Твердость полимерных антикоррозионных покрытий как характеристика их качества

УДК 620.193:678.026.3

ТВЕРДОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ АНТИКОРРОЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ КАК ХАРАКТЕРИСТИКА ИХ КАЧЕСТВА

Т.С. Тихомирова, аспирант, А.Н. Рассоха, доцент, к.т.н.,

НТУ «МШ»

Аннотация. Рассмотрены методы измерения твердости полимерных антикоррозионных покрытий для стальных поверхностей различного назначения и взаимосвязь значения твердости с надежностью таких покрытий.

Ключевые слова: антикоррозионное полимерное покрытие, надежность, твердость.

Введение

Полимерные покрытия различного типа и состава широко используются для защиты от коррозии внешних и внутренних поверхностей стальных изделий различного назначения и конфигурации. Особое распространение многокомпонентные полимерные покрытия получили для защиты внешней поверхности трубопроводов всевозможного диаметра, эксплуатирующиеся в разнообразных климатических условиях.

Под надежностью полимерных покрытий подразумевается их способность обеспечивать защиту стальной поверхности от действия агрессивной коррозионной среды. Для оценки надежности многокомпонентных полимерных систем используются чаще всего такие характеристики материалов как коэффициент диффузии агрессивной среды ф) в данный полимерный материал и адгезионная прочность контактов сталь/полимерное покрытия и полимер/полимер.

Однако измерение данных характеристик требует либо значительных временных затрат, как в случае с коэффициентом диффузии, либо приводит к разрушению уже сфор -мированного покрытия, как в случае адгезионной прочности. В связи с этим в заводских условиях для быстрого контроля качества материалов каждого из слоев полимерного покрытия возможно использование такого параметра как твердость.

Анализ публикаций

Измерение твердости полимерных материалов осуществляется по методу Шора (ГОСТ 24621-91) для материалов с модулем упругости до 1000 МПа (например, полиэтилен, полипропилен) и с использованием маятникового прибора (ГОСТ 5233-89) для материалов с модулем упругости более 1000 МПа (например, отвержденные эпоксидные полимеры, полистирол, полиамид) [1]. В случае использования маятникового прибора покрытие наносится на поверхность стеклянной пластины. Особенностью измерения твердости на маятниковом приборе для полимерных материалов является то, что в процессе измерения происходит изменение микрогеометрии покрытия. Данные изменения происходят по следующей схеме [2]:

1) смятие (истирание) верхушек неровностей, что приводит к увеличению обобщенного коэффициента трения;

2) прикатывание маятника (индектора) по относительно ровной, без шероховатостей поверхности, что сопровождается небольшим снижением величины обобщенного коэффициента трения;

3) прокатка по образованной маятником лунке, в которой величина обобщенного коэффициента трения возрастает пропорционально ее глубине.

Цель и постановка задачи

Целью данной работы является изучение взаимосвязи между значением твердости

отдельных материалов многокомпонентного полимерного антикоррозионного покрытия и некоторыми другими характеристиками данных материалов, а также оптимизация процесса измерения твердости в заводских условиях формирования покрытия.

Результаты исследования

В качестве объекта исследования выбрана трехслойная полимерная антикоррозионная система, которая состоит из слоя эпоксидного праймера (ЭП), наносимого непосредственно на стальную поверхность трубы, промежуточного слоя адгезива на основе сополимера этилена с винилацетатом (СЭВ А) и наружного защитного слоя из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Данные системы получили широкое распространение в последние 15 лет для защиты магистральных нефтегазопроводов [3].

Для повышения срока надежной эксплуатации таких систем авторами были разработаны модифицированные композиционные материалы для каждого слоя на основе указанных выше полимерных материалов. Качественный и количественный состав таких композиционных материалов приведены в работах [4, 5]. С целью модификации эпоксидного праймера для повышения его адгезии к стали и адгезиву, а также для уменьшения коэффициента диффузии воды используют поливинилбутиральфурфураль с содержанием фурфуральных групп 10 мас. % и продукт термической изомеризации фурфурами-да (ПТИФ). Для увеличения полярной составляющей поверхностного натяжения ПЭВП, пленка из него подвергается обработке плазмой коронного разряда со стороны, наносимой на адгезив. Для увеличения адгезии промежуточного слоя на основе СЭВА к эпоксидному праймеру, снижения коэффициента диффузии воды в его состав вводят модификатор - кополимер бутилмета-крилата с метакриловой кислотой БМК-5 (марки Б, ТУ 6-02-115-91).

В табл. 1 приведены результаты измерения твердости по Шору (НШ, усл. ед.) для слоя адгезива на основе СЭВА, модифицированного БМК-5, а также прочности адгезионного контакта на границе адгезив/эпоксидный праймер (оэп, МПа) и коэффициент диффузии воды ф, м2/с) для данной композиции.

Анализ табл. 1 показывает, что с увеличением значения твердости по Шору повышается адгезия композиции к эпоксидному праймеру в 1,2 раза (в среднем на 3 МПа), уменьшается коэффициент диффузии воды в 2 раза. Это в свою очередь свидетельствует о большей степени совместимости модификатора и СЭВА.

