Защитные покрытия «Базалит»
«Базалит» — это серия полимерных покрытий барьерного типа с различными свойствами, стойких к агрессивным средам (растворам кислот, щелочей, нефтепродуктам) и имеющих высокий уровень защиты металлических и бетонных поверхностей, а также высокие степени механической прочности и адгезии к защищаемым поверхностям.
Состав «Базалита»
Уникальными защитными свойствами «Базалит» обязан эффекту взаимодействия двух компонентов: наполнителя и эпоксидной смолы. В качестве наполнителя была применена базальтовая микрочешуя. Возможности применения данного вида наполнителя практически безграничны за счет химической стойкости самого базальта.
По химической природе базальт является смешанным алюмосиликатом. Типичный его состав следующий:
- оксид кремния (SiO2) ~50%;
- оксид алюминия (Al2O3) ~ 15%;
- оксиды железа (FeO + Fe2O3) ~ 10%;
- оксид магния (MgO) ~ 5%;
- оксид титана (TiO) ~ 2%;
- оксиды щелочных металлов (CaO, Na2O, K2O, P2O5) ~ 10 %;
- примеси Mn и H2O.
Именно такой состав и определяет высокую химическую стойкость базальта. Вообще связь Si-O-Si – одна из прочнейших (энтальпия разрыва ~ 0,5 МДж/моль).
В структурах базальта осуществляется плотнейшая упаковка атомов кислорода, в пустотах которого располагаются ионы электроположительных элементов, т. е. тетраэдры силикатов имеют общие атомы кислорода в вершинах и образуют двух- и трехмерные цепи, а важным является периодическое замещение атомов кремния атомами алюминия. Наличие большого количества щелочноземельных металлов и железа приводит к образованию их очень прочных ковалентных связей с полианионами (кремниекислородными), таким образом, сшивая многомерную молекулярную неорганическую структуру. Поэтому ни пресная, ни морская вода не оказывает на базальт никакого воздействия, потому что не содержит молекул и ионов, способных разрушить эти связи.
Под действием кислот (за исключением плавиковой) на поверхности базальта образуется пленка поликремниевых кислот (H2SiO3, H4SiO4, H2Si2O5 и т. д.), защищающих его. А, например, под действием фосфорной кислоты образуется еще и пассивирующая пленка фосфатов железа. Устойчивость же к щелочам обусловлена содержанием щелочноземельных металлов и железа. При контакте с щелочью образуются нерастворимые гидроокиси железа, кальция и магния, препятствующие разрушению силикатной структуры.
Таким образом, секрет стойкости базальта – в гармоничном сочетании элементов, делающем его неуязвимым для химического разрушения.
Базальтовая чешуя
Благодаря пластинчатой структуре базальтовая чешуя является хорошим наполнителем для создания антикоррозионных покрытий. Она существенно улучшает физико-механические и химические свойства композиционных материалов и изделий, тем самым повышает их долговечность, прочность и коррозионную устойчивость.
Экспериментально было установлено, что оптимальный размер фракции базальтовой чешуи составляет 0,001-0,002 мм2, что позволяет вводить до 50% наполнителя в полимерную композицию, увеличивая тем самым барьерный эффект и абразивоустойчивость защитного покрытия.
Благодаря анизотропии базальтовой чешуи возрастают прочностные свойства покрытия. Приложенное напряжение встречает на своем пути обширную и прочную минеральную поверхность, которая его максимально распределяет, снижает интенсивность и способствует наибольшему переводу в тепловую форму.
Также базальтовая чешуя наделяет исходные неотвержденные компоненты рядом положительных свойств. Анизотропные частицы преимущественно располагаются максимальным измерением по направлению нетурбулентного потока. Поэтому при наполнении базальтовой чешуей, суспензии придаются псевдопластические свойства, что повышает уровень тиксотропии. Сочетанием псевдопластических и тиксотропных свойств обеспечивается снижение вязкости материала при перемешивании и его соразмерное восстановление при прекращении такого воздействия. Это обеспечивает технологичность применения «Базалита» и позволяет получить защитное покрытие большой толщины за один цикл нанесения.
Пластинчатая форма в сочетании с особенностями химического состава позволяет создавать защитные композиционные материалы на основе любого вида связующего вещества, как органического, так и неорганического. Непроницаемость базальтовой чешуи для УФ-лучей обеспечивает защиту органической основы от разрушения и значительно увеличивает срок службы покрытия
По сравнению с другими пластинчатыми наполнителями (тальк, слюда, стеклочешуя, железная слюдка), базальтовая чешуя обладает более высокими показателями твердости, механической прочности, химической стойкости и низкой себестоимостью, что делает ее перспективным наполнителем для защитных покрытий барьерного типа. Кроме того, базальтовая чешуя придает покрытию стойкость к термоударам. Экспериментально установлено, что защитное покрытие «Базалит» способно выдерживать термоудары амплитудой в 200°С (резкое охлаждение до -195°С), в то время как аналогичное покрытие на микрослюде не проходит подобных испытаний.
