Патент на изобретение №2349618

(54) ПОКРЫТИЕ, НАПОЛНЕННОЕ ПОЛЫМИ МИКРОСФЕРАМИ, ПРЕДОТВРАЩАЮЩЕЕ ОБЛЕДЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

(57) Реферат:

Покрытие, предотвращающее обледенение различных поверхностей и изделий, особенно трубопроводов, электрических проводов, металла, бетона, штукатурки и др. и обладающее одновременно антикоррозионными и теплоизоляционными свойствами, выполенно из водно-дисперсионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па·с, содержащей полимерное связующее, в качестве которого она содержит 5-95 об.% полимерной латексной композиции, включающей 10-90 об.% (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, стирол-акриловый сополимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, (со)полимер винилацетата или их смеси, и 5-95 об.% смеси полых микросфер с разными размерами от 10 до 500 мкм и различной насыпной плотностью от 650 до 50 кг/м³, выбранных из группы, включающей полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые полимерные микросферы, полые техногенные (зольные) микросферы или их смеси, и от 10 до 90 об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества, и нанесенное по меньшей мере в виде одного слоя на защищаемую поверхность с последующей сушкой покрытия. 2 табл.

Изобретение относится к химической промышленности и касается создания средств, используемых для предотвращения от обледенения поверхностей различных изделий, особенно нуждающихся в одновременной антикоррозионной защите их и теплозащите, т.е. защите различных поверхностей и от перегрева, и от обледенения, и от коррозии. В частности, оно может быть использовано для защиты металлических поверхностей, бетонных поверхностей, оштукатуренных поверхностей и других строительных конструкций из металла и бетона, эксплуатирующихся при отрицательных температурах, в атмосфере агрессивных сред, в частности при теплоизоляции и защите от коррозии трубопроводов, включая теплоизоляцию трубопроводов теплового и водяного снабжения, а также электропроводов, газонефтепроводов, для теплоизоляции и защите от коррозии крыш, стен домов и других элементов при домостроении, особенно эксплуатирующихся в специфических и достаточно жестких условиях, в частности в районах вечной мерзлоты, под водой и при больших перепадах температур и давлении, а также при воздействии высоких температур, воздействии перегретого пара.

Следовательно, изобретение может быть использовано в жилищном и коммунальном хозяйстве, строительстве различных сооружений, нефте-, газодобывающей и нефтехимической промышленности, электротехнической промышленности и других отраслях промышленности.

Известно двухслойное антиобледенительное покрытие (SU 739080, 05.06.1980) на основе тетраэтоксисилана, содержащее в первом слое тетраэтоксисилан в количестве 1-30 об.%, комплексный катализатор – 0,18-5,2 об.% и органический растворитель, а во втором – полиэтилгидросилоксановую жидкость в количестве 5-2 вес.%, адгезионноактивный катализатор – 0,3-1,2 вес.% и органический растворитель. Состав для первого слоя покрытия приготавливают смешиванием органического растворителя с комплексным катализатором, в полученный раствор добавляют тетраэтоксисилан, перемешивают в течение 24-48 часов. Длительность перемешивания определяется необходимостью «вызревания» раствора. Срок хранения такого состава невысок и поэтому приготавливают его непосредственно перед использованием. Состав для второго слоя готовят путем растворения полиэтилгидросилоксана в органическом растворителе с последующим добавлением в полученный раствор адгезионноактивного катализатора. Для полученного таким образом покрытия усилие отрыва льда от защищенной поверхности составляет 0,04-0,08 кгс/см². Методика определения адгезионной прочности не приводится, поэтому приведенные данные не могут быть признаны абсолютными. При этом количество циклов намораживания, характеризующее долговечность покрытия, равно 15-17. Кроме того для создания слоев описываемого покрытия используют составы с очень высоким содержанием летучих органических растворителей: до 60-80%. Данная композиция помимо этого не обеспечивает необходимых теплоизоляционных свойств.