Таблица 1 Эксплуатационные свойства композиции адгезива

№ п/п Состав композиции, масс. % ч <и Ч о > й к Оэп, ' МПа D• 1012 м2/с

СЭВА БМК-5

1 100 0 79 12,0 4,82

2 20 80 82 13,0 3,32

3 70 30 87 15,0 2,86

4 90 10 80 12,5 4,24

Зная значение твердости по Шору для материала, можно также определить некоторые другие прочностные характеристики адгезива на основе СЭВА (табл. 2).

Таблица 2 Прочностные характеристики адгезива

№ п\п НШ, усл. ед Твердость, МПа Модуль упругости, МПа

1 79 7,5 725

2 82 7,9 760

3 87 8,2 810

4 80 7,7 730

В заводских условиях пленку адгезива для нанесения на поверхность структурированного ЭП получают методом плоскощелевой экструзии с последующей намоткой. При этом неизменно происходит обрезка неровных краев пленки. Целесообразно контролировать качество полученной пленки с помощью измерения твердости образующихся отходов после каждой новой загрузки материала в бункер.

В табл. 3 представлена взаимосвязь твердости эпоксидного праймера по маятниковому прибору (НМ, усл. ед.) и его основных физико-химических показателей, таких как содержание гель-фракции (Н, %), адгезия к стальной подложке (аст, МПа).

Как видно из табл. 2, с увеличением значения условной твердости по маятниковому прибо-

ру увеличивается содержание гель-фракции,

а, следовательно, такие композиции в большей степени структурированы и имеют меньше не вступившего в реакцию исходного олигомера. Также с увеличением твердости увеличивается адгезия к стали в среднем на 3 МПа, и уменьшается коэффициент диффузии в 2-3 раза. Соответственно, можно предположить, что композиции с большей условной твердостью имеют более однородную структуру по сравнению с композициями с низкими значениями твердости по маятниковому прибору.

Таблица 3 Физико-химические свойства эпоксидного праймера

* Примечание. Числитель для базовой композиции, знаменатель - для модифицированной.

Для контроля качества получаемых смешением композиций эпоксидного праймера рекомендуется осуществлять отбор проб для дальнейшего спекания и испытания на твердость перед каждой новой загрузкой композиции в распылительную камеру.

Контроль качества всего трехслойного покрытия рекомендуется осуществлять с помощью измерения твердости по Шору, поскольку верхние два слоя, состоящие из модифицированного СЭВА и нанесенного методом экструзии ПЭВП, имеют суммарный модуль упругости не более 900 МПа. При этом экспериментальным путем было установлено, что твердость покрытия, обеспечивающего надежную защиту от коррозии в течении 40 и более лет должна быть в пределах 75 - 85 единиц [6]. Контроль качества покрытия рекомендуется производить на каждой трубе в местах, которые в дальнейшем подвергаются очистке от покрытия для последующей сварки непосредственно в местах монтажа трубопровода (концы трубы).

Измерение твердости покрытия по Шору возможно также в трассовых условиях для

контроля качества покрытия, наносимого на сварные швы или отремонтированных участков.

Заключение

Таким образом, твердость полимерных материалов, используемых для формирования антикоррозионных систем, может выступать универсальной характеристикой для оценки качества и надежности покрытия.

Литература

1. Карякина М.И. Лабораторный практикум

по техническому анализу и контролю производств лакокрасочных материалов и покрытий. - 2-е изд. - М.: Химия, 1989. - 52 с.

2. Миронов А.А., Ермилова С.П. О расшире-

нии информационных возможностей маятникового прибора // Лакокрасочные материалы и их применение. - 2003. -№ 9. - С. 14 - 16.

3. Фролов К.Ю., Фроимсон Р.Я., Петрусенко

Е.В. Современные тенденции развития технологий антикоррозионной изоляции трубопроводов // Газ и Нефть: Энергетический бюллетень. - 2004. - №10. -С. 2 - 5.

4. Тихомирова Т.С., Рассоха О.М. Епоксидш

композицшш матерiали. Антикорозш-ний захист сталевих виробiв // Хiмiчна промисловють Украши. - 2007. - №5. -С.20 - 22.

5. Тихомирова Т.С., Рассоха А.Н. Анализ

совместимости компонентов защитной антикоррозионной полимерной системы для магистральных газопроводов // Вестник Национального технического университета «ХПИ» / Сборник научных работ. Тематический выпуск «Химия, химическая технология и экология». - Харьков: НТУ «ХПИ». -2006. - № 13. - С.134 - 138.

6. Волошкин А.Ф., Фирсов В.А., Боровиков

А.В. и др. Полимерные покрытия для труб большого диаметра // Пластические массы. - 2004. - №8. - С. 40 - 44.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 18 июля 2008 г.

НМ, усл. Н, % D- 1012 Сот, МПа

ед. м2/с

0.40 * 75 86 12

0,55 77 4,4 14

0,48 82 72 14

0,60 85 3,5 17

0,53 88 65 17

0,69 92 1,7 19