Дипломная работа: Поиск оптимального содержания пигмента в покрытиях на основе алкидного лака ПФ-060

Дипломная работа: Поиск оптимального содержания пигмента в покрытиях на основе алкидного лака ПФ-060

Реферат

Отчет содержит стр., рис., табл., источников, прил.

МАНГАНАТ (IV) КАЛЬЦИЯ, СИЛИКАТ НАТРИЯ, МАНГАНАТ(IV) СИЛИКАТ КАЛЬЦИЯ, СООСАЖДЕНИЕ, ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫЙ ПИГМЕНТ, АЛКИДНЫЙ ЛАК, ГРУНТОВКА, СВОЙСТВА, ИССЛЕДОВАНИЕ.

Цель работы: исследование противокоррозионных свойств манганат (IV) силикатов кальция, а также поиск оптимального содержания пигмента в покрытиях на основе алкидного лака ПФ-060 и грунтовочных композиций на его основе.

лакокрасочный коррозия пигмент алкидный

СОДЕРЖАНИЕ

Нормативные ссылки

Обозначения и сокращения

Введение

1 Аналитический обзор

1.1 Защита от коррозии

1.2 Силикаты

1.3 Природные силикаты

1.4 Искусственные силикаты

1.5 Строение силикатов

1.6 Свойства силикатов

1.6.1 Основные физические свойства

1.6.2 Противокоррозионные свойства

1.7 Область применения силикатов

1.7.1 Силикатные краски

1.7.2 Жидкие стекла

1.7.3 Полимер-силикатные композиты

1.7.4 Силикатные добавки

1.7.5 Силиконовые смолы

1.7.6 Силикатные наполнители

1.7.7 Силикаты в пигментах

2 Выбор направления исследования

3 Объекты и методы исследования

3.1 Характеристика исходных материалов

3.2 Методы исследования

3.2.1 Определение маслоемкости

3.2.2 Определение плотности

3.2.3 Определение укрывистости визуальным методом

3.2.4 Определение степени перетира по прибору «Клин»

3.2.5 Определение содержания водорастворимых веществ в пигментах

3.2.6 Электрохимические испытания

3.2.7 Хронопотенциометрические исследования

4 Оборудование

5 Результаты экспериментов и их обсуждение

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Приложение А. Патентная часть

Приложение Б. Экономическая часть

Приложение В. Обеспечение производственной и экологической безопасности

Приложение Г. Метрология

Нормативные ссылки

В настоящем отчете о научно-исследовательской работе использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 7.32-2001 Отчет о научно-исследовательской работе.

ГОСТ 9.402-80 ЕСКЗС. Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлических поверхностей перед окрашиванием.

ГОСТ 130-70 Жидкое стекло натриевое. Технические условия.

ГОСТ 2768-79 Ацетон технический. Технические условия.

ГОСТ 3134-78 Уайт-спирит. Технические условия.

ГОСТ 4142-77 Кальций азотнокислый четырехводный. Технические условия. ГОСТ 4197-74 Натрий азотистокислый. Технические условия.

ГОСТ 4233-77 Реактивы. Натрий хлористый. Технические условия.

ГОСТ 6589-74 Материалы лакокрасочные. Методы определения степени перетира прибором «КЛИН» (гриндометром).

ГОСТ 9045-80 Прокат тонколистовой холоднокатной из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки. Технические условия.

ГОСТ 15140-78 Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии.

ГОСТ 26490-75 Перманганат калия. Технические условия.

ГОСТ 46879-86 Льняное масло. Технические условия.

ТУ 6-10-612-76 Лак ПФ-060.

Обозначения и сокращения

С – электрическая емкость;

Е – коррозионный потенциал;

ЛКМ – лакокрасочный материал;

ЛВЖ – легковоспламеняющиеся жидкости;

ОСП – объемное содержание пигмента;

КОСП – критическое объемное содержание пигмента;

ПДК – предельно допустимая концентрация;

НИР – научно-исследовательская работа.

