СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ПОДЛОЖКИ
METHOD OF REDUCING ICING OF SUBSTRATE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам снижения обледенения подложек.
Уровень техники
Конструкции, предназначенные для работы на открытом воздухе, такие как ветровые турбины, мосты, башни, емкости и парк транспортных средств, таких как железнодорожные вагоны, автобусы и грузовики, являются постоянно незащищенными элементами и должны быть разработаны так, чтобы выдержать экстремальные температуры, сдвиг ветра, осадки и другие атмосферные факторы риска без значительного ущерба или необходимости постоянного технического обслуживания, которое может быть трудоемким и дорогостоящим. Обледенение подложки может привести к повреждению или даже разрушению конструкции.
Желательно создать способ снижения обледенения для защиты таких открытых конструкций и свести к минимуму необходимость ремонта или замены.
Из документа WO 2009/115079 известны способ изготовления высокоизносостойкой краски для транспортных средств, краска для транспортных средств и ее применение. С целью создания краски для транспортных средств, имеющей чрезвычайно высокую стойкость к царапанию и химическую устойчивость, в частности для использования в многослойных покрытиях для OEM покрытий (в частности, в качестве прозрачного покрытия или базового покрытия), описанное техническое решение изготовления высокоизносостойкой краски для транспортных средств.
Документ WO 2007/013761 раскрывает свариваемый предварительно изолированный стальной лист с улучшенной стойкостью к коррозии и свариваемостью. Предварительно изолированный стальной лист содержит (а) металлическое основание, (b) слой не содержащего хрома покрытия предварительной обработки, сформированный на по меньшей мере одной поверхности металлического основания, и (с) слой предварительного изолирующего смоляного покрытия, сформированный на по меньшей мере одной поверхности слоя не содержащего хрома покрытия предварительной обработки.
Документ WO 2006/006402 раскрывает композицию смолы, отверждаемую активным энергетическим лучом, которая пригодна для формирования слоя покрытия, имеющего превосходные противообрастающие свойства, твердость пленки покрытия, стойкость к износу, устойчивость к растворителям и склеиваемость.
Ни один из цитированных документов предшествующего уровня техники не раскрывает покрытие, способствующее снижению обледенения подложки.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к способу снижения обледенения подложки, включающему нанесение на подложку отверждаемой пленкообразующей композиции, которая содержит:
(a) смоляной компонент, содержащий:
(i) полиэпоксид;
(ii) полисилоксан; и
(iii) органооксисилан;
(b) полиамин и/или аминосилан;
(c) по меньшей мере один дополнительный полисилоксан, отличающийся от вышеуказанного полисилоксана (ii), и
(d) необязательно катализатор.
Осуществление изобретения
Помимо любых рабочих примеров, или если не указано иное, все числа, выражающие количества ингредиентов, условия реакции и т.д., используемые в описании и формуле изобретения, следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «около». Соответственно, если не указано иное, числовые параметры, изложенные в последующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приблизительными и могут изменяться в зависимости от искомых свойств, которые могут быть получены с помощью настоящего изобретения. По меньшей мере, и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему притязаний формулы изобретения, каждый числовой параметр следует интерпретировать по меньшей мере в свете количества приведенных значащих цифр и с использованием обычных методов округления.
Несмотря на то что числовые диапазоны и параметры, представляющие широкий объем изобретения, являются приближенными, числовые значения, приводимые в конкретных примерах, представлены как можно точнее. Однако любое численное значение по существу содержит определенные ошибки, неизбежный результат стандартного отклонения, обнаруживаемые при их соответствующих измерениях.
Также следует понимать, что любой числовой диапазон, приведенный в заявке, предполагает включение всех поддиапазонов, входящих в него. Например, диапазон "от 1 до 10" предназначен для включения всех поддиапазонов между (и включая) указанным минимальным значением 1 и указанным максимальным значением 10, то есть имеющий минимальное значение, равное или больше 1, и максимальное значение, равное или меньше 10.
