ИНГИБИТОР КОРРОЗИИ СТАЛИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК C23F11/173 

Область техники, к которой относится группа изобретений

Группа изобретений относится к области защиты стали от коррозии и может быть использована для защиты путепроводов (железнодорожных и автомобильных мостов) и других металлических конструкций или сооружений.

Уровень техники

Известен состав защиты металлов от коррозии на основе хроматов и фосфатов с введением в него солей аминов и органических кислот с добавкой поверхностно-активных веществ (авт. свид. СССР №280163, C23F 11/08, 1972).

К недостаткам известного состава следует отнести сложность состава и сложность его приготовления, а также большие расходы солей, что приводит к высокой стоимости этого метода защиты металла от коррозии.

Кроме этого используемые компоненты являются химически активными веществами и требуют для их использования специальных мер защиты, а также специального дорогостоящего оборудования.

Известен также состав ингибитора коррозии металлов на основе водорастворимых полимеров, включая водорастворимый полиэлектролит, который получают при полимеризации четвертичной аммониевой соли 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата в водной среде в присутствии окислительно-восстановительного инициатора β-оксипропилтретбутилпероксида (патент RU №2202653,C23F 11/173, 20.04.2003 г., бюл. №11). Ингибирующее действие известного ингибитора заключается в том, что, адсорбируясь на поверхности металла, он образует тонкую защитную пленку, которая препятствует протеканию окислительно-восстановительных процессов.

Применяемое вещество является малодоступным и дорогостоящим, а способ его «превращения» (получения) в ингибитор коррозии металлов - трудозатратным, поскольку требует организации специального производства и специального оборудования, что следует отнести к причинам, препятствующим его широкому использованию. К тому же продукт токсичен.

Имеется потребность в новых эффективных средствах и способах, которые могут обеспечить:

1) высокую степень защиты металлов от коррозии при использовании недорогих общедоступных ингредиентов, выпускаемых отечественной промышленностью;

2) одновременно значительно снизить трудозатраты на его производство;

3) упростить технологию его получения (приготовления) до позволяющей организовать его производство (получение) непосредственно на месте (обработка, например, железнодорожного моста);

4) добиться экологической безопасности при использовании ингибитора в полевых условиях;

5) снизить энергозатраты при производстве и нанесении ингибитора;

6) снизить стоимость всего технологического процесса ингибирования.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения, решающего указанную выше триединую задачу (состав, способ получения, способ нанесения), были заложены в патенте RU №2353709. Указанное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому и выбрано нами за прототип.

В известном техническом решении вещество-ингибитор коррозии стали на основе водорастворимого полимера содержит бентонитовую глину, а в качестве водорастворимого полимера используют полиоксиэтилен при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полиоксиэтилен 0,001-0,1 Бентонитовая глина 0,5-4,0 Кальцинированная сода 0,1-1,0 Вода остальное

В этом составе используется водорастворимый полимер (полиоксиэтилен) с малой молекулярной массой, равной 6·10³ (марка ПЭГ 6000).

К недостаткам его следует отнести следующее:

1) готовый ингибитор чувствителен к изменениям внешних условий (температура), что может привести к его необратимой коагуляции с потерей ингибирующих свойств и трудностям использования в полевых условиях;

2) обладает недостаточным стабилизирующим (повышающим седиментационную устойчивость) действием, в связи с чем его необходимое количество возрастает;

3) относительно высокая концентрация компонентов.

В известном способе получения ингибитора коррозии стали на основе водорастворимого полимера в водной среде в емкость, снабженную мешалкой и рН-метром, загружают водный раствор полимера, в качестве которого используют полиоксиэтилен, с концентрацией 0,9-1,0 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке и при 18-22°С, затем вводят раствор кальцинированной соды с концентрацией 0,9-1,0 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью 1 л/мин вводят раствор водной суспензии бентонитовой глины с концентрацией 5-10 мас.%, затем добавляют расчетное количество воды и полученную массу перемешивают в течение 10-15 мин.

Описанный способ соответствует требованиям получения ингибитора заданной эффективности. Однако практическая реализация способа, особенно в полевых условиях, сопряжена с целым рядом трудностей:

1) требуется жестко контролировать температуру процесса, а также требуется относительно длительное время на подготовку компонентов и смешение раствора, и любое нарушение технологии неизбежно приводит к необратимой коагуляции бентонита;

2) отсутствует возможность заранее приготовить ингибитор в концентрированном виде, чтобы перед использованием его можно было только разбавить водой;

3) требуется специальное оборудование с термостатированием;

4) низкие гидродинамические свойства состава, затрудняющие нанесение ингибитора.

Техническим результатом группы изобретений является устранение указанных недостатков.

