ЗАЩИТНОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ С ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ И УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ОБЛЕДЕНЕНИЮ
PROTECTIVE COMPOSITE COATING WITH HIGH CORROSION RESISTANCE AND ICING RESISTANCE

Изобретение относится к защитным композиционным покрытиям с повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к обледенению и может быть использовано для обеспечения надежной работы и гарантированного ресурса металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях атмосферного и водного коррозионного воздействия, и обледенения на Крайнем Севере и Арктическом шельфе.
Из предшествующего уровня техники известна универсальная толстослойная антикоррозионная лакокрасочная система (патент РФ № 2460758 МПК C09D5/02; B82B1/00 дата публикации: 10.09.2012), включающая водную акрилсодержащую дисперсию со сшивающим агентом, целевые добавки, ингибитор мгновенной коррозии, водорастворимый органический ингибитор коррозии, антикоррозионный пигмент и другие пигменты, нанодисперсный диоксид кремния, пластинчатый и активный наполнители и воду. Ингибиторы коррозии и антикоррозионный пигмент способны образовывать наноразмерные защитные слои на металлической поверхности под лакокрасочной пленкой. Нанодисперсный диоксид кремния обеспечивает толстослойное нанесение лакокрасочного покрытия. С целью уплотнения структуры лакокрасочного покрытия и повышения его водоотталкивающих свойств в составе лакокрасочной системы дополнительно используется нанодисперсный фторопласт.
Недостатком данного покрытия является то, что оно предназначено для защиты конструкций, эксплуатируемых в атмосферных условиях, и не применимо для конструкций, эксплуатируемых при низких температурах в водных и морских условиях в зонах переменного смачивания.
Известно лакокрасочное супергидрофобное покрытие (патент РФ №2650135, МПК C09D5/16; C09D5/08; C09D127/06; C09D131/04; C09D163/00, дата публикации 09.04.2018), включающее полимерную основу, органический растворитель, наполнитель, сшивающую основу, органический пластификатор и компонент, ответственный за создание особой структуры поверхности, отличающееся тем, что в качестве полимерной основы оно содержит сополимеры винилхлорида с винилацетатом, в качестве наполнителя содержит нетоксичные оксиды переходных металлов, в качестве сшивающей основы содержит эпоксидную смолу, в качестве компонента, ответственного за создание особой структуры поверхности, содержит гидрофобизированный аэросил при следующем соотношении компонентов, мас. %: сополимеры винилхлорида с винилацетатом - 6,5…8,0; эпоксидная смола - 1,5…1,7; пластификатор - 7,0…11,0; аэросил гидрофобизированный - 6,0…10,0; нетоксичные оксиды переходных металлов - 29,0…40,0; органический растворитель - остальное.
Недостатком данного покрытия является его высокая стоимость и малая стойкость к истирающему воздействию ледовых образований при эксплуатации защищаемых конструкций в зоне переменного смачивания.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является многослойное антикоррозионное металлосодержащее покрытие, состоящее из грунтовочного слоя, включающего, по меньшей мере, два слоя, сформированных из материала, содержащего высокодисперсный порошок цинка в среде органоразбавляемого термопластичного связующего, с последующим нанесением, по меньшей мере, одного покрывного слоя (патент РФ №2155784, МПК C09D 5/08; C09D 5/10, дата публикации: 10.09.2000).
Недостатком известного антикоррозионного металлосодержащего покрытия является низкая стойкость к воздействию агрессивной среды и малый срок службы антикоррозионной защиты, который не превышает 7 лет.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежной работы и гарантированного ресурса металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера и Арктики в условиях переменного смачивания как пресной, так и соленой морской водой.
Технический результат - повышение коррозионной стойкости и устойчивости к обледенению металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях атмосферного и водного коррозионного воздействия на Крайнем Севере и Арктическом шельфе.
Поставленная задача и достигаемый технический результат обеспечиваются защитным композиционным покрытием с повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к обледенению, содержащим внутренний слой, прилегающий непосредственно к металлической поверхности, выполненный  из композиции, включающей 54,1 - 55,2 масс. % эпоксидной диановой смолы, 0,6 - 2,7 масс. % нанодисперсного  оксида алюминия, 43,2 - 44,2 масс. % отвердителя изометилгидрофталевого ангидрита, и по меньшей мере три слоя наружного покрытия, выполненного из композиции, включающей 28 - 32 об. % петролатума и керосина - остальное, с возможностью обеспечения краевого угла смачивания наружной поверхности покрытия в диапазоне 90°<θ<110°.
Поставленная задача решается, а  технический результат достигается композиционным покрытием в виде многослойной конструкции с различной функциональностью слоев, в которой внутренний слой обеспечивает адгезию к защищаемому материалу и обладает максимальной прочностью и высокими трибологическими характеристиками, а наружный слой, контактирующий с агрессивной средой, обеспечивает максимальную гладкостность и гидрофобность покрытия за счет низкой смачиваемости. В качестве внутреннего слоя используют эпоксиполимерный композит, наполненный высокодисперсным (нанодисперсным) оксидом алюминия, а в качестве наружного слоя используют петролатум, растворенный в керосине, нанесенный по меньшей мере в виде трех слоев.
