Разработка составов защитных полимерных покрытий и устройств для их нанесения

В химической, нефтегазовой и других отраслях промышленности широко используются цилиндрические обечайки и трубопроводы, покрытые различными полимерными материалами, способными выполнять защитные и другие специальные функции. Цилиндрические изделия типа труб подвергаются окраске с получением защитного покрытия от химической коррозии и для снижения сопротивления транспортируемой среды. В большинстве массовых производств такие покрытия реализуются на линиях, работающих в непрерывном режиме с весьма высокой производительностью.

С появлением и развитием рыночных отношений, с возникновением потребностей в выпуске небольших партий изделий при их разнообразных типоразмерах и функциональных назначениях покрытий такие высокопроизводительные линии оказываются или недоступными вследствие высокой стоимости, или экологически не целесообразным. Поэтому нередко производители прибегают к малоэффективным приемам и устройствам с большой долей ручного труда, что приводит к снижению качества и потерям материалов.

Актуальность работы. В технике широкое применение получили антикоррозионные полимерные покрытия, используемые для химической, механической и/или комбинированной защиты различных материалов от внешних разрушающих факторов. Это позволяет с высокой эффективностью, как по экономическим, так и по эксплуатационным показателям (характеристикам), продлить срок службы изделий из металла, бетона и др. конструкционных материалов.

Используемые для этих целей полимеры должны обладать достаточно высокой устойчивостью к действию внешних разрушающих факторов, иметь хорошую адгезию к защищаемому материалу, высокие прочность и эластические свойства и др. показатели качества. Эти характеристики полимеров учитываются при их подборе к конкретным условиям эксплуатации, а также принимаются во внимание при получении защитных слоев — некоторые покрытия требуют довольно больших трудозатрат при их нанесении и ремонте. Комплексный учет обоих вышеназванных факторов определяет экономическую эффективность применения того или иного полимера и/или способа нанесения покрытия — с учетом стоимости основных и вспомогательных материалов, сложности оборудования, и величины трудозатрат и др. факторов.

Возможности синтеза новых, доступных для данного применения полимеров, а также технологические варианты нанесения покрытий в настоящее время ограничены, поэтому использование различных способов модификации покрытий из известных полимеров, а также совершенствование и создание их получения весьма актуальны.

Цель работы. Улучшение качества современных, применяемых для получения защитных покрытий из полимеров рецептурнотехнологическими приемами, а также создание новых, высокоэффективных технологий и оборудования для нанесения композиций на защищаемую поверхность. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

— изучение основных свойств композиций и оптимизация условий их получения;

— разработка составов композиций для защитных полимерных покрытий для различных поверхностей;

— разработка мобильного устройства для нанесения защитных полимерных покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических обечаек химической аппаратуры и трубопроводов;

— получение зависимости для расчета основных элементов конструкции устройства для выдачи жидкости в виде тонкой цилиндрической завесы и ее размеров.

Научная новизна.

1. Проведено систематическое изучение и подбор более эффективных технологических условий (температура и время) дополнительной термообработки защитных покрытий на основе политетрафторэтилена.

ПТФЭ), бутадиен-стирольных смол (БСС) и нитроцеллюлозы (НЦ), основанных на термофлуктуационно-активационных процессах в полимерах, регулирующих соотношение между «слабыми» и «сильными» связями в макромолекулах.

2. Установлено, что при термообработке химическая составляющая адгезии полимеров к подложке в большей степени преобладает у изучаемых полимеров, чем физическая составляющая, вклад которой в адгезию, например, у ПТФЭ близок к 3,0 — 5,0%.

3. Показано, что добавки серы, персульфата калия и бензойной кислоты и, особенно, их смесей, совместно с термообработкой образцов, способствуют дополнительному приросту основных свойств полимерных покрытий и пленок.

4. Отмечено, что при термообработке, в том числе в присутствии добавок, экстремальный вид изменения свойств изучаемых образцов обусловлен постепенным уменьшением доли «слабых» связей в цепях и далее уменьшением числа более «сильных» связей, что связывается с изменениями структуры ВМС, сходными с процессами реверсии при вулканизации эластомеров.

5. Разработан метод расчета деформации цилиндрической оболочки от величины приложенного избыточного давления и его распределения внутри устройства.

6. Установлены условия истечения устойчивой куполовидной завесы жидкости в зависимости от режимов работы устройства.

7. Получены расчетные зависимости для определения основных размеров устройства, обеспечивающих стабильный режим его работы.

Практическая значимость.

— Подобраны технологические условия — температура и время термообработки защитных покрытий на основе политетрафторэтилена, бутадиен-стирольных смол и нитроцеллюлозы, обеспечивающие их более высокие рабочие показатели.

— Установлены виды и количества добавок неорганических (сера и персульфат калия), органического (бензойная кислота), их смесей, дополнительно усиливающих эффект повышения свойств исследуемых образцов при термообработке.

— Разработано новое устройство для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность трубопроводов — патент РФ № 2 250 142.

— Предложена инженерная методика расчета и конструирования установки для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий.

ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что дополнительная термообработка защитных покрытий и пленок из политетрафторэтилена (при 200 °C 1,5 часа), бутади-ен-стирольных смол (при 100 °C 1 час) и нитроцеллюлоза (при 50 °C 0,4 часа) обеспечила прирост адгезии покрытий к субстрату, а также увеличение прочности и эластических свойств исследуемых образцов.

2. Исследованы и установлены взаимосвязи основных свойств изученных образцов, содержащих в виде добавок низкомолекулярные модификаторы: серу, персульфат калия и бензойную кислоту.

3. Оптимальными рецептурно-технологическими параметрами получения защитных покрытий и пленок являются: для политетрафторэтилена — температура 200 °C, время 1,5 час, дозировка тройной смеси (1:1:1) вышеназванных модификаторов 0,5% маедля бутадиен-стирольных смол БС-65 и БС-45, соответственно — 100 °C 1 час и 0,4% маедля нитроцеллюлозы, соответственно — 45 °C, 0,5 час и 0,3%.

4. Разработано мобильное устройство для нанесения защитных полимерных покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий, в частности обечаек химической аппаратуры и трубопроводов, с возможностью регулирования толщины наносимого покрытия.

5. Получена зависимость для определения высоты столба жидкости материала в отсутствии процесса самоистечения жидкости из формующего канала устройства.

6. Получена зависимость для определения ширины кольцевой щели устройства, от величины приложенного избыточного давления материала покрытия.

7. Выявлены оптимальные режимы работы устройства для выдачи качественной струи при различных параметрах материала и типоразмеров изделий.