В соответствии с использованием в данном описании и прилагаемой формуле изобретения неопределенные и определенный артикли включают ссылки на множественное число, если прямо и однозначно не ограничиваются ссылкой на единственное число.
Следует понимать, что различные осуществления и примеры настоящего изобретения, представленные в заявке, не ограничивают объем притязаний изобретения.
В соответствии с использованием в последующих описании и формуле изобретения следующие термины имеют значения, указанные ниже:
Термин "отверждаемый", используемый, например, в связи с отверждаемой композицией, означает, что указанная композиция является полимеризуемой или сшиваемой по функциональным группам, например, средствами, которые включают, но без ограничения ими, термическое (включая отверждение в условиях окружающей среды) и/или каталитическое воздействие.
Термин "отверждение", "отвержденный" или аналогичные термины при использовании в связи с отвержденной или отверждаемой композицией, например, "отвержденная композиция" некоторого конкретного описания, означает, что по меньшей мере часть способных к полимеризации и/или сшиваемых компонентов, которые формируют отверждаемую композицию, является полимеризованными и/или сшитыми. Кроме того, отверждение полимеризуемой композиции относится к действию условий отверждения на указанную композицию, таким как, но без ограничения ими, термическое отверждение, приводящих к реакции реакционно-способных функциональных групп композиции и в итоге к полимеризации, и образованию полимеризата. Когда на полимеризуемую композицию действуют условия отверждения, после прохождения полимеризации и после реакции большинства концевых реакционно-способных групп скорость реакции остальных непрореагировавших концевых реакционно-способных групп постепенно становится более медленной. Полимеризуемая композиция может быть подвергнута условиям отверждения до по меньшей мере частичного отверждения. Термин "по меньшей мере, частично отвержденный" означает действие условий отверждения на полимеризуемую композицию, при которых проходит реакция по меньшей мере части реакционно-способных групп композиции с образованием полимеризата. Полимеризуемая композиция может быть также подвергнута условиям отверждения так, чтобы достигалось по существу полное отверждение и при которых дополнительное отверждение не приводит к существенному дальнейшему улучшению свойств полимера, таких как твердость.
Термин "реакционно-способный" относится к функциональной группе, способной вступать в химическую реакцию сама с собой и/или другими функциональными группами самопроизвольно или при воздействии тепла или в присутствии катализатора, или любых других средств, известных специалистам в данной области техники.
"Полимер" означает полимер, включая гомополимеры, и сополимеры, и олигомеры. Под "композиционным материалом" подразумевается комбинация двух или нескольких различных материалов.
В способе настоящего изобретения обледенение подложки снижается нанесением на поверхность подложки отверждаемой пленкообразующей композиции. Подходящие подложки в способе настоящего изобретения включают жесткие металлические подложки, такие как черные металлы, алюминий, алюминиевые сплавы, медь и подложки из других металлов и сплавов. Подложки из черных металлов, используемые в практике настоящего изобретения, могут включать железо, сталь и их сплавы. Неограничивающие примеры пригодных стальных материалов включают холоднокатаную сталь, оцинкованную (с цинковым покрытием) сталь, сталь с покрытием, нанесенным электролитическим цинкованием в расплаве, нержавеющую сталь, декапированную сталь, сплав цинк-железо, например GALVANNEAL и их комбинации. Также могут быть использованы комбинации или композиты из черных и цветных металлов. Также пригодными подложками являются поверхности, покрытые неорганическим силикатом цинка. В некоторых осуществлениях настоящего изобретения подложка содержит пластик или композитный материал, например композит из пластика или стекловолокна.
Перед нанесением любой композиции покрытий на поверхность подложки удаляются посторонние вещества с поверхности тщательной очисткой и обезжириванием поверхности, что является обычной практикой, хотя и не является обязательным. Такую очистку обычно проводят после формирования подложки (штамповка, сварка и т.д.) в окончательной форме. Поверхность подложки может быть очищена физическими или химическими средствами, такими как механическая очистка поверхности или очистка/обезжиривание коммерчески доступными щелочными или кислотными чистящими средствами, которые хорошо известны специалистам в данной области техники, такими как метасиликат натрия и гидроксид натрия. Неограничивающий пример чистящих средств представляет CHEMKLEEN 163, чистящее средство на основе щелочи, коммерчески поставляемое PPG Industries, Inc.
