АНТИКОРРОЗИОННОЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ПОЛЫХ МИКРОСФЕР

Область, к которой относится изобретение

Высококачественное антикоррозионное и теплозащитное покрытие для ряда применений имеет первостепенное значение. Например, при решении задачи теплоизоляции трубопроводов теплового и водяного снабжения крайне важно обеспечить стойкую защиту труб от внешней коррозии, поскольку именно она является главным фактором, ограничивающим время их эксплуатации. Столь же большое значение имеют такие покрытия и для защиты любых строительных конструкций, сделанных из металла, дерева, пластика, от вредных воздействий солнечного света, атмосферных осадков и т.п. В то же время задача сохранения тепла в жилищном и промышленном строительстве безусловно является одной из первостепенных, и на ее решение выделяются огромные ресурсы. Для решения как первой, так и второй задач современная технологическая мысль предлагает большой спектр решений. К теплоизоляционным материалам, активно предлагаемым в настоящее время, помимо хорошо известных минеральных и базальтовых ват активно используются различные вспененные полимерные материалы, такие как вспененный полистирол, полиэтилен, полиуретан, полипропилен и т.п. В качестве материалов для антикоррозионной защиты предлагаются различные покрасочные материалы (водные дисперсии, лакокрасочные материалы на органических растворителях), а также защиты металлических поверхностей металлами, стойкими к коррозии, например электролитическое оцинкование. Материалов, которые бы обладали совместным эффектом защиты поверхностей от коррозии и при этом способствовали бы сохранению тепла и обладали высокими адгезионными свойствами в настоящее время, практически не существует.

Уровень техники

В патенте Российской Федерации №93052300 (1996.07.20) (заявители и изобретатели: Дубин И.Б., Газиянц А.П., Лаптев И.И., Мансуров М.Н., Саркисов Э.И.) предлагается использовать стеклянные микросферы в качестве наполнителя для получения замкнутопористой композиции, имеющей полную водонепроницаемость и повышенные теплоизоляционные свойства, высокую механическую прочность и коэффициент линейного расширения, совместимый с металлом трубы. В этом случае использование такого покрытия требует подготовки жидкой смеси, модифицированной эпоксидной смолой ЭД-20, стеклянных микросфер, отвердителя - полиэтиленполиамина (ПЭПА), пластификатора полиизобутилена И-200 и других компонентов непосредственно перед применением, поскольку в противном случае заранее приготовленная смесь быстро отвердеет, не позволив нанести ее на поверхность. Этот факт очень не удобен с технологической точки зрения, кроме того, подобное покрытие не выдерживает непосредственного длительного контакта с водой. Кроме того, способность готового покрытия на основе эпоксидной смолы к пластической деформации невысока, что приводит к появлению трещин в покрытии и его отслоений от основы после многократного охлаждения и нагревания в период зимы и лета.

В патенте Российской Федерации №2039070 (1995.07.09) (заявители и изобретатели: Епифановский И.С., Димитренко Ю.И., Полежаев Ю.В., Медведев Ю.В., Михатулий Д.С.) предлагается использовать стеклянные микросферы в качестве наполнителя для получения огнестойкого покрытия на различных поверхностях на основе композиции, содержащей силоксановый каучук, стеклянные микросферы, нитрид бора. Такое покрытие не обладает хорошей адгезией (сцеплением) с поверхностью, на которую наносится готовый материал, а также низкой пластичностью и, как следствие, высокой хрупкостью, что должно резко снижать долговечность нанесенного покрытия.

Из RU 97118225, 1999, известно покрытие, выполненное из композиции, включающей в качестве полимерного связующего полиолефиновую композицию (60-99 мас.%) и от 1 до 40 мас.% полых стеклянных микросфер (из неорганического стекла), имеющих плотность 0,05-0,6 г/см³, полиолефиновая композиция в качестве полиолефинов содержит гомополимеры пропилена, этилена или кристаллический сополимер пропилена-этилена и др. сополимеры С₄-С₁₀ альфа-олефинов, при необходимости двуокись титана, стабилизатор фенольного типа, а также органический фосфонит или фосфит. Композицию используют для покрытия (антикоррозионного, теплоизоляционного) внутренней и наружной поверхности металлических труб, которую наносят распылением сварочной горелкой. Покрытие может обеспечить тепловую и коррозионную защиту металлических поверхностей, однако хорошо известно, что полиолефиновые полимерные материалы имеют очень низкую адгезию по отношению к большинству поверхностей, включая и металлическую, что в конечном итоге приводит к быстрому отслаиванию поверхностей, кроме того, способ нанесения такой композиции технологически весьма не прост. То есть оно не обладает хорошей антикоррозионной защитой и имеет низкую адгезию с подложкой.

