СОСТАВ ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ
PROTECTIVE COATING COMPOSITION

Изобретение относится к составам для получения защитных покрытий на основе эпоксидных смол, предназначенных для защиты деталей и элементов конструкций из алюминиевых сплавов и сталей от абразивного износа при истирании во время эксплуатации изделий.
Одним из важнейших вопросов, стоящим перед современным материаловедением, является обеспечение надежной защиты конструкционных материалов: алюминиевых сплавов и сталей, а также полимерных конструкционных материалов, которые в процессе эксплуатации подвергаются внешним воздействиям, приводящим к изнашиванию поверхности материалов, активизации процессов старения и снижению конструкционной прочности.
Известно износостойкое покрытие для передних кромок профилей лопаток, которое включает: эпоксидный полимер, модифицированный силоксанами, аминный отвердитель Epicure 3164, твердые частицы (оксиды, бориды, нитриды металлов) (патент США №6706405).
Известное покрытие является недостаточно эластичным, имеет невысокую адгезию к анодированным алюминиевым сплавам.
Известно износостойкое защитное покрытие на основе эпоксидного олигомера, модифицированного полисилоксаном, содержащее в качестве наполнителя мелкодисперсный порошок алюминия и стали (патент США №5904959).
Однако это покрытие имеет недостаточно высокую эластичность и невысокую адгезию к полимерным композиционным материалам.
Известно абразивостойкое покрытие для защиты металлических поверхностей автотранспорта, которое содержит феноксисмолу, полимерный пластификатор, электропроводные карбиды металлов или боридные пигменты (патент Германии №10249332).
К недостаткам такого покрытия следует отнести низкую адгезию к анодированным алюминиевым сплавам и полимерным композиционным материалам, а также хрупкость покрытия.
Известна композиция для получения полимерного защитного барьерного износоустойчивого покрытия на различных поверхностях, включающая эпоксидную диановую смолу, дибутилфталат или алифатическую эпоксидную смолу ДЭГ-1, отвердитель полиэтиленполиамин, а также пластинчатый наполнитель в виде андезитовой базальтовой чешуи с толщиной пластинок от 0,2 до 7,0 мкм, а также при необходимости аэросил и органический растворитель (патент РФ №2306325).
Известное покрытие имеет значительную толщину, обладает невысокой адгезией к алюминиевым сплавам и недостаточно высокой эластичностью.
Известна композиция покрытия для защиты металлических поверхностей в условиях абразивного износа. Композиция содержит эпоксидную смолу, полиаминный отвердитель, пластификатор (триэтиленгликоль или дибутилфталат), фторполимер и наполнитель, который представляет собой смесь маршалита, или корунда, или шамотной глины и порошка графита (патент РФ №2239645).
Недостатками указанного покрытия являются невысокие физико-механические свойства, в связи с чем требуется применение внешнего армирующего слоя ленточного наполнителя, значительная толщина покрытия (2-5) мм, а также сложная и трудоемкая технология его нанесения.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является состав для защитного покрытия, включающий, мас.ч.:
Эпоксидная диановая смола с молекулярной массой 1000-3500
100
Модификатор (низкомолекулярный эпоксиуретановый или бутадиенакрилонитрильный карбоксилатный каучук)
3,0-50,0
Отвердитель аминного типа - полиамидная смола или кремнийорганический амин
15,0-50,0
Нитевидные кристаллы оксида цинка или нитрида бора
7,0-50,0
Органический растворитель - смесь ксилола, ацетона и бутилацетата или смесь ацетона, ксилола и этилцеллозольва
140,0-400,0
Состав дополнительно может содержать пигменты в количестве 10-30 мас.ч. и ингибиторы коррозии в количестве 10-40 мас.ч. (патент РФ №2290421).
Указанный состав для покрытия предназначен для защиты конструкций из алюминиевых сплавов и различных сталей, а также полимерных композиционных материалов от воздействия факторов внешней среды при эрозионном воздействии. Покрытие обладает высокой адгезией к металлам и полимерным композиционным материалам, высокими физико-механическими свойствами, устойчивостью к газоабразивной и газокапельной эрозии в условиях воздействия динамических нагрузок, высокой водостойкостью и защитными свойствами. Обладая высокой стойкостью к газоабразивной и газокапельной эрозии в условиях воздействия динамических нагрузок, обусловленной эффектом армирования эпоксикаучуковой полимерной системы нитевидными кристаллами оксида цинка или нитрида бора, указанное покрытие недостаточно устойчиво к истиранию. Используемые в покрытии высокомодульные наполнители обеспечивают эффект армирования полимерной матрицы, однако их пространственная структура и физико-механические характеристики способствуют повышению коэффициента трения поверхности покрытия, что приводит к повышению его износа при истирании.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание состава для защитного покрытия, износостойкого при истирании, обладающего высокой твердостью, эластичностью, влагостойкостью, устойчивостью к перепадам температур до 150°С при сохранении адгезии к алюминиевым сплавам, различным сталям, полимерным композиционным материалам и прочности при ударе на уровне прототипа.