Известна другая композиция для получения противообледенительного покрытия «Крезан» (SU 1386630, 24.06.1986) на основе полиорганосилоксана в количестве 42-49 мас.% в органическом растворителе, содержащая наполнитель, гидрофобизованный органосилоксанами или парафином, или стеариновой кислотой в количестве 2-15 мас.%, выбранный из группы, включающей диоксид кремния, диоксид титана, оксид цинка, графит расширенный, базальтовое волокно и их смеси. Предварительная гидрофобизация наполнителя требует просушки всех компонентов композиции и длительного вакуумирования при повышенной температуре в интервале 290-420°С. Сила сцепления льда с покрытием не превышает 0,09 кг/см². Методика также не приводится. Критический угол скатывания воды 25-30 град., твердость покрытия 0,4 (по прибору М-3). Срок службы этого покрытия, предотвращающего обледенение, например, холодильников, взлетных площадок, составляет 2 года. Данная композиция также не обеспечивает необходимых антикоррозионных и теплоизоляционных свойств.

Известна композиция для противообледенительного покрытия (SU 1712388, 15.02.1992). Указанная композиция содержит в качестве полимерного связующего кремнийорганическую смолу в количестве 25-45 мас.%, наполнитель, выбранный из группы, включающей оксид цинка, оксид магния, диоксид титана или расширенный графит, при этом наполнитель гидрофобизирован органическими модификаторами, например метилхлороформом, смолками производства этилсиликата или полиорганогидридсилоксановой жидкостью в количестве 16-30 мас.%, и растворитель. Антиобледенительные свойства покрытия известного обусловлены главным образом наличием в составе композиции гидрофобизированного наполнителя, а гидрофобизация его является сложной и трудоемкой технологической операцией. Адгезия такого покрытия к субстрату удовлетворительна, при этом срок службы покрытия составляет всего 3 года. Покрытие не предназначено выполнять одновременно функцию антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия.

Из RU 2156786, 27.09.2000 известна другая композиция для антиобледенительного покрытия, которая включает также кремнийорганическое полимерное связующее, состоящее из полидиметилфенилсилоксана и полидиметилсилоксана и толуола; в качестве наполнителя используют тальк или смесь его с белитом, и/или с баритом, в качестве пигмента – оксиды и/или соли переходных металлов. Данное известное изобретение позволяет получить покрытие, сочетающее хорошие антиобледенительные свойства и защитные свойства, однако покрытие имеет недостаточную прочность пленки, невысокую химстойкость и не обеспечивает необходимых теплоизоляционных и антикоррозионных свойств, кроме того не используется для покрытия проводов.

Итак, несмотря на большое количество известных композиций такого назначения проблема борьбы с обледенением путем использования покрытий до сих пор является актуальной и не является полностью решенной по следующим обстоятельствам. Рассмотренные известные антиобледенительные покрытия обладают низким сцеплением со льдом, снегом и иными кристаллическими формами воды. Однако, обеспечивая сравнительно неплохую защиту от обледенения в течение относительно короткого периода времени, известные покрытия не сохраняют антиобледенительные свойства в течение длительного срока эксплуатации. Кроме того все они не обеспечивают одновременно надежную антикоррозионную защиту различных поверхностей, особенно трубопроводов и электрических проводов, кабелей, а также от перегрева их, т.е. не используются для теплоизоляции.

Заявленное изобретение касается получения покрытий, предназначенных для одновременной защиты поверхностей (различных, в том числе и окрашенных) изделий от обледенения, от коррозии и для теплозащиты.

Известно, в частности, применение композиций на основе жидкого стекла с различными наполнителями – вспученный вермикулит, доломит (RU 2126776, 27.02.1999) или полые микросферы в виде золы-уноса ТЭЦ (SU 1724524 07.04.1992, GB 1550184, 1979), или смесь стеклянных микросфер с микросферами в виде дымовых отходов сжигания угля с размером частиц 10-300 мкм (RU 2098379 10.12.1997) для теплоизоляции, но данные композиции не используют в качестве противогололедных покрытий.

