Состав для защитного покрытия
Владельцы патента RU 2402585:
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к полимерным составам для получения защитных покрытий на основе эпоксидных связующих, для защиты конструкций из различных металлов и полимерных композиционных материалов. Состав включает: эпоксидную диановая смолу, полиамидный отвердитель, наполнители - мелкодисперсный квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe дисперсностью менее 10 мкм, ультрадисперсный фторопластовый порошок и органический растворитель. Обладает высокой твердостью, высокими физико-механическими свойствами, адгезией к алюминиевым сплавам, сталям и полимерным композиционным материалам, влагостойкостью, устойчивостью к перепадам температур от -60°С до +100°С при толщине покрытия 70-100 мкм. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к полимерным составам для получения защитных покрытий на основе эпоксидных или алкидных связующих, которые могут быть использованы для защиты конструкций, изготовленных из различных металлов и полимерных композиционных материалов от воздействия факторов внешней среды при эксплуатации. Результатом такого воздействия является изнашивание поверхности материалов, активизация процессов старения и снижение конструкционной прочности. Применение защитных покрытий способствует увеличению ресурса работы конструкций.
Известно коррозионно- и износостойкое покрытие для металлических конструкций, содержащее эпоксидную смолу, нефтяной пек, наполнители и отвердитель аминного типа. Это покрытие обладает высокой адгезией к стали, прочностью, износостойкостью, высокими защитными свойствами (патент США №5266614).
Однако это покрытие характеризуется недостаточно высокой адгезией к алюминиевым сплавам и полимерным композиционным материалам, а также жесткостью покрытия, что снижает уровень эксплуатационных характеристик указанного покрытия.
Известно покрытие на основе эпоксидного связующего, которое содержит высокотвердые порошки (CN, SiC, Al2O3, керамические сферы) (патент США №5633086).
Покрытие обладает высокой твердостью, прочностью, стойкостью к истиранию. К недостаткам такого покрытия следует отнести невысокую эластичность, достаточно большую толщину покрытия, которые способствуют возникновению высокого уровня внутренних напряжений, снижающих адгезионные свойства покрытия при эксплуатации.
Известна композиция для получения антикоррозионного защитного покрытия на основе полиуретанового связующего, которая содержит в своем составе тефлоновый (фторопластовый) порошок, мелкодисперсные порошки окислов хрома, титана, кремния (патент КНР №1353156).
Однако вышеуказанное покрытие имеет ряд недостатков, основными из которых являются недостаточная адгезия к некоторым конструкционным материалам (алюминиевым сплавам, стекло- и углепластикам) и невысокая водостойкость.
Известна композиция защитного покрытия для нанесения на поверхности с очагами коррозии. Эта композиция содержит эпоксидный олигомер, пигменты, наполнители и отверждается отвердителем аминного типа (патент РФ №2214435).
Указанное покрытие неустойчиво к воздействию абразива, обладает невысокой эластичностью, низкой адгезией к алюминиевым сплавам.
Известна композиция для покрытия по цветным металлам, бетону и керамике, содержащая эпоксидный диановый олигомер, модифицированный карбоксилсодержащим бутадиеннитрильным каучуком, пигменты и наполнители (аэросил, мел). Покрытие отверждается кремнийорганическим амином (патент РФ №2255100).
Известное покрытие имеет невысокую адгезию к стали, угле- и стеклопластикам, а также низкую износостойкость при воздействии абразива.
Известно покрытие для защиты металлоконструкций от воздействия агрессивных сред, содержащее эпоксидную диановую смолу, а также наполнитель - высоколегированный никелем и медью чугунный порошок, обработанный в среде аргона (патент РФ №2044019).
К недостаткам указанного покрытия следует отнести большую толщину покрытия, при которой достигается высокий уровень прочностных характеристик, невысокую эластичность, жесткость покрытия, а также высокий удельный вес покрытия.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является износостойкий защитный полимерный состав, включающий, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 100,0 |
| Модификатор | 30,0-60,0 |
| Чешуйчатый кремний | 40,0-80,0 |
| Отвердитель | 10,0-20,0 |
| Аэросил | 5,0-10,0 |
| Микротальк | 10,0-20,0 |
В качестве модификатора состав содержит низкомолекулярный бутадиеннитрильный или полисульфидный каучук, в качестве отвердителя - кремнийорганический амин или его смесь с полиэтиленполиамином в соотношении 1:1. Состав может дополнительно содержать пигменты (патент РФ №2261879).
Однако указанное покрытие имеет недостаточно высокую твердость и связанную с этим склонность к загрязнению при воздействии окружающей среды, невысокую адгезию к алюминиевым сплавам и полимерным композиционным материалам. К недостаткам данного покрытия также можно отнести толщину покрытия (150-180) мкм, при которой достигается необходимый уровень свойств покрытия.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание состава для защитного покрытия, обладающего высокой твердостью, высокими физико-механическими свойствами, адгезией к алюминиевым сплавам, сталям и полимерным композиционным материалам, влагостойкостью, устойчивостью к перепадам температур от -60°С до +100°С при толщине покрытия 70-100 мкм.
