Предпосылки к созданию изобретения
Область техники
Настоящее изобретение относится к образованию долговечной разделительной поверхности путем нанесения грунтовочного порошка на подложку с целью формирования на ней грунтовочного фторполимерного слоя, а также нанесения фторполимерного порошка на грунтовочный слой с целью формирования наружного покрывного слоя. В частности, изобретение направлено на выбор фторполимерного порошка, который позволяет получить хорошую межслойную адгезию с материалом наружного слоя порошкового покрытия - сополимером тетрафторэтилена/ перфторалкилвинилового эфира, а также дает долговечное сцепление с подложкой.
Уровень техники
Благодаря таким свойствам, как хорошая химическая стойкость, превосходное отделение, хорошая термостойкость и электрическая изоляция, фторполимерные смолы находят себе много применений. Фторполимерные порошки, обладающие текучестью в расплавленном состоянии, нашли применение в покрытии, например, рисоварок, грилей и жаропрочной посуды, а также во многих промышленных применениях, например, для прижимных валов или ремней узлов термозакрепления копировальных устройств и принтеров, а также для химических реакторов. Одно из преимуществ использования порошковых покрытий вместо жидких покрытий состоит в том, что отпадает необходимость выполнения процедур сушки и обдува, применяемых при нанесении жидких покрытий, а также нет необходимости в использовании оборудования, применяющегося для нанесения жидких покрытий. Кроме того, для порошковых покрытий не требуются летучие органические растворители, вредные для окружающей среды и требующие затрат на выполнение процедур по исправлению причиненного ущерба.
Порошковое покрытие как для грунтовочного слоя, так и для наружного покрывного слоя описано в патенте США № 5093403, авторами которого являются Рау и другие. В этом патенте перфторалкоксиполимер (ПФА) представлен как пример для создания как грунтовочного слоя, так и для наружного покрывного слоя. В этом патенте признается, что осуществить сцепление смолы ПФА с металлическими подложками довольно трудно, а также, что нанесение ПФА должно выполняться при относительно высоких температурах, т.е. в диапазоне примерно от 675°F до 720°F (от 357°С до 382°C). Рау и соавторы описывают применение таких связующих веществ, как полифениленсульфид (ПФС), с целью получения сцепления смолы ПФА с металлической подложкой при этих повышенных значениях температуры без какого-либо существенного ухудшения (разложения) ПФА.
Благодаря своей высокой рабочей температуре, хорошей стойкости к истиранию и прекрасным разделительным свойствам, ПФА представляет собой наилучший вариант смолы для поверхностей, используемых в серьезных коммерческих применениях, например, в качестве разделительных поверхностей для коммерческой жаропрочной посуды. Коммерческие жаропрочные противни ежедневно подвергаются многократному цикличному воздействию высокой температуры и при этом должны сохранять свои разделительные свойства в течение длительного периода времени для того, чтобы коммерческое изготовление выпечки было экономически рентабельным. Однако опыт показал, что нанесение верхнего покрывного слоя ПФА на грунтовочный слой ПФА в итоге дает недостаточную стойкость адгезии системы с течением времени. В результате описанная Рау и соавторами система ПФА/ПФА может слишком быстро выйти из строя и не способна в полной мере удовлетворять потребностям коммерческого использования, предполагающего ежегодное воздействие тысяч циклов процессов выпечки на подложки с разделительными поверхностями.
Таким образом, остается неудовлетворенной потребность в улучшенной порошковой композиции для грунтовочного слоя, который мог бы применяться с наружным покрывным слоем из ПФА, что дало бы систему грунтовочный слой/наружный покрывной слой, которая могла бы применяться при высоких рабочих температурах, обладала бы улучшенной адгезией и более длительным сроком службы, сохраняя хорошие разделительные свойства и стойкость к истиранию.
Сущность изобретения
Было обнаружено, что применение сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина с нерасплавляемым связующим веществом для нанесения в качестве грунтовочного порошка в совокупности с порошковым наружным покрывным слоем из сополимера тетрафторэтилена/перфторвинилалкилового эфира, известного также под названием перфторалкоксиполимера (ПФА) при отжиге на подложке дает улучшенную и более долговечную адгезию системы покрытия к подложке.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения можно коротко сказать, что здесь предлагается процесс формирования разделительной поверхности на подложке, который включает в себя нанесение грунтовочного порошка на подложку для формирования грунтовочного слоя, нанесение порошка наружного слоя на грунтовочный слой для формирования наружного покрывного слоя, а также термообработку (обжиг) подложки после нанесения на нее как грунтовочного порошка, так и порошка наружного слоя. Грунтовочный порошок состоит из сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемого связующего вещества. Порошок для наружного слоя состоит из сополимера тетрафторэтилена/перфторалкилвинилового эфира.
Данное выше общее описание, а также данное ниже подробное описание служат только в качестве примера и предназначены только для объяснения, а не для ограничения рамок изобретения, определенных в поданной ниже формуле изобретения.
Детальное описание изобретения
Настоящим изобретением предлагается процесс для формирования разделительной поверхности на подложке, включающий в себя нанесение грунтовочного порошка на подложку для формирования грунтовочного слоя, нанесение порошка наружного слоя на грунтовочный слой для формирования наружного покрывного слоя, а также термообработку подложки после нанесения на нее как грунтовочного порошка, так и порошка наружного слоя. Грунтовочный порошок состоит из сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемого связующего вещества. Порошок для наружного слоя состоит из сополимера тетрафторэтилена/перфторалкилвинилового эфира.