Кроме того, все эти указанные известные композиции предназначены для получения теплоизоляционных материалов, но не в виде покрытий, а, например, в виде теплоизоляционных плит, что ограничивает их применение. Известна композиция, применяемая, в частности, для защиты поверхностей металлических трубопроводов от коррозии, включающая бутадиен-стирольный латекс в качестве связующего, жидкое стекло, алитовый цемент, кварцевый песок, стабилизатор латекса, тринатрийфосфат, стекловолокно и воду (SU 1717580, 07.03.1992). Однако и данная композиция также не обеспечивает необходимый комплекс теплоизоляционный свойств покрытию, а также не выполняет одновременно функцию противообледенительного покрытия.

Из RU 2251563, 10.05.2005 известно антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие на основе полимерного связующего в виде полимерной латексной композиции в сочетании с полыми микросферами. В качестве полых микросфер она содержит смесь полых микросфер с разными размерами от 10 до 500 мкм и различной насыпной плотностью от 650 до 50 кг/м³, выбранных из группы полых стеклянных микросфер, полых керамических микросфер, полых полимерных микросфер, полых зольных (техногенных) микросфер или их смесей.

Известное антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие дополнительно содержит различные целевые добавки.

Данное заявленное изобретение является дальнейшим усовершенствованием вышеуказанного изобретения – известного покрытия, автором которого является и автор данного заявляемого изобретения с точки зрения не известного ранее его применения.

В процессе использования его неожиданно было обнаружено, что данное известное покрытие при определенных условиях может быть использовано в качестве противообледенительного покрытия, особенно при защите от обледенения электрических проводов, электрического кабеля.

Итак технической задачей заявленного изобретения является создание противообледенительного покрытия, обладающего одновременно и антиобледенительными и теплоизоляционными свойствами.

Поставленная задача достигается применением антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия в качестве покрытия, предотвращающего обледенения поверхностей изделий, эксплуатирующихся при отрицательных температурах, и выполненного из водно-суспензионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па.с, содержащей полимерное связующее и полые микросферы, и нанесенного по меньшей мере в виде одного слоя на защищаемую поверхность, с последующей сушкой покрытия, при этом композиция содержит в качестве полимерного связующего водоэмульсионную (или водную дисперсию) латексную композицию, включающую 10-90 об.% (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, стирол-акриловый полимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, (со)полимер винилацетата или их смеси, и 10-90 об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества и при необходимости целевых добавок, при этом в качестве полых микросфер композиция содержит смесь полых микросфер, различающихся по размерам (с разными размерами) от 10 до 500 мкм и с различной насыпной плотностью от 650 до 50 кг/м³, и выбранных из группы, включающей полые стеклянные микросферы, полые крамические микросферы, полые полимерные микросферы, полые техногенные (или по другому зольные) микросферы или их смеси, при следующем соотношении компонентов водно-суспензионной композиции, об.%:

Данное покрытие, как было обнаружено при нанесении его, в частности, на электрические провода, предотвращает обледенение поверхностей, выполняя одновременно функцию антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия. Оно дополнительно может содержать различные целевые добавки, такие как белые и цветные пигменты, ингибиторы коррозии (нитрит натрия, бензоат натрия, производные гуанидина, тетраоксихромат цинка, присадки АКОР-1, НГ-203 в традиционно-используемых количествах), антипиреновые добавки, такие как тригидрат алюминия, полифосфат аммония, борат цинка, слюда, асбест и другие. В качестве полимерного связующего композиция, используемая для получения противогололедного покрытия, содержит различные полимерные латексы, возможно стабилизированные предварительно, такие как латексы на основе сополимеров винилацетата с этиленом, метилметакрилатом и метакриловой кислоты (основа краски Э-ВС-17), на основе поливинилацетатной дисперсии (50%-ной) в виде латексной краски Э-ВА-0112 и др; латексные системы на основе бутадиен-стирольного сополимера СКС-65 ГП, БС-30, на основе акриловых сополимеров ДММА-1-65 ГП, а также на основе стиролакриловых сополимеров фирмы «Dow Chem», Примал 219, акрилуретановые латексы.