Для решения поставленной технической задачи предложен состав защитного покрытия, включающий эпоксидную диановую смолу, полиамидный отвердитель, наполнители и органический растворитель, который в качестве наполнителей содержит мелкодисперсный квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe дисперсностью менее 10 мкм, а также ультрадисперсный фторопластовый порошок при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 100,0 |
| Полиамидный отвердитель | 15,0-50,0 |
| Квазикристаллический наполнитель | 50,0-100,0 |
| Ультрадисперсный фторопластовый порошок | 30,0-100,0 |
| Органический растворитель | 200,0-400,0 |
Для придания покрытию цвета в состав композиции могут входить различные пигменты, например белые, желтые, синие, черные и др. пигменты (ГОСТ 9808-84, ГОСТ 22699-77, ТУ 6-14-195-77, ТУ 6-14-408-76) в количестве от 5,0 до 40,0 мас.ч.
Для обеспечения требуемых декоративных и оптических характеристик предлагаемый состав может содержать синтетический кремнезем, например аэросил (ГОСТ 14922-77) или другие матирующие добавки в количестве от 15,0 до 35,0 мас.ч.
В качестве наполнителей в указанном составе использованы:
- квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, представляющие собой частицы осколочной формы дисперсностью менее 10 мкм;
- ультрадисперсный фторопластовый порошок, представляющий собой сферические частицы.
Дисперсность фторопластового порошка может быть различной, но наилучший технический результат достигается при использовании порошка дисперсностью от 0,2 до 1,0 мкм.
Структура полимерной матрицы, наполненной квазикристаллами, существенно зависит от дисперсности наполнителя. Это связано с особенностями электрических и магнитных свойств квазикристаллов системы Al-Cu-Fe. Введение в эпоксидно-полиамидную матрицу комбинации вышеуказанных наполнителей в силу особенностей их химической природы и физических свойств (невысокая поверхностная энергия наполнителей, высокая твердость и низкая абразивная способность квазикристаллов) позволяет получить структуру покрытия, устойчивую как к истиранию, так и к загрязнениям.
Используемый в составе для защитного износостойкого покрытия квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe дисперсностью <10 микрон получают путем обработки смеси порошков алюминия, меди и железа в шаровой мельнице, нагрева смеси до 800°С в атмосфере аргона и выдержки в течение 10-20 мин с последующим измельчением.
Наилучший технический результат заявляемого изобретения достигается при использовании в предлагаемом составе эпоксидных олигомеров с молекулярной массой 800-1600 и массовой долей эпоксидных групп от 6,5% до 12%, например марок Э-41, Э-44, Э-49 (ТУ 6-09-3513-86, ТУ 6-10-607-78, ГОСТ 20824-81, ГОСТ 10587-84, ТУ 6-10-1347-75).
В качестве отвердителя в композиции используется продукт конденсации димеризованных жирных кислот растительных (льняное, соевое) масел с полиэтиленполиамином, например ПО-200 (ТУ 2224-092-05034239-96, ТУ 6-10-1279-77).
В качестве органического растворителя состав содержит смесь ксилола, ацетона и бутилацетата или смесь ацетона, ксилола и этилцеллозольва.
Приведенный состав обладает высокой адгезионной прочностью к защищаемым поверхностям, износостойкостью при истирании, высокой твердостью, устойчивостью к перепадам температур от -60°С до +100°С и влажности, хорошими декоративными свойствами, устойчивостью к загрязнениям.
Для повышения защитных свойств заявляемый состав покрытия при нанесении на металлические поверхности может применяться в системе с различными грунтовочными покрытиями, содержащими ингибиторы коррозии.
Примеры осуществления
Пример 1
Состав для получения износостойкого покрытия готовили следующим образом: к 100,0 мас.ч. эпоксидной смолы Э-41 добавляли органические растворители - 60,0 мас.ч. ацетона, 60,0 мас.ч. бутилацетата и 80,0 мас.ч. ксилола и растворяли при перемешивании при комнатной температуре до полного растворения эпоксидного олигомера. Затем вводили 50,0 мас.ч. квазикристаллического наполнителя дисперсностью менее 10 мкм и 100,0 мас.ч. ультрадисперсного фторопластового порошка дисперсностью от 0,2 до 1,0 мкм и диспергировали до получения необходимой степени дисперсности. Перед применением состава в полученный полуфабрикат вводили 45,0 мас.ч. отвердителя ПО-200 мас.ч., перемешивали и наносили на защищаемую поверхность.
Технология получения составов по примерам 2-4 аналогична примеру 1. Пигменты вводят одновременно с диспергированием квазикристаллического и ультрадисперсного наполнителей в эпоксидном связующем. При необходимости матирующие добавки вводят в полученную после диспергирования компонентов композицию.
Составы по примерам 1-4 приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||
| Наименование компонентов | Состав по примерам, мас.ч. | Прототип | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| Смола эпоксидная Э-41 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | - |
| Смола эпоксидная ЭД-20 | 100,0 | ||||
| Квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe (дисперсность <10 мкм) | 50,0 | 75,0 | 100,0 | 100,0 | - |
| Ультрадисперсный порошок ПТФЭ | 100,0 | 75,0 | 50,0 | 30,0 | - |
| Отвердитель (ПЭПА: АСОТ-2 соотношение 1:1 | - | - | - | - | 20,0 |
| Полиамидный отвердитель: | - | ||||
| Полиамид ПО-200 | 50,0 | 45,0 | 15,0 | - | |
| Полиамид ПО-300 | - | - | - | 30,0 | |
| Низкомолекулярный каучук CKH-18-1a | - | - | - | - | 50,0 |
| Чешуйчатый кремний | - | - | - | - | 60,0 |
| Аэросил | - | 15,0 | 35,0 | 10,0 | |
| Пигмент: | - | ||||
| Сажа газовая | - | 12,0 | - | - | |
| Диоксид титана | - | - | 40,0 | - | |
| Пигмент голубой фталоцианиновый | - | - | - | 5,0 | |
| Растворители: | |||||
| Ацетон | 60,0 | 90,0 | 120,0 | 65,0 | - |
| Бутилацетат | 60,0 | 120,0 | 120,0 | - | - |
| Ксилол | 80,0 | - | 160,0 | 90,0 | - |
| Этилцеллозольв | - | 90,0 | - | 65,0 | - |
| Таблица 2 | |||||
| Показатели свойств | Примеры по изобретению | Прототип | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| 1. Толщина покрытия, мкм | 70 | 90 | 100 | 100 | 170 |
| 2. Адгезионная прочность по ГОСТ 15140-78 в исходном состоянии, балл | |||||
| а) к алюминиевому сплаву | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| б) к стеклопластику | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| 2. Адгезионная прочность по ГОСТ 15140-78 после 10 суток увлажнения, балл | |||||
| а) к алюминиевому сплаву | 1-2 | 1-2 | 1-2 | 1 | 4 |
| б) к стеклопластику | 1 | 1 | 1 | 1 | 4 |
| 3. Прочность пленки покрытия при ударе в исходном состоянии, см, (ГОСТ 4765-73) | 50 | 50 | 50 | 50 | 40 |
| 4. Прочность пленки при растяжении (эластичность) в исходном состоянии, мм (ОСТ 6-10-411-77) | 6,2 | 6,3 | 6,0 | 6,0 | 5,9 |
| 5. Прочность пленки покрытия при ударе после искусственного старения при температурах (-60…+100)°С с увлажнением в течение 10 циклов, см | 50 | 50 | 50 | 50 | 35 |
| 6. Прочность пленки при растяжении после искусственного старения при температурах (-60…+100)°С с увлажнением в течение 10 циклов, мм | 5,8 | 5,7 | 5,5 | 5,4 | 5,0 |
| 7. Твердость покрытия по маятниковому прибору ТМЛ 2124 (ГОСТ 5233-89), относительные единицы | 0,3 | 0,32 | 0,34 | 0,37 | 0,18 |
| Износостойкость по ISO 7784-2 (индекс Табера) | 45 | 42 | 40 | 38 | 115 |
| Показатель грязеудержания (n), % | 8 | 9 | 11 | 12 | 35 |
Из составов, приведенных в примерах 1-4, были получены покрытия толщиной 70-100 мкм на образцах алюминиевого сплава Д16АТ АнОкснхр, стали и стеклопластика. Определены время высыхания покрытия, адгезионная прочность при отрыве, твердость покрытия, прочность при растяжении и прочность при ударе в исходном состоянии и после искусственного старения, износостойкость при истирании, оптические характеристики. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Как видно из приведенных примеров, применение изобретения позволяет получить износостойкое покрытие с высокими адгезионными, физико-механическими декоративными свойствами для нанесения на изделия из алюминиевых сплавов, стали, а также полимерных композиционных материалов, которые могут эксплуатироваться при перепаде температур от -60°С до +100°С и могут быть использованы для защиты деталей и элементов конструкций из алюминиевых сплавов и сталей и от абразивного износа при истирании при эксплуатации изделий, в том числе в качестве декоративных покрытий для окраски внутренних поверхностей кабины, панелей приборов, и других деталей. Применение предлагаемого состава износостойкого покрытия повышает эксплуатационную стойкость элементов конструкций за счет повышения износостойкости при истирании, что способствует повышению ресурса эксплуатации деталей.
1. Состав для защитного покрытия, включающий эпоксидную диановую смолу, полиамидный отвердитель, наполнители и органический растворитель, отличающийся тем, что в качестве наполнителей он содержит мелкодисперсный квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe дисперсностью менее 10 мкм, а также ультрадисперсный фторопластовый порошок при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| эпоксидная диановая смола | 100,0 |
| полиамидный отвердитель | 15,0-50,0 |
| квазикристаллический наполнитель | 50,0-100,0 |
| ультрадисперсный фторопластовый порошок ПТФЭ | 30,0-100,0 |
| органический растворитель | 200,0-400,0 |
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя он содержит смесь ксилола, ацетона и бутилацетата или смесь ацетона, ксилола и этилцеллозольва.
3. Состав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит матирующие добавки в количестве 15,0-35,0 мас.ч.
4. Состав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит пигменты в количестве 5,0-40,0 мас.ч.