Введение

Одним из наиболее надежных и относительно дешевых методов защиты металлов от коррозии является нанесение лакокрасочных покрытий. Основную противокоррозионную функцию выполняет грунтовочный слой. Его защитное действие определяется в основном природой и содержанием пигментов. В этой связи большое внимание исследователей обращено на усиление защитных характеристик грунтовок посредством наполнения так называемыми активными противокоррозионными пигментами ингибирующего типа. Эти ингибиторы коррозии позволяют поддерживать скорость коррозионных процессов окрашенной стали на относительно низком уровне, даже при нарушении сплошности лакокрасочной пленки.

До настоящего времени наиболее эффективными пигментами подобного типа являются вещества, содержащие хром и свинец, придающие им высокую токсичность. Активно ведущийся в течение последних десятилетий поиск менее токсичной, полноценной в аспекте ингибирующей способности замены хромсодержащих и свинецсодержащих пигментов не завершен, так как в предлагаемых альтернативных вариантах уменьшенная вредность не сочетается с эквивалентной противокоррозионной эффективностью. Поэтому продолжение поиска в этом направлении остается актуальной задачей.

1 Аналитический обзор

Повышенная коррозионная агрессивность технологических сред в ряде отраслей промышленности (химической, нефтехимической, нефте- и газодобывающей, цветной и черной металлургии и других) в сочетании с большими скоростями движения электролитов, высокими температурой и давлением являются основной причиной выхода из строя оборудования, аппаратуры и коммуникаций [1].

1.1 Защита от коррозии

Защита от коррозии, приводящей к большим потерям трудовых, природных и материальных ресурсов, является основой увеличения срока службы металлических и бетонных конструкций [2]. Использование технологических и эксплуатационных свойств современных лакокрасочных материалов позволяет осуществлять противокоррозионную защиту разнообразных объектов, тем самым обеспечивая экономию всех вышеуказанных ресурсов. При выборе лакокрасочных покрытий в качестве защитных средств необходимо учитывать условия эксплуатации аппаратуры, конструкции, оборудования, способность лакокрасочного материала обеспечить противокоррозионную защиту в конкретных условиях эксплуатации. Необходимо также учитывать природу окрашиваемой поверхности и технико-экономическую эффективность применяемого лакокрасочного покрытия.

Коррозия под лакокрасочными покрытиями, электрохимическая по своей природе, зависит от природы и концентрации электролитов и паров кислот в воздухе, поэтому к ней применимы все основные законы электрохимического разрушения.

Защитные свойства лакокрасочных покрытий определяются суммой физико-химических свойств, которые могут быть сведены к четырем основным характеристикам [3]:

-  электрохимические и изоляционные свойства покрытий;

-  способность пленок замедлять диффузию и перенос коррозионных агентов к металлической поверхности;

-  способность покрытий, содержащих пленкообразующее, пигмент и ингибитор, пассивировать или электрохимически защищать металл;

-  адгезионные и механические свойства покрытий.

Все эти свойства связаны между собой и оказывают друг на друга взаимное влияние.

Среди широкого многообразия лакокрасочных материалов [4] в области противокоррозионной защиты весьма распространены грунтовочные лакокрасочные композиции, представляющие собой дисперсии противокоррозионных пигментов, иногда с наполнителями, в пленкообразующих веществах с высокой адгезионной способностью к окрашиваемой поверхности. Антикоррозионные грунтовки, соприкасаясь непосредственно с металлической поверхностью, должны обеспечивать помимо прочной адгезии к металлу и высокие защитные свойства. Это достигается применением соответствующих пленкообразующих, введением специальных пигментов, тормозящих коррозионный процесс, использованием различных поверхностно-активных веществ и других добавок. Свойства грунтовочного покрытия определяются видом применяемого пигмента, а также объемным соотношением между пигментами и пленкообразующим [5].