В патенте США №4689358 (заявитель - Бруклин Юнион Газовая Компания (US), изобретатели: H. Peter Schorr, Lack J. Fontana, Meyer Steinberg) предлагается использовать керамические микросферы или вспученный перлит, покрытый слоем полистирола, в качестве наполнителя для цементного раствора или смеси эпоксидных смол. В этом случае полученное отвердевшее покрытие обладает достаточно хорошим теплозащитным слоем, и оно может препятствовать разогреву легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) при их хранении в предварительно покрытых подобным покрытием сосудах, что приводит к снижению уровня вероятности взрыва или пожара на объектах хранения ЛВЖ. Однако использование такого рода покрытия неудобно с технологической точки зрения, поскольку необходимо готовить смесь керамических сфер с жидкой основой непосредственно перед нанесением покрытия. Кроме того, степень антикоррозионной защиты в этом случае для готового бетонного покрытия недостаточна.

Технической задачей заявленного изобретения является повышение степени антикоррозионной и теплоизоляционной защиты покрываемой поверхности, повышение адгезии.

Поставленная техническая задача достигается тем, что антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие выполнено из композиции, включающей полимерное связующее и полые микросферы, нанесенной, по меньшей мере, в виде одного слоя, с последующей сушкой его, выполнено из водно-суспензионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па·с, в качестве полимерного связующего композиция содержит водоэмульсионную полимерную латексную композицию, содержащую от 10 до 90 об.% (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, сополимер стиролакрилата, бутадиенстирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полиуретановый полимер, полимер или сополимер винилацетата или их смеси и от 10 до 90 об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества, в качестве полых микросфер композиция содержит смесь полых микросфер с разными размерами от 10 до 500 микрометров (мкм) и различной насыпной плотностью от 650 до 50 кг/м³, выбранные из группы, включающей полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые полимерные микросферы, полые техногенные (зольные) микросферы или их смеси при следующем соотношении компонентов водно-суспензионной композиции, об.%:

вышеуказанная полимерная латексная композиция 5-95

вышеуказанные полые микросферы 5-95

Водоэмульсионная полимерная латексная композиция, используемая в качестве полимерного связующего в заявленном антикоррозионном и теплоизоляционном покрытии, дополнительно может содержать различные белые пигменты, такие как, например, двуокись титана, оксид цинка и др., красящие (цветные) пигменты, такие как железоокисные пигменты, пигменты на основе оксидов хрома, фталоцианиновый синий и др.;

антипиреновые (огнестойкие) добавки, такие как, например, тригидрат алюминия, полифосфат аммония, борат цинка, слюда, асбест и др.;

преобразователи ржавчины, такие как, например, преобразователь ПРЛ-2 на основе ортофосфорной кислоты, №444 на основе фосфорной кислоты и др.;

ингибиторы коррозии, такие как, например, нитрит натрия, бензоат натрия, хромат гуанидина, тетраоксихромат цинка, АКОР-1, НГ-203 в количествах, традиционно используемых в таких аналогичных водных дисперсиях.

В качестве полимерного связующего композиция, используемая для получения антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия по изобретению, содержит как известные латексы на основе (со)полимеров акрилата, стирола, винилацетата, бутадиен-стирольного сополимера, полиуретана, поливинилхлорида (полихлорвиниловый полимер), содержащие воду и поверхностно-активные вещества, например, типа оксиэтилированных алкилфенолов, такие как ОП-6, ОП-7, ОП-10, праксанолы на основе блок-сополимеров окиси этилена и пропилена, и другие традиционно используемые в водно-дисперсионных системах; а также различные другие целевые добавки, такие как пигменты белые и красящие, ингибиторы коррозии, преобразователи ржавчины, антипирены и др., также и приготовленные непосредственно на основе латексов вышеуказанных или их смесей полимеров при содержании полимера в композиции от 5 до 95 об.%.

Так, например, при получении антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия по изобретению в качестве полимерного связующего композиция содержит такие латексные полимерные системы, как латексы на основе сополимеров винилацетата с этиленом, метилметакрилатом и метакриловой кислоты (основа красок Э-ВС-511, Э-ВС-17), на основе поливинилацетатной дисперсии (50%-ной) в виде красок Э-ВА-27, Э-ВА-0112 и др.; латексные системы (краски) на основе бутадиенстирольного сополимера СКС-65ГП, БС-30, на основе акриловых сополимеров ДММА-65ГП, а также стиролакриловый фирмы “Dow Chem”, Примал 219N, акриловый МБИ-5С, полиуретановый.

