Органические полимерные покрытия и способы их нанесения

Технология нанесения полимерных покрытий. Рассмотренные ранее методы защиты металлов от коррозии дороги, недостаточно эффективны и имеют ограниченные возможности. Поэтому использование органических покрытий по-прежнему остается важным средством борьбы с коррозией.

Полимерные покрытия не только защищают металлы от воздействия агрессивных сред, но и повышают их износостойкость, снижая прилипаемость различных веществ к рабочим поверхностям, позволяют экономить цветные металлы и другие дефицитные материалы.

К полимерным покрытиям предъявляют высокие требования. Покрытия должны иметь хорошую адгезию к защищаемой поверхности, беспористость, эластичность, механическую прочность, теплостойкость, быть инертными к средам, с которыми они находятся в контакте.

Ни один из известных полимеров не сможет полностью удовлетворить всем перечисленным требованиям. Материалы, обладающие достаточной химической стойкостью, как правило, имеют недостаточную адгезию к защищаемому металлу. Полимерные покрытия с хорошей адгезией к защищаемой поверхности часто легко разрушаются от химического и механического воздействия агрессивных сред. Лишь эпоксидные и некоторые другие полимеры удачно сочетают высокую адгезию к металлу с удовлетворительной химической стойкостью.

В различных областях промышленности для защиты внутренних поверхностей аппаратов, трубопроводов и арматуры применяют винилхлоридные, фторопластовые, пентапластовые, полиолефиновые, полиуретановые, фенолформальдегидные, кремнийорганические, каучуковые, эпоксидные и другие покрытия.

В отличие от коррозионной стойкости металлов, характеризуемой потерей массы, химическая стойкость полимерных материалов численно обычно не выражается. О химической стойкости полимерных покрытий судят по степени набухания и разрушения пленки, потере эластичности, изменению цвета и т. д. Перед нанесением покрытия проводят подготовку металлической поверхности (очищают и придают равномерную шероховатость для обеспечения хорошей адгезии) при помощи дробеструйной обработки. На подготовленную поверхность наносят грунт, создающий противокоррозионный слой с обеспечением высокой прочности сцепления как с металлом, так и с последующими слоями покрытия.

Для подготовки защищаемой поверхности изделий применяют дробеструйные автоматы и пистолеты, а также ручные реверсивные пневматические щетки (рис. 7.5).

Полимерные покрытия наносят как непосредственно на изделия, так и на тонколистовую полосу. Второй метод появился недавно, но его использование позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления изделий.

При использовании метода «coil coating» (спиральное покрытие) стальной лист с металлическим покрытием или без него на специальной установке по нанесению органических покрытий в непрерывном технологическом конвейере подвергают очистке, предварительной химической обработке, и затем с помощью валков на него наносят покрытие из жидких органических материалов. Нанесенное покрытие подвергают горячей сушке или наклеи;

Рис. 7.5. Пневматическая схема дробеструйного аппарата с дистанционным управлением:

1 — запорный клапан для дистанционного управления; 2 — жиклер; 3 — фильтр;

влагоотделитель вают на него с помощью клеящих материалов тонкие защитные пленки из искусственных материалов.

Для нанесения на поверхность полимерных покрытий и их формирования применяют различные окрасочные агрегаты, краскораспылители, красконагнетательные баки. Пневматические окрасочные агрегаты обеспечивают механическое раздробление окрасочного состава (гидродинамическое распыление). Красконагнетательные баки осуществляют подачу лакокрасочных материалов под давлением сжатого воздуха к пневматическим краскораспылителям. Прокат с органическим покрытием наиболее широко применяют в строительной индустрии (крыши, стены, металлические двери для внешнего и внутреннего применения), производстве металлических изделий из листового железа (для мебели, полок, карнизов, корпусов приборов различного вида), автомобильной промышленности (детали кузовов, распределительные щиты), упаковочной индустрии (бочки, аэрозольные баллоны, крышки) и при изоляции труб.

