СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИНКОНАПОЛНЕННОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2000 года по МПК C09D5/10 C09D167/08 

Изобретение относится к созданию антикоррозионных покрытий на основе цинкнаполненных полимеров и может быть использовано в качестве грунтовки по металлу без применения дробеструйной подготовки поверхности в машиностроении, строительстве, нефтедобывающей промышленности и др.

Эффективное применение для антикоррозионной защиты металлонаполненных покрытий уже давно доказано практикой. Опубликована информация, посвященная вопросам создания и изучения свойств металлонаполненных покрытий. (Е.М. Аратова и др. Металлонаполненные покрытия. Обзорная информация ВНИИТЭХИМ, М. , 1980 г.). Тем не менее поиск оптимальных составов для получения антикоррозионных покрытий продолжается. Постоянное изменение экономической ситуации, в первую очередь в России, обуславливает творческий поиск специалистов в направлении освоения, во-первых, невостребованных научно-технических заделов отечества и, во-вторых, использования существующего налаженного производства пленкообразующих и цинкового порошка. При этом поиск идет по созданию универсальных составов, имеющих широкую сферу применения. Следуя этому направлению, создана цинкнаполненная грунтовка на основе алкидного пентафталевого лака, модифицированного эпоксидно-жирнокислотным олигомером (патент РФ N 2066434, публ. 1996 г.), которая является наиболее близкой к заявляемому решению.

Известное техническое решение является попыткой создать в существующих экономических условиях реальный состав, который можно производить и использовать.

Авторы известного решения пошли по пути повышения седиментационной устойчивости грунтовки путем введения в состав тиксотропных добавок - полиметилмочевины и сиккатива при относительно низком содержании цинкового порошка. Решая эту задачу, авторы добиваются стабильности системы "связуюшее-цинковый порошок" и получают за счет этого однокомпонентную систему. Полиметилмочевина улучшает тиксотропность системы, т.к. является поверхностно-активным веществом по отношению к цинку и ее молекулы адсорбируются на поверхности частиц цинка, способствуя получению рыхлого и легко взмучиваемого осадка из частиц порошка цинка после длительного хранения однокомпонентной системы. При большом количестве полиметилмочевины (6,5-10%) полученный состав обеспечивает улучшение седиментационной устойчивости частиц порошка цинка, т.к. имеет большую вязкость, которая является причиной того, что полученную грунтовку перед нанесением на поверхность нужно разбавлять ксилолом до значения вязкости 16-20 с. Таким образом, если подходить к известному составу с точки зрения технологичности, то она является в конечном итоге двухкомпонентной: "концентрированный полуфабрикат грунтовки" и растворитель. Поэтому, как показывает практика, для промышленного использования улучшение тиксотропности и седиментационной устойчивости цинкнаполненных составов не является определяющим направлением в области разработки новых материалов такого типа. Гораздо более важными являются те характеристики, которые обеспечивают высокие эксплуатационные свойства антикоррозионного покрытия, полученного после нанесения цинкнаполненного состава на металлическую поверхность защищаемого изделия или объекта при максимальном количестве технологических достоинств.

С этой точки зрения известное решение за счет низкого содержания цинкового порошка в грунтовке и, следовательно, в покрытии скорее всего создаст систему, при которой в сухом покрытии частицы чинка будут находиться на удаленном расстоянии друг от друга. Это обстоятельство в совокупности с высокой крупностью порошка, который используется в известном решении, приводит к тому, что свойства покрытия в большей степени определяются свойствами связующего, которое не может обеспечить высокие протекторные свойства покрытия. Низкие протекторные свойства и соответственно слабая электропроводность неизбежно ведут к плохой свариваемости грунтованных поверхностей. Без дополнительной зачистки их сварка просто невозможна.