После стадии очистки подложка может быть промыта деионизированной водой или водным раствором промывочного средства для удаления остатков. Подложка может быть высушена на воздухе, например, при помощи воздушного шабера, испарением воды при кратковременном воздействии на подложку высокой температуры или пропусканием подложки между резиновыми валками.
Подложка может быть непокрытой, с очищенной поверхностью; она может быть покрытой маслом, предварительно обработанной одной или несколькими композициями предварительной обработки и/или предварительно обработана одной или несколькими композициями покрытия, грунтовки и т.д., наносимыми любым способом, включая, но без ограничения, электроосаждение, распыление, окунание, валиком, обливом и т.п.
В способе настоящего изобретения отверждаемую пленкообразующую композицию наносят по меньшей мере на одну поверхность подложки. Подложка может иметь одну непрерывную поверхность, или две, или несколько поверхностей, таких как две противоположные поверхности. Обычно покрываемая поверхность является любой поверхностью, которая, как ожидается, будет подвергаться воздействию условий, способствующих обледенению.
Отверждаемая пленкообразующая композиция, нанесенная на подложку в способе настоящего изобретения, содержит:
(a) смоляной компонент, содержащий:
(i) полиэпоксид;
(ii) полисилоксан; и
(iii) органооксисилан;
(b) полиаминовое и/или бифункциональное аминосилановое отверждающее вещество; и
(c) по меньшей мере один дополнительный полисилоксан, отличающийся от вышеуказанного полисилоксана (ii), и
(d) необязательно катализатор, такой как оловоорганическое соединение.
Смоляной компонент (а), компонент отверждающего вещества (b) и любые требуемые катализаторы объединяются в присутствии достаточного количества воды, чтобы промотировать гидролиз полисилоксана и/или органооксисилана и поликонденсацию силанолов, получающихся при указанном гидролизе. Аминосилан и эпоксидная смола реагируют с образованием отвержденного линейного эпоксидного полимера. Полисилоксан и/или органооксисилан претерпевают реакции гидролиза, которые дают силанол. Силанол вступает в реакцию поликонденсации с образованием линейного эпокси-модифицированного полисилоксанового полимера.
Полиэпоксиды (i), как правило, представляют собой неароматические гидрированные смолы, которые содержат более одной 1,2-эпоксидной группы на молекулу и чаще две 1,2-эпоксидные группы на молекулу. Масса на эпоксидную группу таких смол находится в диапазоне от 100 до около 2000. Обычно эпоксидные смолы содержать глицидиловые эфирные или сложноэфирные группы, являются жидкими, а не твердыми и имеют массу на эпоксидную группу от около 100 до около 500. Полиэпоксид присутствует в смоляном компоненте (а) в количестве от 15 до 45% масс. относительно общей массы твердого вещества смолы в смоляном компоненте.
2
n
Полисилоксаны (ii) обычно имеют формулу: R″-O-[Si(R′)-O-]-R″, где каждый R′ выбран из группы, состоящей из гидроксильных, алкильных, арильных и алкокси групп, имеющих до шести атомов углерода. Каждый R″ выбран из группы, состоящей из водорода и алкильных и арильных групп, имеющих вплоть до шести атомов углерода, и где n выбран таким образом, что молекулярная масса полисилоксанов может быть в диапазоне от 400 до 2000, например от 900 до 2000. Полисилоксан присутствует в смоляном компоненте (а) в количестве от 15 до 45% масс., относительно общей массы твердого вещества смолы в композиции.
3
4
3
3
4
Органооксисиланы (iii), как правило, имеют формулу: R-Si(OR), где R выбран из группы, состоящей из арила, алкила, и циклоалкильных групп, содержащих вплоть до шести атомов углерода, и где R независимо выбран из группы, состоящей из алкильных, гидроксиалкильных, алкоксиалкильных и гидроксиалкоксиалкильных групп, содержащих вплоть до шести атомов углерода. Органооксисилан присутствует в смоляном компоненте (а) в количестве от 1 до 10% масс., относительно общей массы твердого вещества смолы в композиции.
