Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения многофункциональных защитных покрытий

Изобретение относится к получению многофункциональных защитных покрытий на лакокрасочной основе, обладающих водоотталкивающими, антифрикционными, противоизносными, противообрастающими свойствами, и может быть использовано в судостроении и судоремонте, строительстве при возведении металлических конструкций и сооружений, в различных областях машиностроения.

Известно использование лакокрасочных материалов (ЛКМ), содержащих фторорганические модификаторы, в частности, политетрафторэтилен (ПТФЭ) в виде дисперсных частиц для получения покрытий с упомянутыми выше свойствами. При этом наряду с общим составом ЛКМ существенное влияние на характеристики получаемых покрытий оказывает модификация ПТФЭ, степень дисперсности и морфология его частиц.

Известен способ обработки поверхности титанового сплава под нанесение лакокрасочного покрытия (RU 2299268, опубл. 20.05.2007), включающий обезжиривание, промывку водой и фосфатирование поверхности титанового сплава составом, содержащим (г/л): PO₄^-3 4,0-75,0; Zi⁺² 3,0-16,0; SO₄^-2 2,0-7,0; NO₃^-1 41,0-206,0; F^-1 1,0-3,5; (C₄H₄O₆)^-2 1,8-9,0; ультрадисперсный политетрафторэтилен (ПТФЭ) с размером частиц 0,2-1 мкм в количестве 800-1000 г/л. Известный способ обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств лакокрасочных, преимущественно декоративных, покрытий на титановых сплавах за счет повышения их адгезии при обработке составом, содержащим ПТФЭ, при этом расход этого дорогостоящего компонента является неоправданно высоким.

Известна морская противообрастающая краска с низкой поверхностной энергией, состав и способ получения которой описаны в китайском патенте №102533081, опубл. 04.07.2012. Для получения известной краски в лакокрасочную композицию, содержащую наноразмерный порошок SiO₂, а также, вес. частей: 10-12 TiO₂ 800 меш, 6-8 кремнефторидного поверхностно-активного вещества, 6,0-8,2 жидкого парафина, гидрофобные добавки, дисперсант и другие компоненты, вводят в качестве фторорганического модификатора 0,1-0,3 порошка политетрафторэтилена (ПТФЭ) микронного размера. Предварительно диспергированный в ксилоле ПТФЭ смешивают с диспергированными в ксилоле SiO₂, TiO₂ и дисперсантом, добавляют остальные составляющие, диспергируют с помощью песчаной мельницы. Вводят пленкообразующий агент. Дисперсность ПТФЭ на микронном уровне и соответствующая размеру частиц морфология являются недостаточными для придания наносимому лакокрасочному покрытию высоких защитных свойств.

Известен способ получения на стальном гидравлическом оборудовании обладающего продолжительным сроком службы антикоррозионного полимерного покрытия, модифицированного добавкой нанодисперсного порошка политетрафторэтилена (CN 110311381, опубл. 2013.05.22), предусматривающий предварительную очистку подложки от жирорастворимых солей, пескоструйную обработку, нанесение на подложку сначала грунтовки, содержащей наноразмерный порошок политетрафторэтилена, с помощью кисти, затем аппаратное напыление подготовленного покрытия, содержащего полимерную основу и нанодисперсный порошок ПТФЭ в соотношении 1:1. Четырехстадийная обработка поверхности, включающая пескоструйную очистку, которая из-за вредного воздействия на организм человека запрещена в ряде стран, и двукратное нанесение порошка ПТФЭ, усложняет и удорожает способ. Кроме того, его применение ограничено получением антикоррозионных покрытий на изделиях и сооружениях из стали определенной марки.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения лакокрасочного покрытия с очень гладкой поверхностью (JP 2010202741, опубл. 16.09.2010) путем нанесения на подложку краски с фторорганическим модификатором - полученным методом суспензионной поляризации низкомолекулярным ПТФЭ, в котором 50% частиц имеют средний размер ≤ 3 мкм и присутствуют частицы размером ≤ 1 мкм, а его вязкость в расплавленном состоянии при 340°С составляет 2,500 Па⋅с.

Известный способ не обеспечивает достаточно продолжительного срока службы полученных лакокрасочных покрытий, при этом полученные с его помощью покрытия имеют ограниченное число защитных функций, что связано с размером и морфологией частиц используемого низкомолекулярного ПТФЭ, полученного суспензионной поляризацией.

Задачей изобретения является создание способа получения долговечных многофункциональных покрытий на основе лакокрасочных материалов (ЛКМ), обладающих высокими гидрофобными, антифрикционными, противоизносными, противообрастающими свойствами.

Технический результат изобретения заключается в увеличении срока службы и расширении круга защитных функций лакокрасочных покрытий с фторорганическим модификатором.

Указанный технический результат достигают способом получения многофункциональных защитных покрытий, предусматривающим нанесение на подложку лакокрасочного материала и низкомолекулярного политетрафторэтилена, в котором, в отличие от известного, используют наноструктурированный низкомолекулярный политетрафторэтилен, полученный термодеструкцией фторопласта-4 с последующей конденсацией из газовой фазы, который вводят непосредственно в лакокрасочный материал в виде дисперсии в ксилоле в количестве 1-40% от сухой массы лакокрасочного материала.

