Многослойное антикоррозионное покрытие с углеродными нанотрубками

Многослойное антикоррозионное покрытие с углеродными нанотрубками

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к лакокрасочным покрытиям для антикоррозионной защиты металлических конструкций и может быть использовано для всех металлических конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.

Известна водная композиция для покрытия, содержащая 5-95 мас.%, по меньшей мере, одного набухаемого в щелочи полимера типа ядро-оболочка и 95-5 мас.%, по меньшей мере, одного полиуретана, причем сумма мас.%, указанных для полимеров, всегда составляет 100 мас.%, где набухаемым в щелочи полимером типа ядро-оболочка является сополимер, полученный в две или более стадий эмульсионной полимеризацией и полученной сополимеризацией на первой стадии (см. патент РФ №2254351, МПК С09D 175/04).

Недостатком водной композиции является возникновение коррозии металлических конструкций под слоем покрытия, возникающего вследствие использования водной композиции и щелочи.

Известна также водная эпоксидная коррозионностойкая грунтовка, содержащая водное эпоксидное соединение, отверждающий агент и безхроматный ингибирующий коррозию пигмент (см. патент RU №2003134603, МПК С09D 151/00, G09D 5/02).

Недостатком этого технического решения является возникновение коррозии металлических конструкций под слоем покрытия, возникающего вследствие использования водного эпоксидного соединения и склонности его к растрескиванию при температурных перепадах.

Известно многослойное антикоррозионное металлосодержащее покрытие, состоящее из грунтовочного слоя, включающего, по меньшей мере, два слоя, сформированных из материала, содержащего высокодисперсный порошок цинка в среде органоразбавляемого термопластичного связующего, с последующим нанесением, по меньшей мере, одного покрывного слоя (см. патент РФ №2155784, МПК С23С 28/00).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лакокрасочный материал для антикоррозионной защиты металлоконструкций, содержащий пленкообразующие вещества, высокодисперсный цинковый порошок и углеродные нанотрубки (см. патент JP 2005068278, А, 17.03.2005).

Недостатком известного лакокрасочного материала является низкая стойкость к воздействию агрессивной среды, а срок службы антикоррозионной защиты не превышает 5-7 лет.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении эффективности антикоррозионной защиты металлоконструкций и обеспечении более длительного срока службы антикоррозионного покрытия, за счет увеличения прочности лакокрасочного покрытия, обусловленного введением нанотрубок. Применение углеродных нанотрубок, вследствие их высокой электропроводности, выравнивает электрический потенциал покрытия, при этом получается композитный материал, который позволяет уменьшить количество высокодисперсного цинкового порошка. (При обычном применении высокодисперсного цинкового порошка его количество равно 90-93% по объему, так как иначе не будет непосредственного контакта между частицами цинка и, как следствие этого, протекторной защиты. Кроме того, такая защита обладает нестабильными физико-химическими свойствами и временными характеристиками.) При этом электропроводность между частицами высокодисперсного цинкового порошка обеспечивается за введения углеродных нанотрубок, что не только повышает эффективность протекторной защиты, но и позволяет снизить количество высокодисперсного цинкового порошка до 40% по объему. В известных системах покрытия углеродные нанотрубки используются только для увеличения стойкости покрытия к истиранию (разрушения). Кроме того, при количестве 10-48% по объему обеспечивается достаточная прочность конструкции за счет присутствия в композите высокодисперсного цинкового порошка.

Поставленная задача достигается тем, что согласно изобретению лакокрасочный материал для антикоррозионной защиты металлоконструкций, содержащий пленкообразующие вещества и высокодисперсный цинковый порошок и углеродные нанотрубки, выполнен в виде многослойного антикоррозионного покрытия, состоящего из грунтовочного слоя толщиной 80-100 мкм, промежуточного слоя толщиной 70-90 мкм и покрывного слоя, сформированных из лакокрасочного материала на основе пленкообразующего, и содержащего от 10 до 48% объема углеродных нанотрубок, от 40 до 86% объема высокодисперсного цинкового наполнителя, и общей толщиной 220-240 мкм.

Элекропроводность углеродных нанотрубок в несколько раз превышает электропроводность меди, что обеспечивает не только надежный электрический контакт, но и стекание статических зарядов с поверхности лакокрасочного материала, обеспечивая большую электробезопасность конструкции.

Углеродные нанотрубки - одномерный углеродный материал - были открыты около 10 лет назад. Новая молекулярная форма углерода открыла целую серию новых и неожиданных физических, механических и химических свойств. Эти уникальные свойства сделали нанотрубки ключевым элементом нанотехнологий.

Нанотрубки в настоящее время в основном используются при изготовлении молекулярных электронных устройств, нанотранзисторов и элементов памяти. Благодаря уникальным механическим свойствам нанотрубок из них можно также изготавливать углеродные композиты чрезвычайной прочности для автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Углеродные нанотрубки обладают примерно в 100 раз большей жесткостью, чем сталь, обладая в шесть раз меньшей плотностью, проводя при этом электрический ток.