Эпоксидную смолу, полисилоксан и органооксисилан объединяют, чтобы сформировать смоляной компонент (а), который присутствует в отверждаемой пленкообразующей композиции в количестве от 80 до 90% масс., относительно общей массы твердого вещества смолы в отверждаемой пленкообразующей композиции.
3
a
Отверждающее вещество (b) содержит амин, выбранный из классов алифатических аминов, аддуктов алифатических аминовых, полиамидоаминов, циклоалифатических аминов и аддуктов циклоалифатических аминов, ароматических аминов, оснований Манниха и кетиминов, которые могут быть замещенными полностью или частично аминосиланом общей формулы Y-Si-(O-X), где Y представляет собой H(HNR) и где а является целым числом от двух до около шести, каждый R представляет собой бифункциональный органический радикал, независимо выбранный из группы, состоящей из арильных, алкильных, диалкиларильных, алкоксиалкильных и циклоалкильных радикалов, и R может изменяться в каждой молекуле Y. Каждый X может быть одинаковым или различным и ограничивается алкильной, гидроксиалкильной, алкоксиалкильной и гидроксиалкоксиалкилной группами, содержащими менее около шести атомов углерода. По меньшей мере 0,7 эквивалента амина или 0,2 моля аминосилана на эпоксидный эквивалент присутствуют в полиамине и/или полифункциональном аминосилане (b). Такие аминов функциональные материалы, как правило, бифункциональный, где "а" в формуле, описанной выше для аминосилана, равно единице. Отверждающее вещество (b) обычно присутствует в отверждаемой пленкообразующей композиции в количестве от 10 до 20% масс., относительно общей массы твердого вещества смолы в отверждаемой пленкообразующей композиции.
Дополнительный полисилоксан (с) может присутствовать в отверждаемой пленкообразующей композиции и отличается от полисилоксана, используемого в смоляном компоненте (а). Подходящие полисилоксаны часто имеют среднечисловую молекулярную массу от 200 до 14000, например от 900 до 2000, и включают полимерные полисилоксаны, такие как полидиметилсилоксан (PDMS). Полисилоксан может быть или без функциональных групп или имеет по меньшей мере одну функциональную группу, которая реагирует с функциональными группами по меньшей мере одного другого компонента в отверждаемой пленкообразующей композиции. Например, полисилоксан может иметь по меньшей мере одну функциональную гидроксильную и/или аминогруппу, например PDMS по меньшей мере с двумя функциональными аминогруппами, что позволяет ему вступать в реакцию с отверждающим агентом, имеющим изоцианатные функциональные группы. Примеры коммерческих полисилоксанов включают WACKER FLUID NH 15D, 40D и 130D, поставляемые Wacker Chemie AG. Типичные количества полисилоксана в отверждаемой пленкообразующей композиции составляют от 1 до 35% масс., часто от 5 до 30% масс., относительно общей массы твердого вещества смолы в отверждаемой пленкообразующей композиции.
Когда включен катализатор (D), обычно он предназначен для осуществления или промотирования реакции между функциональными группами смоляного компонента (а) и отверждающим веществом (b), как указано выше. Типичный катализатор является металлоорганическим соединением, таким как оловоорганический катализатор общей формулы:
где R1 и R4 выбраны из группы, состоящей из алкильной, арильной и алкокси групп, имеющих вплоть до одиннадцати атомов углерода, и R2 и R3 выбраны из тех же групп, что и R1 и R4, или из группы, состоящей из неорганических атомов, таких как галогены, сера или кислород.
