Композиция для получения изолирующих покрытий
Изобретение относится к композиции для получения изолирующих покрытий на рабочей поверхности деталей машин, механизмов и технологического оборудования, например фланцевых соединений магистральных трубопроводов. Композиция содержит следующее соотношение компонентов, в мас.%: 0,1-10,0 эластичного модификатора, 0,1-3,0 дисперсного наполнителя, 0,1-0,5 функциональной добавки, остальное до 100 - полиамидная матрица. В качестве эластичного модификатора используют дисперсные частицы структурированного эластомера в виде измельченной резины с размером 10-100 мкм. В качестве дисперсного наполнителя используют монтмориллонит или кремень, или трепел. В качестве функциональной добавки используют дибутилфталат или диоктилфталат. Изобретение позволяет повысить адгезионные, деформационные и изоляционные характеристики покрытия, а также стойкость к воздействию термоокислительных сред. 2 табл.
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления покрытий на детали герметизирующих систем и транспортных устройств.
Для обеспечения герметичности и изоляции стыков в различных конструкциях машин и механизмов и устройств для транспортирования жидких и газовых сред используют специальные прокладки, которые под действием механических усилий деформируются, заполняя зазор между соединяемыми деталями, а наличие прокладки из электроизоляционного материала препятствует протеканию электрических зарядов в соединении.
Для получения изолирующих покрытий применяют композиционные материалы на основе термопластичных и термореактивных полимерных матриц, содержащие функциональные модификаторы, увеличивающие прочностные, адгезионные, защитные характеристики. К числу наиболее распространенных полимерных матриц для композиционных герметизирующих материалов относят полиамиды, полиолефины, полиэфиры. В состав композиций вводят порошки металлов, оксидов металлов, силикаты, углеродные компоненты и т.п. (Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск: Наука и техника. - 1992. - с.656).
Прототипом изобретения является композиция для получения герметизирующих покрытий, содержащая термопластичную матрицу, дисперсный минеральный наполнитель, функциональные компоненты и эластичную добавку - термоэластопласт (Композиция для получения герметизирующих покрытий. Патент РФ на изобретение №2275404).
Композиция для получения герметизирующих покрытий по прототипу обладает достаточно высокими показателями адгезионной прочности и физико-механическими характеристиками. К числу существенных недостатков прототипа относятся недостаточно высокие изолирующие характеристики, низкая деформативность при механическом воздействии и низкая стойкость к воздействию термоокислительных сред.
Задачей изобретения является создание композиции для получения изолирующих покрытий на основе полиамидов, обладающей оптимальным сочетанием прочностных, адгезионных и деформационных характеристик, в т.ч. после воздействия термоокислительных сред.
Поставленная задача изобретения решается тем, что композиция для получения изолирующих покрытий, содержащая полиамидную матрицу, эластичный модификатор, дисперсный наполнитель и функциональную добавку, в качестве эластичного модификатора содержит дисперсные частицы структурированного эластомера в виде измельченной резины с размером 10-100 мкм, в качестве дисперсного наполнителя монтмориллонит или кремень, или трепел, в качестве функциональной добавки дибутилфталат или диоктилфталат, при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
| вышеуказанный структурированный эластомер | 0,1-10,0 |
| вышеуказанный дисперсный наполнитель | 0,1-3,0 |
| дибутилфталат или диоктилфталат | 0,1-0,5 |
| полиамидная матрица | остальное до 100 |
Составы композиций для получения изолирующих покрытий согласно изобретению и прототипу приведены в табл.1. Для приготовления композиций применяли полиамид 6 производства ОАО «ГродноХимволокно», полиамид 11 (Rilsan) производства фирмы ELF АТОСНЕМ (Франция). В качестве термоэластопласта использовали термопластичный полиуретан ТПУ (Россия). Дисперсный наполнитель получали механическим измельчением природного полуфабриката - глинистых минералов типа монтмориллонита, кремния или трепела (природной смеси монтмориллонита и цеолитов). Для измельчения использовали устройства ударного действия, обеспечивающие получение порошка с размером фракции не более 5-50 мкм. В качестве эластичного модификатора использовали дисперсный порошок, полученный измельчением резиновых фрагментов шин, шлангов, камер, полотен, транспортерных лент. Измельчение осуществляли в несколько стадий с получением фракций с размером от 10 до 100 мкм с высокой активностью частиц, имеющих развитую поверхность. Смешивание порошкообразных компонентов осуществляли в барабанном смесителе типа МБЛ в присутствии металлических мелющих элементов. Для обеспечения гомогенности состава порошок полиамида предварительно смешивали с функциональной добавкой, а затем в смесь добавляли последовательно порошки наполнителя и эластичного модификатора.