В одном из исполнений изобретения нерасплавляемое связующее вещество включает в себя полиамидимид, полибензимидазол, полиимид, жидкокристаллический полимер или любую их комбинацию. В конкретном варианте исполнения нерасплавляемое связующее вещество содержит полиамидимид.
Еще в одном исполнении изобретения грунтовочный порошок содержит от 35 до 90 мас.% сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и от 10 до 65 мас. % нерасплавляемого связующего вещества по отношению к общей массе комбинации из сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемого связующего вещества.
В одном исполнении перфторолефин включает в себя гексафторпропилен. В другом исполнении перфторалкилвиниловый эфир включает в себя перфторпропилвиниловый эфир.
Еще в одном исполнении изобретения в состав грунтовочного порошка также входит расплавляемое связующее вещество. В более конкретном варианте исполнения настоящего изобретения расплавляемое связующее вещество представляет собой сульфон полиэфира полифениленсульфид, полиариленэфиркетон или любую их комбинацию. В другом более конкретном варианте исполнения грунтовочный порошок содержит от 10 до 55 мас. % расплавляемого связующего вещества по отношению к общей массе комбинации из сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина, нерасплавляемого связующего вещества и расплавляемого связующего вещества.
В одном исполнении изобретения грунтовочный порошок также содержит неорганический наполнитель. В более конкретном варианте исполнения неорганический наполнитель включает хлопья слюды, карбид кремния, сажу, сульфат бария, синий ультрамарин, пигмент из смешанных окислов металлов, оксид алюминия или любую их комбинацию. В другом конкретном исполнении изобретения неорганический наполнитель содержит хлопья слюды и сульфат бария. Еще в одном более конкретном исполнении изобретения грунтовочный порошок содержит от 10 до 20 мас.% неорганического наполнителя по отношению к общей массе комбинации из сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина, нерасплавляемого связующего вещества и неорганического наполнителя.
В одном исполнении изобретения процесс нанесения грунтовочного порошка представляет собой электростатическое напыление или горячее флокирование. В другом исполнении изобретения процесс нанесения порошка наружного покрывного слоя представляет собой электростатическое напыление или горячее флокирование.
В одном исполнении изобретения материал подложки представляет собой металл, керамику, пластмассу, стекло или любую их комбинацию. В более конкретном исполнении изобретения металл представляет собой сталь, высокоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминизированную сталь, алюминий или любые их комбинации.
В одном исполнении изобретения в процессе нанесения грунтовочного порошка, порошка наружного покрывного слоя или того и другого температура подложки равна температуре окружающей среды.
В другом исполнении изобретения процесс также включает в себя термообработку подложки после нанесения грунтовочного порошка и перед нанесением порошка наружного слоя.
Еще в одном исполнении настоящего изобретения толщина грунтовочного слоя не превышает 100 микрометров (мкм), а толщина наружного покрывного слоя не превышает 650 мкм.
Еще в одном исполнении изобретения с помощью этого процесса на подложке формируется разделительное покрытие.
В заявке на патент США № 2006/0110601, поданной Хеннесси, описывается применения порошковых покрытий как для грунтовочного слоя, так и для наружного покрывного слоя, причем в состав грунтовочного слоя входит сополимер тетрафторэтилена/перфторолефина, а в состав наружного слоя входит сополимер тетрафторэтилена/перфторвинилалкилового эфира. Грунтовочные порошки Хеннесси также содержат расплавляемые связующие вещества, способствующие формированию прочных долговечных покрытий. Неожиданностью оказалось открытие того, что применение нерасплавляемого связующего вещества в подобной системе может обеспечить систему покрытия с превосходными адгезионными свойствами как в случае применения расплавляемого связующего вещества в грунтовочном порошке, так и без него.
Многие аспекты и варианты исполнения настоящего изобретения описаны выше и представляют собой просто примеры, не устанавливая ограничений. После прочтения настоящего описания квалифицированные специалисты увидят возможность других аспектов и вариантов исполнения, которые не выходят за рамки настоящего изобретения. Другие особенности и преимущества изобретения будут понятны из поданных ниже подробного описания и формулы изобретения.
Фторполимеры
Фторполимеры, применяемые как для грунтовочного слоя, так и для наружного слоя, являются текучими в расплавленном состоянии. Обычно значения вязкости расплава находятся в диапазоне примерно от 102 Па·с до 106 Па·с. В одном исполнении значения вязкости находятся в диапазоне примерно от 103 до 105 Па·с, измерения были выполнены при 372°C с помощью метода ASTM D-1238, модифицированного согласно описанию в патенте США 4380618, а также ASTM D-2116 или D-3307 в зависимости от сополимера. К примерам таких текучих в расплавленном состоянии фторполимеров относятся сополимеры тетрафторэтилена (ТФЭ) и по меньшей мере один фторированный сополимеризуемый мономер (сомономер), присутствующий в полимере в количестве, достаточном для снижения температуры плавления сополимера значительно ниже точки плавления гомополимера ТФЭ, политетрафторэтилена (ПТФЭ), например, до температуры плавления, не превышающей 315°C.
В состав грунтовочного порошка входит сополимер тетрафторэтилена (ТФЭ) и перфторолефина. В одном исполнении изобретения сомономер перфторолефина может иметь от 3 до 8 атомов углерода, например, гексафторпропилен (ГФП). В одном исполнении изобретения грунтовочный порошок также содержит до 60 мас.% сополимера тетрафторэтилена и перфторалкилвинилового эфира (ПАВЭ), в котором линейные или разветвленные алкильные группы содержат от 1 до 5 атомов углерода.
