Ресурсосбережение, материалы для химически стойких покрытий

 

Задачи модернизации и ресурсосбережения одни из приоритетных задач, поставленных правительством РФ перед экономикой. Ее осуществление невозможно без инновационного подхода.

Специфика физики плазмы позволяет получать уникальные по своим свойствам защитные и ремонтные покрытия, обеспечивающие увеличение сроков эксплуатации оборудования и сооружений от 1,5 до 10 раз, применение более дешевых конструкционных материалов (сталей) в сочетании с относительно невысокой стоимостью процесса и его высокой универсальностью.

Плазменная технология напыления и наплавки металлических и керамических покрытий хорошо известна в развитых странах (США, Япония, Германия, Швейцария, Англия, и пр.) и находит там самое широкое применение при ремонте и защите технологического оборудования, деталей и узлов машин и механизмов. В РФ распространение данной технологии существенно отстает от уровня западных стран, что обусловлено разрушением многих профильных институтов в перестроечные 80-90е годы, общим состоянием экономики России и существенной сырьевой ее направленностью. По косвенным оценкам насыщенность плазменным оборудованием промышленности РФ составляет менее 5% от уровня, например, США, Японии. В этой связи внедрение и развитие данной технологии в отечественной промышленности, есть в известной степени возврат к общемировым тенденциям. Однако это касается только металлических, керамических и металлокерамических покрытий.

Предлагаемое в данном проекте плазменное нанесение полимерных и композиционных (на основе полимеров) покрытий в качестве решения перспективных задач ресурсосбережения является инновационным, идущим впереди общемирового уровня развития технологии. О перспективах внедрения данной технологии говорит сопоставление возможностей стандартных существующих сейчас методов и технологий и альтернативной, представленных в табл. 1.2, 1.3.

 

 

Существенная особенность полимерных материалов в отличие от стандартных металлических и керамических порошковых материалов для плазменного напыления и наплавки их малый удельный вес (порядка 1-2 гр/см³, у металлов  - 3-10, у керамик 5-6), низкая температуропроводность (порядка 1х10^-7м²/с, у металлов – 1х10^-4, у керамик – 1х10^-5)  и низкая температура плавления (порядка 200⁰С, у металлов - 600-2000, у керамик – 2500). Кроме того, полимеры – это высокомолекулярные соединения и зачастую конечный комплекс свойств (физико-химических и механических) покрытия определяется структурой и свойствами химических молекулярных связей, формируемых в определенном температурно-временном интервале.

Все это накладывает соответствующую специфику на аппаратуру для нанесения покрытий - плазменные установки напыления, а также сами порошковые полимерные материалы. Перечень узлов и агрегатов стандартной установки газовоздушного напыления, подлежащих модификации или полному изменению  в связи с переориентацией процесса на плазменное нанесение полимеров указан в табл. 1.4 Содержание работ по разработке полимеров для плазменного нанесения, представлено в табл. 1.5.

 

 

 

 

На отечественном рынке отсутствуют, как аппаратура, так и соответствующие полимерные материалы для плазменного нанесения полимерных и композиционных покрытий. Анализ соответствующей информации (об услугах и продуктах компаний, специализирующихся на плазменных технологиях), представленной в Internet, также говорит о том, что данная технология отсутствует в предложении.

Отправной точкой в разработке плазменной технологии явился активно и широко внедряемый тех. процесс порошковой окраски металлоконструкций, особенностью которого является электростатическое нанесение на деталь защитно-декоративного покрытия из твердого состояния (порошок на основе эпоксидных, полиэфирных или полиуретановых смол) с дальнейшей полимеризацией в печи при температуре ~200⁰С и выдержке времени 10-20 минут. Покрытия, получаемые данным методом, оказались более прочными, атмосферостойкими, коррозионностойкими и, в конечном счете, более дешевыми по сравнению покрытиями на основе жидких лакокрасочных материалов. Кроме того, материалы для порошковой окраски не содержат токсичных растворителей, а покрытия, набирают весь комплекс эксплуатационных характеристик в течение 1 часа. Основной минус этой технологии – необходимость полимеризации покрытия в печи, т.е. ограничение массово-габаритных характеристик, окрашиваемой детали и обязательный демонтаж конструкции для окраски. Поэтому тех. процесс, лишенный данных недостатков, открывает серьезные перспективы для инноваций в деле защиты строительных конструкций, технологического оборудования, трубопроводов и пр.