Задача настоящего технического решения состоит в создании состава для получения цинкнаполненных покрытий для различных отраслей промышленности, обеспечивающих после нанесения любым простым лакокрасочным способом и холодной или горячей сушки создание на поверхности стальных изделий и конструкций антикоррозионного цинкнаполненного покрытия с высокими протекторными свойствами, высокой адгезией к гладкой, не дробеструенной поверхности, высокими атмосферо- и водостойкостью, высокой химической стойкостью, высокими твердостью и износостойкостью, прочностью на удар и эластичностью при изгибе, а также электропроводностью, обеспечивающей возможность сварки изделий и конструкций без зачистки свариваемых кромок.

Для решения поставленной задачи состав для нанесения цинкнаполненных покрытий содержит связующее, относящееся к классу алкиднокомбинированных, ограниченных пентафталевой составляющей, которая модифицирована одной из полимеризационных или поликонденсационных смол. При этом связующее должно иметь сухой остаток в количестве 18-45 мас.%, цинковый порошок используется с частицами сферической формы, размер частиц находится в пределах 1-15 мкм, и массовое соотношение компонентов состава, мас.%: cвязующее 20-50, цинковый порошок 50-80. А массовое отношение сухого остатка в связующем к цинковому порошку в составе составляет 15:85-10:90.

Для удобства приготовления состава можно воспользоваться расчетной формулой для определения количества цинкового порошка в зависимости от доли сухого остатка в связующем

где C_Zn - количество цинкового порошка в составе, мас.%
N_c.o. - доля сухого остатка в связующем,
Э - эмпирический коэффициент, равный 0,111-0,176
Сущность изобретения заключается в следующем.

На сегодняшний день, как правило, антикоррозионное покрытие может обладать высокой атмосферо- и водостойкостью, но при этом имеет низкую химическую стойкость, или, обладая высокой прочностью и твердостью, имеет низкую эластичность и т.д. Связующее заявленного класса ввиду небольшого количества модифицирующей смолы имеют практически одинаковые физикомеханические свойства, которые при прочих равных условиях определяют один из самых важных показателей цинкнаполненного покрытия - оптимальное соотношение между количеством сухого остатка связующего и количеством порошка цинка в составе. Иными словами, данное оптимальное соотношение является единым для целого ряда составов на основе пентафталевой смолы, модифицированной какой-либо из поликонденсационных или полимеризационных смол. В итоге, целый ряд составов на основе одного и того же порошка цинка и различных алкиднокомбинированных связующих позволяет получить антикоррозионные покрытия с практически одинаковыми протекторными, электропроводящими и адгезионными свойствами, но различными специальными - атмосферостойкость, водостойкость, химстойкость, твердость на удар и эластичность при изгибе, в зависимости от типа связующего. В связи с этим технический результат, полученный авторами, заключается в том, что им удалось в сухом цинкнаполненном покрытии достигнуть максимальной степени наполнения покрытия цинковыми частицами таким образом, что поверхность всех цинковых частиц покрыта оболочкой из материала сухого остатка связующего и цинковые частицы при этом находятся на минимально возможном расстоянии друг от друга.

Эксперименты показали, что в случае заниженного содержания цинка в составе и, следовательно, в покрытии частицы цинка в сухом покрытии находятся на удаленном расстоянии друг от друга, что приводит к снижению электропроводности, т.к. в этом случае свойства покрытия в большей степени определяются свойствами связующего. В случае завышенного содержания цинка количество сухого остатка связующего является недостаточным для обеспечения образования защитной оболочки на всех частицах порошка цинка и заполнения пространства между ними, что приводит к ухудшению адгезии и появлению пор в покрытии. Форма и размеры частиц цинкового порошка являются необходимыми для решения поставленной задачи, т.к. при использовании распыленных порошков неправильной формы не удается достичь плотной их упаковки, что приводит к увеличенному расходу связующего и, как следствие, - к недостаточной протекторной защите. От дисперсности порошка зависит удельная поверхность, и, следовательно, общая поверхность в составе, по которой распределяется сухой остаток связующего. Чем мельче порошок, тем большую поверхность он имеет и тем большее количество сухого остатка связующего требуется на единицу массы порошка для обеспечения непрерывной защитной оболочки. В последнее время в РФ появились производства мелкодисперсного цинкового порошка, расширяющие возможности в разработках все более совершенных покрытий.