Порошок наружного покрывного слоя содержит сополимер тетрафторэтилена и перфторалкилвинилового эфира (ПАВЭ), в котором линейные или разветвленные алкильные группы содержат от 1 до 5 атомов углерода. В одном исполнении изобретения мономеры ПАВЭ имеют алкильные группы, содержащие 1, 2, 3 или 4 атома углерода, а сополимер может быть получен с использованием нескольких мономеров ПАВЭ. В одном исполнении изобретения сополимеры ТФЭ включают ПФА (сополимер ТФЭ/ПАВЭ), ТФЭ/ГФП/ПАВЭ, причем ПАВЭ представляет собой ПЭВЭ и/или ППВЭ и МФА (ТФЭ/ПМВЭ/ПАВЭ, причем алкильная группа ПАВЭ содержит не менее двух атомов углерода).
Точки плавления сополимеров ТФЭ/перфторолефина в грунтовочном слое обычно ниже точек плавления сополимеров ТФЭ/ПАВЭ порошка наружного покрывного слоя. Например, точка плавления ТФЭ/ГФП, также известного как ФЭП, в типичном случае составляет примерно 510°F (266°C), что ниже точки плавления ТФЭ/ППВЭ, которая в типичном случае равна примерно 590°F (310°C). Поэтому неожиданным является то, что грунтовочный слой, содержащий сополимер ТФЭ/перфторолефина с более низкой точкой плавления, формирует превосходную и долговечную систему покрытия с сополимером ТФЭ/ПАВЭ (ПФА) наружного покрывного слоя. Следовало ожидать, что грунтовочная система с фторполимером, имеющим более низкую точку плавления, не выдержит высоких температур термообработки или закрепления, в типичном случае находящихся в диапазоне от 675°F (357°C) до 720°F (382°C), применяющихся для систем ПФА, и что полимер с более низкой точкой плавления будет разлагаться (пузыриться), приводя к отслоению от подложки. Неожиданным оказалось то, что порошковый грунтовочный слой ТФЭ/перфторолефина совместно с порошковым наружным слоем из ПФА формирует систему покрытия, которая после отжига имеет лучшую адгезию по сравнению с применявшимися ранее системами грунтовочный слой ПФА/наружный слой ПФА.
Нерасплавляемое связующее вещество
Порошок для грунтовочного покрывного слоя, применяемый в настоящем изобретении, кроме сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина также содержит устойчивое к высокой температуре нерасплавляемое в процессе связующее вещество. Грунтовочный порошок может содержать от 35 до 90 мас. % нерасплавляемого связующего вещества по отношению к общей массе комбинации фторполимера (фторполимеров) и нерасплавляемого связующего вещества. Связующее вещество широко применяется в противопригарных покрытиях для сцепления фторполимера к подложкам и для формирования пленки. Связующее вещество обычно не содержит фтора, но тем не менее сцепляется с фторполимером. Нерасплавляемые связующие вещества не проявляют текучести при расплавлении, а также не обладают хорошими свойствами для образования пленки, если применяются в одиночестве. К нерасплавляемым связующим веществам относятся полиимид (ПИ), полибензимидазол (ПБИ), полиамидимид (ПАИ) и жидкокристаллические полимеры (ЖКП). Все эти нерасплавляемые связующие вещества могут в течение длительного времени работать при температуре, превышающей 250°C.
Расплавляемое связующее вещество
Порошок для грунтовочного покрывного слоя может кроме сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемого связующего вещества также содержать расплавляемое связующее вещество. Расплавляемое связующее вещество включает термоустойчивый полимер, образующий пленку при нагревании до плавления и пригодный для длительного использования при высокой температуре. Расплавляемые связующие вещества могут содержать одно или несколько следующих веществ: (1) сульфоны полиэфира (ПЭС), представляющие собой аморфные термопластичные полимеры с температурой стеклования около 230°C и способные к длительной службе при температурах в диапазоне от 170°C до 190°C, (2) полифениленсульфиды (ПФС), представляющие собой частично кристаллические полимеры с температурой плавления около 280°C и температурным диапазоном устойчивой длительной службы от 200°C до 240°C, и (3) полиариленэфиркетон, например, полиэфиркетонкетон (ПЭКК), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) и полиэфиркетон (ПЭК). Полиариленэфиркетоны являются стабильными при температуре по меньшей мере 250°C, а плавятся при температурах не менее 300°C; они описаны в одном или нескольких следующих патентах США: 3065205, 3441538, 3442857, 5357040, 5131827, 4578427. Все вышеперечисленные полимерные связующие вещества являются термически устойчивыми, сохраняют стабильные размеры при температурах, не выходящих за пределы диапазона устойчивой длительной службы, а также являются износоустойчивыми. Эти полимеры также демонстрируют хорошую адгезию к чистым металлическим поверхностям.
Другие добавки
Кроме фторполимера и связующего вещества грунтовочный порошок и порошок наружного покрывного слоя могут содержать неорганические наполнители, отвердители для пленки, пигменты, стабилизаторы и другие добавки. Примерами приемлемых наполнителей и отвердителей для пленки являются неорганические оксиды, нитриды, бориды и карбиды кремния, циркония, тантала, титана, вольфрама, бора и алюминия, а также стеклянные хлопья, стеклянные бусы, стекловолокно, силикат алюминия или циркония, слюда, металлические хлопья, металлическое волокно, мелкие керамические порошки, двуокись кремния, двуокись титана, сульфат бария, тальк, сажа и т.д., а также синтетические волокна полиамидов, полиэстеров и полиимидов. В одном исполнении изобретения грунтовочный порошок содержит от 10 до 20 мас. % неорганического наполнителя по отношению к общей массе комбинации из фторполимера (фторполимеров), связующего вещества и наполнителя.
