КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ И ТЕРМОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ
COMPOSITION FOR PRODUCING HEAT-PROTECTIVE COATING AND HEAT-PROTECTIVE COATING

Группа изобретений относится к производству теплозащитных покрытий, предназначенных для теплоизоляции конструкций и оборудования, эксплуатируемых в условиях температур до плюс 2000°C, например трубопроводов, печей, и может найти применение, преимущественно, в энергетике, металлургии и т.д.
Изобретение основано на использовании полых алюмосиликатных керамических или корундовых микросфер, которые в составе со связующим выдерживают рабочую температуру до 2000°C.
3
Известен состав теплозащитного покрытия, представляющий собой термозащитную краску (патент на изобретение РФ №2245350, МПК C09D 5/08, C09D 1/04), содержащую наполнитель, связующее и добавки. В качестве наполнителя используют вакуумированные (полые) керамические или корундовые микросферы с диаметром частиц от 3 до 100 мкм и насыпной плотностью 300-400 кг/м со следующим массовым распределением частиц по размерам, в мас.%: базовый диаметр (30-60 мкм) 45-55; диаметр (3-10 мкм) 15-17; диаметр (11-20 мкм) 8-10; диаметр (21-30 мкм) 6-8; диаметр (61-70 мкм) 9-11; диаметр (71-80 мкм) 4-6; диаметр (91-100 мкм) 2-4; в качестве связующего используют смолы кремнийорганические, полиэфирэпоксидные или акриловые дисперсии, а в качестве добавок - отражатель - алюминиевую пудру и пигмент, при следующем соотношении компонентов, в мас.%: микросферы 55-70, связующее 30-35, отражатель - алюминиевая пудра 2,0-5,0, пигмент 0,1-0,6.
Теплозащитное покрытие, полученное при нанесении краски, однородно по составу и имеет достаточно высокую прочность сцепления с защищаемой поверхностью. Однако данное покрытие обладает недостаточной устойчивостью к воздействию высоких температур (рабочая температура покрытия не превышает 250°C) и обладает недостаточно высокими теплофизическими свойствами (теплопроводностью, тепловосприятием и теплоотдачей).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является композиция для получения высокотемпературного теплозащитного покрытия (заявка на изобретение РФ №2011136161, МПК C09D 5/00), содержащая полые керамические или корундовые микросферы, связующее и воду. В качестве связующего композиция содержит алюмоборфосфат или алюмохромфосфат, или полититанат калия, или смесь алюмохромфосфата и полититаната калия. В качестве полых керамических микросфер используют алюмосиликатные микросферы «Золы уноса» с диаметром 3-150 мкм и толщиной стенок 1-6 мкм или стеклокерамические микросферы с диаметром 3-100 мкм и толщиной стенок 0,3-1,0 мкм. В качестве полых корундовых микросфер могут быть использованы микросферы с диаметром 3-90 мкм и толщиной стенок 0,5-3,0 мкм.
Теплозащитное покрытие, полученное при нанесении данного состава, обеспечивало рабочую температуру до 1350°C. При температуре большей чем 1350°C микросферы растворялись в алюмоборфосфате или алюмохромфосфате, что приводило к разрушению покрытия. Кроме того, для повышения прочности покрытия, после нанесения на защищаемую поверхность, необходимо дополнительное термоотверждение при температуре 310°C, при которой происходит сшивка связующего кислородными «мостиками», что усложняет технологию получения термозащитного покрытия.
Заявляемая композиция позволяет применять ее для получения долговечного и прочного покрытия с рабочими температурами выше 1350°C, при этом при использовании варианта состава композиции с отвердителем, получают прочное покрытие без его дополнительного высокотемпературного термоотверждения.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка композиции для получения термозащитного покрытия с улучшенными теплозащитными, и теплофизическими свойствами. Кроме того, получаемое покрытие характеризуется высокой однородностью и прочностью сцепления покрытия с основой за счет образования фосфатной пленки на защищаемом металле, расширенной областью рабочих температур, является негорючим материалом, обладающим значительными огнезащитными свойствами. Например, стальная балка, покрытая 5 мм слоем предлагаемого состава, нагревается в условиях пожара до 500°C температуры потери прочности за 45 минут.
Поставленная задача решается тем, что композиция для получения термозащитного покрытия включает полые алюмосиликатные микросферы «Золы уноса» или корундовые микросферы, связующее и воду, при этом в качестве связующего она содержит алюмофосфат, при следующем соотношении компонентов в мас.%:
полые алюмосиликатные или корундовые микросферы
45-65
алюмофосфат
35-55
вода
остальное
Микросферы используют с внутренним диаметром, выбранным из диапазона значений 6-250 мкм, соразмерным с длинной волны теплового инфракрасного излучения для обеспечения условий его максимального поглощения микросферами, и толщиной стенок в диапазоне 1-10 мкм, выбранной с учетом обеспечения требуемой прочности материала. При этом алюмосиликатные микросферы используют с диаметром 6-250 мкм и толщиной стенок 4-10 мкм, корундовые микросферы используют с диаметром 6-90 мкм и толщиной стенок 1-5 мкм.
45
60
В одном из вариантов выполнения композиция может содержать отвердитель в количестве от 1 до 3 мас.%, при этом в качестве отвердителя используют обезвоженный (например, прокаленный до 800°C) оксид магния. Составы, используемые в условиях повышенной вибрации и механических нагрузок, могут дополнительно содержать кварцевый штапель в количестве от 1 до 3 мас.% с толщиной нитей 3-10 мкм и длиной 3-10 мм. Кроме того, для повышения адгезии и увеличения срока службы покрытия в композицию добавляют фуллерены C-C в количестве от 0,001 до 0,002 мас.%.