Углеродные каркасные структуры - это большие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры - это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри "оболочки", например фуллерен С₆₀ (фиг.1а), после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и более тяжелых фуллеренов: начиная от С20 (минимально возможного из фуллеренов) и до С₇₀, C₈₂, С₉₆, и выше (некоторые из них показаны на фиг.1).

Фиг.1. Некоторые представители фуллеренов: а) С60, в) С60, с) С80.

Были также обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок (фиг.2).

Фиг.2. Примеры нанотрубок.

Нанотрубки могли быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые (фиг.2а, б) и спиральные (фиг.2в) (см. Pan et al. "Very long carbon nanotubes". Nature 394 (1998) 631). Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб.

Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали. В настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микронов, а диаметр от 20 до 50 нм. Для решения поставленной задачи возможно применение и более длинных нанотрубок, а диаметр не имеет значения, хотя нанотрубки с одинаковым диаметром обеспечивают более стабильные физико-химические свойства.

Дисперсность цинкового наполнителя от 20 до 100 нм.

В качестве пленкообразующих веществ могут быть использованы любые материалы, применяемые для защиты металлических конструкций от коррозии методом окрашивания (см., например, СТП 001-95, Защита металлических конструкций мостов от коррозии методом окрашивания, корпорация "Трансстрой", Москва, 1995), при этом дополнительное введение углеродных нанотрубок и цинкового наполнителя не влияет на технологические процессы при нанесении покрытия, а долговечность любого лакокрасочного покрытия будет возрастать. Кроме того, это будет происходить для любого покрытия включая и однослойное. Однако однослойные покрытия, считаются на сегодняшний день неперспективными и используются только для временной защиты при транспортировке конструкции к месту установки.

При приготовлении лакокрасочного покрытия первоначально производится перемешивание цинкового наполнителя и нанотрубок. После этого смесь цинкового наполнителя и нанотрубок добавляется в пленкообразователи, перемешивается и наносится на защищаемую поверхность, предварительно очищенную от ржавчины и обезжиренную. Последующие слои наносятся после отвердения предыдущего слоя. Перед тем как наносить первый (грунтовочный) слой, проводится очистка металла от ржавчины (если она присутствует) и обезжиривание. Эти операции следует производить в соответствии с СТП 001-95, Защита металлических конструкций мостов от коррозии методом окрашивания, корпорация "Трансстрой", Москва, 1995 или другими нормативными документами.

Наиболее целесообразно в умеренных условиях эксплуатации использовать в поверхностном слое углеродные нанотрубки без заполнения цинком, так как протекторная защита будет происходить только после разрушения поверхностного слоя.

Новым в предлагаемом решении является использование новых материалов и технологий, которые совсем недавно начали применяться в микроэлектронной промышленности для создания более дешевых и быстродействующих процессоров. Применение нанотрубок в лакокрасочной промышленности позволяет не только снизить стоимость производства антикоррозиционных материалов, но и увеличить продолжительность безремонтной эксплуатации до 25-28 лет.

Преимущества нового лакокрасочного покрытия для защиты металлических конструкций иллюстрируются таблицей, представляющей различные системы лакокрасочных покрытий для защиты металлических конструкций от коррозии для различных условий эксплуатации.

Преимущества нового лакокрасочного покрытия для защиты металлических конструкций иллюстрируются таблицей, представляющей различные системы лакокрасочных покрытий для защиты металлических конструкций от коррозии, в которых в качестве пленкообразующего вещества используется полиуретан (ТУ 84-404-78) с различным количеством углеродных нанотрубок и цинковым наполнителем для различных условий эксплуатации.

Таблица
Грунтовочный лакокрасочный слой	Промежуточный лакокрасочный слой	Покрывной слой Количество: нанотрубки / Zn в %	Ориентировочная толщина всего покрытия, мкм	Срок службы покрытия
Количество: нанотрубки / Zn в %	Ориентировочная толщина слоя. мкм	Количество: нанотрубки / Zn в %	Ориентировочная толщина слоя, мкм	У1	ХЛ1
1. 20/66	80-100	10/76	70-90	40/46	220-240	28	25
2. нет/90	80-100	нет/60	70-90	нет/86	140-160	17	15
3. 90/нет	80-100	50/нет	70-90	48/нет	140-150	15	14
4. 60/нет	40-50	40/нет	70-90	90/нет	90-120	10	12
5. 20/66	80-100	10/76	140	нет	220-240	13	11
6. 20/66	80-100	10/76	70-90	нет	150-190	12	10
7. 20/66	220-240	нет	нет	нет	220-240	10	8
8. 20/66	80-100	нет	нет	нет	80-100	7	5
Примечание: У1 - умеренный климат;
ХЛ1 - холодный климат.

Многослойное антикоррозионное покрытие для защиты металлоконструкций, состоящее из грунтовочного слоя толщиной 80-100 мкм, промежуточного слоя толщиной 70-90 мкм и покрывного слоя, сформированных из лакокрасочного материала на основе пленкообразующего и содержащего от 10 до 48 об.% углеродных нанотрубок, от 40 до 86 об.% высоко дисперсного цинкового наполнителя, и общей толщиной 220-240 мкм.