Приготовление грунтовочного порошка
Грунтовочный порошок, содержащий сополимер тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемое связующее вещество, а при необходимости и другие фторполимеры, расплавляемые связующие вещества и другие упоминавшиеся выше добавки, можно получить при помощи традиционных механических методов смешивания порошков отдельных компонентов.
В альтернативном варианте многокомпонентные частицы грунтовочного порошка, т.е. сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина, а также связующего вещества и, при необходимости, другого полимера, можно получить согласно патенту США № 6232372 (Brothers и др.) путем комбинирования частиц фторполимера и других компонентов с раствором связующего вещества, смешивания фторполимера с раствором связующего вещества и выделения композиции многокомпонентных частиц фторполимера с недиспергированным связующим веществом. Под термином «недиспергированное связующее вещество» следует понимать, что многокомпонентная взаимосвязь частиц грунтовочного порошка не является такой, при которой связующее вещество диспергировано во фторполимерном компоненте. Поэтому связующее вещество, используемое в одном исполнении, не имеет формы наполнителя, рассеянного во фторполимерном компоненте, а скорее присутствует в виде оболочек, охватывающих фторполимерные частицы. Недиспергированное связующее вещество, составляющее поверхность многокомпонентных частиц по настоящему изобретению, улучшает адгезию этих частиц к подложке в случае использования такой композиции в качестве грунтовочного покрывного слоя.
В одном исполнении изобретения грунтовочный порошок можно изготовить в виде распыляемого порошка согласно патенту США № 6518349 (Феликс и др.) путем распылительной сушки жидкой дисперсии грунтовочных частиц сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина совместно со связующим веществом и, по необходимости, с другими упоминавшимися выше компонентами, в результате чего образуются хрупкие гранулы агломерированных частиц сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина со связующим веществом. Определение «хрупкие» означает, что эти гранулы можно уменьшить (измельчить), не вызывая существенной деформации частиц, например, появления волокон, торчащих из этих измельченных частиц. Смеси полимеров и компонентов, полученные путем распылительной сушки, являются более однородными, чем смеси, полученные при помощи традиционных механических методов смешивания порошков отдельных компонентов после получения этих порошков.
Многокомпонентные порошки, полученные распылительной сушкой, не разделяются в процессе электростатического нанесения, а следовательно, обеспечивают более однородное покрытие подложек.
Фторполимерный компонент, применяемый в распылительной сушке, обычно имеется в продаже в виде дисперсии полимера в воде, что облегчает нанесение и является приемлемым для окружающей среды. Под «дисперсией» следует понимать, что частицы фторполимера стабильно диспергированы в водной среде, таким образом частицы не оседают за период времени, в течение которого дисперсия должна быть использована; это достигается за счет малых размеров фторполимерных частиц (которые также называются грунтовочными частицами), типичные значения которых составляют порядка 0,2 мкм, а также за счет использования изготовителем дисперсии поверхностно-активного вещества в такой водной дисперсии. Такие дисперсии могут быть получены непосредственно при помощи процесса, известного под названием дисперсионная полимеризация, за которым по необходимости выполняется концентрация и/или добавление поверхностно-активного вещества.
Нанесение порошков
Нанесение грунтовочного порошка и порошка наружного слоя на подложку может осуществляться путем образования суспензии сухого порошка в соответствующей жидкости (с добавлением, в случае необходимости, поверхностно-активных веществ или модификаторов вязкости) и дальнейшего нанесения композиции методом мокрого покрытия. В одном исполнении изобретения порошковое покрытие наносится в сухом виде при помощи широко известных традиционных методов, например, горячего флокирования, электростатического распыления, методом электростатического кипящего (псевдоожиженного) слоя, ротолайнинга и т.п. В более конкретном варианте исполнения используется электростатическое распыление, например, трибоэлектрическое распыление или распыление коронным разрядом.
Грунтовочные порошки обычно наносятся на очищенные и обезжиренные подложки, обработанные традиционными методами, например, дробеструйным методом, травлением или химической обработкой для получения нужной адгезии покрытия к подложке. Примеры типичных металлических подложек для покрытия включают в себя сталь, высокоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминизированную сталь, алюминий и другие, хотя можно покрывать любые пригодные подложки. В одном исполнении процесс нанесения грунтовочного порошка и порошка наружного грунтовочного слоя на подложку выполняется при температуре подложки от 15°C до 25°C. Формирование прочного долговечного покрытия на металлической подложке зависит не только от предварительной обработки подложки, но и от состава как грунтовочного слоя, так и самой подложки. Алюминиевые подложки позволяют легче получить хорошую адгезию покрытия к подложке, труднее получить хорошую адгезию для подложек из высокоуглеродистых сталей, а труднее всего - для подложек из нержавеющей стали.
