ЗАЩИТНОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОЛИМЕРМАТРИЧНОЕ ПОРОШКОВОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИДА
CORROSION-RESISTANT COMPOSITE POLYMER-MATRIX POLYSULPHONE-BASED POWDER COATING

Изобретение относится к композиционным порошковым покрытиям на базе полимеров, предназначенных для защиты изделий из металлических сплавов от воздействия агрессивной среды, и может быть использовано при производстве теплоэнергетического оборудования. Состав порошковой композиции для покрытия включает полифениленсульфид и дополнительно содержит ультрадисперсный порошок монтмориллонита и порошок политетрафторэтилена 4-МБ при следующем соотношении, масс. %: полифениленсульфид - 65-67; политетрафторэтилен 4-МБ - 11-15; монтмориллонит - 20-22.
Задачей изобретения является получение защитного порошкового покрытия на основе полимера с размером частиц 60-120 мкм и улучшенными физико-механическими, тепловыми, трибологическими и гидрофобными свойствами. Коррозия конструкционных материалов водяных трактов и элементов теплоэнергетического и ядерноэнергетического оборудования носит массовый и непоправимый характер. Применяемые сегодня технологии, направленные на снижение проявления и последствий коррозии, не достигают желаемого результата. Перспективным является использование композиционных покрытий на основе теплостойких инженерных полимеров для защиты энергетического оборудования от коррозии и абразивного износа.
Из патента BY 10391, 28.02.2008 известен композиционный материал для покрытий деталей узлов трения различных машин и механизмов на основе полиамида 11 с добавлением политетрафторэтилена и слоистого силикатосодержащего минерала (например, монтмориллонита). К недостаткам метода можно отнести применение в качестве базового полимера полиамида, не обладающего достаточной теплостойкостью и химической стойкостью, а также модифицирование полимерной матрицы крупными (более 5 мкм) частицами силикатосодержащего минерала, что не позволяет добиться максимального упрочняющего эффекта и достаточной гидрофобности покрытия.
Авторская разработка по патенту US 5376996, 27.12.1994 (D2) касается покрытия на основе полифениленсульфида, содержащего до 40 масс. % политетрафторэтилена и возможные упрочняющие добавки. Однако такой состав характеризуется крайне низкой адгезией к металлической подложке из-за применения чистого политетрафторэтилена. В качестве модифицирующей добавки предлагается использовать глину, но не указывается конкретный тип, что, в свою очередь, может оказывать сильное влияние на свойства покрытия. Предложенный жидкофазный метод не позволяет получать однородную механическую смесь или гомогенный состав из-за разной природы используемых полимеров. Таким образом, такой состав может быть эффективно применен лишь в полиграфии для валиков термического закрепления.
В данном изобретении предложен состав, обеспечивающий не только максимальные физико-механические свойства, но и высокий уровень адгезии к металлической подложке.
Новый технический результат изобретения заключается в получении эффективного защитного композиционного покрытия на основе полифениленсульфида для защиты изделий из металлических сплавов от воздействия агрессивной среды.
Достигается технический результат тем, что в составе помимо полифениленсульфида дисперсностью 20 мкм содержится ультрадисперсный порошок монтмориллонита (частицы размером менее 100 нм со слоистой структурой, собранные в конгломераты толщиной 300-600 нм и диаметром до 3 мкм) и порошок политетрафторэтилена 4-МБ дисперсностью 60 мкм при следующем соотношении, масс. %: полифениленсульфид - 65-67; политетрафторэтилен 4-МБ - 11-15; монтмориллонит - 20-22.
Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показаны механические и трибологические свойства защитного композиционного полимерматричного порошкового покрытия ПФС/ПТФЭ/ММТ (66/13/21 масс. %). На фигуре 2 представлены механические и трибологические свойства защитного композиционного полимерматричного порошкового покрытия ПФС/ПТФЭ/ММТ (65/15/20 масс. %). На фигуре 3 показаны механические и трибологические свойства защитного композиционного полимерматричного порошкового покрытия ПФС/ПТФЭ/ММТ (67/11/22 масс. %). На фигуре 4 изображен угол краевого смачивания защитного композиционного полимерматричного порошкового покрытия ПФС/ПТФЭ/ММТ (66/13/21 масс. %).
