Полимер-квазикристаллическая порошковая композиция для получения антикоррозийных защитных покрытий

Изобретение относится к полимерматричным композиционным материалам и представляет собой порошковый композиционный материал на основе полисульфона, наполненного дисперсными частицами квазикристаллов систем Al-Cu-Fe или Al-Cu-Cr со степенью наполнения до 20 масс. %. Разработанные композиционные материалы могут быть использованы в трубной промышленности при производстве антикоррозийных защитных покрытий для стальных труб заводского нанесения для использования в нефтепроводах, магистральных газопроводах, продуктопроводах, трубопроводах коммунального назначения и др. и в химическом и специальном машиностроении, автомобильной промышленности в качестве защитных антикоррозийных покрытий конструкций. Разработанные материалы обладают высокой химической стойкостью, низким коэффициентом трения и хорошей адгезией к металлической подложке.

 

Изобретение относится к полимерматричным композиционным материалам, предназначенным для получения антикоррозийных защитных покрытий, которые могут быть применены в трубной промышленности для использования в нефтепроводах, магистральных газопроводах, трубопроводах коммунального назначения и др.

Применение защитных покрытий на сегодняшний день является одним из самых популярных и действенных способов защиты металлов от воздействия агрессивной внешней среды и защиты от коррозии. Использование полимерных покрытий является одним из самых эффективных методов получения защитных покрытий. Полимерные покрытия не только защищают металлы от воздействия агрессивных сред, но и повышают их износостойкость, снижая прилипаемость различных веществ к рабочим поверхностям, позволяют экономить цветные металлы и другие дефицитные материалы.

Защитные покрытия для энергетического комплекса на российском рынке представлены в основном российскими продуктами на основе полимеров полиолефиновой группы и полимочевины. Покрытия из полиолефинов (полиэтилен, полипропилен) отличаются высокой химической стойкостью к действию многих агрессивных сред. Недостатками таких покрытий является неудовлетворительная химическая стойкость к органическим растворителям, которые при комнатной температуре вызывают некоторое набухание, а при температурах выше 100-120°C растворяют полиолефины. Рабочие температуры этих полимеров также являются относительно невысокими.

Еще одним классом полимерных покрытий являются покрытия из полиамидов (например, патент RU 2462493, опубликован 27.09.2012) которые обладают высокими барьерными и антифрикционными характеристиками. По износостойкости при сухом и жидкостном трении полиамиды превосходят не только другие классы полимеров, но и многие металлы, применяющиеся в антифрикционных целях.

Недостатком полиамидных покрытий является склонность к старению и значительное водопоглощение. С повышением температуры гигроскопичность возрастает. Следует отметить низкую стойкость полиамидов к окислению, что препятствует длительной эксплуатации полиамидных покрытий на воздухе при температурах выше 60-100°C.

Существует ряд технологический решений применения покрытий из полимочевины. Известен способ (RU 2440374, опубликован 20.01.2012), по которому изготавливают покрытия из полимочевины, полученной из реакционной смеси, включающий первый компонент, содержащий изоцианат, и второй компонент, содержащий (мет)акрилированный амин. В патенте (RU 2428443, опубликован 10.09.2011) предлагается комплексное антикоррозионное полимочевинуретановое покрытие для стальных поверхностей, предназначенное для защиты от коррозии для работы в диапазоне температур эксплуатации от -30 до +60°C. В патенте (RU 2478658, опубликован 10.04.2013) раскрывается способ получения покрытий, содержащих полимочевину и фосфорсодержащий полиол в качестве огнезащитного материала.

Общими недостатками покрытий на основе полимочевины являются дорогостоящие сырьевые компоненты полимочевинных систем, высокая стоимость оборудования для напыления, необходимость при реализации некоторых предложенных решений вредных и токсичных веществ (например, метилакрилата, бутилакрилата и др.) и ограниченная химическая стойкость полимочевинных покрытий.

Существует ряд патентов, в которых защитные покрытия создаются на основе эпоксидных смол с различными добавками, такими как графит, кремнезем, базальт, оксид магния, измельченный мрамор. Например, из патента (RU 2306325, опубликован 20.09.2007) известна композиция для получения полимерного барьерного покрытия на различных поверхностях для защиты от воздействия различных агрессивных сред. Композиция включает следующие компоненты: эпоксидную диановую смолу, дибутилфталат и/или алифатическую эпоксидную смолу ДЭГ-1, отвердитель полиэтиленполиамин, пластинчатый наполнитель в виде андезитовой базальтовой чешуи с толщиной пластинок от 0,2 до 7,0 мкм и, аэросил и/или органический растворитель. Известен способ (RU 2483090, дата публикации 27.05.2013) получения наплавляемых эпоксидных составов покрытий, содержащих промотор адгезии типа катехинового новолака и оксид магния. В патенте (RU 2468053, опубликован 27.11.2012) предложен способ получения антикоррозионных покрытий для защиты металлических поверхностей, эксплуатируемых в условиях повышенной температуры при воздействии высокой коррозионной среды. Данное покрытие содержит эпоксидно-диановую смолу ЭД-20, модифицированную термостойким борорганическим полимером - полиметилен-n-трифениловым эфиром борной кислоты, пластификатор диоктилфталат, микроармирующий наполнитель волластонит, пигмент технический углерод, армирующий наполнитель микрокремнезем, органический растворитель и отвердитель.