Порошок наружного покрывного слоя может наноситься на подложку поверх грунтовочного слоя без предварительного отжига грунтовочного слоя, такое нанесение называется нанесением с единым отжигом, т.е. отжиг наружного покрывного слоя является отжигом и для грунтовочного слоя. В типичном случае для системы с единым отжигом процесс отжига покрытой подложки происходит в течение 60 минут при температуре около 735°F (390°C). В альтернативном варианте порошок наружного покрытия может наноситься и отжигаться после отжига грунтовочного слоя, такой процесс называется нанесением с двойным отжигом. В типичном случае грунтовочный порошок наносится на подложку и отжигается при 725°F (385°C) в течение примерно 30 минут, после чего наносится порошок наружного слоя, который затем обжигается в течение 30 минут при 680°F (360°C). В типичных процессах нанесения толщина грунтовочного слоя не превышает 3 мил (75 мкм), а толщина наружного слоя не превышает 25 мил (650 мкм). В других применениях грунтовочный слой имеет толщину меньше 2 мил (50 мкм); толщина наружного слоя находится в пределах от 1,5 до 3 мил (от 38 мкм до 76 мкм).
Описанные выше порошковые покрытия используются в качестве грунтовочного слоя и наружного покрывного слоя для разделительной поверхности на подложке согласно настоящему изобретению. Такие покрытия применяются для кухонной посуды и жаропрочной посуды, а также для различных промышленных деталей, таких как прижимные валы и ремни узлов термозакрепления в копировальных аппаратах и принтерах, клапаны, баки, импеллеры, трубы, металлическая фольга, формы для обуви, снегоочистители и лопаты для снега, днища кораблей, лотки, конвейеры, штампы (фильеры), инструменты, промышленные контейнеры, шаблоны, сосуды с покрытием для реакций, автомобильные панели, теплообменники, трубы и тому подобное.
МЕТОД ТЕСТИРОВАНИЯ
Тестирование прочности адгезии
Пластины из нержавеющей стали размером 4,0”×12,0" (10,1 см×30,5 см) очищены промывкой в ацетоне. Поверхность пластины обработана дробеструйной обработкой. Покрытие пластин выполнено в соответствии с описанием каждого из примеров. Панели тестируются на прочность покрытия при помощи теста адгезии, подробно описанного ниже.
Прочность покрытия металлических пластин определяется путем проведения упрощенного теста Т-снятия (сопротивления покрытия снятию). Покрытие, прошедшее отжиг, прорезается до металлической подложки параллельными линиями, отстоящими на один дюйм друг от друга. С помощью долота шириной один дюйм подцепляется полоска покрытия достаточного размера, чтобы ее можно было захватить. Покрытие снимается с подложки рукой или, в альтернативном варианте, плоскогубцами.
Прочность покрытия определяется до проведения тестирования кипящей водой, а также после него. Для тестирования кипящей водой пластина погружается на определенное время в кипящую воду. Прочность покрытия оценивается по системе баллов от 1 до 4, причем 4 баллами оценивается самая лучшая адгезия. Оценку 1 получают те образцы, адгезия в которых настолько слабая, что пленка снимается очень легко. Оценку 2 получают образцы, демонстрирующие адгезию, требующую значительного усилия для снятия пленки. Оценку 3 получают образцы, с которых удалось снять пленку, но в процессе этого снятия пленка сильно растягивалась или растяжение пленки сопровождалось постепенным ее разрывом. Оценку 4 получают образцы, покрытие которых рвалось при попытке снять или растягивалось, а затем рвалось.
ПРИМЕРЫ
В описанных ниже примерах подложки в виде пластин из нержавеющей стали размером приблизительно 8”×8”” промываются ацетоном и подвергаются дробеструйной обработке дробью 100 из окиси алюминия) до получения значения шероховатости Ra приблизительно 70-125 микродюймов в камере финишной дробеструйной обработки модели PF-3648, предлагаемой компанией Empire Abrasive Equipment Company.
Порошковые покрытия наносятся на подложки с помощью пушки для электростатического нанесения порошкового покрытия Nordsen Sure-Coat. Покрытые пластины отжигаются горячим воздухом в электрической конвекционной печи, конкретные значения длительности отжига и температур описаны в примерах. Печи, применяемые для этих примеров, представляют собой вентиляционные печи Класса А для сушки растворителей.
В тех примерах, где грунтовочный порошок изготовляется из сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и связующего вещества путем распылительной сушки, применяется аппарат распылительной сушки APV Pilot Spray Dryer типа PSD52, изготовляемый компанией APV Anhydro AS, Копенгаген, Дания. Этот аппарат для распылительной сушки работает при входной температуре от 300°C до 320°C и выходной температуре от 110°C до 125°C. Порошок собирается в центробежном сепараторе, пыль собирается в выходном фильтре, а горячий воздух и водяной пар выпускаются наружу. Дисперсия накачивается перистальтическим насосом и распыляется соплом для распыления двух сред (воздуха и жидкости). Избыточное давление воздуха на сопло составляет 60 фунтов на квадратный дюйм.
Фторполимеры
Значения концентраций в дисперсии для следующих примеров даны в массовых процентах по отношению к общей массе комбинации твердых веществ и жидкостей, если не указано другое. Содержания твердых веществ в дисперсиях определяются гравиметрически и выражаются в массовых процентах по отношению к общей массе комбинации твердых веществ и жидкостей.
Скорость течения расплава (СТР) измеряется при 372°C методом АОИМ (D-2116 или D-3307). СТР связана с вязкостью расплава (ВР) соотношением ВР = 53,15/СТР, где СТР измеряется в г/10 мин, а ВР измеряется в 103 Па·с.
Размер сырых частиц дисперсии (РСЧД) измеряется методом спектроскопии корреляции фотонов.