Взамен гальванических, эмалевых и силикатных могут использовать тонкослойные (0,3…0,5 мм) полимерные порошковые покрытия, получаемые методом вибровихревого напыления (рис. 7.6 и 7.7). При вибровихревом способе напыления на частицы полимера одновременно воздействуют воздух под давлением и вибрация. При этом способе аппарат вихревого напыления установлен на мембрану вибратора, которая получает вертикальное перемеще;

Рис. 7.6. Установка для вибровихревого напыления: а — схема установки; 6 — аппарат для создания взвешенного слоя порошкообразного полимера; / — баллон со сжатым воздухом; 2 — пульт с приборами контроля и регулирования; 3 — аппарат для создания взвешенного слоя порошкообразного полимера; 4 — нагревательная печь; 5 — нижний сосуд; 6 — вибрационное дно; 7 — верхний сосуд; 8 — коническая крышка-сборник; 9 — распылительная насадка; 10 — электромагнитный вибратор Рис. 7.7. Схема аппарата вибровихревого напыления полимеров:

1 — деталь; 2 — рабочая камера; 3 — мембрана; 4— электромагнитный вибратор ние с частотой 50—100 колебаний в секунду. Применение таких покрытий исключает использование токсичных и пожароопасных растворителей, устраняет процесс сушки после их нанесения, дает равномерное покрытие толстым слоем при одноразовом погружении в ожиженный порошок. Эти покрытия обладают более высокими защитными свойствами по сравнению с покрытиями, полученными другими способами.

Полимерные покрытия могут наносить газопламенным методом. Газопламенное напыление, называемое также пламенным или огневым напылением, заключается в том, что порошкообразная полимерная композиция наносится на металлическую или иную поверхность, предварительно подготовленную и нагретую с помощью специальной горелки автогенного типа. Частицы полимерного материала размягчаются в пламени и, попадая на нагретую поверхность, растекаются на ней, образуя при остывании слой покрытия. Покрытия необходимой толщины получают последовательным нанесением нескольких слоев полимера; выравнивание поверхности последнего слоя происходит в результате оплавления в пламени горелки без подачи порошка.

Температура пламени газа, чаще всего ацетилена, составляет 650… 700 °C, но порошкообразный полимер сгорает лишь частично вследствие значительной скорости его прохождения через зону пламени (приблизительно 25 м/с).

Для напыления могут применять порошки различных термопластов, в том числе составы на основе поливинилбутираля, битумные и каучуковые композиции. Разработан также газопламенный метод нанесения термореактивных полимеров, при котором производится спекание полимерного покрытия, а не его оплавление. Этим методом наносят составы на основе фенолформальдегидных и эпоксидных смол с наполнителями и отвердителями.

Для напыления применяют порошки полимерных материалов с размерами частиц 0,10…0,25 мм. При нанесении покрытий малой толщины на детали сложной конфигурации используют порошок с меньшими размерами частиц. Получение покрытий с ровной и гладкой поверхностью может быть достигнуто, если порошок полимера сухой, однородный по размерам частиц.

Воздушно-порошковая смесь поступает в горелку через резиновый шланг и далее попадает в зону пламени. Газовая смесь сгорает в мундштуке горелки, в центре которого расположено сопло для подачи порошка.

Метод газопламенного напыления применяют для выравнивания поверхностей при ремонте.

Условиям экологической чистоты, низкой себестоимости может соответствовать современный метод трибостатического нанесения эпоксидных порошковых твердых покрытий, также не требующий изготовления растворов и, следовательно, их утилизации.

Для обеспечения процесса необходимо следующее оборудование: источник сжатого воздуха, камера с системой отсоса воздуха, вентиль для регулирования расхода воздуха, емкость с порошковой краской, пистолет — распылитель порошка, сушильный шкаф.

Размеры сушильного шкафа и камеры определяют по максимальным размерам напыляемых изделий. На рис. 7.8 приведена схема процесса трибостатического нанесения покрытий.

Технологический процесс трибостатического нанесения покрытий прост и не требует специальных знаний обслуживающего персонала. Процесс включает три этапа: подготовку поверхности изделия, нанесение эпоксидной порошковой краски на поверхность и полимеризацию покрытия в сушильном шкафу.

Подготовка поверхности состоит из обычного обезжиривания и промывки детали.