Полые микросферы являются одним из важнейших наполнителей, применяемых в производстве пластмасс. Сферическая форма, контролируемые размеры и низкая плотность их делают их часто незаменимыми. Важным эффектом применения их является снижение расходов дорогостоящих или дефицитных полимеров, а также снижение плотности. Традиционно они имеют размер от 25 мкм до 50 мм и плотность от 100 до 700 кг/м³.

В заявленном изобретении использование смесей полых микросфер (стеклянных, керамических, полимерных, зольных), одинаковых или разных, но с различными размерами в интервале от 10 до 500 мкм и различной насыпной плотностью в интервале от 50 до 650 кг/м³ позволяет значительно повысить эффективность защиты поверхности обрабатываемых материалов (дерево, бетон, штукатурка, металл) от коррозии и теплоизоляцию.

Такие свойства полых микросфер, как низкое маслопоглощение, инертность и легкость диспергирования, делают их очень привлекательными в качестве наполнителей.

Полые микросферы из стекла, керамики, полимеров главным образом получают путем введения порообразователя в основной материал, последующего их измельчения и нагревания для вспенивания порообразователя.

Так, например, полые микросферы получают путем пропускания мелких частиц, содержащих порофор через высокотемпературную зону; частицы плавятся или размягчаются в горячей зоне, а газообразователь формирует полость внутри частиц, расширяя их. При охлаждении сферы на воздухе ее стенки затвердевают. Либо их получают методом вспенивания стеклянных (или керамических) частиц в пламени горелки и т.д. В качестве полых стеклянных микросфер используют, например, микросферы типа Гласе бабез, типа Микробаллон; глобумит, сферолит. Керамические микросферы получают также путем сжигания природных материалов и вспенивания.

Полимерные полые микросферы получают как правило либо суспензионной полимеризации мономеров с добавлением порообразователя (порофор, инертные газы, низкокипящие углеводороды), либо путем физического или химического вспенивания уже готовых полимерных измельченных частиц. В качестве полых полимерных микросфер в изобретении используют полые микросферы, например полистирольные, на основе фенолформальдегидных смол, силиконовых, мочевино-формальдегидных смол и другие.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ производства антикоррозионного покрытия, обладающего одновременно и высокими теплозащитными свойствами. В качестве одного из главных компонентов данного типа покрытия являются полые стеклянные, керамические, техногенные (зольные) и полимерные микросферы, заполненные разряженным и атмосферным воздухом. Вторым основным компонентом такого покрытия, в отличие от всех приведенных выше патентных аналогов, являются водные дисперсии полимерных смол, которые отвердевают и полимеризуются после испарения воды в дисперсии. Тщательно перемешанные с жидкими полимерными смолами микросферы являются отличным антикоррозионным и теплозащитным покрытием, обладающим высокими адгезионными свойствами. Работа адгезии этого покрытия к различным поверхностям, а также степень паропроницаемости покрытия определяется типом используемого полимерного связующего.

Для этого типа изолирующих покрытий применяются акрилатные, стиролакрилатные, полиуретановые, бутадиенстирольные, бутадиеновые, полистирольные, винилацетатные, поливинилхлоридные и другие водные эмульсии (латексы) полимерных смол, в которые погружаются и перемешиваются микросферы. Содержание микросфер в готовой композиции может быть различным и меняться от 5 до 95 об.%. Латексы могут браться как в чистом виде, так и смешиваться друг с другом в различных пропорциях для достижения различной степени паропроницаемости получаемого покрытия и работы адгезии покрытия к наносимым поверхностям. Например, при использовании смесей бутадиенстирольного и акрилатного латексов (основы, в которую помещаются микросферы) можно получить покрытия с различной степенью паропроницаемости - от высокопроницаемых до высокобарьерных по отношению к водяному пару. Смесь с большим содержанием бутадиенстирольного латекса обладает высокими барьерными свойствами по отношению к водяному пару, а содержащая большое количество акрилатного латекса смесь имеет свойства хорошей паропроникающей способности.