Алюмофорсфат в композиции используют с содержанием свободного оксида алюминия до 4 мас.%, который может быть получен смешением 40-45 мас.% оксида алюминия и 60-55 мас.% фосфорной кислоты при температуре 90-110°C до растворения оксида алюминия, при этом фосфорную кислоту берут концентрированную (с концентрацией от 60%). Таким образом, получают алюмофосфат, характеризующийся наличием избыточного количества оксида алюминия, что позволяет вводить в него микросферы, содержащие алюминий без риска растворения их в избытке фосфорной кислоты.
Поставленная задача решается также тем, что термозащитное покрытие, полученное посредством нанесения заявляемой композиции на защищаемую поверхность, состоит, по крайней мере, из двух слоев, первый из которых - грунтовочный, выполнен из композиции по с добавлением фуллеренов, а второй слой выполнен из композиции без добавления фуллеренов, при этом толщина первого слоя составляет 0,1-1,0 мм, толщина покрытия составляет до 7 мм.
В предлагаемом составе для теплозащитного покрытия в качестве наполнителя могут быть использованы полые алюмосиликатные микросферы золы уноса теплоэлектростанций, собираемые с фильтров, или корундовые микросферы в заявляемых пределах диаметров и толщин стенок, полученные вакуумированием (вспениванием) измельченных корундовых материалов. Материалы микросфер выбраны с учетом обеспечения высоких рабочих температур эксплуатации покрытия - до 2000°C.
Выбор материалов и размеров микросфер произведен на основе экспериментальных данных, определяющих их оптимальные соотношения, достаточные для обеспечения требуемой прочности состава. При нанесении композиции на защищаемую поверхность происходит перекристаллизация оксида алюминия с образованием частиц с большой (до 2 кв.м на гр) площадью поверхности, которая увеличивает вязкость, прочность и термостойкость получаемого покрытия. Коэффициент теплопроводности заявляемого покрытия находится в пределах от 0,06 до 0,1 ватт/м·K.
Для получения композиции исходные компоненты перемешивают в емкости с якорной мешалкой в описанных соотношениях до получения однородной массы. При этом полученное перечисленным выше способом связующее характеризуется отсутствием химического взаимодействия с материалом микросфер.
Предлагаемое покрытие можно наносить на поверхность металла, бетона, кирпича, а также на оборудование печей, трубопроводы и воздуховоды при эксплуатации объектов с нанесенным покрытием при температурах от минус 60°C до плюс 2000°C.
Покрытие наносится на поверхность любым используемым в технологии нанесения покрытий способом в виде одного или нескольких слоев толщиной, например, 4-7 мм.
Как правило, толщина всех слоев предлагаемого покрытия не превышает 7 мм и зависит от природы поверхности, условий температурного режима эксплуатации. После нанесения на поверхность материала или изделия слоя или нескольких слоев покрытия и последующей сушки нанесенных слоев образуется теплозащитное покрытие, прочно связанное с основой и обладающее высокими эксплуатационными характеристиками.
45
60
Наилучший вариант использования изобретения достигается при нанесении покрытия, по крайней мере, в два слоя, при этом первый слой является грунтовочным (предназначенным для первичного нанесения на металл), изготовленным с добавлением фуллеренов C-C для повышения адгезии и упрочнения поверхностного слоя. Фуллерены, обладая огромным электромагнитным зарядом, образуют дополнительное сцепление с подложкой на межмолекулярном уровне. Остальные слои (изготовленные без добавления фуллеренов) наносят на грунтовочный слой. По экспериментальным данным такое многослойное (например, двухслойное) покрытие увеличивает срок службы покрытия на 20-30%. При этом количество наносимых слоев зависит от требуемых условий эксплуатации защищаемого сооружения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами выполнения, представленными в таблицах 1, 2.
Таблица 1
№
Компоненты
Состав №1, мас.%
Состав №2, мас.%
Состав №3, мас.%
1
Алюмофосфат
60
35.0
50.0
2
Микросферы алюмосиликатные /золы уноса/
30
55.0
45.0
3
Вода
10
10.0
5.0
Таблица 2
№
Компоненты
Состав №4, мас.%
Состав №5, мас.%
Состав №6, мас.%
1
Алюмофосфат
55
27
35
2
Микросферы корундовые
45
72
65
3
Вода
-
1
-
В таблице 3 представлены параметры, характеризующие свойства полученных в Примерах 1-6 покрытий.
Таблица 3
№
Свойства
Состав №1
Состав №2
Состав №3
Состав №4
Состав №5
Состав №6
1
k<sub>тепл</sub>:Вт/м·K
0.9
0.06
0.073
0.078
0.054
0.055
2
Пластичность
нет
+
+
+
нет
+
3
Устойч. 2000°C
2 часа
72 часа
72 часа
100 час
нет
100 час
Как видно из Таблицы 3, при использовании компонентов композиции в количестве, выходящем из заявленного интервала значений (составы №1 и №5), получают покрытия, у которых резко падают рабочие параметры. Покрытие не способно сформировать защитную поверхностную пленку и разрушается после 1-3 часов температурного воздействия. При использовании компонентов в заявленных интервалах значений (составы №2-4 и №6) получают покрытия в высокими эксплуатационными характеристиками.
Предлагаемое изобретение позволяет получать покрытия с уникальными теплофизическими свойствами, что может найти его широкое использование в строительной сфере, в металлургической промышленности, т.е. там, где требуется придание поверхностям теплозащитных и огнестойких свойств при эксплуатации покрытий в жестких температурных условиях.