Рис. 7.8. Схема процесса трибостатического нанесения покрытия:

I — источник сжатого воздуха; 2 — вентиль; 3 — емкость с краской; 4 — распылитель порошка; 5 — изделие; 6 — камера Процесс нанесения порошка осуществляется следующим образом. Из источника сжатого воздуха / через вентиль 2 воздух поступает в донную часть емкости 3 с порошковой краской. Перемешивая частицы краски, воздушный поток образует псевдокипящий слой, на поверхности которого происходит накапливание трущимися частицами статического заряда. Одновременно часть порошка по газовой магистрали транспортируется к пистолету — распылителю порошка 4. При прохождении порошка по стволу распылителя происходит дополнительный заряд частиц, и на выходе из канала ствола они обладают статическим зарядом в несколько киловольт.

В заземленную рабочую камеру на металлических крючках подвешивают изделия 5, которые имеют нулевой потенциал. Порошок, выходя из ствола распылителя, оседает за счет высокой разности потенциалов на поверхности изделия, теряя свой заряд. Неиспользованная часть порошка оседает на стенках камеры и может быть использована вторично. Изделия с нанесенным порошком переносят в сушильный шкаф. Время между нанесением порошка и установкой изделий в сушильный шкаф может доходить до нескольких часов.

В сушильном шкафу происходит полимеризация порошка при температуре 150…220 °С в течение 20… 30 мин. Температура полимеризации зависит от состава порошка. При установке изделий в шкаф включают вытяжную вентиляцию.

Покрытия наносят на любые металлы, а также на керамику, стекло, дерево, пластмассы. Испытания покрытий на деталях из сталей марок СтЗ и 20, медных и алюминиевых сплавов, керамики показали их удовлетворительную адгезивную прочность. Толщина покрытий составляла 50… 150 мкм, разброс по толщине — менее ±25%.

При испытаниях покрытия показали стойкость к растворам щелочей, кислот и органическим растворителям. Водопоглощение после выдерживания в воде при + 20 °C в течение 24 ч составило 0,5%. При термоциклировании образцов в интервале температур -60… + 20 °C не наблюдалось отслоения и образования трещин на покрытиях.

Метод вихревого напыления, называемый также напылением в кипящем (псевдоожиженном, взвешенном) слое, заключается в том, что предварительно нагретую деталь из металла или другого теплостойкого материала помещают в аппарат с порошком полимера, находящимся во взвешенном состоянии.

Частицы порошка обволакивают помещенную в аппарат деталь и, попадая на ее нагретую поверхность, плавятся и растекаются, образуя защитный слой. После удаления детали из аппарата слой полимера оплавляется под действием остаточной теплоты детали или при дополнительном нагревании.

Использование для напыления порошков определенной дисперсности способствует легкому их перемещению в воздушном потоке, равномерному распределению на покрываемой поверхности и быстрому оплавлению. Преимущество процессов напыления порошков состоит в получении покрытия непосредственно из твердого полимера, минуя стадии растворения или диспергирования. Методом вихревого напыления или другими методами наносят многие термопластичные полимеры или составы на их основе в мелкодисперсном состоянии.

Нанесение порошков методом вихревого напыления производят в аппаратах периодического действия или на поточных конвейерных линиях. Аппарат для напыления (рис. 7.9) разделен на две части горизонтальной пористой перегородкой 2. К нижней камере подведен сжатый воздух или инертный газ; верхняя камера является рабочей, в ней находится порошок полимера и поме;

Рис. 7.9. Схема установки для вихревого напыления полимеров:

/ — поддон; 2 — пористая перегородка; 3 — защитная сетка; 4, 7 — аппараты для напыления; 5 — изделие; 6 — кран переключения подачи воздуха; 8, //, /3 — манометры; 9, 12 — редукторы давления; /0— воздухоочиститель; 14 — кран для продувки водоочистителя щается изделие 5для напыления. На пористую перегородку, которую изготавливают из технического войлока, нескольких слоев стеклоткани между двумя латунными сетками, керамической пористой плиты или пористых листов из поливинилхлорида, насыпают порошок полимера, и затем из нижней камеры подают сжатый воздух или газ, пропущенный через масловодоотделитель. В верхней части аппарат может быть снабжен устройством для улавливания частиц полимера.

Воздушный поток, проходя из нижней камеры через пористую перегородку, разделяется на множество струй. Частицы полимера, подхваченные воздушным потоком, устремляются вверх и затем стремятся опуститься под действием силы тяжести. При воздействии двух противоположно направленных сил и вследствие столкновений между собой и со стенками аппарата частицы находятся в хаотическом движении, образуя кипящий или псевдоожиженный слой, которому присущи многие свойства жидкости.

Вихревой метод напыления имеет ряд достоинств, к числу которых относятся простота применяемой аппаратуры, удобство ее эксплуатации, быстрота получения покрытия на поверхности деталей, возможность механизации и автоматизации процесса нанесения. Недостатки метода: сложность нанесения полимеров на сравнительно большие детали и узлы, а также на детали с неодинаковой толщиной в разных сечениях, неравномерность покрытия острых кромок и углов между отдельными элементами деталей сложной конфигурации, а также внутренних поверхностей резервуаров, открытых с одной стороны.

Вихревой метод напыления получил распространение главным образом для нанесения полимеров на детали небольших размеров, не имеющих значительного количества отверстий, острых кромок и углов.

Технологический процесс нанесения покрытий в аппаратах периодического действия и на конвейерных линиях включает в себя следующие основные операции: подготовка поверхности детали, нагрев, нанесение порошка полимера, оплавление покрытия, охлаждение детали с покрытием.

Детали до нанесения покрытия можно нагревать в электрических, газовых и терморадиационных печах, в установках с индукционным нагревом. В нагревательных устройствах должен обеспечиваться равномерный нагрев различных участков. Затраты времени на загрузку и выгрузку деталей должны быть минимальными. Предпочтительнее применять индукционные печи и печи с конвекцией горячего воздуха.

Температура, до которой нагревается деталь, должна быть выше температуры плавления полимера, но ниже температуры деструкции (разрушения структуры). Кроме того, следует обеспечить такой нагрев в деталях неравномерной толщины, чтобы температура в тонкостенных участках была несколько выше. Температура предварительного нагрева деталей, помимо вида полимера, зависит и от формы деталей.

Классификация полимерных покрытий. Ранее отмечалось, что в зависимости от поведения полимеров при нагревании различают термопластичные полимеры (термопласты) и термореактивные полимеры (реактопласты).

К термореактивным материалам, которые при нагревании размягчаются, а затем необратимо переходят в твердое состояние, относятся фенопласты и аминопласты, к термопластичным материалам, которые многократно могут размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, — полиэтилен, полиамиды и др.

Полиолефиновые покрытия включают в себя такие распространенные материалы, как полиэтилен, полипропилен и их сополимеры.

Покрытия из полиолефинов отличаются высокой химической стойкостью к действию многих агрессивных сред. Полиэтилен используют в качестве упаковочного материала для хранения продуктов и получения антикоррозионных покрытий. Свойства полиэтилена и полипропилена практически не меняются при воздействии концентрированными соляной и серной кислотами при 20 °C, а также растворами щелочей. Однако органические растворители при комнатной температуре вызывают некоторое набухание, а при температуре выше 120 °C растворяют полиолефины.

Полиолефины имеют низкую проницаемость по отношению к жидким и газообразным агрессивным средам.

Полиолефины используют для нанесения покрытий почти всеми известными методами, включая напыление порошкообразных полимеров, плакирование пленками и листами, футерование литьем под давлением, а также формирование покрытий из дисперсий в водноорганических средах.

Полиамиды включают в себя капрон и капролон. Покрытия из полиамидов обладают высокими антифрикционными характеристиками. По износостойкости при сухом и жидкостном трении полиамиды превосходят не только другие классы полимеров, но и многие металлы, применяющиеся в антифрикционных целях. Низкий коэффициент трения при высоких нагрузках позволяет использовать полиамиды в тяжелогруженых узлах трения, о чем свидетельствуют значения коэффициентов трения покрытий из полиамидов при трении со смазкой по стали. Недостаток полиамидных покрытий — склонность к старению и значительное водопоглошение. С повышением температуры гигроскопичность полиамидов возрастает.

Полиамидные покрытия наносят на поверхность изделий напылением порошков, литьем под давлением, а также из растворов.

Стойкость полиамидов к окислению низкая, что препятствует длительной эксплуатации полиамидных покрытий на воздухе при температурах выше 60 °C. Для повышения термостабильности полиамидов применяют различные стабилизирующие добавки органического и минерального происхождения.

Для улучшения адгезионных и когезионных свойств, повышения эксплуатационных характеристик в покрытия из полиамидов вводят различные наполнители.

Введение

небольших количеств оксидов титана, меди, железа, свинца и алюминия способствует росту прочности и твердости, несущей способности и износостойкости покрытий при незначительном изменении коэффициента трения. Повышения теплостойкости и несущей способности подшипников с полиамидными покрытиями достигают введением порошков металлов (алюминия, свинца, бронзы и др.). Снижению коэффициента трения также способствует добавка фторопласта-4, дисульфида молибдена, графита.

Модифицированные покрытия на основе полиамидных слоев применяют для изготовления таких деталей как шестерни, подшипники и т. д.

Полиамидные смолы используют для получения защитных покрытий, а полиамидные порошки — для нанесения тонкого антифрикционного износостойкого покрытия.

Поливинилхлорид (ПВХ) благодаря низкой стоимости сырья, высокой химической стойкости, хорошим физико-механическим и удовлетворительным электрическим свойствам — самый распространенный материал, применяющийся для создания защитно-декоративных, химически стойких и электроизоляционных покрытий.

В состав поливинилхлоридных композиций, предназначенных для покрытий, помимо пластификаторов, входят стабилизаторы, наполнители, смазки, пигменты и другие добавки, концентрация и природа которых оказывают существенное влияние на свойства покрытий.

Материалом для покрытий в основном служит пластифицированный ПВХ, реже используется непластифицированный ПВХ, типичным представителем которого является винипласт. Листовой и пленочный винипласты применяют в химической промышленности для футеровки металлической аппаратуры и трубопроводов, эксплуатирующихся в агрессивных средах.

Пластифицированный Г1ВХ обычно наносят на поверхность обрабатываемых деталей в виде порошка или пленки.

Высокая химическая стойкость ПВХ позволяет успешно использовать покрытия на его основе в агрессивных средах.

Поливинилхлорид является основным компонентом для изготовления лакокрасочных материалов. Обработкой ПВХ получают винипласт, листы которого легко поддаются механической обработке и хорошо свариваются. Это позволяет использовать их для нанесения сплошного покрытия на фундаменты, цокольные части и другие конструкции. Поливинилхлоридный пластикат применяют как обкладочный материал для защиты аппаратуры от коррозии, устройств полов в помещениях, где требуется герметичность. Для устройства химически стойких полов, а также для гидроизоляции используют поливинилхлоридную пленку.

Пентапласт обладает высокой водостойкостью, прочностью, низким коэффициентом трения по стали. Он стоек к воздействию грибковой плесени, устойчив к воздействию растворов щелочей, кислот и солей.

Пентапласт наносят на поверхность защищаемых изделий в порошкообразном виде и из дисперсий в органических средах.

Кроме того, производят защиту изделий футеровочными и готовыми вкладышами из пентапласта.

Фторопласты применяют для изготовления различных деталей и для защитных покрытий (фторопласт-4 и фторопласт-3).

Фторопластовые покрытия исключительно устойчивы к агрессивным средам и в этом отношении превосходят даже благородные металлы и сплавы. На покрытия из фторопласта-4 не действуют окислительные среды, включая и царскую водку, кипящие щелочи, растворы солей. Фторопластовые покрытия вполне устойчивы по отношению к жирам, маслам, влаге, кислотам и т. д.

Покрытия из фторопластов применяют для защиты различных технологических емкостей.

Кремнийорганические полимеры имеют многие ценные свойства, из которых наиболее характерны термостойкость, а также стойкость к воздействию целого ряда химических агентов и растворителей. По термостойкости они значительно превосходят органические полимеры.

Кремнийорганические полимеры сравнительно инертны по отношению к большинству реагентов, за исключением сильных оснований и концентрированных кислот. Разбавленные сильные кислоты и щелочи, а также слабые кислоты и основания оказывают на них незначительное действие.

К недостаткам кремнийорганических полимеров относят их невысокую химическую стойкость к действию органических растворителей и окислительных сред.

Эпоксидные смолы в своем составе имеют реакционноспособные эпоксидные и гидроксильные группы, способные вступать в химические реакции с различными веществами с образованием более сложных соединений. При введении в них отвердителей холодного или горячего отверждения такие смолы способны переходить в неплавкое и нерастворимое состояние. В качестве отвердителей могут применяться органические и неорганические кислоты, ангидриды кислот, амины и амиды, а также синтетические смолы.

Свои ценные физико-механические свойства эпоксидные смолы приобретают при взаимодействии с отвердителями. Отвердители аминного типа выполняют функции сшивающих реагентов. Реакционноспособные группы отвердителей взаимодействуют с эпоксидными или гидроксильными группами смолы. Скорость процесса отверждения зависит от температуры. Некоторые отвердители реагируют со смолой при комнатной температуре, другие — лишь при нагревании. Наиболее полное отверждение полиаминами достигается при температуре выше 100 °C. Долговечность материалов, полученных отверждением при комнатной температуре, ограничена. Материалы, полученные отверждением эпоксидной смолы при нагревании, более долговечны.

На основе эпоксидных смол изготавливают лакокрасочные материалы, применяемые для защитных покрытий.

Покрытия на основе эпоксидных смол с такими наполнителями, как уголь, графит, кремнезем, кварцевая мука, измельченный мрамор, в пищевой промышленности использовать запрещено по санитарным нормам.

Для защиты сепараторов перспективны комплексные покрытия, состоящие из одного слоя грунта, двух слоев эмали и одного слоя лака на основе эпоксидной смолы. Отвержденное покрытие промывают раствором уксусной кислоты, затем раствором соды и ополаскивают водой. Полимерные покрытия на основе виниловых, каучуковых и эпоксидных смол применяют для защиты сепараторов, в которых технологические процессы протекают под избыточным давлением.

Для защиты некоторых железобетонных (бетонных) внутренних поверхностей стационарных баков используют эпоксидное покрытие, состоящее из 82 % смолы, 13% этилового спирта и 5% полиэтиленполиамина. Покрытие затвердевает при комнатной температуре, но для ускорения процесса повышают температуру до 70 °C. Перед нанесением покрытия железобетонная поверхность обязательно должна быть хорошо очищена, просушена и прогрета электрообогревателем любого типа. Покрытие наносят в четыре слоя общей толщиной 0,6…0,8 мм. Эпоксидные смолы также используют для защиты внутренней поверхности железных чанов и цистерн.

Для защиты железобетонных емкостей, применяемых для хранения пищевых продуктов, используют трехслойное эпоксидное покрытие: первый слой грунта и два покровных слоя. Сушка каждого слоя осуществляется в воздушно-сухих условиях в течение 24 ч с последующей сушкой всех трех слоев в течение 28 сут. Высушенное покрытие промывают раствором соды с последующим ополаскиванием.

Резиновые покрытия изготавливают на основе натурального или синтетических каучуков. В состав композиций входят стабилизаторы, вулканизирующие агенты и другие добавки. В процессе вулканизации образуется трехмерная структура, обеспечивающая покрытиям хорошие механические свойства.

Для футеровки изделий простой формы используют листовые материалы из сырой резины с последующей ее вулканизацией на подложке. Для защиты изделий сложной конфигурации применяют жидкие материалы в виде дисперсий или растворов.

Высокой эластичностью и хорошими адгезионными свойствами обладают покрытия из резин на основе натурального каучука, которые используют для защиты от минеральных кислот и щелочей.

Мягкие резины в основном применяют для покрытия различных аппаратов, деталей, цистерн, труб. Они представляют собой полимерные композиции сложного состава на основе эластомеров линейного или разветвленного строения (каучуков) в виде латексов или клеев.

Например, для футеровки емкостей их внутреннюю поверхность подвергают дробеструйной обработке и оклеивают листовой смесью резины с фенолоформальдегидной смолой. После этого поверхность облицовывают кислотоупорной плиткой на диабазовой замазке.

Разработку теплостойких резин ведут с учетом специфики свойств агрессивных сред. Наибольший интерес представляют жидкие силоксановые каучуки, которые обладают высокой теплостойкостью (до 250 °С) и нетоксичны.

Высокая сопротивляемость истиранию резин позволяет применять их для аппаратов, работающих с жидкостями, содержащими взвешенные вещества (насосы, трубопроводы). Иногда применяют твердые резины — эбониты. Эбониты по сравнению с резинами имеют более высокую химическую стойкость.