Итак, сущность изобретения заключается в применении покрытия, наполненного полыми микросферами с определенными параметрами их размеров и насыпной плотности, в качестве многофункционального покрытия, т.е. в качестве покрытия, предотвращающего обледенение поверхностей различных изделий и одновременно защищающего их от коррозии, а также выполняющего роль и теплоизоляционного покрытия.

Применение заявленного изобретения способствует повышению теплоизоляционных свойств покрытий различных поверхностей, эксплуатирующихся в специфических жестких условиях, в том числе и при отрицательных температурах, при одновременной защите их от коррозии, улучшению экологических свойств и упрощению технологии получения покрытия.

В заявленном изобретении использование смесей полых микросфер (стеклянных, керамических, полимерных, зольных), одинаковых или разных по природе, но различающихся между собой размерами в интервале от 10 до 500 мкм и насыпной плотностью в интервале от 50 до 650 кг/м³ позволяет значительно повысить эффективность теплозащиты и защиты от коррозии поверхностей (бетон, штукатурка, металл, дерево), а также обеспечить защиту от обледенения поверхностей.

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 до нужных размеров и нагревания для вспенивания. 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 стенки ее затвердевают. Либо их получают методом вспенивания стеклянных (или керамических, зольных) частиц в пламени горелки. В качестве полых стеклянных микросфер используют, например, микросферы типа Глас бабез, типа Микробаллон; глобумит, сферолит. Керамические микросферы получают также путем сжигания природных материалов и вспенивания; зольные или техногенные получают, например, из зол уноса.

Полимерные полые микросферы получают как правило либо суспензионной полимеризацией мономеров с добавлением порообразователя (порофор, инертные газы, низкокипящие углеводороды), либо путем физического или химического испенивания уже готовых полимеров в виде измельченных частиц. В качестве полых полимерных микросфер в изобретении используют полые микросферы полистирольные, на основе фенолформальдегидных смол, силиконовые, мочевино-формальдегидные и др.

Итак, заявленным в изобретении является применение композиции, наполненной полыми микросферами, в качестве покрытия, предотвращающего обледенение поверхностей, эксплуатирующихся при отрицательных температурах, а также в качестве антикоррозионного и теплозащитного покрытия по различным поверхностям. Одним из главных компонентов являются полые стеклянные, керамические, полимерные, зольные (техногенные) микросферы, заполненные разреженным или атмосферным воздухом. Вторым основным компонентом применяемой композиции для покрытия является связующее, функцию которого выполняют указанные выше полимерные латексные системы.

Противообледенительное покрытие получают следующим образом.

Готовят водную смесь (водную дисперсию) на основе стиролакрилового латекса, перемешивая его с полыми микросферами, например со стеклянными микросферами трех типов размеров (с радиусами микросфер 35, 100, 200 мкм и с кажущимися плотностями 650, 150, 70 кг/м в пропорции их 3:6:1 соответственно), возможно двуокисью титана или оксидом цинка, поверхностно-активным веществом, ОП-10, а также ингибитором ржавчины. Объемное соотношение связующего к стеклянным микросферам составляет, в частности, 1:10.

Приготовленная смесь была нанесена на поверхность, например, металлической трубы теплового снабжения, которая была заполнена перегретой водой с температурой поверхности трубы +115°С. Приготовленную смесь наносят на поверхность трубу с помощью валика, толщина одного слоя покрытия была около 0,4 мм. По прошествии суток после нанесения первого слоя (время, необходимое для полной сушки покрытия) на трубу наносят следующий слой покрытия. Количество слоев определяется условиями эксплуатации защищаемых поверхностей.

В таблице 1 представлены примеры композиций, используемых для получения противообледенительного покрытия с антикоррозионными и теплоизоляционными свойствами.

