) готовили в том же порядке и при тех же режимах, что и примеры 1-4. Композиция отличается составом, в качестве стабилизирующей добавки она содержит смесь многоатомного спирта с аминокислотой в эквимолекулярном соотношении.
Составы композиций полученных антикоррозионных и теплоизоляционных покрытий приведены в таблице 1.
Полученную композицию можно наносить на поверхность с помощью кисти, валика или безвоздушного распылителя последовательно тонкими слоями (1 слой не более 0,4 мм). Композицию наносили на стальную, бетонную и кирпичную поверхности. Время полного высыхания каждого слоя при температуре 20°C - 24 часа, на отлип - 15-20 минут. В качестве стальной поверхности использовали сухую, чистую и обезжиренную металлическую трубу теплового снабжения, заполненную перегретым теплоносителем с температурой 135°C.
Для определения технических характеристик покрытия было нанесено пять слоев с образованием покрытия толщиной около 2 мм. Технические характеристики и свойства полученных покрытий приведены в таблице 2 и 3.
Полученные покрытия подвергали испытанию.
Вязкость водно-суспензионной композиции определяли по ГОСТ 25271-93 «Пластмассы, смолы жидкие, эмульсия или дисперсия. Определение кажущейся вязкости по Брукфильду».
Плотность антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия определялась по ГОСТ 15139-69 «Пластмассы. Методы определения плотности (объемной массы)» методом обмера и взвешивания.
Прочность при растяжении определяли по ГОСТ 12580-78 «Пленки латексные. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении».
Адгезию к бетонной, кирпичной поверхности и стали определяли по ГОСТ 28574-90 «Защита от коррозии в строительстве. Конструкции бетонные и железобетонные. Методы испытаний адгезии защитных покрытий» методом определения адгезии по силе отрыва и ГОСТ 15140-78 «Материалы лакокрасочные. Метод определения адгезии» методом решетчатого надреза.
Устойчивость композиции к термоокислительной деструкции определяли по ГОСТ 9.707-81 «Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение».
Как видно из приведенных данных, использованная композиция обеспечила получение покрытий на различных поверхностях, обладающих высокой устойчивостью к термоокислительной деструкции, хорошими адгезионными характеристиками при повышенных температурах и более высокими физико-механическими свойствами по сравнению с прототипом.
Предлагаемое покрытие:
- превосходит прототип по уровню прочности при растяжении в 1,2-1,4 раза;
- выдерживает воздействие высоких температур, а именно, при старении при температуре 200°C в течении 1,5 часов не происходит изменения свойств покрытия;
- обладает высокой термоокислительной стабильностью с коэффициентом сохранения свойств при старении близким к единице, тогда как у прототипа он составляет 0,75; что свидетельствует о более высокой стабильности композиции;
- обладает более высокой адгезией к бетонной, кирпичной поверхности и стали при повышенной температуре;
- обладает меньшей плотностью, что снижает удельную нагрузку на конструкцию и/или поверхность.
Таблица 1
Наименование компонента
Содержание по примеру
1
2
3
4
5
водоэмульсионная полимерная ком-
60
50
60
50
60
позиция, об.%:
в том числе масс.%
-
-
стирол-акриловый латекс
67,6
-
68,5
68,5
бутадиен-стирольный латекс
-
68,5
-
-
-
винилацетатный латекс
-
-
67,6
-
-
диоксид титана
6,1
6,2
6,1
6,2
6,2
поверхностно-активное вещество
1,3
1,4
1,3
1,4
1,4
ингибитор ржавчины
1,3
1,4
1,3
1,4
1,4
вода
20,3
20,4
20,3
20,4
20,4
ε-капролактам
3,4
2,1
3,4
2,1
-
многоатомный спирт
-
-
-
-
1
аминокислота
-
-
-
-
1
Полые микросферы, об.%
40
50
50
50
40
в том числе, об.%
стеклянные микросферы:
диаметр 35 мкм, насыпная плотность
650 кг/м<sup>3</sup>
15
15
15
15
30
диаметр 100 мкм, насыпная плот-
ность 150 кг/м<sup>3</sup>
30
30
30
30
60
диаметр 200 мкм, насыпная плот-
ность 70 кг/м<sup>3</sup>
5
5
5
5
10
полимерные микросферы:
диаметр 20 мкм, насыпная плотность 40 кг/м<sup>3</sup>
33
33
33
33
-
диаметр 70 мкм, насыпная плотность 25 кг/м<sup>3</sup>
17
17
17
17
-
Таблица 2
Показатели
Примеры
1
2
3
4
5
Вязкость, Па·с
42
50
42
50
61
Плотность покрытия, кг/м
390
437
397
425
603
Прочность при растяжении, МПа
3,9
4,4
3,7
4,3
3,1
Температура трубы после нанесения покрытия, °C, при наличии в помещении слабых потоков воздуха
55
45
55
50
60
Адгезия к стали, бал, метод решетчатого надреза, при комнатной температуре
1
1
1
1
1
Адгезия к стали, бал, метод решетчатого надреза, при температуре 135°C
1
1
1
1
2
Адгезия к стали, МПа, метод определения по силе отрыва
2,0
2,1
1,8
2,4
1,4
Устойчивость покрытия к воздействию перепада температур от -40 до +60°C
Без изменений
Без изменений
Без изменений
Без изменений
Без изменений
Устойчивость покрытия к воздействию температуры 200°C, старение 1,5 часа
Без изменений
Без изменений
Без изменений
Без изменений
Пожелтение
Таблица 3
Показатели
Примеры
1
2
3
4
5
Устойчивость покрытия к воздействию перепада температур от -40 до +60°C
без изменений
без изменений
без изменений
без изменений
без изменений
Устойчивость покрытия к воздействию температуры 200°C, старение 1,5 часа
без изменений
без изменений
без изменений
без изменений
пожелтение
Коэффициент старения (по изменению прочности при разрыве), температура 135°C 7 суток
0,97
0,98
0,84
0,97
0,75
Адгезия к стали, бал, метод решетчатого надреза, при комнатной температуре
1
1
1
1
1
Адгезия к стали, бал, метод решетчатого надреза, при температуре 135°C
1
1
1
1
2
Адгезия к кирпичной поверхности, бал, метод решетчатого надреза, при комнатной температуре
1
1
1
1
2
Адгезия к бетонной поверхности, бал, метод решетчатого надреза, при комнатной температуре
1
1
1
1
2