Средний размер частиц порошка измеряется путем рассеивания лазерного луча на сухих частицах (при помощи лазерного счетчика частиц Microtrac 101 от компании Leeds & Northrup, являющейся подразделением корпорации Honeywell Corporation).
Дисперсия ФЭП: дисперсия смолы сополимера ТФЭ/ГФП в воде с содержанием твердых веществ от 28 до 32 мас. %, а размер сырых частиц дисперсии (РСЧД) от 160 до 220 нанометров (нм), содержание ГФП в смоле от 10,3 до 13,2 мас. %, а скорость течения расплава от 2,95 до 13,3 г/10 мин. Температура плавления смолы 507°F (264°C).
Дисперсия ПФА: дисперсия смолы сополимера ТФЭ/ППВЭ в воде с содержанием твердых веществ от 28 до 32 мас. %, размер сырых частиц дисперсии (РСЧД) от 150 до 245 нм, содержание ППВЭ в смоле составляет от 2,9 до 3,6 мас. %, скорость течения расплава от 1,3 до 2,2 г/10 мин. Температура плавления смолы 590°F (310°C). Порошок ФЭП (код продукта 532-8110, предлагается компанией DuPont Company): порошок сополимера ТФЭ/ГФП, содержащий от 10,3 до 13,2 мас. % ГФП, размер частиц в диапазоне от 26,3 до 46,6 мкм, скорость течения расплава 2,95-13,3 г/10 мин, насыпная плотность от 48 до 72 г/100 см3. Температура плавления смолы 507°F (264°C).
Порошок ПФА (тип 350, код продукта 532-7410, предлагаемый компанией DuPont Company): порошок фторполимера ТФЭ/ППВЭ, содержащий от 2,9 до 3,6 мас. % ППВЭ, размер частиц в диапазоне от 28,5 до 0,9 мкм, скорость течения расплава от 1,3 до 2,2 г/10 мин, насыпная плотность от 56 до 87 г/100 см3. Температура плавления смолы 590°F (310°C).
Нерасплавляемые связующие вещества
Полиамидимид (ПАИ), поставляемый под названием TORLON AI-10 компанией Solvay Advanced Polymers.
Жидкокристаллический полимер (ЖКП), поставляемый под названием XYDAR SRT-400 компанией Solvay Advanced Polymers.
Расплавляемые связующие вещества
Полифениленсульфид (ПФС), поставляемый под названием Ryton PR11-10 компанией Chevron Phillips Chemical Company.
Полиэтиленсульфон (ПЭС), поставляемый под названием Sumika Excel PES 4100mp компанией Sumitomo Chemical.
Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), поставляемый в виде марки 150PF компанией Victrex.
Другие компоненты
Предлагаемая компанией EMD Chemicals слюда разных степеней измельчения.
Поверхностно-активное вещество Silwet L-77 от компании GE Silicones.
Черный пигмент под названием C.I. черный пигмент 28, предлагаемый Engelhard Corporation.
Пример 1. Грунтовочный порошок ФЭП/ПАИ
Грунтовочный порошок ФЭП/ПАИ изготавливали при помощи распылительной сушки. Использовали деионизованную воду, поверхностно-активное вещество (Silwet L-77), ФЭП и ПАИ. Аппарат для распылительной сушки APV включали и предварительно разогревали до температуры воздуха на входе 300°C, в аппарат включали подачу деионизованной воды для поддержания температуры на выходе 115°C. Подачу деионизованной воды в аппарат заменяли подачей смеси ФЭП. Скорость накачки смеси регулировали для поддержания значения выходной температуры на уровне 115°C. В аппарате распылительной сушки вода испарялась в потоке горячего воздуха, а готовый порошок собирался центробежным сепаратором.
Грунтовочный порошок в виде смеси ФЭП/ПАИ наносился порошковым покрытием на предварительно обработанную дробеструйным процессом пластину из нержавеющей стали. Пластину помещали в печь с температурой 725°F (385°C) и отжигали в течение 30 минут для формирования грунтовочного слоя. Порошок ПФА марки DuPont 532-5310 для наружного покрывного слоя наносили электростатическим способом сверху на грунтовочный слой для образования верхнего покрывного слоя. Пластину помещали в печь с температурой 680°F (360°C) и отжигали в течение 30 минут для формирования наружного покрывного слоя. Окончательная толщина покрытия составила примерно от 100 до 145 мкм, причем толщина грунтовочного слоя составила примерно от 50 до 70 мкм, а толщина наружного слоя примерно 50-75 мкм. Прочность сцепления покрытия с подложкой оценивали с помощью описанного выше тестирования снятием, результаты тестирования представлены в Таблице 1.
Грунтовочный слой ФЭП/ПАИ
У образцов с содержанием ПАИ от 70 мас.% и выше покрытие снималось после отжига верхнего слоя. У образцов с содержанием ПАИ менее 70 мас.% отожженное покрытие сопротивлялось снятию до кипячения. После того как пластину помещали на 24 часа в кипящую воду, покрытие оставалось превосходным у образцов с содержанием ПАИ в диапазоне от 30 до 60 мас.%. Таким образом, тестирование демонстрирует наличие прочного и долговечного сцепления покрытия с подложкой из нержавеющей стали.
Пример 2. Грунтовочный порошок ФЭП/ПАИ/ПФС
Грунтовочный порошок ФЭП/ПАИ/ПФС изготавливали методом распылительной сушки, как описано для грунтовочного порошка ФЭП/ПАИ в Примере 1.