Применение базальтовой чешуи в полимерных защитных покрытиях снижает скорость коррозии в 8-10 раз по сравнению с аналогичными покрытиями с наполнителями (стеклянная и керамическая чешуя, рубленое стекловолокно, железистая слюда).
Эпоксидная смола
Важнейшим свойством эпоксидной смолы является способность легко превращаться из жидкости в твердое, эластичное и одновременно прочное покрытие. Благодаря совокупности основных эксплуатационных характеристик: адгезии, прочности, химической стойкости, технологичности применения эпоксидные смолы востребованы во многих отраслях промышленности.
Можно сказать, что единственным недостатком эпоксидных смол является их высокая стоимость. Тем не менее, в качестве наиболее оптимального связующего для базальтовой чешуи при создании защитного покрытия барьерного типа была выбрана эпоксидная смола. Именно она позволяет создавать композиции, не содержащие органических растворителей и отверждающиеся при низких температурах.
Композит эпоксидной смолы и базальтовой микрочешуи
Высокие эксплуатационные характеристики покрытий «Базалит» достигаются в результате применения базальтовой чешуи и являются следствием обнаруженного уникального эффекта — химической связи между наполнителем и специально разработанным полимерным связующим (Патент РФ № 2306325, PCT / RU 2006 / 000134). Такая связь обеспечивает сложение индивидуальных свойств полимера и наполнителя и еще более усиливается в нанесенном покрытии, когда в слое толщиной в 1 мм формируется более 200 наслоений чешуи, обеспечивая мощный барьерный эффект.
В процессе производства базальтовой микрочешуи благодаря воздействию сверхвысоких температур на ее поверхности формируются множественные пики статического напряжения. При смачивании чешуек базальта эпоксидной смолой за счет поверхностного натяжения смолы и химической связи ее с базальтом (за счет полярных связей) это напряжение снимается и приводит к сильной адгезии смолы к чешуе. Наличие же двух поверхностей в сочетании с силами адгезии приводит к слипанию этих слоев с образованием между ними пленки смолы, близкой к мономолекулярной (слой Бланжетт–Ленгмюра). Дополнительно работает эффект коагуляции, при котором плоскости чешуек в стоянии в жидкости располагаются друг к другу так, чтобы площадь взаимодействия между ними была максимальной, а расстояние между слоями – минимальным.
Таким образом, базальтовая микрочешуя при введении в любую связующую систему образует покрытие барьерного типа, в котором чешуйки расположены послойно параллельно друг другу. Преимущества такой системы очевидны: резко возрастает механическая прочность (за счет распределения нагрузок) и так же резко падает диффузионная проницаемость (за счет химической инертности базальта). Вдобавок к этим замечательным свойствам базальтовая чешуя за счет своего напряженного состояния придает «Базалиту» удивительную устойчивость к знакопеременным нагрузкам: покрытие не растрескивается. Отчасти по этой причине в состав «Базалита» не входят растворители, так как при снижении вязкости композиции в момент улетучивания паров растворителя образуются множественные микропоры, ухудшающие прочностные свойства покрытия.
Исследование слома защитного покрытия под электронным микроскопом показало, что основная масса базальтовой чешуи ориентируется параллельно поверхности, создавая мощный барьерный эффект:
Рис. 1. Микрофотография слома защитного покрытия «Базалит»
Перекрываясь «внахлест», пластины значительно увеличивают путь агрессивной среды к защищаемой поверхности:
Рис. 2. Защитный механизм пластинчатого наполнителя
Защитный механизм вполне объясним. Доступ агрессивных воздействий (в жидкой, газовой, световой форме) через параллельно ориентированные пластинчатые частицы, уложенные перпендикулярно такому потоку, затруднен тем сильнее, чем больше выставлена навстречу площадь поверхности таких слоев при условии их минимальной нарушенности. Соответственно, возрастает путь движения диффундируемых веществ к защищаемой поверхности; снижаются последствия световых деструкций. Высокая адгезия эпоксидного связующего к базальтовой чешуе позволяет в полной мере реализовать защитный потенциал наполнителя.
Свойства покрытий «Базалит»
1) В результате проведенных исследований было установлено, что защитное покрытие «Базалит» устойчиво к воздействию растворов щелочей, кислот, различных видов топлива. Данные химической стойкости приведены в таблице 1, что обеспечивается как кислото и щелочестойкостью базальтовой чешуи, так и стабильностью связующего.