Указанный технический результат также достигают способом получения многофункциональных защитных покрытий, предусматривающим нанесение на подложку лакокрасочного материала и низкомолекулярного политетрафторэтилена, в котором, в отличие от известного, используют наноструктурированный низкомолекулярный политетафторэтилен, полученный термодеструкцией фторопласта-4 с последующей конденсацией из газовой фазы, который путем натирания наносят сплошным слоем на поверхность лакокрасочного материала после его отверждения.

Способ осуществляют следующим образом.

На металлическую (бетонную, пластиковую, композитную) подложку стандартным способом наносят слой (либо несколько слоев) соответствующей грунтовки.

Далее подготовленный наноструктурированный низкомолекулярный политетрафторэтилен (ПТФЭ)в виде 40% дисперсии в ксилоле вводят в краску в количестве 1-40% в расчете на ее сухой вес, при этом состав диспергируют с помощью одного из известных устройств для равномерного распределения частиц наноструктурированного ПТФЭ по всему объему лакокрасочного материала (ЛКМ). Полученный состав ЛКМ с частицами фторорганического модификатора наносят на прогрунтованную подложку и отверждают на воздухе при температуре окружающей среды в течение примерно суток.

Введение ПТФЭ в количестве менее 1% от массы ЛКМ не позволяет достичь заявленного технического результата и обеспечить существенное улучшение эксплуатационных характеристик покрытия. Введение ПТФЭ более 40% нецелесообразно, так как при большом расходе дорогостоящего материала заметного усиления указанных эффектов не наблюдается.

Используемый в соответствии с предлагаемым способом наноструктурированный низкомолекулярный ПТФЭ в зависимости от условий его получения (конденсации) включает нанопленки различной площади, которые могут сворачиваться в микротрубки различного размера, в свою очередь, способные впоследствии трансформироваться в нанопленки толщиной 5-25 нм, сконденсированные в микропакеты диаметром 0,1-3 мкм.

На снимках, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, наглядно представлена возможная морфология наноразмерных частиц ПТФЭ: фиг. 1 - сформированные из нанопленок микротрубки длиной от 2 до 150 мкм; фиг. 2 - порошок; фиг. 3 - пакет нанопленок в виде микросферы диаметром около 1 мкм.

Поскольку при самом незначительном механическом усилии микронные образования (микротрубки, пакеты нанопленок) наноструктурированного низкомолекулярного ПТФЭ легко распадаются на нанопленки, то в ходе эксплуатации лакокрасочного покрытия при деформационном воздействии на его поверхность со стороны различных факторов окружающей среды за счет образовавшихся нанопленок возникает эффект «сухой смазки». Это явление препятствует разрушению покрытия: при усилении деформационного воздействия увеличивается масса высвобождающихся нанопленок ПТФЭ и усиливается противодействующий эффект. Благодаря низкой поверхностной энергии наночастиц и нанопленок ПТФЭ сглаживается рельеф поверхности лакокрасочных покрытий и наблюдается снижение их износа и коэффициента трения, повышение гидрофобных и противообрастающих свойств, при этом важное значение имеют эксплуатационные характеристики лакокрасочной основы.

В другом варианте осуществления способа на подложку установленным образом наносят лакокрасочное покрытие (грунтовка, слой краски). После отверждения поверхность путем натирания покрывают тонким, при этом достаточным для достижения сплошности, слоем нанодисперсного низкомолекулярного ПТФЭ. Изменение морфологии наноструктурированных компонентов ПТФЭ и формирование нанопленок частично происходит непосредственно в ходе натирания, что обеспечивает более высокую степень защиты покрытия от разрушения с начала его эксплуатации. Образующиеся нанопленки легко налипают и прочно удерживаются на любой твердой поверхности, практическим подтверждением чего может служить ПТФЭ покрытие, полученное натиранием стальной поверхности.

В качестве лакокрасочных материалов используют лаки и эмали на различной основе. Как показывает практика, улучшение эксплуатационных характеристик и повышение степени защиты наблюдается во всех случаях. Однако при необходимости преимущественного усиления конкретных защитных функций многофункционального лакокрасочного покрытия предлагаемый способ дает возможность использовать ЛКМ, обеспечивающий наилучший результат.

Примеры конкретного осуществления изобретения

Для сравнительных испытаний покрытия наносили на стальные пластины размером 200×200×3 мм и 30×30×3 мм.

Для сравнения влияния ПТФЭ на различные по составу и назначению лакокрасочные материалы (и влияния ЛКМ на свойства покрытия) взяты сурик МА-15 (ГОСТ 10503-71) и SeaForce 30 (Jotun Group). Кроме того, было протестировано ПТФЭ покрытие, нанесенное путем натирания непосредственно на поверхность металла (без грунтовки и ЛКМ).