Авторами рассматривается возможность защиты элементов энергетического оборудования, обеспечивающего функционирование как малых, так и больших объектов, генерирующих электроэнергию. Комплекс защитных покрытий позволит увеличить срок эксплуатации энергетических узлов и элементов, в том числе теплообменных аппаратов, емкостей паровых котлов, водогрейных котлов воздухонагревателей, насосного оборудования ТЭС и АЭС, в 1,5-2 раза. Для достижения максимальных физико-механических свойств материал основного защитного слоя предлагается производить по схеме многокомпонентного и многоуровнего композита, сочетающего свойства матричного и упрочняющего материалов. В качестве основы композита будет использоваться конструкционный «супертермопласт» полифениленсульфид (ПФС), обладающий непревзойденной химической стойкостью к агрессивным средам и высокой рабочей температурой (до 220°С). Особенностью работы является твердофазная технология получения композитов для покрытий. Она не только отвечает самым строгим экологическим требованиям, но и позволяет значительно экономить на производстве, не переводя материал в другое агрегатное состояние и совмещая в одной производственной стадии нескольких технологических операций.
В качестве упрочняющей фазы предлагается вводить в полимер монтмориллонит. Использование механоактивационной обработки позволяет получать активированный порошок, обладающий максимальной поверхностной энергией, что в свою очередь увеличивает адгезию вводимого наполнителя к матрице за счет образования химических и физических связей. Модификация монтмориллонитом позволяет увеличить твердость, модуль упругости, термостойкость, ударную прочность и барьерные свойства ПФС. Для придания специальных свойств (придание лиофобности поверхности покрытия) в матрицу ПФС вводится другой полимер - ПТФЭ, обладающий высокой термостойкостью и рекордно низким коэффициентом трения и позволяющий увеличить угол смачиваемости поверхности.
Заявленный состав может быть получен следующим способом. В качестве исходных материалов используются промышленные порошки полифениленсульфида и политетрафторэтилена 4-МБ, а также очищенный ультрадисперсный порошок монтмориллонита. Состав компонентов в композиции отвечает соотношению, масс. %: полифениленсульфид - 65-67; политетрафторэтилен 4-МБ - 11-15; монтмориллонит - 20-22.
Компоненты, взятые в вышеуказанной пропорции, смешиваются в шаровом активаторе планетарного типа. Время механохимической обработке на активаторе типа АПФ-1/МПФ-1 составляет 30-35 минут.
Полученный таким образом материал представляет собой порошок коричневого цвета с размером частиц 60-120 мкм, не требующий дополнительной обработки. Готовый состав можно наносить на металлические изделия методом электростатического напыления.
Пример.
В качестве исходных материалов использовались Na-монтмориллонит (ММТ) с Таганского месторождения (Казахстан) с размером частиц менее 100 нм, порошок полифениленсульфида (ПФС) FORTRON 0205 В4 дисперсностью 20 мкм производства Celanese и порошок политетрафторэтилена 4-МБ (ПТФЭ) дисперсностью 60 мкм производства ОАО «ГалоПолимер».
Коэффициент заполнения мелющими телами рабочего барабана составил 0,5, общий коэффициент заполнения рабочего барабана - 0,75. Мелющими телами были шарики диаметром 5 и 8 мм, выполненные из стали 111X15.
Представленные выше порошки полифениленсульфида, политетрафторэтилена 4-МБ и монтмориллонита были помещены в реакторы в соотношении 66/13/21, 65/15/20 и 67/11/22 (масс. %) соответственно и смешаны в АПФ-3 в течение 30 минут.
Далее порошковая композиция была нанесена на пластины (Сталь 40) размером 150×75×3 методом электростатического напыления. Полученные результаты испытаний на покрытиях разработанного авторами состава представлены на Фигуре 1, Фигуре 2 и Фигуре 3. Для оптимального по набору свойств состава композита (полифениленсульфида, политетрафторэтилен 4-МБ и монтмориллонит в соотношении 66/13/21, соответственно) коэффициент трения удалось уменьшить на 54%, износ в 3,5 раза относительно чистого полифениленсульфида. Угол краевого смачивания (вода) представленного покрытия составляет 120°.