В качестве кратких сведений, раскрывающих сущность группы изобретений, следует отметить, что достигаемый технический результат обеспечивают использованием общедоступного водорастворимого полимера - полиакриламида с высокой молекулярной массой порядка 10⁴-10⁷ - и модифицированного бентонита с содержанием монтмориллонита не менее 80%, которые позволяют уменьшить как концентрацию компонентов композиции, так и упростить способ получения конечного продукта, а также улучшить способ нанесения последнего на обрабатываемую поверхность за счет уменьшения внутреннего трения при перекачивании насосом высокого давления.

При этом, как видим, предлагаемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сущность группы изобретений

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений в отношении вещества достигается тем, что в известном ингибиторе коррозии стали на основе водорастворимого полимера полиоксиэтилена и бентонитовой глины в качестве водорастворимого полимера использован полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷, а в качестве бентонитовой глины использован модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ 0,0005-0,01 Модифицированный бентонит 0,1-0,5 Кальцинированная сода 0,01-0,02 Вода остальное

В отличие от прототипа, в котором в качестве водорастворимого полимера используется полиоксиэтилен с небольшой молекулярной массой, равной 6·10³, в предлагаемом изобретении вместо него использован полиакриламид с высокой молекулярной массой 10⁴-10⁷.

Далее, в отличие от прототипа, в котором в качестве средства, обеспечивающего седиментационную устойчивость суспензии, используется бентонитовая глина, в предлагаемом изобретении вместо нее использован модифицированный бентонит с высоким содержанием основного действующего компонента - минерала монтмориллонита (более 80%, тогда как в обычном бентоните его содержание не превышает 50%), который обеспечивает повышенную седиментационную устойчивость суспензии, быструю набухаемость и легкость растворения. Его применение также облегчает и сохраняет время на приготовление суспензии. Все это обусловлено тем, что размер глинистых частиц в модифицированном бентоните составляет 1-100 нм, а размер макромолекул полимера превышает размер частиц бентонита.

Кроме того, соотношение указанных компонентов в известном конечном продукте и предлагаемом продукте значительно разнится.

Сравним:

Прототип Соотношение компонентов, мас.% Предлагаемый продукт Полиоксиэтилен с молекулярной массой 6·10³ 0,001-0,1 0,0005-0,01 Полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ Бентонитовая глина 0,5-4,0 0,1-0,5 Модифицированный бентонит Кальцинированная сода 0,1-1,0 0,01-0,02 Кальцинированная сода

Как видим:

- использование полимера с более высокой молекулярной массой позволяет значительно (в разы) уменьшить требуемое его количество для получения конечного продукта (2-10 раз);

- использование модифицированного бентонита также позволяет значительно (в разы) уменьшить требуемое его количество для получения конечного продукта (5-8 раз);

- потребность в кальцинированной соде также значительно снижена по сравнению с прототипом, примерно в 50 раз. Это обусловлено тем, что потребности вышеуказанных компонентов значительно уменьшены и к тому же полиакриламид уже обладает слабощелочными свойствами.

Предложенный ингибитор обладает более устойчивыми термохимическими и механохимическими свойствами, его можно готовить в концентрированном виде и разбавлять водой до требуемой концентрации непосредственно перед нанесением. Кроме того, использование высокомолекулярных водорастворимых полимеров улучшает гидродинамические характеристики раствора ингибитора, что существенно облегчает его нанесение с использованием насосов высокого давления. При этом малые концентрации предлагаемого полимера и его биоразлагаемость обеспечивают экологическую безопасность производства и использования материала в полевых условиях без организации дополнительных мер безопасности. Использование полиакриламида с более высоким молекулярным весом также возможно. Нами были испытаны композиции на основе полиакриламида с молекулярной массой до 2·10⁷. Однако область молекулярных весов до 10⁷ является предпочтительной с практической точки зрения, так как при более высоких молекулярных массах исходные концентрированные растворы полимера становятся очень вязкими, легче подвергаются механодеструкции и их использование в полевых условиях без специального оборудования невозможно.

Технический результат изобретения в отношении способа получения ингибитора коррозии стали на основе водорастворимого полимера и бентонитовой глины достигается тем, что в емкость загружают концентрированный водный раствор водорастворимого полимера, в качестве которого использован полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷, с концентрацией 0,01-0,2 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке, затем вводят концентрированный водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 2-4 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии бентонитовой глины, в качестве которой использован модифицированный бентонит с концентрацией 1-2 мас.%, и полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин до однородного состояния, затем добавляют расчетное количество воды.

Состав материала сформирован таким образом, что при его изготовлении нет прямой зависимости от температурного режима, как это имеет место в прототипе (18-22°С). Предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет существенно упростить и ускорить технологический процесс за счет увеличения скорости смешивания компонентов (2 л/мин вместо 1 л/мин) и сокращения времени их перемешивания (3-5 мин вместо 15-20 мин). Как следствие, процесс ингибирования упрощается и удешевляется, улучшаются экологические последствия применения ингибитора в полевых условиях, а также упрощается процесс его нанесения на стальную поверхность.

Процесс получения ингибитора может быть организован непосредственно на объекте, например при обработке железнодорожного моста, или с помощью передвижной установки с получением единого технического результата:

- использование общедоступного недорогого водорастворимого полимера и других дешевых нетоксичных компонентов;

- упрощение технологии (способа) получения конечного продукта, не требующего специального оборудования;

- возможности организации производства ингибитора на рабочей площадке обрабатываемого объекта.

Предлагаемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом, т.е. единая задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, заключается в использовании общедоступных компонентов водорастворимого полимера - полиакриламида с молекулярной массой 10⁴-10⁷ - и модифицированного бентонита с содержанием монтмориллонита от 80% и более, причем в небольшом количестве, и упрощении технологии (способа) получения конечного продукта, не требующего специального оборудования.

Осуществление изобретения: Ингибитор коррозии стали

Ингибитор коррозии стали на основе водорастворимого полимера, в качестве которого использован полиакриламид, и бентонитовой глины, в качестве которой использован модифицированный бентонит, содержит полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ 0,0005-0,01 Модифицированный бентонит 0,1-0,5 Кальцинированная сода 0,01-0,02 (до рН 8-9) Вода остальное

Модифицированный бентонит - это Na-бентонитовая глина, получаемая из природных высококачественных бентонитов после их обогащения и доведения содержания монтмориллонита до уровня более 80%. Модифицированный бентонит легко и быстро диспергируется в воде с образованием суспензии с частицами субмикронного размера.

Присутствие в растворе полимера - полиакриламида с высокой степенью полимеризации - и модифицированной бентонитовой глины с повышенным содержанием монтмориллонита обеспечивает агрегативную устойчивость полученного состава (седиментационно устойчивая коллоидная система).

В указанном диапазоне рН длинные и полярные молекулы предлагаемого полимера в растворе выпрямляются (при меньших значениях свертываются в компактный клубок, более высокие значения допустимы, но не желательны из-за гигиенических и экологических требований), легко и прочно адсорбируются на полярной поверхности микрочастиц монтмориллонита и надежно обеспечивают агрегативную устойчивость получаемой коллоидной дисперсии. В указанном диапазоне концентраций также обеспечивается требуемый уровень реологических свойств: псевдопластичность (тиксотропия) при малых скоростях сдвига и ньютоновское течение в условиях высокоскоростного динамического воздействия. Благодаря высокой длине молекулы используемого полимера (превышает размер частиц монтмориллонита) самого полимера требуется значительно меньше, а качество стабилизации повышается (увеличивается межчастичное расстояние). Кроме того, присутствие высокомолекулярного полимера улучшает гидродинамические характеристики потока композиции (ламинарность потока при больших скоростях течения) и, следовательно, упрощает процесс нанесения ингибитора с помощью насосов высокого давления.

Заявленная совокупность существенных признаков, а именно качественный и количественный состав ингибитора коррозии стали, обеспечивает получение технического результата и позволяет:

1) получить недорогое средство на основе общедоступных компонентов, причем их количественный состав и концентрации сведены до минимума;

2) использовать нетоксичные и биоразлагаемые исходные компоненты, что очень важно с гигиенической и экологической точек зрения;

3) получить состав, который обладает целым рядом новых положительных качеств:

- устойчив к термодеструкции и механодеструкции;

- возможностью его приготовления заранее в концентрированном виде;

- работоспособностью в широком диапазоне температур;

- улучшенными гидродинамическими характеристиками;

- высокой технологичностью применения (нанесения) ингибитора.

Осуществление изобретения: Способ получения ингибитора коррозии стали

В емкость, снабженную мешалкой и рН-метром, загружают концентрированный водный раствор полиакриламида с молекулярной массой 10⁴-10⁷, с концентрацией 0,01-0,2 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке, затем вводят концентрированный водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 2-4 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии модифицированного бентонита с концентрацией 1-2 мас.% и полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин, затем, можно через длительный промежуток времени непосредственно перед нанесением, добавляют расчетное количество воды до получения ингибитора заданной концентрации.

Полученный состав находится в пределах заявленной концентрации. А сам способ по сравнению с прототипом обладает рядом преимуществ:

- сокращает время приготовления раствора;

- упрощает технологию приготовления ингибитора за счет исключения операции по контролю температуры;

- обеспечивает возможность приготовления раствора ингибитора с последующим разбавлением его водой до требуемой концентрации непосредственно перед употреблением (временной промежуток от смешения основных компонентов до разбавления концентрированной композиции водой может составлять до нескольких месяцев при условии ее хранения при положительных температурах и закрытом состоянии).

Таким образом, готовый продукт с указанной совокупностью признаков обеспечивает получение технического результата.

Пример конкретного способа получения ингибитора коррозии стали

Для обработки, например, одного пролета железнодорожного моста заявленный ингибитор готовят следующим образом.

В двух отдельных емкостях объемом 120 л и 60 л предварительно готовят концентрированные растворы исходных компонентов. В первую емкость объемом 120 литров загружают 40 кг воды и при перемешивании засыпают 0,02 кг полиакриламида с молекулярной массой 4·10⁶ (например, марки АК-642 ТУ 6-02-00209912-65-99), затем вводят водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 3 мас.% и доводят рН до 8-9 (требуется около 10 л раствора соды).

Во вторую емкость объемом 60 литров при перемешивании загружают 3,0 кг модифицированной бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита более 80% (например, марки «Бентокон» ТУ 5751-002-58156178-02) и 47,0 кг воды.

Затем содержимое емкости с бентонитом выливают при постоянном перемешивании со скоростью 2 л/мин в емкость с полиакриламидом, состав перемешивают до однородного состояния 3-5 мин.

В результате получается 100 кг концентрированного раствора ингибитора, который может храниться в закрытом виде длительное время. Непосредственно перед нанесением ингибитора полученный концентрат заливают в емкость объемом 1000 литров, добавляют 900 кг воды и перемешивают. Можно также использовать и более концентрированные растворы полиакриламида и модифицированного бентонита при приготовлении концентрата, однако при этом повышается вязкость раствора полимера, что затрудняет процедуру смешивания компонентов, особенно в полевых условиях и пониженных температурах.

Таким образом, полученный состав находится в пределах заявленных концентраций (полиакриламид 0,002 мас.%, бентонит 0,3 мас.%, сода 0,03 мас.%).

Применение ингибитора коррозии стали, полученного описанным способом, осуществляется следующим образом.

Жидкий ингибитор на стальные конструкции наносят с помощью наноса высокого давления. В результате взаимодействия жидкой струи ингибитора со стальной твердой поверхностью образуется полимерно-минеральная пленка с высокими механическими и адгезионными свойствами.

Предварительные лабораторные испытания заявленного ингибитора коррозии стали при температуре от - 40 до +45°С показали, что он обеспечивает степень защиты 95-99% и снижает скорость коррозии до 0,0001 г/м²/ч.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании каждого из объектов заявленной группы изобретений следующей совокупности условий:

- для заявленного каждого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в соответствующей формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- заявленные технические решения способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «промышленная применимость».

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта - вещество, так и для объекта - способ, позволяют утверждать, что заявляемые решения соответствуют требованию «новизна» и «изобретательский уровень».

Следует заметить, что преимущества предлагаемой группы изобретений обеспечиваются представленной совокупностью существенных признаков, каждый из которых выполняет свою функцию, а вместе, во взаимосвязи, они решают задачу создания эффективного ингибитора из недорогих компонентов и простой технологии его получения, причем практически в любом месте.

Раскрытый предпочтительный вариант (пример) осуществления приведен в качестве иллюстрации, а не ограничения.

Изобретение относится к области защиты металлов от коррозии и предназначено для защиты стальных конструкций и сооружений от атмосферной коррозии. Ингибитор содержит, мас.%: полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ 0,0005-0,01; модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более 0,1-0,5; кальцинированную соду 0,01-0,02 и воду остальное. Способ заключается в том, что в емкость, снабженную мешалкой и рН-метром, загружают концентрированный водный раствор водорастворимого полимера, в качестве которого используют полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ с концентрацией 0,01-0,2 мас.%, а затем при работающей мешалке вводят концентрированный водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 2-4 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии бентонитовой глины, в качестве которой используют модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более с концентрацией 1-2 мас.%, полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин и добавляют расчетное количество воды. Технический результат: ингибитор относится к малоопасным и биоразлагаемым веществам и обеспечивает высокие защитные свойства стальных изделий от коррозии. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Ингибитор коррозии стали на основе водорастворимого полимера и бентонитовой глины, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полимера использован полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷, а в качестве бентонитовой глины использован модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ 0,0005-0,01 модифицированный бентонит 0,1-0,5 кальцинированная сода 0,01-0,02 вода остальное

2. Способ получения ингибитора коррозии стали на основе водорастворимого полимера и бентонитовой глины по п. 1, заключающийся в том, что в емкость, снабженную мешалкой и рН-метром, загружают концентрированный водный раствор водорастворимого полимера, в качестве которого используют полиакриламид с молекулярной массой 10⁴-10⁷ с концентрацией 0,01-0,2 мас.%, а затем при работающей мешалке вводят концентрированный водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 2-4 мас.% и доводят рН до 8-9, после чего со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии бентонитовой глины, в качестве которой используют модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более с концентрацией 1-2 мас.%, полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин и добавляют расчетное количество воды.