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), позволяющую 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 указанном 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 6000 (марка ПЭГ 6000).

Данный ингибитор при нанесении на стальное изделие обеспечивает высокую степень защиты, а также снижает скорость коррозии.

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) состав приготавливается в относительно узком температурном диапазоне (18-22°C);

3) требуется длительное время для набухания и смешения компонентов;

4) относительно высокая концентрация компонентов;

5) многокомпонентность состава.

В известном способе получения ингибитора коррозии стали на основе водорастворимого полимера в водной среде в емкость, снабженную мешалкой и pH-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°C, затем вводят раствор кальцинированной соды с концентрацией 0,9-1,0 мас.% и доводят pH 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:

1) упрощение технологии приготовления ингибитора за счет исключения операций по контролю температуры;

2) сокращение времени приготовления раствора;

3) возможность приготовления концентрированного раствора ингибитора с последующим его разбавлением до требуемой концентрации непосредственно перед употреблением;

4) снижение расхода реагентов для ингибирования поверхности, улучшение гигиенических и экологических свойств состава за счет уменьшения концентрации компонентов;

5) уменьшение внутреннего трения при перекачивании и нанесении ингибитора за счет использования водорастворимого полимера с высокой молекулярной массой.

6) снижение числа компонентов ингибитора до трех.

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 и бентонитовой глины в качестве водорастворимого полимера использован полиакриламид-гель, а в качестве бентонитовой глины использован модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полиакриламид-гель 0,01-0,2 Модифицированный бентонит 0,1-0,5 Вода остальное

Полиакриламид-гель - это промежуточный продукт радикальной полимеризации акриламида, являющийся концентрированным раствором (5-10% мас.%) полиакриламида с молекулярным весом (4-5)·10⁶ в воде. Полиакриламид-гель легко растворяется в воде и, кроме того, обладает слабощелочными свойствами (pH 8-10) и, следовательно, отсутствует необходимость использования соды для регулирования щелочных свойств. Кроме того, молекулярная масса полиакриламид-геля находится в наиболее предпочтительной для реализации изобретения области молекулярных масс, и этот продукт дешевле.

Помимо этого в предлагаемом составе использован модифицированный бентонит с высоким содержанием основного действующего компонента - минерала монтмориллонита (более 80%, тогда как в обычных бентонитах его содержание не превышает 50%). В модифицированном бентоните размер глинистых частиц снижен до 1-100 нм и улучшена набухаемость, что обеспечивает легкость растворения, повышенную седиментационную устойчивость суспензии, облегчение и сокращение времени на приготовление растворов. Более высокая стоимость модифицированного бентонита (примерно в 1,5-2 раза) по сравнению с бентонитом в прототипе компенсируется его более низким содержанием (примерно в 5 раз).

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.

Использование полимера с высокой молекулярной массой дает возможность существенно, в 5-10 раз, уменьшить требуемое количество (концентрацию) как самого полимера, так и других компонентов. Снижение концентрации компонентов становится возможным также за счет одновременного использования модифицированного бентонита, где доля основного действующего вещества -минерала монтмориллонита - достигает 80% и более.

Удается достигнуть оптимального соотношения между компонентами с одновременным уменьшением их количества, необходимым для достижения требуемого защитного эффекта. Количество компонентов ингибитора снижено до минимума (трех, включая воду).

Кроме того, соотношения указанных компонентов в известном конечном продукте и предлагаемом продукте значительно разнятся. Сравним:

Прототип Соотношение компонентов, мас.% Предлагаемый продукт Полиоксиэтилен с молекулярной массой 6·10³ 0,001-0,1 0,01-0,2 (0,0005-0,01 на сухое вещество) Полиакриламид-гель (молекулярная масса (4-5)·10⁶) Бентонитовая глина 0,5-4,0 0,1-0,5 Модифицированный бентонит Кальцинированная сода 0,1-1,0 0 Отсутствует

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 в пересчете на сухое вещество);

- потребность в кальцинированной соде отсутствует. Это обусловлено тем, что полиакриламид-гель уже обладает слабощелочными свойствами, pH порядка 8-10.

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 в малой концентрации улучшает гидродинамические характеристики раствора ингибитора, что 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.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений в отношении способа достигается тем, что в известном способе получения ингибитора коррозии стали на основе водорастворимого полимера и бентонитовой глины в емкость, снабженную мешалкой, загружают концентрированный водный раствор водорастворимого полимера, в качестве которого использован полиакриламид-гель, с концентрацией 0,6-2,5 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке, затем со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии бентонитовой глины, в качестве которой использован модифицированный бентонит с концентрацией 2-20 мас.%, затем добавляют расчетное количество воды и полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин.

