ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ РЕАКТОПЛАСТОВ В ВЫСОКОАГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

В.А. Головин

Научно-производственное объединение “РОКОР”, Москва

2001г.

Многолетний опыт применения полимерных защитных покрытий показывает, что проблема надежной защиты в высокоагрессивных средах не может быть сведена только к проблеме обеспечения химической стойкости полимерного материала. Это является необходимым условием, однако для обеспечения длительной эксплуатации в высокоагрессивных средах также необходимо, чтобы покрытие обладало комплексом эксплуатационных свойств и характеристик, среди которых в первую очередь надо выделить уровень проницаемости для агрессивных сред, механическую и адгезионную устойчивость покрытия в условиях эксплуатации.

Выполнение этих во многом противоречивых требований при использовании одного материала, как правило, невозможно, вследствие чего неизбежно использование дополнительных слоев (грунтовочных или клеевых), что делает любое покрытие по своей сути многослойным.

Раз конструкция покрытия неизбежно является многослойной, то, очевидно, встает вопрос о том, чтобы она была как минимум рациональной, а в идеале - обеспечивающей повышение защитных свойств полимерных покрытий в высокоагрессивных средах при снижении уровня удельной стоимости противокоррозионной защиты.

Для обеспечения эффективности покрытий для высокоагрессивных сред необходимо решение ряда проблем.

Важнейшей из них является исключение переноса по дефектам и сквозным порам непосредственно к защищаемой поверхности. В случае высокоагрессивных сред этот вид переноса неприемлем поскольку:

1. Концентрация агрессивной среды в поре близка или равна концентрации во внешнем растворе, и, следовательно, к защищаемому металлу будет выходить та же среда, от действия которой и надо защитить подложку, и в которой эта подложка неустойчива.
2. Выход высокоагрессивной среды на границу раздела “покрытие-металл” делает практически неразрешимой проблему сохранения требуемого уровня адгезии, т.к. термодинамически связь “полимер-металл” в высокоагрессивных средах неустойчива. Проникновение по дефектам инициирует процессы локального нарушения адгезии, что может явиться причиной макроскопического растрескивания покрытия.
3. Скорость массопереноса за счет капиллярного течения в поре многократно превосходит скорость массопереноса по диффузионному механизму.
4. Покрытия, имеющие сквозные технологические дефекты, как правило, обладают и скрытой пористостью и вследствие этого склонны к многократному увеличению сквозной дефектности в процессе эксплуатации в агрессивных средах. Защитные свойства и время работоспособности однослойных покрытий из таких материалов практически непредсказуемы.

Подавление капиллярного (фазового) переноса возможно двумя основными способами: снижением собственной дефектности материалов и использованием многослойной конструкции защитных покрытий.

Стремление к разработке материалов с низкой собственной дефектностью, безусловно, является первоочередным направлением, однако его нельзя абсолютизировать. Во-первых, существует принципиальная невозможность получения материалов без дефектов, а, во-вторых, следует учитывать, что при практическом использовании материалов существует множество ситуаций, когда дефектность покрытия будет существенно выше, чем при нанесении в стандартных и тем более в лабораторных условиях.

В этой связи следует исходить из того, что дефектность любого материала будет имеет некий достаточно высокий уровень, и необходимо использовать дополнительные способы управления дефектностью на стадии получения покрытий. С нашей точки зрения наиболее общим способом снижения дефектности покрытия является созданием многослойной конструкции.

В соответствие с простейшей моделью количество сквозных дефектов N_d на площади S в многослойном покрытии, состоящим из k слоев толщиной h можно оценить как:

Учитывая, что удельная дефектность материала покрытия P_m << 1, сквозная дефектность многослойного покрытия при наличии степенной зависимости должна быть существенно меньше, чем у однослойного покрытия той же толщины. Полученные данные свидетельствуют о том, что использование многослойной конструкции покрытия является эффективным способом снижения дефектности, даже в том случае когда дефектность отдельного слоя возрастает с уменьшением его толщины, и может гарантировать достижение любого заданного (и сколь угодно низкого) уровня сквозной технологической дефектности покрытия.

При эффективном подавлении капиллярного переноса по дефектам может быть реализована возможность перехода к массопереносу только по диффузионному механизму, т.е. через стадии растворения с образованием истинного раствора электролита и воды в полимерном материале и их молекулярного переноса. Поскольку константы молекулярного переноса на несколько порядком меньше чем капиллярного, при использовании многослойной конструкции покрытия может быть достигнуто резкое снижение проницаемости и управление составом электролита выходящего к поверхности защищаемого металла.

В основе снижения проницаемости лежит то, что существует две группы полимерных материалов, существенно различающиеся по величине растворимости и диффузионным константам воды и электролитов - так называемые гидрофобные и умеренно гидрофильные полимеры. Принципиальным различием между ними является то, что первые являются в большинстве случаев только инертным диффузионным барьером, тогда как вторые могут являться (при введении специальных сорбционных центров) селективной преградой со связыванием как летучих так и нелетучих агрессивных компонентов проникающей среды. Уменьшение скорости проникновения кислот в двухслойные покрытия с наружным слоем из гидрофобного полимера и внутренним слоем с селективным связыванием описывается следующим уравнением, которое выполняется для широкого круга гидрофобных полимеров:

С практической точки зрения это означает, что, используя комбинацию слоев из полимерных материалов с различными сорбционно-диффузионными свойствами, можно создавать покрытия с весьма низкой проницаемостью. Введение дополнительного слоя (или частичная замена одного материала на другой), например толщиной всего 100-200 мкм, позволяет в десятки раз уменьшить глубину проникновения, что эквивалентно увеличению времени “до пробоя” в сотни раз.

Важно также отметить, что при использовании многослойной конструкции существует возможность простого регулирования селективной сорбции внутренним слоем реактопласта без потери общей химической стойкости покрытия.

Использование многослойной конструкции покрытия является также эффективным способом улучшения механической и адгезионной устойчивости покрытий.

Согласно полученным результатам испытаний напряженного состояния многослойных покрытий, подтвержденным расчетами с использованием метода конечных элементов и наблюдениями за разрушением модельных и промышленных покрытий, наиболее эффективным является использование покрытий с эластичным внутренним слоем и с наружным высокохимстойким слоем на основе густосшитого реактопласта.

Такая конструкция позволяет, во-первых, существенно снизить (в 2-5 раз) нормальные и касательные напряжения в покрытии зоне краевого дефекта или поверхностного дефекта возникшего в процессе эксплуатации. Во-вторых, существенно разгрузить адгезионный слой покрытия и верхний слой подложки, и, в-третьих, значительное повысить устойчивости покрытий к прорастанию трещины из подложки, что имеет существенное значение, например, при защите бетонных поверхностей.

Таким образом, использование рациональной многослойной конструкции полимерных покрытий является эффективным способом повышения их защитных свойств в средах высокой агрессивности, что обусловлено:

• снижением сквозной технологической и эксплуатационной дефектности
• эффективным снижением диффузионного массопереноса
• повышением механической и адгезионной устойчивости покрытий в условиях действия внутренних напряжений и внешних нагрузок