Внутренний слой имеет условное обозначение: эпоксиполимерный композит, поскольку является гибридным материалом, в состав которого входит органический полимер (эпоксидная смола) и неорганический наполнитель (оксид алюминия). Наполнитель, который вводят в состав органического полимера, играет роль модифицирующего компонента, поскольку влияет на исследуемые характеристики, а именно на адгезионную прочность. Толщина внутреннего слоя при нанесении на поверхность металлоконструкций должна составлять от 15 мкм до 25 мкм.
Состав композиции внутреннего слоя:
Эпоксидная смола от 54,1 до 55,2 масс. %
Отвердитель 43,2 до 44,2 масс. %
Оксид алюминия от 0,6 до 2,7 масс. %
В качестве эпоксидной смолы используют эпоксидные диановые смолы, например, эпоксидный олигомер марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), в качестве отвердителя изометилтетрагидрофталевый ангидрид марки Изо-МТГФА (ТУ 6-09-3321-73), в качестве наполнителя используют нанодисперсный оксид алюминия (ч.д.а.).
Смешивание эпоксидной смолы (54,1 масс. %) с наполнителем (2,7 масс. %) осуществляют на мешалке при постоянной скорости (около 500 об/мин) и комнатной температуре (около +28°С) в течение 45 мин. По истечении указанного времени в подготовленную смесь вводят отвердитель в количестве 43,2 масс. %, и далее перемешивание осуществляют при такой же скорости и температуре, в течение от 60 до 120 минут. Отверждение нанесенного на исследуемую поверхность образца внутреннего слоя проводят при температуре от +100°С до +160°С в течение 5 часов.
Наружный (покрывной) слой, контактирующий с агрессивной средой, обеспечивает максимальную гладкостность и гидрофобность покрытия за счет низкой смачиваемости, достигается за счет применения петролатума (28-32% об.), растворенного в керосине, обеспечивающего краевой угол смачивания наружной поверхности покрытия в диапазоне 90°<θ<110°. Толщина наружного слоя при нанесении на поверхность металлоконструкций должна составлять от 5 мкм до 15 мкм.
Смешивание петролатума (32 об. %) в керосине (остальное в количестве 68 об. %) происходит в мешалке при постоянной скорости (около 500 об/мин) и комнатной температуре (около +28°С) в течение 20 мин. По истечении указанного времени полученную смесь наносят на внутренний (грунтовочный) слой набрызгиванием не менее, чем в три слоя для обеспечения однородного покрытия с сушкой строительным феном при температуре +45°С.
Для оценки эффективности разработанного покрытия предложена и реализована трехэтапная методика испытаний, включающая в себя оценку стойкости к обледенению по краевому углу смачивания, оценку стойкости к коррозии в пресной и соленой (морской) воде в зоне переменного смачивания массовым методом; оценку к стойкости обледенения массовым методом.
В ходе эксперимента по оценке эффективности защиты металла покрытием от коррозии в пресной и соленой (морской) воде в зоне переменного смачивания наблюдалось, что уменьшение массы образца без покрытия происходит как в пресной, так и в соленой (морской) воде. Масса образца без покрытия в пресной воде за 200 дней эксперимента уменьшилась на 0,9157 г, что составляет 3,56% от первоначальной массы образца. При этом масса образца с покрытием увеличилась на 0,0001 г и 0,001 г в пресной и соленой (морской) воде соответственно, что свидетельствует о водонасыщении образца из-за несплошности покрытия ввиду ручного его нанесения.
При оценке стойкости покрытия к обледенению путем смачивания образцов морской и пресной водой с последующей заморозкой установлено, что масса намерзающего льда на образце без покрытия превышает массу такого льда на образце с покрытием в 7 раз вне зависимости от солености воды.
Также экспериментально установлено, что краевой угол смачивания на границе раздела фаз «вода - образец без покрытия» имеет меньшие значения по сравнению с образцом, защищенным покрытием, в течение всего эксперимента (краевой угол смачивания между стальной поверхностью и каплей воды составляет 54,9°). Меньшее значение краевого угла свидетельствует о лучшей смачиваемости анализируемой поверхности. Следовательно, можно сделать вывод о том, что стальная поверхность является гидрофильной (краевой угол смачивания ), то есть хорошо смачивается водой. Взаимодействие воды на образце с покрытием свидетельствует о противоположном эффекте - значения краевого угла увеличиваются, смачиваемость ухудшается. Согласно результатам исследований, краевой угол смачивания на границе раздела фаз «вода - покрытие» имеет существенно большее значение краевого угла смачивания образца без покрытия, при этом покрытие можно охарактеризовать, как гидрофобное, что косвенно указывает на его эффективность в качестве меры по предупреждению обледенения стальных конструкций.
Предварительную подготовку поверхности производят путем обезжиривания, удаления окалины и ржавчины. Нанесение слоев на обрабатываемую поверхность производят методом пневматического или безвоздушного распыления, кистью, валиком, окунанием.
В предлагаемом изобретении нанесение покрывного (наружного) слоя на предварительно покрытую грунтовочным (внутренним) слоем поверхность, приводит к увеличению коррозионной стойкости и устойчивости к обледенению покрытия в целом при одновременном снижении общей толщины покрытия.
Принцип действия разработанного покрытия основан на образовании воздушного барьера над защитным (гидрофобным или супергидрофобным) слоем, когда поверхность покрытия взаимодействует с молекулами воздуха, создавая барьер, а затем с влагой и агрессивными средами.
Таким образом, разработанная конструкция защитного покрытия потенциально позволяет повысить надежность металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера, Арктики и шельфа, характеризующихся низкими температурами окружающей среды, влажностью и агрессивным коррозионным воздействием.