Для получения покрытий с наименьшим объемом свободного пространства между микросферами и, как следствие этого, с высокими теплозащитными характеристиками необходимо использовать смеси полых микросфер с разными радиусами (от 10 до 500 микрометров) и различной насыпной плотностью (от 650 до 50 кг/м³) (Фигура 1). Можно использовать и микросферы с близкими размерами радиусов сфер, однако в этом случае степень заполнения пространства между сферами будет ниже (Фигура 2).

Важное значение имеет тип используемого полимерного связующего для микросфер. Так в случае применения покрытий для высокотемпературных использований (до +150°С) необходимо применять полиуретановый, акрилатный, стиролакрилатный латексы и их смеси. Для других типов применений можно использовать все вышеперечисленные (например, бутадиенстирольный, винилацетатный) или другие типы водоэмульсионных латексов, например сополимерные, а также их смеси. Для получения покрытий, способных выдерживать многократные перепады температур от -70 до 100°C, используются смеси на основе латексов с высокой степенью пластичности, например бутадиенстирольный, бутадиеновый, поливинилхлоридный, сополимерный (на основе всех вышеупомянутых латексов) или их смеси. Полиуретановый, акрилатный, стиролакрилатный латексы и их смеси также обладают высокой стойкостью по отношению к многократным перепадам температур, не приводящих к растрескиванию в диапазоне температур от -45 до 150°С. Высоконаполненные керамическими микросферами покрытия обладают высокой способностью отражения и рассеивания радиационной составляющей падающего на поверхность теплового потока. Для придания покрытию еще более высоких свойств по отношению к отражению и рассеянию падающего излучения, в том числе инфракрасного, в состав смеси включаются различные белила, например ТiO₂, ZnO и другие. Способность микросфер рассеивать и отражать падающий на них свет, в том числе и инфракрасный (тепловое излучение), имеет большое значение для такого типа покрытий, поскольку оно способно отражать тепловое излучение с высокой степенью эффективности вплоть до 95% от всего падающего светового потока.

При необходимости в готовую смесь добавляются дисперсионные и водно-растворимые красители, которые придают покрытию необходимый конечному потребителю цвет. Кроме того, в состав жидкой водоэмульсионной смеси включаются и другие компоненты - ингибиторы и преобразователи ржавчины, поверхностно-активные вещества, стабилизирующие суспензию, предотвращающие выпадение отдельных компонентов с высокой плотностью в осадок или всплывание легких микросфер, антипирены (компоненты, препятствующие распространению пламени на готовом покрытии, например тригидрад алюминия) и т.п.

Готовая смесь может иметь различную вязкость от 1 до 100 Па·с, однако для лучшей стабилизации компонентов в жидкой композиции лучше использовать высоковязкие смеси. Способы нанесения жидкой водоэмульсионной композиции могут быть различными, например она может наноситься с помощью краскопульта безвоздушного распыления, кисти или валика от одного до пяти слоев с тщательной просушкой каждого слоя перед нанесением последующего.

Пример приготовления

Водоэмульсионная смесь на основе стиролакрилового латекса была тщательно перемешена со стеклянными микросферами трех типов размеров (со средними радиусами микросфер 35, 100 и 200 микрометров с кажущимися плотностями 650, 150, 70 кг/м³ в пропорции 3:6:1 соответственно), возможно двуокисью титана, поверхностно-активной добавкой, а также ингибитором ржавчины. Объемное соотношение стиролакрилового латекса к стеклянным микросферам в этом случае было 1:10. Приготовленная смесь была нанесена на поверхность металлической трубки теплового снабжения, которая была заполнена перегретой водой с температурой поверхности трубы +115°С. Приготовленную смесь наносили на поверхность трубы с помощью валика, толщина одного слоя покрытия была около 0,4 мм. По прошествии суток после нанесения первого слоя (время, необходимое для полной просушки покрытия) на трубу наносился следующий слой покрытия. Таким образом, было нанесено пятислойное покрытие с общей толщиной готового слоя около 2 мм.

В результате после нанесения этого покрытия общей толщиной 2 мм температура на поверхности трубы, находящейся в помещении с температурой окружающего воздуха 20°С, была около +50°С и уменьшалась до +30°С - +40°С при наличии в помещении слабых потоков окружающего воздуха. Покрытие имеет очень хорошее сцепление с подложкой, т.е. адгезионные свойства (адгезия 1 балл), хорошие физико-механические свойства:

твердость (по маятниковому прибору) 0,5-0,7

эластичность 1 мм (по ШГ-1)

прочность на удар 50 к

водостойкость - хорошая

светостойкость - хорошая

атмосферостойкость - хорошая

В таблице представлены примеры композиций используемых для получения антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия по изобретению