Таблица 1 — Химическая стойкость защитного покрытия «Базалит»| Наименование химического вещества | Стойкость |
|---|---|
| Натрий хлористый (25%) | + |
| Алюминий сульфат (15%) | + |
| Калий карбонат (поташ) насыщенный | + |
| Калий сульфат насыщенный | + |
| Этиловый спирт | + |
| Четыреххлористый углерод | + |
| Формалин | + |
| Этилацетат | + |
| Бензин | + |
| Ацетон | + |
| Калия гидроокись (25%) | + |
| Уксусная кислота (20%) | + |
| Синтетическое масло (Castrol Magnateс 5 w40) | + |
| Минеральное масло (Shell spirax Gl4) | + |
| Толуол | + |
| Смесь нефтепродуктов (50% - бензин, 30% - толуол, 20% - ксилол) | + |
| Нефть (Западно-Сибирская, пл.840.7 S-0433) | + |
| Серная кислота (60%) | + |
| Соляная кислота (20%) | + |
| Серная кислота (20%) | + |
| Фосфорная кислота (50%) | + |
| 90% бензин + 10% толуол | + |
| 80% бензин + 20% толуол | + |
| 70% бензин + 30% толуол | + |
| 60% бензин + 40% толуол | + |
Испытания проводились по ГОСТ 9.403-80.
2) Созданная защитная композиция состоит из нетоксичных компонентов и не содержит растворителей, что обуславливает ее экологичность и возможность применения в закрытых помещениях. Защитное покрытие «Базалит» включает в себя два компонента, которые смешиваются непосредственно перед применением. В ходе проведенных экспериментов установлено, что данные компоненты устойчивы при отрицательных температурах до -70°С.
3) Использование специально разработанной серии отвердителей позволяет протекать отвердеванию при температурах от -5°С. При этом нанесение покрытия возможно на влажную защищаемую поверхность. Благодаря реологическим свойствам разработанного покрытия, его можно наносить толщиной слоя до 2 мм за один проход, что позволяет существенно снизить затраты на нанесение.
4) Установлено, что защитное покрытие «Базалит» обладает высокой адгезией (до 20 МПа) к стальным поверхностям. Испытания созданного композита в качестве защитного покрытия для бетонных поверхностей показали, что величина его адгезии к поверхности бетона превышает прочность защищаемого материала.
5) Высокая абразивная устойчивость защитных покрытий «Базалит», обусловленная механической прочностью базальтовой чешуи, позволяет многократно повысить стойкость защищаемых бетонных конструкций к истиранию. После 4 циклов испытаний по 72 часа суммарная потеря веса образцов составила 2,2%, в то время, как потеря веса незащищенной бетонной поверхности составила 16,7%, о чем свидетельствуют данные в таблицах 2 и 3.
Таблица 2 — Результаты испытаний защитных покрытий «Базалит» на истираемость (испытание проведено на 600 м пути на круге истирания типа Беме.)
| № образца | Площадь истираемой поверхности | Масса (г) | Истираемость,(г/кв. см) | |
|---|---|---|---|---|
| До испытания | После испытания | |||
| 1 | 26,75 | 234,20 | 233,66 | 0,020 |
| 2 | 29,26 | 269,45 | 268,75 | 0,023 |
| 3 | 28,65 | 243,3 | 240,60 | 0,024 |
Таблица 3 — Результаты испытаний «Базалит» на гидроабразивную устойчивость
| Образцы | Вес до истирания(г) | Вес после 2 цикла(г) | Вес после 4 цикла(г) | Суммарная потеря веса образцов(%) |
|---|---|---|---|---|
| Незащищенный бетон | 271,06 | 240,47 | 225,69 | 16,74 |
| Бетон, защищенный «Базалитом» | 315,32 | 311,30 | 308,34 | 2,20 |
Все это делает защитные покрытия «Базалит» весьма перспективными для использования в различных макроклиматических условиях эксплуатации, в том числе в районах с холодным климатом.
Сфера применения покрытий «Базалит»
Благодаря уникальному составу «Базалит» можно применять для защиты металлических и бетонных конструкций от воздействия агрессивных сред (растворы кислот, щелочей, нефтепродукты, удобрения, пресная и морская вода, промышленная атмосфера и т.п.), независимо от условий различных климатических зон. Поэтому область его применения обширна: нефтегазодобывающая и энергетическая промышленность, судостроение, строительство и транспортное строительство, коммунальное хозяйство.
Преимущества покрытий «Базалит»
Защитные покрытия «Базалит» обладают следующими эксплуатационными характеристиками:
- Мощный барьерный эффект;
- Абразивная, коррозионная, химическая стойкость;
- Высокая адгезия;
- Устойчивость к термоударам;
- Экологичность.
При использовании «Базалита» происходит снижение затрат как на сам материал, так и на предварительную подготовку поверхности, что в сочетании с сокращением количества технологических циклов при нанесении «Базалита» дает значительную экономию уже при проведении работ по антикоррозионной защите. Гарантия продолжительного срока службы покрытия обеспечивает пролонгированный экономический эффект от его применения.
Климатические и натурные испытания, проведенные в различных сертификационных и научно-исследовательских центрах, показали, что минимальный гарантированный срок службы покрытий «Базалит» в условиях открытой промышленной атмосферы умеренного и холодного климата (УХЛ1), а также в условиях умеренно-холодного и тропического морского климата (ОМ1) составляет не менее 10 лет.