Состав материала сформирован таким образом, что при его изготовлении нет прямой зависимости от температурного режима. 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 общедоступных недорогих и нетоксичных компонентов;

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

- возможность 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 - полиакриламид-геля с молекулярной массой (4-5)·10⁶ и модифицированного бентонита с содержанием монтмориллонита от 80% и более, причем в небольшом количестве, и упрощение технологии (способа) получения конечного продукта, не требующего специального оборудования.

Осуществление изобретения

Ингибитор коррозии стали

Ингибитор коррозии стали на основе водорастворимого полимера и бентонитовой глины, в котором согласно изобретению в качестве водорастворимого полимера использован полиакриламид-гель, а в качестве бентонитовой глины использован модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более, содержит следующие компоненты, мас.%:

Полиакриамид-гель 0,01-0,2 Модифицированный бентонит 0,1-0,5 Вода остальное.

Присутствие в растворе полимера - полиакриламида с высокой степенью полимеризации и модифицированной бентонитовой глины с повышенным содержанием монтмориллонита обеспечивают агрегативную устойчивость полученного состава (седиментационно устойчивая коллоидная система) с необходимыми реологическими свойствами. Благодаря тому, что оба компонента обладают слабощелочными свойствами (pH 8-10), наличие кальцинированной соды не требуется.

В указанном диапазоне pH длинные и полярные молекулы использованного 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:

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

2) исходные компоненты нетоксичны и биоразлагаемы, что очень важно с гигиенической и экологической точек зрения;

3) состав обладает целым рядом новых положительных качеств:

- устойчив к термодеструкции и механодеструкции;

- его можно приготовлять заранее в концентрированном виде;

- он работоспособен в широком диапазоне температур;

- обладает улучшенными гидродинамическими характеристиками;

- высокая технологичность применения (нанесения) ингибитора.

Осуществление изобретения

Способ получения ингибитора коррозии стали

При осуществлении способа получения ингибитора коррозии стали на основе водорастворимого полимера и бентонитовой глины согласно изобретению в емкость, снабженную мешалкой, загружают концентрированный водный раствор водорастворимого полимера, в качестве которого использован полиакриламид-гель, с концентрацией 0,6-2,5 мас.%, далее процесс ведут при работающей мешалке. Затем со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии бентонитовой глины, в качестве которой использован модифицированный бентонит с концентрацией 2-20 мас.%, затем добавляют расчетное количество воды и полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин.

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

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 при перемешивании 0,4 кг полиакриламид-геля с молекулярной массой 4·10⁶ и концентрацией 5 мас.% (например, марки «Аммиачный» ТУ 6-01-1049-92) и 49,6 кг воды (получаем 50 кг 0,8% раствора полиакриламид-геля). 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 (получаем 50 кг 6% раствора модифицированного бентонита).

Затем содержимое емкости с бентонитом выливают при постоянном перемешивании со скоростью 2 л/мин в емкость с полиакриламидом, состав перемешивают до однородного состояния в течении 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 полиоксиэтилена и 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-гель 0,04 мас.%, модифицированный бентонит 0,3 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°C показали, что он обеспечивает степень защиты 95-99% и снижает скорость коррозии до 0,0001 г/м²ч.

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

Изобретение относится к составам для защиты стали от коррозии и предназначено для защиты стальных конструкций и сооружений от атмосферной коррозии. Состав содержит, мас.%: полиакриламид-гель 0,01-0,2, модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более 0,1-0,5 и воду остальное. Способ получения ингибитора заключается в том, что в концентрированный водный раствор полиакриламид-геля с концентрацией 0,6-2,5 мас.% при работающей мешалке со скоростью не более 2 л/мин вводят раствор водной суспензии модифицированного бентонита с концентрацией 2-20 мас.% и в полученную массу добавляют расчетное количество воды, перемешивают в течение 3-5 мин. При необходимости в полевых условиях воду можно добавлять непосредственно перед употреблением ингибитора. В состав входят общедоступные нетоксичные компоненты в незначительных концентрациях. Конечный продукт относится к малоопасным и биоразлагаемым веществам. При этом состав 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-гель, а в качестве бентонитовой глины использован модифицированный бентонит с содержанием монтмориллонита 80% и более при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полиакриламид-гель 0,01-0,2 модифицированный бентонит 0,1-0,5 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, загружают концентрированный водный раствор водорастворимого полимера, в качестве которого используют полиакриламид-гель с концентрацией 0,6-2,5 мас.%, а затем при работающей мешалке 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 2-20 мас.%, затем добавляют расчетное количество воды и полученную массу перемешивают в течение 3-5 мин.