Во всех примерах был использован наноструктурированный низкомолекулярный (м.в=300-5000) ПТФЭ, преимущественно содержащий нанопленки, сконденсированные в микросферы диаметром 0,1-2,0 мкм.

Для введения в краску ПТФЭ диспергировали в ксилоле с помощью роторно-пульсационного диспергатора-кавитатора с получением 40% дисперсии, которую вводили в лакокрасочный материал количестве, обеспечивающем содержание 1-40% сухого ПТФЭ на сухую массу ЛКМ.

Все лакокрасочные покрытия отверждали при комнатной температуре в течение суток.

Поверхность лакокрасочного покрытия натирали порошком ПТФЭ с помощью сухой хлопчатобумажной ткани. В промышленных масштабах для нанесения ПТФЭ могут быть использованы известные механические полирующие приспособления.

Трибологические испытания проводились на автоматизированной машине трения Revetest (CSM Instruments, Швейцария) по схеме испытания «шарик-диск». В качестве контртела был выбран стальной шарик (100Cr6) диаметром 10 мм.

Все исследования проводились в режиме сухого трения на воздухе при температуре 25°С и нагрузке 1 Н. Линейная скорость вращения была равна 50 мм/с, диаметр трека составлял 10 мм. Количество циклов вращения составило 1000 оборотов для каждого образца. Износ статического партнера (контртела) в данном исследовании не был обнаружен и при расчете не учитывался.

Пример 1

На стальные пластины, загрунтованные вначале фосфатирующей грунтовкой ВЛ-023 (ГОСТ 12707-77) слоем толщиной 15-20 мкм, затем красно-коричневой грунтовкой ГФ-0119 (ГОСТ 23343-78) слоем толщиной 15-20 мкм наносили 2 слоя сурика МА-15 толщиной 30-35 мкм каждый, в который предварительно вводили ПТФЭ в количестве 1% от массы ЛКМ.

Пример 2

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя сурика МА-15 толщиной 30-35 мкм каждый, в который предварительно ввели ПТФЭ в количестве 10% от сухой массы ЛКМ.

Пример 3

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя сурика МА-15 толщиной 30-35 мкм каждый, в который предварительно ввели низкомолекулярный наноструктурированный ПТФЭ в количестве 40% от массы ЛКМ.

Пример 4

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя сурика МА-15 толщиной 30-35 мкм каждый. Покрытие отверждали при комнатной температуре в течение суток, после чего натирали с помощью сухой х/б ткани микродисперсным порошком ПТФЭ.

Пример 5

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя сурика МА-15 толщиной 30-35 мкм каждый.

Пример 6

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя противообрастающей краски «SeaForce 30» толщиной 75-80 мкм каждый, в которую предварительно ввели низкомолекулярный нанодисперсный ПТФЭ в количестве 1% от массы ЛКМ.

Пример 7

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя противообрастающей краски «SeaForce 30» толщиной 75-80 мкм каждый, в которую предварительно ввели ПТФЭ в количестве 10% от массы ЛКМ.

Пример 8

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя противообрастающей краски «SeaForce 30» толщиной 75-80 мкм каждый, в которую предварительно ввели порошок ПТФЭ в количестве 40% от массы ЛКМ.

Пример 9

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя противообрастающей краски «SeaForce 30» толщиной 75-80 мкм каждый. Покрытие отверждали при комнатной температуре в течение суток, после чего натирали сухой х/б тканью порошком ПТФЭ.

Пример 10

На стальные пластины, загрунтованные по примеру 1, наносили 2 слоя противообрастающей краски «SeaForce 30» толщиной 75-80 мкм каждый.

Пример 11.

На стальные пластины, предварительно очищенные от ржавчины и обезжиренные, методом механического натирания сухой х/б тканью наносили порошок ПТФЭ, содержащий нанопленки, сконденсированные в микросферы диаметром 0,1-2,0 мкм.

В результате анализа полученных данных трибологических испытаний установлено, что коэффициент трения для всех образцов с покрытием, полученным предлагаемым способом, находится на уровне 0,1, в то время как для незащищенного металла он равен 0,45. Для стальных пластин с ПТФЭ покрытием (без ЛКМ) коэффициент трения равен 0,14. При проведении испытаний для полученных покрытий вначале наблюдается некоторое увеличение коэффициента трения, а затем снижение и выход на стабильное плато. Снижение коэффициента трения в 4,5 раза свидетельствует о высоких антифрикционных свойствах формируемых покрытий.

Другие эксплуатационные характеристики покрытий, полученных предлагаемым способом при различных концентрациях ПТФЭ в ЛКМ, в сравнении с характеристиками лакокрасочных покрытий без ПТФЭ, а также с характеристиками ПТФЭ покрытия на металле (без ЛКМ) и характеристиками исходного металла без покрытия (пример 12) представлены в таблице.

Стальные пластины с ПТФЭ покрытием (без ЛКМ) имеют значительно более низкий коэффициент трения, чем пластины без покрытия (0,14 в сравнении с 0,45).

Использование предложенного способа позволяет получать долговечные лакокрасочные покрытия с высокими водоотталкивающими, антифрикционными, противоизносными, противообрастающими свойствами.