Оловоорганические соединения, используемые в качестве катализаторов, включают тетраметилолово, тетрабутилолово, тетраоктилолово, хлорид трибутилолова, метакрилат трибутилолова, дихлорид дибутилолова, оксид дибутилолова, сульфид дибутилолова, ацетат дибутилолова, дилаурат дибутилолова, полимер малеата дибутилолова, дилаурилмеркаптид дибутилолова, октоат олова, бис(изооктилтиогликолят) дибутилолова, трихлорид бутилолова, бутилоловянная кислота, дихлорид диоктилолова, оксид диоктилолова, дилаурат диоктилолова, полимер малеата диоктилолова, бис(изооктилтиогликолят) диоктилолова, сульфид диоктилолова, 3-меркаптопропионат дибутилолова.
Примером оловоорганического соединения является дилаурат дибутилолова. Сочетание соединения дибутилолова с амином в отверждающем веществе (b) катализирует процесс отверждения.
Другие металлоорганические соединения, пригодные в качестве катализаторов, хотя и в меньшей степени, за счет меньшей реакционной способности, включают органические соединения железа, никеля, меди, платины или свинца.
Пленкообразующая композиция может дополнительно содержать наполнитель. Примеры наполнителей, которые могут присутствовать, включают тонкоизмельченные минералы, такие как сульфат бария, диоксид кремния, включая пирогенный диоксид кремния и коллоидный диоксид кремния, оксид алюминия, коллоидный оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония, коллоидный диоксид циркония, глину, слюду, доломит, тальк, карбонат магния, карбонат кальция, сульфат кальция, силикат кальция и/или метасиликат кальция. Считается, что наполнители в сочетании со смолами в композиции обеспечивают подходящие реологические свойства, такие как высокая вязкость при низком усилии сдвига. Сочетание наполнителей и смол в композиции покрытия также позволяет заполнять и/или перекрывать поверхностные дефекты подложки, делая поверхность подложки более гладкой, чем было бы возможно с другими композициями покрытия. Способность первого слоя покрытия сглаживать дефекты поверхности подложки существенно снижает или даже устраняет необходимость в подготовке поверхности подложки, например, пескоструйной очисткой или использования шпатлевки, что может быть стадиями трудоемкими, требующими времени и дорогими. Это преимущество особенно полезно при покрытии больших частей подложки или подложек со значительной шероховатостью поверхности, таких как подложки из стекловолокна, используемые в производстве лопастей ветрогенератора. В некоторых осуществлениях настоящего изобретения по меньшей мере 80% дефектов поверхности подложки корректируются до приемлемого уровня (т.е. не требующие дополнительной подготовки поверхности) при нанесении слоя покрытия.
Пленкообразующая композиция может дополнительно содержать разнообразные необязательные ингредиенты и/или добавки, которые в определенной степени зависят от конкретного применения отверждаемой композиции, такие как другие катализаторы отверждения, пигменты или другие красители, как обсуждается ниже, армирующие наполнители, тиксотропные добавки, ускорители отверждения, поверхностно-активные вещества, пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, ингибиторы коррозии, разбавители, светостабилизаторы на основе стерически затрудненных аминов, поглотители УФ-излучения и антиоксиданты.
Отверждаемые композиции, используемые в настоящем изобретении, могут быть получены в виде двухкомпонентных композиций, как правило, отверждаемых при комнатной температуре. Двухкомпонентные отверждаемые композиции обычно получают смешиванием ингредиентов непосредственно перед использованием.
Композиции могут быть нанесены на подложку одним или несколькими способами, включая распыление, окунание/погружение, нанесение кистью или обливом, но они чаще всего наносятся распылением. Могут быть использованы обычные немеханизированные или автоматические способы распыления и оборудование для воздушного распыления и электростатического напыления. Толщина сухой пленки слоя покрытия обычно составляет от 2 до 25 мил (50,8-635 мкм), часто от 5 до 25 мил (127-635 мкм).
Пленкообразующие композиции можно наносить непосредственно на поверхность подложки или на слой грунтовки или другого покрытия на подложке. Примером подходящей грунтовки является AMERLOCK 2/400.