Рассмотрены требования, предъявляемые к противокоррозионным лакокрасочным покрытиям, основные пленкообразующие и противокоррозионные пигменты, применяющиеся для наполнения лакокрасочных покрытий. Отмечено, что противокоррозионные лакокрасочные покрытия включают слой грунтовки, промежуточный слой, наполненный противокоррозионным пигментом, и завершающий прочносцепленный слой. Из пленкообразующих рекомендовано применять алкидную, фенольную, эпоксидную, виниловую, аминоалкидную и акриловую смолу, а также алкидную смолу, модифицированную кремнийорганической смолой, и фторсодержащие смолы. В качестве пигментов применяют цианамид свинца, оксид цинка, основной сульфат свинца, плюмбат кальция, основной хромат свинца, цинкхроматный пигмент, цинковую пыль, порошки алюминия, графита и нержавеющей стали, слюду, молибдаты, фосфаты и метаборат бария [6]. Однако применение многих из них ограничивается их токсичностью.

Весьма перспективным с этой точки зрения является пигмент на основе марганца, обладающий противокоррозионным действием на уровне цинковых кронов. Одним из главных достоинств марганца является то, что он входит во вторую группу вредных веществ, его ПДК составляет 0,3 мг/м3, в то время как ПДК соединений хрома, являющегося традиционным антикоррозионным пигментом, в 30 раз ниже, что обуславливает его отнесение к первой группе вредных веществ и, как следствие, ограниченность в применении. Изучены химический состав и пигментные качества марганцовых руд синайских месторождений (Египет). Сделан вывод о перспективности их использования в качестве антикоррозионных пигментов [7]. Исследованы антикоррозионные и механические свойства алкидных грунтовок с марганцовыми рудами в качестве пигмента. Сделан вывод о замене пигментов на основе оксидов железа на пигменты на основе марганцовых руд [8]. С целью снижения водорастворимости пигментов на основе марганца их зачастую осаждают с нерастворимыми солями: фосфатами, сульфатами и силикатами.

1.2 Силикаты

Силикаты - это обширный класс соединений, образованных диоксидом кремния (кремнеземом) и оксидами других элементов. Многообразие силикатов связано со способностью атомов кремния соединяться между собой через атомы кислорода, образуя в зависимости от природы оксидов металлов и их соотношения с оксидом кремния кремнекислородные радикалы различного строения, изоструктурно замещаться на атомы алюминия и в меньшей степени на атомы Ge, Ti, Fe, Be и P, с наличием полиморфизма для кристаллических силикатов (способностью реализовывать различные структурные варианты при одинаковом химическом составе) [9]. Так, например, для кремнезема наиболее известными полиморфными модификациями являются кварц (две формы), кристобалит (две формы), тридимит, стишовит, коэсит.

Как правило, силикаты являются тугоплавкими и химически пассивными веществами, плохо или практически нерастворимыми в воде. В зависимости от температуры они могут быть газообразными, жидкими (расплавленными) и твердыми, а также образовывать высокодисперсные (коллоидные) системы с размером частиц силикатов 10- 6-10- 9 м. В отличие от растворов в коллоидах имеется поверхность раздела между частицами силикатов и дисперсионной средой. Халцедоны и опалы (SiO2 ∙ nH2O), в которых вода (ее содержание непостоянно) является дисперсионной средой, - пример таких систем. Спектр химического состава силикатов чрезвычайно широк. Это и алюмосиликаты, то есть силикаты, в которых часть атомов кремния замещена на атомы алюминия, и гидросиликаты - силикаты, содержащие воду, и другие. Силикаты могут иметь как природное, так и искусственное происхождение.

1.3 Природные силикаты

Известна роль силикатов в строении земного шара. По современным представлениям земной шар состоит из ряда оболочек, наружная из которых, земная кора, или литосфера, образована гранитной, базальтовой оболочками и тонким осадочным слоем. Гранитная оболочка в основном состоит из гранита - плотных сростков из полевых шпатов, слюды, амфиболов и пироксенов, а базальтовая - из таких гранитоподобных, но более тяжелых силикатных пород, как габбро, диабазы и базальты. Составной частью осадочного слоя являются, в частности, глины, основа которых - силикатный минерал каолинит. Таким образом, литосфера на 95 мас. % образована силикатами.