Покрытия на поверхности металлических подложек из стали 45 наносили по технологии псеводоожиженного слоя, осаждая порошкообразные компоненты на нагретую подложку, и методом газопламенного напыления с применением горелки ТЕРКО-П. Металлические подложки перед нанесением покрытия подвергали дробеструйной обработке с использованием колотой чугунной дроби. Для нагрева подложки использовали термошкаф СНОЛ. В качестве теплоносителя при газопламенном нанесении покрытий использовали пропан-бутановую смесь и кислород. Температуру теплоносителя регулировали соотношением компонентов и скоростью истечения газового потока.
Характеристики изолирующих покрытий оценивали по стандартным методикам. Адгезионную прочность определяли методом отслаивания покрытия от подложки под углом 180°. Стойкость к удару (деформативность) определяли прибором У-1. В качестве характеристики деформативности служила высота падения металлического индентора в см, при которой не происходило разрушение или отслоение покрытия. Стойкость покрытия к знакопеременным деформациям оценивали на образце 100×40×2 при толщине покрытия 100 мкм. Образец с покрытием изгибали до соприкосновения плоскостей, а затем разгибали до исходного состояния. Характеристикой деформативности служило число циклов «сгиб-разгиб» до появления сквозных трещин или отслоения покрытия от подложки. Изолирующие характеристики покрытий оценивали по напряжению пробоя, подаваемого на металлические электроды, покрытые слоем изолирующей композиции толщиной 100 мкм.
Как следует из данных табл.2, характеристики композиции для получения изолирующих покрытий при заявленном соотношении компонентов превосходят прототип по показателям деформативности, стойкости к электрическому пробою и не уступают по адгезионной прочности. При снижении содержания компонентов ниже заявленного соотношения (состав IX) или при превышении их содержания сверх заявленного (состав X) происходит либо падение характеристик, либо достигается дополнительный значимый эффект.
Сущность достигаемого технологического эффекта при заявленном составе композиционного материала для изолирующих покрытий заключается в следующем.
Применение дисперсного структурированного эластомера (порошка резины) позволяет снизить величину усадочных напряжений в покрытии и на границе раздела «покрытие-продложка». Состав частиц структурированного эластомера (резин) оказывает опосредованное влияние на свойства покрытия. Важнейшим фактором является наличие сшитого каучука. Поэтому состав резин может быть практически любым: от резин общетехнического до специального назначения. Этот эффект обусловлен способностью частицы дисперсного вулканизата к передеформированию без разрушения. В отличие от применяемого в прототипе в качестве эластичного модификатора термоэластопласта (ТПУ) частица структурированного эластомера химически не взаимодействует с полимерной матрицей и сохраняет собственную структуру. Наличие развитой поверхности частицы вулканизата и функциональной добавки (пластификатора ДБФ или ДОФ) способствует термодинамической совместимости компонентов с образованием граничного слоя с высокой устойчивостью к деформациям. При воздействии ударных нагрузок частицы вулканизата способствуют рассеянию подводимой энергии удара, а при воздействии знакопеременных нагрузок они рассеивают теплоту деформирования и препятствуют прорастанию микротрещин по сечению покрытия. Наличие в частице структурированного вулканизата различных функциональных компонентов (наполнителей, мягчителей, антиоксидантов, антиазонантов, пластификаторов и т.п.), входящих в состав резин общетехнического и специального назначения, синергически усиливает положительный эффект. Так, при воздействии термоокислительных сред изолирующие покрытия из разработанного состава сохраняют свои адгезионные и изоляционные характеристики в большей степени, чем покрытия из состава по прототипу.
| Таблица 1 Составы композиций для получения изолирующих покрытий | |||||||||||
| Компонент | Содержание, мас.% | ||||||||||
| Прототип | Заявляемые составы | ||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | ||
| 1. Эластичный модификатор: | |||||||||||
| - полиуретановый термоэластопласт (ТПУ) | 5 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| - структурированный эластомер | - | 0,1 | 5 | 10 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 0,05 | 15 |
| 2. Дисперсный наполнитель: | |||||||||||
| - монтмориллонит | - | - | - | - | 1,5 | - | 1,5 | - | 0,75 | - | - |
| - кремень | 1,5 | 0,1 | 1,5 | 3,0 | - | - | - | - | - | 0,05 | 5 |
| - трепел | - | - | - | - | - | 1,5 | - | 1,5 | - | - | - |
| 3. Функциональная добавка: | |||||||||||
| - олефиновый олигомер (нефтяной воск) | 0,3 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| - дибутилфталат | - | 0,1 | 0,3 | 0,5 | - | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,05 | 1,0 |
| - диоктилфталат | - | - | - | - | 0,3 | - | - | - | - | - | - |
| 4. Полиамидная матрица: | |||||||||||
| - полиамид 6 | 93,2 | 99,7 | 93,2 | 86,5 | 93,2 | 93,2 | - | 83,2 | 83,75 | 99,85 | 79 |
| - полиамид 11 | - | - | - | - | - | - | 93,2 | 10 | 10 | - | - |
| Примечание. В композициях I-V дисперсность структурированного эластомера 10 мкм; в композициях VI-VII - 50 мкм; в композиции VIII - 100 мкм; в композиции IX - 5-8 мкм; в композиции Х - 150 мкм. |
| Таблица 2 Характеристики композиций для получения изолирующих покрытий | |||||||||||
| Характеристика | Показатель для композиции | ||||||||||
| Прототип | Заявляемые составы | ||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | ||
| 1. Адгезионная прочность, кН/м: | |||||||||||
| - исходная | 2,0 | 2,1 | 2,5 | 2,8 | 2,6 | 2,7 | 3,0 | 2,8 | 2,7 | 2,0 | 2,5 |
| - после 1 часа кипячения в воде | 1,8 | 2,0 | 2,3 | 2,5 | 2,3 | 2,4 | 2,5 | 2,5 | 2,5 | 1,5 | 2,0 |
| - после 100 часов термоокисления при 150° | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,3 | 2,1 | 2,2 | 2,2 | 2,2 | 2,2 | 1,3 | 2,0 |
| 2. Твердость по Бринеллю МПа | 78 | 79 | 75 | 70 | 74 | 73 | 70 | 74 | 74 | 79 | 65 |
| 3. Напряжение пробоя, кВ: | |||||||||||
| - исходное | 3,5 | 3,5 | 4,0 | 4,3 | 4,0 | 4,0 | 4,1 | 4,0 | 4,1 | 3,0 | 4,5 |
| - после 1 часа кипячения покрытия в воде | 3,0 | 3,0 | 3,5 | 3,8 | 3,5 | 3,5 | 3,8 | 3,6 | 3,6 | 2,5 | 4,0 |
| - после 100 часов термоокисления при 150° | 1,0 | 1,5 | 3,8 | 4,0 | 3,9 | 3,9 | 4,0 | 3,9 | 4,0 | 1,3 | 4,3 |
| 4. Стойкость к ударному воздействию, см | 50 | 35 | >50 | >50 | >50 | >50 | >50 | >50 | >50 | 30 | >50 |
| 5. Стойкость к знакопеременным деформациям, число циклов | 10 | 6 | 15 | 18 | 16 | 18 | 20 | 16 | 16 | 5 | 18 |
Это обусловлено ингибированием процесса окисления полиамидной матрицы в сочетании с уменьшением уровня остаточных напряжений на границе раздела «матрица-наполнитель» и «покрытие-подложка».
При размере частиц структурированного эластомера менее 10 мкм резко увеличивается стоимость модификатора; при размере более 100 мкм формируется негомогенное покрытие и ухудшаются изолирующие характеристики покрытия по площади.
Наличие в составе композиции для нанесения изолирующих покрытий полимерных частиц силикатов способствует упорядочению пластифицированного граничного слоя с образованием квазикристаллической упорядоченной структуры. Таким образом, совокупное введение компонентов в состав композиции в заявленных соотношениях обеспечивает реализацию синергического эффекта повышения адгезионных деформационных и изоляционных характеристик покрытий, в том числе после воздействия термоокислительных сред.
Композиционные материалы для нанесения изолирующих покрытий были использованы при изготовлении фланцев транспортных газопроводов ОАО «Белтрансгаз». Изолирующие покрытия из разработанного композиционного материала, нанесенные по газопламенной технологии и методом псевдоожиженного слоя, получали высокие герметизирующие и изолирующие характеристики и рекомендованы к внедрению.
Композиция для получения изолирующих покрытий, содержащая полиамидную матрицу, эластичный модификатор, дисперсный наполнитель и функциональную добавку, отличающаяся тем, что в качестве эластичного модификатора композиция содержит дисперсные частицы структурированного эластомера в виде измельченной резины с размером 10-100 мкм, в качестве дисперсного наполнителя монтмориллонит, или кремень, или трепел, в качестве функциональной добавки дибутилфталат или диоктилфталат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| вышеуказанный структурированный эластомер | 0,1-10,0 |
| вышеуказанный дисперсный наполнитель | 0,1-3,0 |
| дибутилфталат или диоктилфталат | 0,1-0,5 |
| полиамидная матрица | остальное до 100 |