После формирования пленки покрытия на подложке композиция может быть отверждена выдерживанием ее при комнатной температуре или комбинацией отверждения при комнатной температуре и нагрева. Композиция может быть отверждена при температуре окружающей среды, как правило, в течение от около 4 до около 38 часов. Если влажность окружающей среды ниже 40% относительной влажности, то время отверждения может быть увеличено. После нанесения отверждаемой пленкообразующей композиции на подложку и при отверждении максимальная средняя нагрузка на подложку с покрытием составляет 450 Н, часто 300 Н, чаще 200 Н или 100 Н, при испытании на адгезию льда, описанном ниже.
Примеры
Для оценки эффективности изменений рецептур относительно адгезии льда разработан тест на адгезию льда. Способ испытания описан в US Engineers Engineer Research and Development Center document number ERDC/CRREL TR-06-11, который включен в описание ссылкой. Описанная там конструкция прибора изменена, чтобы согласовать с существующим испытательным оборудованием и получить испытуемые панели толщиной около 0,032 дюйма. Обычно процедура является следующей: испытуемую панель А 4 дюйма шириной покрывают с обеих сторон заданным покрытием(ями). После соответствующего времени отверждения пять 1×4 дюйма полос вырезают из испытуемой панели. Испытуемые полосы фиксируют клейкой лентой в центре испытательного прибора так, чтобы прибор мог быть заполнен водой на глубину один дюйм. Охлажденную воду используют для заполнения испытательного прибора так, чтобы обе стороны панели с покрытием находились в контакте с одним дюймом воды. Испытательный прибор целиком помещают в морозильник при -20°С на ночь. Затем испытательный прибор переносят в прибор для испытания на растяжение (например, INSTRON 5567), снабженный камерой искусственного климата также при -20°С. Испытательный прибор устанавливают таким образом, что неподвижный конец прибора для испытания на растяжение был соединен с испытательным прибором и подвижная ножка соединена с испытуемой панелью. Эта испытательная установка создает относительное движение между испытуемыми полосами и льдом, который был сформирован из воды. Лента, которая удерживает испытуемые полосы и воду на месте, удаляют и затем, используя постоянную скорость вытягивания, регистрируют максимальное усилие, необходимое для удаления панели изо льда. Обычно испытывают пять образцов каждого варианта покрытия и представляют среднюю максимальную нагрузку.
Пример 1
Пример 1 представляет получение отверждаемых пленкообразующих композиций в соответствии с настоящим изобретением. Различные полидиметилсилоксановые (PDMS) материалы включают в смоляной компонент PSX 700 (коммерчески поставляемый PPG Industries, Inc), разработанное силоксановое покрытие, изготовленное согласно US 5,618,860 и 5,275,645, включенным в описание ссылкой. Испытуемые PDMS материалы вводят в PSX700 добавлением PDMS к PSX 700 и перемешиванием. Затем добавляют отверждающий компонент и смесь снова перемешивают. В таблице 1 приведены испытанные рецептуры. Рецептура 1 является контрольной для сравнения без дополнительного введения полисилоксана (с).
Покрытие наносят на холоднокатаные стальные панели, испытуемые панели, покрытые ED6060CZ, поставленные ACT Test Panels LLC, после протирания поверхности 3М SCOTCH-BRITE. Покрытие наносят с использованием HVLP пистолета-распылителя при 30 фунтов на квадратный дюйм. Покрытие наносят в два слоя с выдержкой 5-10 минут при окружающей температуре между слоями. Покрытию дают высохнуть и отверждаться в течение семи дней при окружающих условиях перед испытанием. Испытание на адгезию льда затем проводят в соответствии с вышеописанной методикой. Таблица 2 представляет результаты испытания на адгезию льда. % масс. PDMS рассчитывается умножением искомого процентного содержания на массу PSX-700.
Включение различных PMDS материалов снижает наблюдаемую максимальную среднюю загрузку на около 380-400 Н, или на около 90%, по сравнению с контрольной рецептурой 1.
В то время как конкретные осуществления настоящего изобретения были описаны выше с целью иллюстрации, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что возможны многочисленные вариации деталей настоящего изобретения без отступления от объема притязаний изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.