Недостатками покрытий на основе эпоксидных связующих являются сложность (многокомпонентность) по составу, т.к. для получения удовлетворительного комплекса эксплуатационных свойств кроме смолы необходимо использовать ряд функциональных наполнителей, а также пластификаторы, растворители и отвердители, многие из которых являются токсичными и экологически вредными веществами. К тому же покрытия на основе эпоксидных смол обладают низкой ударной прочностью, особенно при минусовых температурах.

В основе предлагаемого технического решения лежит использование высокотемпературного термопластичного полимера в качестве матричного материала и ультрадисперсных частиц квазикристаллов системы Al-Cu-Fe или Al-Cu-Cr в качестве армирующего наполнителя. Благодаря хорошему сочетанию механических и теплофизических свойств полисульфон является перспективным матричным материалом для создания выскопроизводительных полимерных композиционных материалов. Обладающие высокой прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения и химической стойкостью квазикристаллические фазы при использовании их в качестве наполнителей для термопластичных матриц позволяют создать новый класс материалов работающих в условиях высоких нагрузок и воздействия агрессивных сред.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ (RU 2304155, опубликован 10.08.2007), в котором квазикристаллические наполнители используется для армирования аморфно-кристаллических полимеров, таких как ПЭВД, ПТФЭ, ПФС. Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что в качестве матричного полимера используется полностью аморфный, некристаллизующийся полимер - полисульфон.

Заявленный технический результат заключается в получении порошковых композиционных материалов для защитных покрытий, обладающих следующими характеристиками:

- Коэффициент трения - не более 0.2;

- Адгезия (балл по ГОСТ 15140-78) - не более 2;

- Краевой угол смачивания - не менее 70.

Заявленный технический результат достигается следующим образом. Полимерматричный порошковый композиционный материал для получения антикоррозийных защитных покрытий с равномерным распределением наполнителя по объему материала матрицы включает матрицу из полисульфона и наполнитель, в качестве которого используются дисперсные частицы квазикристаллов систем Al-Cu-Fe или Al-Cu-Cr, при следующем соотношении компонентов (масс. %):

Наполнитель - квазикристаллы системы
Al-Cu-Fe или Al-Cu-Cr	1-20
Полисульфон	остальное

В качестве исходных материалов используются порошок полисульфона с температурой стеклования не менее 180°C в качестве матричного материала и квазикристаллические порошки с содержанием икосоэдрической фазы состава Al₆₅Cu₂₃Fe₁₂ или декагональной квазикристаллической фазы состава Al₇₃Cu₁₁Cr₁₆ в качестве наполнителя. Состав компонентов в композиции варьируется следующим диапазоном концентраций, масс. %: наполнитель (квазикристаллы Al-Cu-Fe или Al-Cu-Cr) - 1-20 масс. %, полисульфон - остальное.

При других концентрациях наполнителя могут возникнуть сложности с достижением равномерного распределения наполнителя по объему материала матрицы. Получение композиционного материала осуществляется путем твердофазной обработки исходных компонентов в шаровом планетарном активаторе в течение 30 минут, в результате чего происходит равномерное распределение наполнителя по объему материала матрицы. Получение готовых покрытий может быть осуществлено путем электростатического напыления порошковой композиции на металлическую подложку с последующим отжигом для придания покрытиям конечных потребительских характеристик.

Пример 1: Порошки полисульфона и квазикристаллов системы Al-Cu-Fe берут в следующих соотношениях: полисульфон - 99 масс. %, квазикристаллы Al-Cu-Fe - 1 масс. %. Исходные порошки загружаются в стальные барабаны и устанавливаются шаровой планетарный активатор, где осуществляется обработка в течение 30 минут при скоростях вращения водила 300-400 об/мин. После окончания рабочего цикла материал извлекают из барабанов, в результате получают однородный композиционный порошок, готовый к дальнейшему использованию.

Пример 2: Отличается от примера 1 тем, что порошки берут в следующих соотношениях: полисульфон - 80 масс. %, квазикристаллы Al-Cu-Fe - 20 масс. %.

Пример 3: Отличается от примеров 1 и 2 тем, что в качестве наполнителя используются квазикристаллы системы Al-Cu-Cr.

Использование полученных материалов в качестве защитных покрытий позволяет получать покрытия, свойства которых представлены в таблице 1.

Полимерматричный порошковый композиционный материал для получения антикоррозийных защитных покрытий с равномерным распределением наполнителя по объему материала матрицы, включающий матрицу из полисульфона и наполнитель, в качестве которого используются дисперсные частицы квазикристаллов систем Al-Cu-Fe или Al-Cu-Cr при следующем соотношении компонентов (масс. %):

Наполнитель - квазикристаллы системы Al-Cu-Fe или Al-Cu-Cr	1-20
Полисульфон	остальное