Состав композиционного полимерного материала функционального покрытия и способ получения функционального покрытия

полиамид 6 1,0-3,0 природный силикат 0,1 -1 О термоэластопласт остальное, И выдерживают ДО ПОЛУЧСНИЯ СЛОЯ заданной ТОЛЩИНЫ,после ЧВГО ПОЛУЧСННОС ПОКРЫТИС охлаждают на ВОЗДУХС.Изобретение относится К области технологии полимерных функциональных материалов и может быть использовано в машиностроении для нанесения покрытий на детали узлов машин, механизмов и транспортных систем, прежде всего трубопроводов для перекачки нефтепродуктов.Полимерные покрытия различного состава наносят на детали узлов машин и механизмов для обеспечения заданных функций - снижения износа, уменьшения коэффициента трения, обеспечения необходимых изоляционных параметров, коррозионной стойкости и т.п. 1. В качестве полимерной матрицы используют полиамиды, полиацетали, полиолефинь 1, полиуретаны и др. термопластичные и термоэластопластичные матрицы. Для обеспечения заданных функциональных характеристик покрытий в состав полимерных матриц вводят наполнители и модификаторы порошки оксидов, металлов, сухих смазок и др. компоненты.К числу наиболее распространенных способов нанесения функциональных полимерных покрытий, наряду с растворной технологией, относится технология псевдоожиженного слоя, согласно которой можно наносить покрытия различного состава на металлические детали.В различных отраслях современной промышленности широко применяют трубопроводные системы для транспортирования технологических сред воды и водных растворов,пара, нефти и нефтепродуктов и т.п. Для обеспечения функциональных параметров трубопроводов их соединительные элементы - фланцы - должны иметь специальные уплотнительные детали, которые обеспечивают герметичность стыка. При транспортировании углеводородных сред по трубопроводам возможно образование электрического заряда и явление электрического пробоя, что может привести к неблагоприятным последствиям. Для предотвращения этого явления используют специальные электроизолирующие прокладки, которые размещают между фланцами трубопровода для предотвращения протекания электрического заряда между элементами системы, а на фланцы наносят полимерные покрытия.Одним из вариантов решения задачи обеспечения необходимой герметичности и изолированности фланцевого стыка трубопровода является нанесение функциональных покрытий определенной толщины на рабочие поверхности соединения. При этом покрытие должно сочетать высокие показатели адгезионной прочности к металлам, деформативности и стойкости к электрическому пробою. Сочетание таких взаимоисключающих показателей в одном покрытии при нанесении его по обычной технологии является труднодостижимым. Поэтому применяют сочетание полимерного покрытия на фланцах и полимерного уплотнительного элемента 2.Известен состав композиционного материала для нанесения полимерных покрытий на рабочие поверхности деталей различных узлов машин и механизмов. Композиционный материал на основе полиамида 6 содержит углеродный модификатор, состоящий из смеси графитоподобной и алмазоподобной модификаций углерода детонационного синтеза. Покрытие из данного композиционного материала, которое наносят методом псевдоожиженного слоя, обладает достаточно высокой адгезией к металлическим подложкам и износостойкостью 3. В случае применения данного покрытия в качестве изолирующего элемента возможен пробой при сравнительно небольшом электрическом напряжении вследствие наличия в составе электропроводных частиц наноуглерода.Известен К 0 МПО 3 ИЦИ 0 ННЬ 1 Й материал для триботехнических покрытий, который содержит полиамид 6, углеродный наполнитель и полиолефин 4. Покрытие обладает вь 1 сокой износостойкостью в сочетании с достаточной адгезионной прочностью в соединениях с металлами и низким коэффициентом трения при нанесении методом псевдоожиженного слоя. Недостатком такого покрытия является низкая деформативность, снижающая его герметизирующие возможности, относительно невысокая электрическая прочность вследствие наличия углеродсодержащего наполнителя - наноуглерода и углеродного волокна.Прототипом изобретения в части состава является композиционный триботехнический материал на основе полиамида 6, который содержит полимерный модификатор и дисперсную добавку (порошок графита, наноуглерода, дисульфида молибдена) 5. Покрытия из такого материала наносят методом псевдоожиженного слоя. Покрытие обладает вь 1 сокой износостойкостью в сочетании с низким коэффициентом трения. Однако при использовании его в качестве изолирующего и уплотнительного обнаружено, что оно не обладает необходимым сочетанием деформативности и электрической стойкости вследствие того,что полиамид 6, используемый в качестве матрицы, вследствие влагопоглощения изменяет свои электрические характеристики и является достаточно жестким конструкционным материалом.Прототипом изобретения в части способа нанесения покрытий является способ с использованием псевдоожиженного слоя 1. Согласно этому способу материал для покрытий в виде смеси порошков помещают на пористую мембрану установки, через которую подают осушенный поток воздуха, который переводит смесь в состояние воздушной суспензии,так называемое состояние псевдоожиженного слоя. Деталь, нагретую до определенной температуры, помещают в псевдоожиженный слой. При этом частицы композиционного материала осаждаются на поверхность, полимерный компонент при этом оплавляется и формирует покрытие. Толщину покрытия регулируют временем выдержки нагретой детали в псевдоожиженном слое и температурой детали. Данный способ технологически достаточно прост и позволяет наносить покрытие на детали различной массы и конфигурации. По этому способу наносят покрытия согласно указанным выше составам композиционных материалов, которые рассматриваются в качестве аналогов и прототипа.Недостатком данного способа является ограниченный марочный ассортимент составов, которые могут быть использованы для нанесения покрытий подобным способом. Например, при введении в состав компонентов, значительно отличающихся по удельному весу, наблюдается сепарация состава, которая приводит к негомогенности покрытия. Другим недостатком способа является трудность регулирования состава покрытия по толщине при нанесении покрытия за одну технологическую операцию, т.к. все компоненты одновременно осаждаются на нагретую поверхность.Задачами изобретения являются увеличение показателей стойкости к электрическому пробою и деформативности покрытия, а также разработка способа его нанесения, обеспечивающего заданный градиент показателей по толщине, при котором наружный слой покрь 1 тия обладает повышенной деформативностью, а внутренний - повышенной прочностью и необходимой адгезией к металлам. При этом оба слоя обеспечивают заданную электрическую прочность покрытия в целом.Поставленные задачи решаются тем, что состав композиционного полимерного материала функционального покрытия, включающий полимерный компонент, дисперсную добавку и полиамид 6, в качестве полимерного компонента содержит термопласт и термоэластопласт, а в качестве дисперсной добавки - природный силикат при следующем соотношении компонентов, мас.а способ получения функционального покрытия, при котором нагретую металлическую подложку окунают в псевдоожиженный слой композиционного полимерного материала,осуществляют в два этапа на первом этапе нагретую до 270-300 С подложку окунают в псевдоожиженный слой композиционного материала, включающего термопласт, термоэластопласт, природный силикат и полиамид 6 при следующем их соотношении, мас.термопласт 1,0-20, 0 термоэластопласт 1,0-5 ,0 природный силикат 0,1-1,0 полиамид 6 остальное, и выдерживают до получения слоя заданной толщины, на втором этапе подложку с полученным слоем, имеющую температуру 240-270 С, окунают в псевдоожиженный слой композиционного материала, включающего термопласт, полиамид 6, природный силикат и термоэластопласт при следующем их соотношении, мас.термопласт 0,5-1,0 полиамид 6 1,0-3,0 природный силикат 0,1-1,0 термоэластопласт остальное, и выдерживают до получения слоя заданной толщины, после чего полученное покрытие охлаждают на воздухе.Для приготовления составов композиционных полимерных материалов для функциональных покрытий использовали компоненты, выпускаемые промышленно. Порошкообразнь 1 е неполярные полимеры полиэтилен низкого давления (ПЭНД), полипропилен(ПИ), политетрафторэтилен (ПТФЭ) - являются промышленными продуктами, производимыми на предприятиях Беларуси и России, в том числе ОАО Полимир (Беларусь),ОАО Галоген (Россия), ОАО Каплен (Россия). Дисперсность порошков составляла 80120 мкм.Порошки термоэластоп ластов сополимера этилена и винилацетата (СЭВЛ), полиуретанового (ТПУ), дивинистирольного (ДСТ), полиамидного (ПА) - использовали в состоянии поставки или получали криогенным измельчением гранул, охлажденных до температуры жидкого азота, с последующим сепарированием по размеру фракций. Аналогичным образом получали порошок полиамида 6. В качестве сырья в этом случае использовали гранулы продукта с торговой маркой Гроднамид, выпускаемого на ОАО ГродноХимволокно.В качестве природных силикатов использовали порошки слоистых или каркасных минералов, которые получены измельчением высушенного полуфабриката в шаровых мельницах или дисмембраторах. Каолинит, бентонит, монтмориллонит являются глинистыми минералами, которые добывают на месторождениях России и Беларуси. Трепел представляет собой природную смесь силикатов слоистого и каркасного строения, которую добь 1 вают на месторождении Стальное (Беларусь).Дисперсность порошков природных силикатов не превышала 50 мкм при размере основной фракции 5-10 мкм.Композиционные материалы получали механическим смешиванием порошкообразных компонентов, предварительно высушенных до содержания летучих продуктов не более 0,5 мас. , в смесителе барабанного типа. Для достижения высокой гомогенности материала целесообразно использовать порошки одинаковых геометрических размеров и формы,а также легкоиспаряющиеся технологические добавки, например этиловый спирт, ацетон. После приготовления композиции технологические добавки испаряются и не оказывают дальнейшего влияния на свойства покрытий.Покрытия по прототипу наносили на металлическую подложку методом псевдоожиженного слоя окунанием металлического образца, нагретого до температуры 270-300 С, в воздушную взвесь, выдерживали его в течение заданного времени для получения необходимой толщины покрытия с последующим охлаждением на воздухе до формирования твердого покрытия.По заявленному способу покрытие наносили в два этапа, используя на каждом этапе определенный состав компонентов, обеспечивающий достижение заданных параметров служебных характеристик наносимого слоя. При этом на первом этапе наносили покрытие с повышенными прочностными и электроизоляционными характеристиками (составы 111/1), а на втором - с повышенной деформативностыо, водостойкостью и электроизоляционными характеристиками (составы 12-172).Технологический интервал между двумя этапами формирования покрытия, как правило, не превышал 2-3 с и обусловлен переносом изделия с нанесенным на первом этапе покрытием во вторую установку для нанесения второй части покрытия. Температура металлической подложки и ее теплоемкость достаточны для обеспечения расплавленного состояния первой части покрытия в течение необходимого технологического времени для осаждения второй части покрытия. Важным обстоятельством является осаждение композиционного материала, формирующего верхний (покровный) слой функционального покрытия, на расплавленную полимерную подложку. Это способствует формированию прочной адгезионной связи между различными слоями покрытия за счет теплового и механического взаимодействия и повышает термодинамическую совместимость компонентов.Металлическую подложку (образец) перед нанесением покрытия очищали от оксидов и загрязнений абразивом и обезжиривали бензином. Для обеспечения стабильных характеристик поверхностного слоя металлический образец целесообразно обработать 5-10 мас. водным раствором фосфорной кислоты или фосфорных солей железа и марганца при температуре 75-95 С в течение 3-5 мин.Адгезионную прочность покрытий оценивали методом отслаивания под углом 180. Деформативность покрытия определяли по изменению величины зазора (толщины прослойки) между образцом с покрытием и без покрытия при статическом нагружении в диапазоне нагрузок 150-300 МПа. Нагружение осуществляли на гидравлическом прессе усилием прессования 50 т. Площадь образцов составляла 15 см 2.Прочность покрытия к электрическому пробою определяли по соответствующему ГОСТу.Влагопоглощение определяли на образцах, полученных путем отслоения сформированных покрытий, при экспозиции в дистиллированной воде при температуре 2015 С. Морозостойкость оценивали по температуре разрушения охлажденного образца при его огибании вокруг металлического цилиндра определенного диаметра.Сравнительные характеристики разработанного состава полимерного материала для функциональных покрытий, сформированных по предлагаемой технологии, и существующих аналогов приведены в табл. 2.Как следует из данных табл. 2, заявленные составы композиционных материалов для функциональных покрытий, нанесенные по заявленному способу, существенно превосходят прототип по показателям деформативности, стойкости и электрическому пробою,имеют более низкое влагопоглощение и большую морозостойкость. Важно отметить, что сочетание высокой деформативности и прочности, при достаточной адгезионной прочности и стойкости к электрическому пробою, обеспечивается только при нанесении покрь 1 тия по заявленному способу в два этапа.Ниже представлены примеры реализации заявленного способа нанесения функциональных покрытий из заявленного состава композиционного материала и прототипа.Способ по прототипу. 889,5 г порошка полиамида 6, полученного криогенным измельчением гранул, охлажденных до температуры жидкого азота, смешивали в барабанном смесителе типа шаровой мельницы с 10,0 г порошка политетрафторэтилена (Ф-4), 100 г полиамида 11 (Кйзап) и 0,5 г ультрадисперсного углерода УДАГ производства ЗАО Синта. Дисперсность всех полимерных порошков не превышала 100 мкм. Смешивание осуществляли в присутствии металлических шаров в течение 10 мин. Гомогенность композиции