Как и в Примере 1, грунтовочный порошок в виде смеси ФЭП/ПАИ/ПФС наносили порошковым покрытием на предварительно обработанную дробеструйным процессом пластину из нержавеющей стали. Пластину помещали в печь с температурой 725°F (385°C) и отжигали в течение 30 мин для формирования грунтовочного слоя до нанесения порошка ПФА верхнего покрывного слоя. После нанесения порошка верхнего слоя пластину помещали в печь при температуре 680°F (360°C) и отжигали в течение 30 мин для формирования верхнего покрывного слоя. Толщина полученного покрытия находилась в диапазоне примерно от 100 до 150 мкм, причем толщина грунтовочного слоя составила примерно от 45 до 75 мкм, а толщина верхнего покрывного слоя составила примерно от 50 до 75 мкм. Прочность адгезии покрытия к подложке тестировалась при помощи описанного выше тестирования снятием, результаты теста представлены в Таблице 2.
Все покрытия ФЭП/ПАИ/ПФС демонстрировали сопротивление сдиранию до кипячения. После пребывания пластины в кипящей воде на протяжении 24 часов покрытие оставалось превосходным в широком диапазоне композиций для покрытия. Таким образом, тестирование свидетельствует о прочном и долговечном сцеплении покрытия с подложкой из нержавеющей стали.
Пример 3. Грунтовочный порошок ФЭП/ЖКП №1
Грунтовочный порошок ФЭП/ЖКП, содержащий 45% ФЭП и 55% ЖКП, готовили методом распылительной сушки. Грунтовочный порошок в виде смеси ФЭП/ЖКП наносили на стальную пластину, имеющую гладкий участок и участок, предварительно обработанный дробеструйным процессом, как описано выше. Пластину помещали в печь с температурой 725°F (385°C) и отжигали в течение 45 минут для образования грунтовочного слоя. Порошок ПФА марки DuPont 532-5310 для наружного покрывного слоя наносили электростатическим способом сверху на грунтовочный слой для образования верхнего покрывного слоя. Пластину помещали в печь с температурой 680°F (360°C) и отжигали в течение 30 минут для формирования наружного покрывного слоя. Окончательная толщина покрытия составила примерно 100 мкм, причем толщина грунтовочного слоя составила примерно 50 мкм, и толщина наружного слоя - примерно 50 мкм. Прочность сцепления покрытия с обработанной дробеструйкой поверхностью нержавеющей стали оценивали на 4, что соответствует отличной адгезии. Сцепление покрытия с гладкой поверхностью нержавеющей стали оценили на 2, что соответствует плохой адгезии.
Пример 4. Грунтовочный порошок ФЭП/ЖКП №2
Грунтовочный порошок ФЭП/ЖКП, содержащий 60% ФЭП и 40% ЖКП, готовили методом распылительной сушки. Грунтовочный порошок в виде смеси ФЭП/ЖКП наносили на стальную пластину, имеющую гладкий участок и участок, предварительно обработанный дробеструйным процессом, как описано выше. Пластину помещали в печь с температурой 725°F (385°C) и отжигали в течение 45 минут для образования грунтовочного слоя. Порошок ПФА марки DuPont 532-5310 для наружного покрывного слоя наносили электростатическим способом сверху на грунтовочный слой для образования верхнего покрывного слоя. Пластину помещали в печь с температурой 680°F (360°C) и отжигали в течение 30 минут для формирования наружного покрывного слоя. Окончательная толщина покрытия составила примерно 100 мкм, причем толщина грунтовочного слоя составила примерно 50 мкм, и толщина наружного слоя - примерно 50 мкм. Прочность сцепления покрытия с обработанной дробеструйкой поверхностью нержавеющей стали оценивали на 3, что соответствует хорошей адгезии. Сцепление покрытия с гладкой поверхностью нержавеющей стали оценили на 1, что соответствует неудовлетворительной адгезии.
Следует отметить, что не все процедуры, описанные выше в общем описании или в примерах, являются обязательными, что выполнение определенной части процедур может не требоваться, а также, что кроме описанных процедур могут выполняться еще одна или несколько дополнительных процедур. Кроме того, порядок, в котором перечислены процедуры, не обязательно является порядком, в котором они должны выполняться. После прочтения настоящего описания квалифицированные специалисты смогут определить, какие процедуры могут использоваться в соответствии с их конкретными потребностями или желаниями.
В данном выше описании настоящее изобретение было описано применительно к конкретным его исполнениям. Однако тот, кто имеет общие представления в данной отрасли, сможет увидеть, что, не выходя за рамки изобретения, определенные данной ниже формулой изобретения, можно осуществить одну или несколько модификаций, либо одно или несколько изменений процесса по настоящему изобретению. Соответственно, само описание и числовые данные в нем следует рассматривать как иллюстративный материал, не ставящий задачу ограничения, и все такие модификации и другие изменения должны охватываться настоящим изобретением.
Любая выгода или выгоды, преимущество или преимущества, решение или решения проблемы или проблем, а также любая комбинация вышеизложенного описаны выше применительно к одному или нескольким конкретным вариантам исполнения изобретения. Однако эти выгода или выгоды, преимущество или преимущества, решение или решения проблемы или проблем, а также любые элемент или элементы, которые могут дать или сделать более существенными какую-либо выгоду, преимущество или решение, не представляются в виде критической, обязательной или существенной характеристики или элемента любого пункта или всех пунктов формулы изобретения.