Полученный в заявленном решении технический результат позволил получить состав для получения цинкнаполненного покрытия с одинаково высокими протекторными, электропроводящими и адгезионными свойствами, но избирательно отличающимися по другим показателям с учетом требований различных отраслей промышленности: для строительства - покрытия с высокими атмосферо- и водостойкостью, для нефте- и газодобывающей промышленности - покрытия с высокой водо- и химстойкостью, для машиностроения - покрытия с высокой твердостью и прочностью на удар и т.д.

Пример. Связующие готовили следующим образом.

Фенолалкидное. В смеситель загружали 100 м.ч. 40%-го раствора пентафталевой смолы в ксилоле, полученной известным способом. При перемешивании в смеситель загружали 35 м.ч. 40%-го раствора фенолоформальдегидной смолы в ксилоле, полученной известным способом конденсации н-трет-бутилфенола с формальдегидом в щелочной среде. Смешение производили при комнатной температуре в течение одного часа.

Алкидно-карбамидоформальдегидное или меламиноформальдегидное связующее готовили: 10 м.ч. 40%-го раствора пентафталевой смолы в ксилоле, полученной известным способом, например, алкоголиза, смешивали с 20 м.ч. 40%-го раствора в бутаноле карбамидоформальдегидной или меламиноформальдегидной смолы, полученной известным способом конденсации формальдегида с карбамидом или меламином в присутствии щелочного катализатора. Смешение производили в стандартном смесителе при комнатной температуре (1 ч). Уралкидное связующее готовили: в обогреваемый реактор загружали 100 м.ч. 50%-го раствора пентафталевой смолы в уайт-спирите и нагревали до температуры 90^oC. При этой температуре постепенно порциями по 1 м.ч. добавляли толуилендиизоцианат до появления свободных изоцианатных групп. После чего добавляли 1 м.ч. 50%-го раствора пентафталевой смолы в уайт-спирите для связывания появившихся свободных изоцианатных групп. Смесь охлаждали и вводили 3 м.ч. сиккатива. Затем добавляли уайт-спирит до создания сухого остатка 40% мас. В результате реакции изоцианатных групп с гидроксильными группами пентафталевой смолы образуются уретановые группы, которые обеспечивают повышенные твердость и абразивостойкость покрытия, а также его химическую стойкость.

Алкидностирольное связующее готовили: в обогреваемый реактор загружали 100 м. ч. 50%-го раствора пентафталевой смолы в ксилоле. При перемешивании добавляли 50 м. ч. стирола, 70 м.ч. ксилола и 3 м.ч. 3,5%-го раствора в ксилоле инициатора реакции (перекись бензола или гидроперекись изопропилбензола). Смесь нагревали до температуры 130^oC и перемешивали в течение 27-30 часов. Полученный раствор алкидностирольного связующего охлаждали и использовали для получения заявленного состава. За счет полимеризации стирола с ненасыщенными связями жирных кислот, являющихся составной частью молекул пентафталевой смолы, увеличивается твердость и водостойкость покрытия на основе алкидностирольного связующего.

Алкидноакриловое связующее готовили: в обогреваемый реактор загружали 10 м. ч. 50%-го раствора пентафталевой смолы в ксилоле. Добавляли 70 м.ч. ксилола, 30 м.ч. бутилового эфира метакриловой кислоты и 2 м.ч. 3,5%-го ксилольного раствора перекиси бензола. Нагревали до температуры 60-95^oC и перемешивали в течение 8-10 часов. Полученный раствор связующего охлаждали и добавляли 3 м.ч. сиккатива. За счет полимеризации бутилового эфира метакриловой кислоты с ненасыщенными связями жирных кислот пентафталевой смолы повышаются водо- и атмосферостойкость покрытия на основе полученного связующего.