В процессе эксплуатации покрытия, ранее известного в качестве антикоррозионного и теплоизоляционного, при отрицательных температурах и при защите, например, трубопроводов, теплоизоляции электрических проводов – линий электропередач (ЛЭП), была обнаружена взаимосвязь между теплоизоляционными свойствами его и образованием наледей на их поверхности. Было установлено, что при работе данного покрытия как антикоррозионного и теплоизоляционного происходит нагрев внутренней поверхности защищаемых изделий до температуры, превышающей точку росы, в результате чего обеспечивается предотвращение образование наледи на поверхности изделий, покрытых таким составом, наполненным полыми микросферами, различающихся между собой параметрами размеров. В зависимости от типа защищаемых изделий и условий их эксплуатации наносят покрытия с различной толщиной, которая подбирается опытным путем и может, например, быть рассчитана по определенным методикам, применяемым при эксплуатации изделий при отрицательных температурах. Ниже, в частности, приведен такой расчет тепловой изоляции для предотвращения обледенения защищаемых изделий.

Расчет тепловой изоляции для предотвращения процесса обледенения проводов ЛЭП

В основе методики расчета толщины теплоизоляционного оборудования, эксплуатируемого при отрицательных температурах, лежит СНиП 2.04.14-88. Толщина теплоизоляционного слоя покрытия определяется по формуле:

,

где _k – толщина теплоизоляционного слоя [м]

d – диаметр изолируемого объекта.

,

где – соотношение наружного диаметра изоляционного слоя к наружному диаметру изолируемого объекта,

_k – теплопроводность теплоизоляционного слоя [Вт/м·°C]

– сопротивление теплоотдачи на 1 м длины теплоизоляционной конструкции [Вт/м·°С]

r_m – термическое сопротивление неметаллической стенки цилиндрического оборудования, в нашем случае r_m=0

_e – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции [Вт/м²·°С]

t_w – температура оборудования, °С

t_e – температура окружающей среды, °С

q_e – нормированная линейная плотность теплового потока в 1 м длины цилиндрической теплоизоляционной конструкции, [Вт/м]

К=1 в нашем случае

Исходные данные для расчета:

_k=0,037 Вт/м·°С

d=20 мм=0,02 м

q_e=3 Вт/м

_e=29 Вт/м²·°С

t_w=0÷-4°C

t_e=0÷4°C

При t_w-t_e=1°C

= и

В=1,058

При t_w-t=2°C

lnB=0,23[0,67-0,09]=0,13

В=1,14

_k=0,01×0,14=0,0014м = 1,4 мм

При t_w-t=3°С

lnB=0,23[1-0,09]=0,21

В=1,235

_k=0,01×0,235=0,0023м = 2,3 мм

Условием образования наледей на ЛЭП является наличие воздуха с высокой относительной влажностью – более 90% и температурой чуть выше 0 градусов и электропроводов, охлажденных до отрицательных температур. Для того чтобы шел процесс образования наледей, точка росы насыщенного влагой воздуха должна быть расположена около 0°С. При этом разность температур окружающей среды и поверхности электропроводов невелика и достигает нескольких градусов.

Рост толщины наледи прекратится, как только температура на поверхности льда сравняется с температурой точки росы. Таким образом, нанеся 2-3 слоя жидко-керамического покрытия на электропровода, можно избежать образования наледей или существенно снизить толщину наледей и избежать обрыва проводов.

Формула изобретения

Применение антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия в качестве покрытия, предотвращающего обледенение различных поверхностей, эксплуатирующихся при отрицательных температурах, и выполненное из водно-суспензионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па·с, содержащей полимерное связующее и полые микросферы, и нанесенное по меньшей мере в виде одного слоя на защищаемую поверхность с последующей сушкой покрытия, при этом композиция в качестве полимерного связующего содержит водную полимерную латексную композицию, содержащую 10-90 об.% (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, стирол-акриловый сополимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, (со)полимер 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 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.%: