Епоксикомпозитне покриття

Винахід відноситься до області отримання композитних покриттів для захисту деталей машин та механізмів технологічного устатк ування в машинобудуванні, радіотехнічній, хімічній і харчовій промисловості від корозії і спрацювання. Полімеркомпозитні матеріали забезпечують необхідний комплекс фізико-механічних властивостей, корозійну та зносостійкість, а також високу ремонтоздатність за рахунок не однократного відновлення поверхонь деталей композитами, що використовуються в якості покриттів. Особливістю полімеркомпозитних покриттів є формування гетерогенної структури композитів внаслідок адсобційної взаємодії полімерної матриці з наповнювачем та поверхнею металу. У зв'язку з цим, велике наукове і практичне значення має розробка методів зниження внутрішніх напружень, направлених на поліпшення в системі міжмолекулярної взаємодії шляхом регулювання дифузійних та адсорбційних процесів у гетерогенних системах. Відома полімерна композиція (пат. Японії №63142021, 11.03.88 "Епоксидна композиція") містить (мас. ч.): епоксидна смола - 100, етилтриметоксилан - 0.7, крезольна новолачна смола - 20, новолачна фенолоформальдегідна смола - 9.2, наповнювач SiO2 - 65.5. Недоліком даної композиції є складність технології формування та нанесення захисного покриття на деталі складного профілю. Відома композиція для покриттів (а. с. №1148855, опубл. в Б.И., 1985, №13 "Композиція для покриттів"), що містить епоксидно-діанову смолу, кислий глифталевий діефір в якості отверджувача і мінеральний наповнювач карбід кремнію, кварцева мука або порошок андезиту. Недоліком даної композиції є недостатня теплостійкість та високі показники внутрішніх напружень. Це призводить до руйнування матеріалу під час експлуатації захисних покриттів при високих температурах. Відома полімерна композиція (пат. Японії №63183914, 29.07.88 "Епоксидна композиція для силових електричних пристроїв") містить (мас. ч.): епоксидна смола на основі дифенілпропану - 30, фенольноноволачна смола - 4, прискорювач тверднення на основі імідазолу - 2 та наповнювач – АІ2 О3 - 60. Недоліком даної композиції є невисокі тиксотропні властивості наповненої системи, що зумовлює виникнення значних вн утрішніх напружень на межі поділу фаз покриття -основа. Даний фактор сприяє проникненню агресивних середовищ в об'єм покриттів забезпечуючи локальне руйнування і відшарування композиту від площини субстрату. Найбільш близькою за технічною суттю до композиції, яка заявляється, є полімерне покриття (а. с. SU №1434762 А1, ДСК), що містить шпаклювальний і поверхневий шари, які складаються з епоксидної діанової смоли, отверджувача та неорганічного наповнювача. Недоліком відомої композиції є низька теплостійкість та адгезійна міцність до металевих поверхонь. Значна седиментація дисперсного наповнювача призводить до утворення залишкових гредієнтних внутрішні х напружень на межі адгезив-субстрат і в об'ємі композиту, які в процесі експлуатації спричиняють появу мікротріщин у захисних покриттях. Дані недоліки зумовлюють локальне відшарування відомої композиції від основи, а також суттєво звужують діапазон температурної експлуатації деталей і механізмів технологічного устатк ування. В основу винаходу поставлено задачу підвищення фізико-механічних і теплофізичних характеристик захисних покриттів технологічного устаткування, шляхом виконання епоксикомпозитного покриття, що містить шпатлювальний і поверхневий шари, які складаються з епоксидної діанової смоли, отверджувача та неорганічного наповнювача, причому шпатлювальний шар в якості неорганічного наповнювача містить коричневий шлам, а поверхневий шар в якості неорганічного наповнювача містить оксид міді та газову сажу, з наступним співвідношенням інгредієнтів у шарах, мас. ч.: Шпатлювальний шар Епоксидна діанова смола 100 Отверджувач 8-10 Неорганічний наповнювач: Коричневий шлам, 2-10мкм 40-60 Поверхневий шар Епоксидна діанова смола 100 Отверджувач 8-10 Неорганічний наповнювач: Оксид міді, 60-80мкм 80-100 Газова сажа, 2-10мкм 20-40 Як базовий компонент для полімерної матриці захисного покриття вибрано низькомолекулярну епоксидну діанову смолу ЕД-20 (ГОСТ 10587-84), яка у скловидному стані характеризується високими фізико-механічними властивостями та адгезійною міцністю до чорних металів і сплавів. Для зшивання епоксидного в'яжучого використовували отверджувач холодного отверджування - поліетиленполіамін (ПЕПА) (ТУ 6-02-594-73). Вміст отверджувача у в'яжучому визначали на основі оптимального поєднання високих фізико-механічних властивостей з технологічністю виготовлення композиції. Нанесення на металеву основу шпатлювального шару товщиною 0.7-1.0мм, який містить 40-60мас.ч. феромагнітного коричневого шламу, забезпечує вирівнювання поверхні основи, нівелювання пор, раковин та інших дефектів. Вміст коричневого шламу в композиції у вказаних межах забезпечує значну седиментаційну стійкість гетерогенних систем, що зумовлює суттєвий ступінь зшивання епоксидної матриці і високі показники когезійної міцності епоксикомпозитів. Уведення наповнювача до 40мас.ч. на 100мас.ч. ЕД-20 призводить до зменшення об'єму полімеру у стані поверхневих прошарків, при цьому когезій на міцність композитного матеріалу знижується. Уведення коричневого шламу понад 60мас.ч. на 100мас.ч. ЕД-20 зумовлює підвищення внутрішніх напружень у композиті внаслідок значної дефектності поверхневих прошарків навколо дисперсних частинок наповнювача. Коричневий шлам, як доступний та структурно активний наповнювач, уводили з метою здешевлення композиції та збільшення адсорбційної взаємодії на межі полімер-наповнювач, внаслідок значної кінетичної, хімічної і магнітної активності дисперсних частинок. Коричневий шлам складається із суміші окисів (мас.ч.): окис заліза 46-48 окис алюмінію 7-9 окис кремнію 12-14 окис кальцію 18-21 окис магнію 1-2 окис титану 4-7 окис ванадію 1.5-2.5 окис олова 0.9-1.6 окис барію 0.7-1.0 інші окиси до 100 З метою вилучення інших домішок перед просіюванням проводили очищення коричневого шламу методом ультразвукової обробки у водному розчині з наступним просушуванням при температурі Т=443±2К протягом 1.52.0 годин. Поверхневий шар товщиною 1.5-2.0мм наносять на поверхню шпаклювального шару після його полімеризації протягом 25-30хв. при температурі Т=343-353К. Такий режим тверднення забезпечує формування проміжного шару внаслідок дифузійних фізико-хімічних процесів, які проходять у композиційній системі при полімеризації. Уведення, як основного наповнювача оксиду міді та додаткового - газової сажі при оптимальній концентрації забезпечує формування стійкої до седиментації тиксотропної системи з високими фізико-механічними та теплофізичними властивостями. Збільшення концентрації даних наповнювачів зумовлює виникнення напруженого стану та дефектів у поверхневих прошарках, що спричиняє зниження термостабільності і довговічності захисних матеріалів. Таким чином, у порівнянні з відомими технічними рішеннями заявлений об'єкт має суттєві відмінності, а отримання позитивного ефекту з умовлено усією сукупністю властивостей компонентів. В таблиці наведено приклади конкретного виконання композиції: технічні рішення згідно із заявкою, контрольні приклади прототипу, а також їхні порівняльні властивості. Композицію формують і наносять на поверхню за наступною технологією. Шпаклювальний шар. Дозування компонентів, гідродинамічне суміщення наповнювача і епоксидної діанової смоли (ЕД-20) до отримання однорідної суміші, уведення отверджувача (ПЕПА), вакуумування композиції протягом 40-60хв. Отриману композицію протягом 60-80хв. наносять на попередньо обезжирену поверхню методом пневматичного розпилення, після чого затверджують за режимом Т=343-353К, t = 25 - 30 хв . Поверхневий шар. Технологія приготування поверхневого шару аналогічна технології приготування шпатлювального шару. Після нанесення композиції покриття термообробляють при температурі Т=393-403К протягом t = 2 . 0 - 2 .5 год. Внутрішні напруження визначали консольним методом. Руйнівне напруження при згинанні визначали згідно ГОСТ 4648-71. міцність покриття при ударі досліджували при допомозі маятникового копра згідно ГОСТ 4765-73. Теплостійкість (за Мартенсом) полімеркомпозитних матеріалів визначали згідно ГОСТ 21341-75. Як видно з таблиці оптимальний вибір інгредієнтів дозволяє у порівнянні з прототипом підвищити фізикомеханічні властивості та теплостійкість, а також знизити внутрішні напруження гетерогенних матеріалів. Крім того, низька вартість та доступність компонентів і матеріалів розробленого покриття у порівнянні з прототипом зумовлює більш широке його використання у промисловості для підвищення ресурсу роботи технологічного устаткування. Таблиця № Компоненти 1 2 Шпатлюв альний шар Епоксидна смола (ЕД-20) Отв ерджув ач поліетиленполіамін (ПЕПА) Напов нюв ач Склобій, 600мкм Аеросил Коричнев ий шлам, 210мкм Пов ерхнев ий шар Епоксидна смола (ЕД-20) Отв ерджув ач поліетиленполіамін (ПЕПА) Напов нюв ач Оксид міді (60-80мкм) Газов а сажа (210мкм) Черв оний шлам, 210мкм Тугоплав ка комплексна сполука 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Композиція згідно з винаходом І II III 3 4 5 прототип Контрольні приклади І 6 II 7 III 8 IV 9 V 10 VI 11 VII 12 VIII 13 IX 14 X 15 I 16 II 17 III 18 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 8 9 10 7 7 11 12 8 10 9 9 8 10 10 12 15 80 120 160 2 3 4 40 50 60 20 30 70 80 60 40 40 60 50 50 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 8 9 10 7 7 11 12 10 8 8 10 9 9 10 12 15 80 90 100 60 70 110 120 90 90 100 80 90 90 20 30 40 5 10 50 60 20 40 20 40 20 40 40 50 60 100 140 180 Характеристики композитного матеріалу 1 2 3 Внутрішні напруження, МПа Руйнів не напруження при згинанні, МПа Ударна в 'язкість, 4,14 3,92 3,81 4,21 4,18 4,10 4,08 4,18 4,13 4,02 4,26 4,22 4,19 6,32 6,08 5,85 101 106 109 91 93 94 90 104 106 108 102 104 108 63 68 71 9,2 9,4 9,8 8,6 8,7 9,4 9,2 9,0 9,2 9,3 9,1 9,4 6,2 6,4 6,7 9,7 4 кДж/м 2 Теплостійкість, К 394 397 398 382 384 387 382 392 395 396 388 389 391 341 346 347