Для решения поставленной технической задачи предложен состав защитного покрытия, включающий эпоксидную диановую смолу, отвердитель аминного типа, модификатор, наполнитель и органический растворитель, который в качестве модификатора содержит низкомолекулярный эпоксиуретановый, полисульфидный или бутадиенакрилонитрильный каучук, в качестве наполнителя - мелкодисперсный квазикристаллический металлический наполнитель системы Al-Cu-Fe и микроармирующий наполнитель волокнистой или пластинчатой формы, выбранный из группы, включающей природные или искусственные силикаты магния, алюминия или кальция, пылевидный кварц или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Эпоксидная диановая смола
100,0
Отвердитель аминного типа
10,0-50,0
Модификатор
5,0-40,0
Указанный квазикристаллический налолнитель
50,0-150,0
Указанный микроармирующий наполнитель
20,0-100,0
Органический растворитель
200,0-420,0
В качестве отвердителя аминного типа состав содержит полиамидную смолу или кремнийорганический амин или их смесь.
Для обеспечения требуемых декоративных и оптических характеристик состав дополнительно содержит матирующие добавки в количестве 15,0-35,0 мас.ч.
Для придания покрытию цвета состав дополнительно содержит пигменты в количестве 5,0-40,0 мас.ч.
Наилучший технический результат заявляемого изобретения достигается при использовании в предлагаемом составе эпоксидных смол с молекулярной массой 800-1600 и массовой долей эпоксидных групп от 6,5% до 12,0%, например, марок Э-41, Э-44, Э-49 (ТУ 6-09-3513-86, ТУ 6-10-607-78, ГОСТ 20824-81, ГОСТ 10587-84, ТУ 6-10-1347-75).
В качестве отвердителя в составе используется продукт конденсации димеризованных жирных кислот растительных (льняное, соевое) масел с полиэтиленполиамином, например, полиамидная смола ПО-200 (ТУ 2224-092-05034239-96, ТУ 6-10-1279-77) или аминосодержащее этоксипроизводное соединение кремния (кремнийорганический амин) - γ-аминопропилтриэтоксисилан АГМ-9 (ТУ 6-02-724-77) или продукт конденсации γ-аминопропилтриэтоксисилана - АСОТ-2 (ТУ 6-02-1250-83), а также их смесь.
Используемый в составе для защитного износостойкого покрытия квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe дисперсностью от 10 до 40 микрон получают путем обработки смеси порошков алюминия, меди и железа в шаровой мельнице, нагрева смеси до 800°С в атмосфере аргона и выдержки в течение 10-20 мин с последующим измельчением. Указанный квазикристаллический наполнитель в силу своих структурных и механических особенностей (высокая твердость при низкой абразивной способности) существенно повышает износостойкость покрытий при истирании за счет уменьшения коэффициента трения окрашенной поверхности.
В качестве органического растворителя состав содержит смесь ксилола, ацетона или бутилацетата или смесь ацетона, ксилола и этилцеллозольва.
Для повышения устойчивости к перепаду температур предлагаемый состав содержит микроармирующие наполнители волокнистой (игольчатой) или пластинчатой формы: природные или искусственные силикаты магния, алюминия или кальция, например тальк, микробарит, волластонит, слюда молотая и др. (ГОСТ 21235-78, ГОСТ 879-79, ГОСТ 19284-79,ГОСТ 855-74), а также пылевидный кварц (ГОСТ 9077-82), например марок КП-1 или КП-2, а также их смесь.
Для обеспечения требуемых декоративных и оптических характеристик предлагаемый состав может содержать матирующие добавки, в частности на основе мелкодисперсного диоксида кремния, например аэросил (ГОСТ 14922-77).
Для придания покрытию цвета состав дополнительно содержит различные пигменты, например диоксид титана, углерод технический, голубой фталоцианиновый, пигмент желтый светопрочный и др. (ГОСТ 9808-84, ГОСТ 22699-77, ТУ 6-14-195-77, ТУ 6-14-408-76).
Заявляемый состав для покрытия, предназначенного для защиты алюминиевых сплавов и сталей, может применяться в системе с различными грунтовочными покрытиями, содержащими ингибиторы коррозии.
Примеры осуществления
Пример 1
Состав для получения износостойкого покрытия готовили следующим образом: к 100 мас.ч. эпоксидной смолы Э-41 добавляли органические растворители - 60 мас.ч. ацетона, 60 мас.ч. бутилацетата и 80 мас.ч. ксилола и растворяли при перемешивании при комнатной температуре до полного растворения смолы. После этого в полученный раствор вводили 50 мас.ч. квазикристаллического наполнителя и диспергировали до получения необходимой степени дисперсности. Перед применением состава в полученный полуфабрикат вводили 45 мас.ч. отвердителя ПО-200, перемешивали и наносили на защищаемую поверхность.
Технология получения составов по примерам 2-5 аналогична примеру 1. Пигменты вводили одновременно с микроармирующими наполнителями, диспергировали до получения необходимой степени дисперсности, затем вводили квазикристаллический наполнитель и диспергировали. Составы по примерам 1-5 приведены в таблице 1.
Из составов, приведенных в примерах 1-5, были получены покрытия толщиной 70-100 мкм на образцах алюминиевого сплава Д16АТ АнОксхр, стали и стеклопластика. Определены время высыхания покрытия, адгезионная прочность при отрыве, твердость покрытия, прочность при растяжении (эластичность) и прочность при ударе в исходном состоянии и после воздействия влажности и температуры 150°С, износостойкость при истирании, оптические характеристики. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Как видно из данных, приведенных в таблице 2, применение состава по изобретению позволяет получить износостойкое покрытие с высокими адгезионными, физико-механическими и декоративными свойствами для окраски изделий из алюминиевых сплавов, стали, а также полимерных композиционных материалов, которые могут эксплуатироваться при перепаде температур от -60°С до +150°С и могут быть использованы для защиты деталей и элементов конструкций из алюминиевых сплавов и сталей от абразивного износа при истирании при эксплуатации изделий, в том числе в качестве декоративных покрытий для окраски внутренних поверхностей кабины, панелей приборов и других деталей. По сравнению с прототипом износостойкость заявляемого покрытия выше в 1,4-1,8 раз, твердость - в 1,5-2 раза, блеск - в 4-9 раз. Применение предлагаемого состава защитного износостойкого покрытия повышает эксплуатационную стойкость элементов конструкций и ресурс эксплуатации деталей.
Таблица 1
Наименование компонентов
Составы по примерам, мас.ч.
Прототип
1
2
3
4
5
Смола эпоксидная Э-41
100,0
100,0
-
-
100,0
100,0
Смола эпоксидная Э-44
-
-
100,0
100,0
-
-
Квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe
50,0
100,0
60,0
150,0
70,0
Нитевидные кристаллы оксида цинка
-
-
-
-
-
50,0
Пылевидный кварц КП-1 или КП-2
-
30,0
-
-
-
-
Тальк
-
-
30,0
-
-
-
Микробарит
-
-
-
-
100,0
-
Слюда молотая
-
-
-
20,0
-
-
Волластонит
-
-
30,0
-
-
-
Аэросил А-175
-
20,0
15,0
35,0
-
Пигменты:
Диоксид титана (рутил)
-
40,0
-
-
15,0
15,0
Углерод технический
-
-
15,0
-
2,0
2,0
Пигмент голубой фталоцианиновый
-
-
-
5,0
-
-
Отвердитель:
Низкомолекулярный полиамид ПО-200
45,0
36,0
-
-
40,0
50,0
γ-аминопропилтриэтоксисилан АГМ-9
-
15,0
10,0
-
-
-
АСОТ-2
-
-
-
50,0
-
-
Модификатор:
Эпоксиуретановый каучук ПЭФ-3А
-
40,0
-
-
-
-
Бутадиенакрилонитрильный карбоксилатный каучук СКН-26-1,25
-
-
5,0
-
-
20,0
Полисульфидный каучук тиокол марки 1
-
-
-
35,0
-
-
Органический растворитель:
Ацетон
60,0
90,0
80,0
120,0
90,0
50,0
Ксилол
80,0
120,0
100,0
180,0
110,0
100,0
Бутилацетат
60,0
-
-
-
90,0
100,0
Этилцеллозольв
-
90,0
80,0
120,0
-
-
Таблица 2
Показатели свойств
Примеры по изобретению
Прототип
1
2
3
4
5
Износостойкость по ISO 7784-2 (индекс Табера)
35
28
34
32
36
50
Адгезионная прочность (σ<sub>адг</sub>) при отрыве, кг/см<sup>2</sup> (ISO 4624)
а) к алюминиевому сплаву
68,6
69,8
62,4
65,9
67,4
64,2
в) к стеклопластику
69,7
69,3
68,5
65,4
61,7
62,2
Твердость покрытия, мм (ISO 6441)
0,06
0,07
0,08
0,05
0,06
0,12
Прочность пленки при ударе в исходном состоянии, см (ГОСТ 4765-73)
50
50
50
50
50
50
Прочность пленки при растяжении (эластичность) в исходном состоянии, мм (ОСТ 6-10-411-77)
5,9
5,5
6,3
5,5
6,1
5,5
Прочность пленки при ударе после искусственного старения при температурах (-60…+100)°С с увлажнением в течение 10 циклов
50
50
50
50
50
50
Прочность пленки при растяжении после искусственного старения при температурах (-60…+150)°С с увлажнением в течение 10 циклов, мм (ОСТ 6-10-411-77)
5,8
5,5
6,0
5,5
6,2
4,4
Блеск покрытия в исходном состоянии, усл.ед. (ISO 2813)
24,0
15,1
12,0
6,6
10,5
65,9
Блеск покрытия после искусственного старения при температурах (-60…+100)°С, усл.ед. (ISO 2813)
22,9
14,0
11,4
6,3
10,2
64,5