Природные силикаты играют важную роль в качестве сырья и конечных продуктов в промышленных процессах [10]. Алюмосиликаты - плагиоклазы, калиевый полевой шпат и кремнезем используются как сырье в керамической, стекольной и цементной промышленности. Для изготовления несгораемых и обладающих электроизоляционными свойствами текстильных изделий (ткани, шнуры, канаты) широко используются асбесты, относящиеся к гидросиликатам - амфиболам. Некоторые виды асбестов обладают высокой кислотостойкостью и применяются в химической промышленности. Биотиты, представители группы слюд, используются как электро- и теплоизоляционные материалы в строительстве и приборостроении. Пироксены применяются в металлургии и каменно-литейном производстве, а пироксен LiAl[Si2O6] - для получения металлического лития. Пироксены являются составной частью доменных шлаков и шлаков цветной металлургии, которые, в свою очередь, также используются в народном хозяйстве. Такие горные породы, как граниты, базальты, габбро, диабазы, являются прекрасными строительными материалами.

1.4 Искусственные силикаты

Наиболее древними искусственными силикатными материалами являются керамические, получаемые из глин и их смесей с различными минеральными добавками, обожженными до камневидного состояния [11].

Благодаря экономичности производства, высоким физико-механическим и художественно-декоративным качествам, керамические материалы широко используются как строительные и декоративные. Это кирпич, пустотелые блоки для стен, перегородок, перекрытий, облицовочные плитки, изразцы, терракотовые и майоликовые детали в архитектуре, канализационные и дренажные трубы.

Огнеупорная керамика используется в производстве металлов, цемента, стекла, для кладки высокотемпературных печей, футеровки их внутренних поверхностей.

Химически стойкие керамики заменяют или защищают металлы в производствах, связанных с агрессивными средами, например в химической промышленности.

Тонкая керамика включает в себя изделия из фарфора и фаянса. К ним относятся бытовая и химическая посуда, художественные изделия, изоляторы.

Примером искусственного силикатного материала является портландцемент [12], один из наиболее распространенных видов минеральных вяжущих веществ. Цемент используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича. Цемент является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, шлакобетон, железобетон. Цементным клинкером называется продукт обжига смеси глины и известняка, а цементом - мелкоизмельченный клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства. Его вяжущие свойства обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с H2O и SiO2 и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложные процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, гидролиз, образование коллоидных растворов и их кристаллизация. Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии.

1.5 Строение силикатов

Установлено, что основным структурным звеном силикатов является атом кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода, - кремнекислородный тетраэдр SiO4 [13]. Многообразие же силикатов объясняется разными способами соединения этих тетраэдров, которые обычно сочленяются вершинами с образованием связей Si-O-Si и Si-O-Al. Атомы кислорода, соединяющие тетраэдры, называются мостиковыми, а не соединяющие - немостиковыми. Различают следующие типы кремнекислородных радикалов:

1.  ортосиликаты - соединения, в которых имеются изолированные кремнекислородные тетраэдры [SiO4]4 -, то есть все атомы кислорода немостиковые;

2.  соединения с «островными» радикалами, такими, как [Si2O7]6 - (пиросиликатный ион, в котором два тетраэдра сочленяются вершинам), кольцевые радикалы, состоящие из трех [Si3O6]6 -, четырех [Si4O12]8 - и шести [Si6O18]12 - тетраэдров, в каждом из которых два атома кислорода используются для образования кольца, а два других - немостиковые;

3.  соединения, построенные из изолированных [SiO3]2 - и сдвоенных [Si4O11]6 - бесконечных цепочек;

4.  слоистые структуры, образованные радикалами [Si2O5]2 . К их числу относятся слюды и глины, содержащие в своей структуре группировки [Z4O10], где Z - Si и Al в четверной координации относительно кислорода. В слюдах слои состоят из шестичленных колец, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. Слоистых силикатов существует множество: слои могут быть построены из пяти- и шестичленных колец, состоять из чередующихся в определенном отношении восьми- и пятичленных колец, могут существовать слои, в которых кремнекислородный тетраэдр необязательно имеет три мостиковых атома кислорода, и другие;