Эпоксиалкидное связующее готовили: в обогреваемый реактор Загружали 100 м. ч. 50%-го раствора пентафталевой смолы в ксилоле. Добавляли 30 м.ч. 6%-го раствора в ксилоле эпоксидной смолы марки ЭД-20, нагревали до температуры 145^oC и перемешивали в течение 3-х часов. Покрытие на основе полученного связующего обладает высокой адгезией к различным материалам и химической стойкостью, особенно к щелочам.

Из полученных связующих готовили 6 составов для получения цинкнаполненных покрытий. Использовали цинковый порошок с частицами сферической формы, размер которых находится в интервале 1-15 мкм по ТУ 0165-02-92. Производство этого мелкодисперсного цинкового порошка уже налажено в достаточных объемах в Российской Федерации. Количественные характеристики составов 1-6 приведены в таблице 1.

Для приготовления состава порошок цинка в соответствии с таблицей 1 засыпали в связующее при перемешивании, далее перемешивали в течение 15-30 минут, затем отфильтровывали. В качестве образцов использовали стандартные пластинки из Ст. 3 размером 150х70 мм, толщиной 2 мм. Образцы предварительно обезжиривали растворителем или обезжиривающим раствором.

Готовый состав наносили в 2 слоя толщиной 30-40 мкм каждый с выдержкой во времени между слоями 3-4 часа до высыхания покрытия на "отлип". Полученные покрытия выдерживали в течение 7-10 суток, затем подвергали испытаниям. Свойства покрытий для составов 1-6 приведены в таблице 2, из которой очевидно, что потребительские свойства, достигнутые в результате использования заявляемого решения, являются высокими, а состав - достаточно универсальным. Из описания примера выполнения видно, что состав при этом является еще и максимально технологичным.

Описывается состав для получения цинконаполненного покрытия, содержащий алкиднокомбинированное связующее на основе пентафталевой смолы, модифицированной одной из полимеризационных или поликонденсационных смол и порошок цинка. Состав содержит связующее, имеющее сухой остаток в количестве 18-45 мас.% и цинковый порошок с частицами сферической формы, размер которых находится в интервале 1-15 мкм при массовом соотношении компонентов состава, мас. %: связующее 20-50, цинковый порошок 50-80, при этом массовое отношение сухого остатка в связующем к цинковому порошку в составе составляет 15:85-10: 90. Состав позволяет получить цинкнаполненные покрытия с одинаково высокими протекторными, электропроводящими и адгезионными свойствами, но с избирательно различными потребительскими: для строительства - высокими атмосферо- и водостойкостью, для нефте- и газодобывающей промышленности - с высокой водо- и химстойкостью, для машиностроения - с высокими твердостью и прочностью на удар и т.д. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Состав для получения цинконаполненного покрытия, содержащий алкидно-комбинированное связующее на основе пентафталевой смолы, модифицированной одной или из полимеризационных или поликонденсационных смол и порошок цинка, отличающийся тем, что он содержит связующее, имеющее сухой остаток в количестве 18 - 45 мас.%, и цинковый порошок с частицами сферической формы, размер которых находится в интервале 1 - 15 мкм, при массовом соотношении компонентов состава, мас.%:
Связующее - 20 - 50
Цинковый порошок - 50 - 80
при этом массовом отношение сухого остатка в связующем к цинковому порошку в составе составляет 15:85 - 10:90. 2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит цинковый порошок, количество которого соответствует формуле

где C_Zn - количество цинкового порошка в составе, мас.%;
N_с.о. - количество сухого остатка в связующем;
Э - эмпирический коэффициент, равный 0,111 - 0,176.