ТЕРМОИНДИКАТОРНОЕ АНТИКОРРОЗИЙНОЕ ПОКРЫТИЕ
HEAT-INDICATING ANTIRUST COATING

Изобретение относится к области определения температуры с применением термоиндикаторных красок в условиях затрудненного доступа к объекту, например, в атомных реакторах, авиационных и космических моторах, а также в технологических процессах изготовления элементов полупроводниковой электроники.
Известны различные способы цветовой индикации температуры, основанные на обратимом и необратимом изменении цвета материала при химическом взаимодействии, фазовом переходе или изменении параметров излучателя при достижении им определенных температур. Наиболее полно изучены пигменты обратимых термоиндикаторов, включающие йодиды ртути, меди или/и серебра [1], но вызывающие коррозию металлов, на которые они наносятся.
2
3
2
3
4
К группе антикоррозионных относят пигменты, понижающие интенсивность коррозионного процесса на границе покрытие - металлическая подложка непосредственно или за счет уменьшения диффузии коррозионных агентов (воды, кислорода и других коррозионно-активных газов - Cl, SO, HS) из окружающей среды к подложке. Свинцовый сурик PbO, по сравнению с другими красочными материалами, как известно, обладает наилучшими антикоррозийными свойствами и весьма стоек к влиянию внешних атмосферных условий. При этом используются различные противокоррозионные композиции, включающие в свой состав не только свинцовый сурик, но и акриловые, алкидные смолы, пластификаторы, органические растворители.
1-x
y
x-y
z
Известны свинецсодержащие термоиндикаторные материалы, например, поликристаллические вещества, отношение состава которых выражается формулой Bi PbMO (М - Li, Na, K, Mg или Са; 0<х, у⇐0,3; z≈4), полученные путем обжига соединения висмута, свинца, ванадия и соединений Li, Na, K, Mg или Са [2].
Известна термоиндикаторная композиция [3], включающая в качестве основного компонента от 0,2% до 4% веса металлических дитиокарбоматов или диалкилдитиокарбаматов, а также сурьму и/или свинец в комбинации с материалом красителя с возможностью добавления эпоксидных смол для расширения диапазона температур, в котором наблюдается изменение цвета.
Разработан также термоиндикаторный состав [4], визуализирующий его переход через значение температуры Т=31±0,3°С. В качестве термочувствительной композиции он содержит гексадеканол и/или 4-этилфенол и/или 4,4-(1-метиэтилиден)бисфенол с дополнительным содержанием меди и/или свинца, и/или никеля, и/или цинка и т.д.
Недостатками перечисленных термоиндикаторных покрытий являются их многокомпонентный состав, отсутствие коррозийной стойкости и многоуровневая технология получения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание необратимого термоиндикаторного покрытия с антикоррозийными свойствами и ярким цветовым переходом.
3
4
3
4
3
4
3
4
Указанная цель достигается путем изготовления слоев PbO, включающего диспергирование полупроводникового вещества в связующей среде. Для изготовления термоиндикаторного слоя в качестве исходного материала применяется порошок свинцового сурика PbO марки ЧДА. Связующим веществом (биндером) служили: кремнийорганический лак КО-815, сополимер стирола с дивинолом и полибутилметакрилат, являющиеся химически нейтральными по отношению к оксидам свинца и обладающие высокой прозрачностью (коэффициент пропускания пленок толщиной 100 мкм приближается к 100%). Оптимальное соотношение исходного порошка и биндера составляет (92,5-88 мас. %):(7,5-12 мас. %), (94-83,5 мас. %):(6-16,5 мас. %), (95-83 мас. %):((5-17 мас. %), соответственно. Также возможно осуществление изобретения независимо от количественного состава покрытия, например, при массовом соотношении исходный порошок: связующее (0,1-99,9):(99,9-0,1) в части граничных значений. Для получения более однородной и достаточно жидкой массы в сосуд с исходным порошком PbO добавляется органический растворитель - толуол. Начальный этап технологии изготовления термоиндикаторного слоя заключается в смешивании исходного порошка PbO с биндером, растворенным в толуоле (1,5%). Смесь усиленно перемешивается до достижения однородной эмульсии и методом полива наносится на подложки (металлические, алюминиевые, стеклянные и др.), в результате чего получаются диспергированные слои (фиг. 1). Перед нанесением слоев подложки очищаются четыреххлористым углеродом, этиловым спиртом и промываются в течение часа в кипящей дисцилированной воде, после чего выдерживаются 2 часа в муфельной печи при температуре 200°С. Затем они помещаются на ровную горизонтальную поверхность, после чего масса, полученная в результате смешивания, наносится на поверхность подложки. По истечении некоторого времени (1-1.5 часа) толуол испаряется, и после затвердевания формируется гладкий слой термоиндикаторного покрытия толщиной порядка 50 мкм. Толщина полученных образцов контролируется с помощью интерференционного микроскопа с многократным измерением на разных участках пленки.
3
4
Связующее вещество (биндер) предохраняет исходное от воздействия компонентов атмосферы и механического повреждения. Подложка с нанесенным термоиндикаторным слоем нагревается со скоростью 5-10°С/мин до 650°С, при этом происходит изменение цвета (от красно-оранжевого к желто-лимонному) за счет необратимого фазового перехода PbO в PbO в интервале 540-590°С в зависимости от внешних условий и варьирования состава покрытия.
Перечень чертежей
Фиг. 1. Структура образца с термоиндикаторным покрытием: 1 - подложка, 2 - термоиндикаторное покрытие.
3
4
Фиг. 2. Спектральные зависимости коэффициента отражения слоев PbO (1) и PbO (2).
3
4
Фиг. 3. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости керамики PbO для разных значений температуры Т: 1 - 293, 2 - 380, 3 - 390, 4 - 400, 5 - 415 K. На вставке: частотная дисперсия ε (в относительных единицах) PbO для Т: 6 - 300, 7 - 600, 8 - 700 K.
3
4
Фиг. 4. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ керамики PbO для разных значений температуры Т: 1 - 410, 2 - 400, 3 - 390, 4 - 380, 5 - 293 K. На вставке: частотные зависимости диэлектрической проницаемости (6), фактора потерь (7) и tgδ (8) керамики (PbO).
Предлагаемое термоиндикаторное покрытие может быть применено в оптических и электрических датчиках/индикаторах температуры. При этом изменение цвета определяется несколькими способами:
- визуально или с помощью оптического устройства, регистрирующего изменение оптических характеристик, например спектрофотометра, при этом в качестве подложки могут использоваться как прозрачные, так и непрозрачные материалы. Результаты оптических исследований представлены на фиг. 2;
- за счет измерения частотных зависимостей диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, для этого необходимо использовать измерительный прибор с электродами (например, измеритель иммитанса Е7-20), подведенными к термоиндикаторному покрытию и подложке. Результаты диэлектрических измерений приведены на фиг. 3 и 4.
На обезжиренную поверхность большой площади, очищенную от пыли и грязи, слои можно наносить кистью или валиком. Предложенный термоиндикаторный состав, таким образом, обладает химической стойкостью, механической прочностью, антикоррозийными свойствами и ярким цветовым переходом.
Источники информации
1. Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение. // Химия и химики, №5, 2008 г., с. 19-64.
2. Патент JPS 6361081.
3. Патент US5360561.
4. Патент RU 97118522.