5.  каркасные структуры. Примером каркасных силикатов могут служить кремнезем и полевые шпаты. Полевые шпаты делятся на плагиоклазы (непрерывный ряд твердых растворов в системе альбит-анортит (NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8)) и калиевый полевой шпат K[AlSi3O8] [14]. Их структура представляет собой бесконечный объемно-увязанный каркас из тетраэдров SiO4 и AlO4 , в пустотах которого расположены ионы Na, Ca, K. Сам же кремнезем - это вязь из кремнекислородных тетраэдров.

В структурах силикатов установлено значительное число различных типов цепочек, лент, сеток и каркасов из тетраэдров. По составу тетраэдрических радикалов различаются простые силикаты с кремнекислородным радикалом [SiO4]4- и сложные силикаты, в которых вместе с [SiO4]4- присутствуют тетраэдрические группы алюминия (алюмосиликаты), бериллия (бериллосиликаты), бора (боросиликаты), титана (титаносиликаты), циркония (цирконосиликаты), урана (ураносиликаты). Наряду с этим выделяются силикаты Al, Be, Ti, Zr, в которых эти элементы играют роль таких же катионов, как Mg, Fe и другие, соединяясь с кремнекислородными тетраэдрами не вершинами, а ребрами или через вершины, поделенные между двумя тетраэдрами.

Катионы, входящие в состав силикатов, разделяются на 2 группы: малые катионы — Mg2+, Al3+, Fe2+, Mn2+ и другие, частично Ca2+, имеющие обычно октаэдрическую координацию, и крупные катионы — К+, Na+, Ca2+, Ba2+, Sr2+, редкоземельных элементов, образующие соответственно более крупные координационные полиэдры: 8-, 9-, 12-вершинники, ребра которых соизмеримы уже с размерами не одиночных [SiO4]4- тетраэдров, а групп [Si2O7]6.

Для силикатов характерен изоморфизм, проявляющийся особенно широко среди катионов. Вследствие этого в силикатах распространены ряды твёрдых растворов (непрерывные или со значительными пределами замещений), а также изоморфные примеси [15]. Поэтому даже развёрнутые формулы силикатов, учитывающие основные изоморфные замещения, всё же являются неполными вследствие большой сложности состава реальных силикатов. Распределение изоморфных катионов в структуре силикатов зависит от температуры и устанавливается рентгенографически или по мессбауэровским и инфракрасным спектрам. Это свойство позволяет использовать силикаты в качестве геотермометра.

В составе силикатов отмечается разнообразие форм вхождения в их структуру водорода — в виде гидроксильных групп, кристаллизационной и цеолитной воды, межслоевой адсорбированной воды и других, изучаемых с помощью ядерного магнитного резонанса, термического анализа, инфракрасной спектроскопии. Во всех подклассах силикатов выделяются группы с добавочными анионами (O2-, F-, CI-, OH- S2-) и радикалами (SO42-, CO32-).

Дальнейшие усложнения в строении силикатов связаны с явлениями упорядочения (особенно Al — Si в алюмосиликатах и Mg — Fe в оливинах, пироксенах, амфиболах), политипии и смешаннослойных прорастаний (в слоистых силикатах), полиморфных превращений (например, андалузит — дистен — силлиманит), распада твёрдых растворов, образования электронно-дырочных центров.

Большинство силикатов в связи с их сложным строением имеет низкую симметрию [16]: около 45% кристаллизуется в моноклинной, 20% имеют ромбическую симметрию, 9% — триклинную, 7% — тетрагональную, 10% — тригональную и гексагональную и 9% — кубическую.

Весьма характерно двойникование (двойники роста, механических и фазовых превращений).