Следует иметь в виду, что некоторые особенности изобретения, которые для ясности описаны выше и ниже в контексте отдельных исполнений изобретения, могут также быть представлены комбинацией в одном исполнении. И наоборот, различные особенности изобретения, описанные для краткости в контексте одного исполнения, могут быть также представлены отдельно или в любой субкомбинации. Кроме того, указанные диапазоны величин включают в себя каждую величину, находящуюся в пределах такого диапазона.
Изобретение относится к формированию покрытия - разделительной поверхности на подложке и может быть использовано во многих промышленных применениях для создания покрытий с хорошей химической стойкостью, термостойкостью, хорошей электрической изоляцией, например для покрытий грилей, жаропрочной посуды, прижимных валов химических реакторов. Процесс получения такой разделительной поверхности включает в себя нанесение грунтовочного порошка на подложку для формирования грунтовочного слоя. Далее наносят порошок наружного слоя на грунтовочный слой для формирования наружного слоя. Осуществляют отжиг подложки после нанесения как грунтовочного порошка, так и порошка наружного слоя. Грунтовочный порошок содержит сополимер тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемое связующее вещество. Порошок наружного покрывного слоя содержит сополимер тетрафторэтилена/перфторалкилвинилового эфира. Нерасплавляющее связующее содержит полибензимидазол, жидкокристаллический полимер или любую комбинацию их. Дополнительно грунтовочный порошок содержит расплавляемое связующее вещество - полиэфирсульфон, полифениленсульфид, полиариленэфиркетон или их любые комбинации. Полученные порошковые разделительные покрытия обладают высокой рабочей температурой, стойкостью к истиранию и прекрасными разделительными свойствами. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
1. Способ образования разделительной поверхности на подложке, включающий:
нанесение на подложку грунтовочного порошка для формирования грунтовочного слоя, причем грунтовочный порошок состоит из сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемого связующего вещества,
нанесение на грунтовочный слой порошка для наружного слоя для формирования наружного покрывного слоя, причем порошок наружного слоя состоит из сополимера тетрафторэтилена/перфторалкилвинилового эфира, и
термообработку подложки после нанесения грунтовочного порошка и порошка наружного покрывного слоя,
где нерасплавляемое связующее вещество содержит полибензимидазол, жидкокристаллический полимер или любую их комбинацию.
2. Способ по п.1, в котором состав грунтовочного порошка включают от 35 до 90 мас.% сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и от 10 до 65 мас.% нерасплавляемого связующего вещества по отношению к общей массе смеси сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина и нерасплавляемого связующего вещества.
3. Способ по п.1, в котором перфторолефин включают гексафторпропилен.
4. Способ по п.1, в котором перфторалкилвиниловый эфир содержит перфторпропилвиниловый эфир.
5. Способ по п.1, в котором в состав грунтовочного порошка дополнительно включают расплавляемое связующее вещество.
6. Способ по п.5, в котором состав расплавляемого связующего вещества включает в себя полиэфирсульфон, полифениленсульфид, полиариленэфиркетон или любую их комбинацию.
7. Способ по п.5, в котором состав грунтовочного порошка включает от 10 до 55 мас.% расплавляемого связующего вещества по отношению к общей массе смеси сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина, нерасплавляемого связующего вещества и расплавляемого связующего вещества.
8. Способ по п.1, в котором грунтовочный порошок дополнительно включает неорганический наполнитель.
9. Способ по п.8, в котором неорганический наполнитель включает в себя хлопья слюды, карбид кремния, сажу, сульфат бария, синий ультрамарин, пигмент из смеси оксидов металлов, оксид алюминия или любую их комбинацию.
10. Способ по п.9, в котором неорганический наполнитель включает в себя хлопья слюды и сульфат бария.
11. Способ по п.8, в котором состав грунтовочного порошка включает в себя от 10 до 20 мас.% неорганического наполнителя по отношению к общей массе смеси сополимера тетрафторэтилена/перфторолефина, нерасплавляемого связующего вещества и неорганического наполнителя.
12. Способ по п.1, в котором грунтовочный порошок наносят электростатическим распылением или горячим флокированием.
13. Способ по п.1, в котором порошок наружного покрытия наносят электростатическим распылением или горячим флокированием.
14. Способ по п.1, в котором материал подложки включает в себя металл, керамику, пластмассу, стекло или любую их комбинацию.
15. Способ по п.14, в котором металл подложки включает в себя сталь, высокоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминизированную сталь, алюминий или любую их комбинацию.
16. Способ по п.1, в котором создают температуру подложки, равную температуре окружающей среды во время нанесения порошка грунтовочного слоя, порошка наружного слоя или того и другого.
17. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя отжиг подложки после нанесения грунтовочного порошка и до нанесения порошка наружного покрывного слоя.
18. Способ по п.1, в котором толщина грунтовочного слоя не превышает 100 мкм, а толщина наружного слоя не превышает 650 мкм.
19. Разделительное покрытие на подложке, полученное согласно способу по п.1.
| WO 2006055923 A1, 26.05.2006 | |||
| WO 2004024348 A1, 25.03.2004 | |||
| US 2002150778 A1, 17.10.2002 | |||
| Способ изготовления галалита | 1939 |
|
SU58389A1 |
| US 6232372 B1, 15.05.2001 | |||
| РАСПЫЛЯЕМЫЙ ПОРОШОК НЕФИБРИЛЛИРУЕМОГО ФТОРПОЛИМЕРА | 2000 |
|
RU2223994C2 |