1.6 Свойства силикатов

1.6.1 Основные физические свойства [17]

Свойства силикатов определяются прежде всего типом кремнекислородного тетраэдра: спайность (несовершенная в островных и кольцевых силикатах, совершенная и зависящая от ориентировки кремнекислородных группировок в цепочечных, слоистых, каркасных силикатах); твёрдость обычно 5,5—7, кроме слоистых силикатов, в которых она понижается до 2—1; плотность около 2500—3500 кг/м3. Цвет большинства силикатов определяется ионами железа (Fe2+ — зелёный, Fe3+ — бурый, красный, жёлтый, Fe2+ и Fe3+ — синий), в отдельных группах — ионами Ti3+, V4+, Cr3+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ и их сочетаниями с ионами железа; в некоторых минералах — электронно-дырочными центрами. В ряде случаев окраска связана с микровключениями окрашенных минералов.

Большое значение для точной диагностики силикатов имеют их оптические свойства — преломление, оптическая ориентировка и другие, измеряемые с помощью Федорова столика, иммерсионного метода.

1.6.2 Противокоррозионные свойства

Композиция для получения антикоррозионного, огнестойкого и теплоизоляционного покрытия, включающая жидкое натриевое или калиевое стекло в качестве матрицы и наполнитель, отличается тем, что в качестве наполнителя содержит смесь полых микросфер, различающихся своими размерами в пределах от 10 до 500 мкм и насыпной плотностью в пределах от 650 до 50 кг/м3, выбранных в группы, включающие полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые полимерные микросферы или их смеси, дополнительно содержит неионогенное ПАВ и при необходимости армирующий наполнитель в виде вспученного вермикулита или асбестовых нитей, а также двуокись титана [18].олых микросфер, различающихся своими размерами в пределах от 10 до 500 мкм и насыпной плотностью в пределах от 650 до 50 кг/м3,

Материал загрязняющимся антикоррозионным покрытием получают нанося на поверхность субстрата композицию на основе 10%-ого водного раствора силикатов, алюминатов, цирконатов щелочных металлов, содержащего частицы Al, Ti, Si, Zr, Zn, Ce, Sb, Sr, Fe, Cr, P, B, Co, Mn, Cu, Ag, Pt, Au, V, Ta, Bi прогревая его при 100-10000С в течение 5 – 60 секунд [19]. Материал используют при изготовлении шарикоподшипников.

Создан гибридный силоксановый полимер для получения противокоррозионных покрытий. Благодаря высокой устойчивости связи [-(Si-O)n-Si-] силоксаны обладают высокой термостабильностью и стойкостью к действию ультрафиолетового излучения. Реакционную способность и технологические свойства полисилоксановых полимеров можно целенаправленно регулировать изменением молекулярного веса, степени разветвленности органических заместителей и их функциональности. Применяя современные технологии, получены противокоррозионные покрытия на основе композиций силоксанов, эпоксидных олигомеров и аминофункциональных cиланов [20].

Предлагается тонкослойное (0,1 – 0,5 мкм) покрытие [21] на основе керамики, углерода, водорода и азота для защиты черных и цветных металлов от коррозии и износа, а также для снижения трения. Оно содержит (в атомных %) 20 ± 5 водорода, 15 – 28 кремния, а атомное соотношение азота и углерода >0,9.

Композиция для антикоррозионного покрытия, арматуры в строительных конструкциях автоклавного твердения, содержащая латекс полимера, активный наполнитель и воду, отличающаяся тем, что с целью повышения жизнеспособности композиции и обеспечения ее высоких антикоррозионных, механических и технологических качеств, в нее введено в качестве активного наполнителя известково–песчаное вяжущее [22].

Противокоррозионная шпатлевка для удаления грубых дефектов, состоящая из наполнителя и связующего, отличается тем, что в качестве наполнителя используют полидисперсный порошок цинка, а в качестве связующего используют этилсиликатное связующее [23].

Композиции для защиты изделий и механизмов, которые работают в условиях воздействия длительных циклических динамических нагрузок в различных агрессивных средах содержат (объемные проценты) 50-58 полиизоционата, 14-22 олигоэфиракрилата МГФ-9, 11-19 молотого натриевого стекла и 9-14 обожженной при 850-9000С глины [24].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10