Вместе с технологией порошковой окраски в печи на рынок пришли порошковые полимерные материалы, и возник интерес к способу нанесения данных материалов методом плазменного напыления. В 1993-1998 годах вопросами плазменного нанесения порошковых полимерных (эпоксидных) материалов занимался Цырлин М.И. к.т.н. (г. Гомель Беларусь). Им был получен ряд результатов, в частности, процесс нанесения порошковых эпоксидных покрытий из плазмы, предложены и опробованы аппаратное и конструктивное решение процесса (1), определены некоторые особенности данного процесса: влияние ряда параметров плазмы на свойства покрытия, влияние реологических факторов на адгезионную прочность покрытий. В данных работах были использованы различные типы плазмотронов: электродуговой, СВЧ; применено плазменное оборудование стационарное типа, использованы в качестве плазмообразующих газов: аргон, азот, смесь аргон-азот и аргон-водород, сделан ряд экспериментов по модификации порошковых полимерных материалов (2).

Дальнейшие разработки плазменной технологии нанесения полимерных и композиционных покрытий осуществляются ООО «Кровля-Строй» (г. Пермь), ООО «СКИП-Альянс» (г. Пермь) совместно с Пермским Государственным Техническим Университетом. В частности, ими  разработаны опытные образцы плазменных установок для нанесения полимерных и композиционных нано- и макро-структурированных покрытий для мобильного и стационарного использования с применением воздуха в качестве плазмообразующего газа, а также полимерные материалы для напыления, позволяющие рассчитывать на их коммерческое использование. Проведены испытания и анализ свойств ряда стандартных порошковых полимерных материалов и разработан ряд способов модифицирования для улучшения характеристик получаемых покрытий; получены новые материалы для напыления. Разработан ряд технологических приемов, предшествующих стандартизации процесса в виде законченной технологии. Проведены и постоянно ведутся опытные и опытно-промышленные работы по защите технологического оборудования, запорной арматуры на ряде предприятий пермского региона.

Отдельное направление развития вопроса термонапыления полимерных порошковых покрытий – газопламенное напыление. Ряд западных фирм, Кастолин (Швейцария), Сабарос (Швейцария) в 70-80 годах предложили процесс нанесения полимерных покрытий методом газопламенного напыления (3, 4). Суть его заключается в том, что полимерный порошок вносится в газопламенную струю (обычно, ацетилено-кислородная), формируемую горелками для напыления. Вообще, модификация данного метода в сторону увеличения расходов топлива привела к развитию новых высокопроизводительных высокоскоростных процессов (так называемых HVOF) для напыления металлических, керамических и металлокерамических покрытий, характерной особенностью которых являются сверхзвуковые скорости истечения газа и движения потока напыляемых частиц в струе. В результате напыляемые покрытия в таком процессе получают принципиально иные свойства по сравнению со стандартным газопламенным методом: высочайшую адгезионную (до 100МПа, обычный газопламенный метод – до 10-15МПа ) и когезионную прочность, минимальную пористость (~ 0.1%, обычный газопламенный метод – 20-50%). Для процесса напыления полимерных и композиционных покрытий на основе полимеров принципиально невозможно осуществить процесс HVOFпо следующим причинам: 1) высокоскоростной газопламенный поток будет сдувать формируемое покрытие, 2) для образования сплошного непористого полимерного покрытия необходимо сплавление частиц порошка в монолитный слой, что недостижимо энергетическими характеристиками высокоскоростного газового пламени. Изучение информации о газопламенном процессе напыления полимеров выявило следующие существенные особенности: химическая энергия, выделяемая в процессе горения недостаточна для получения высокопроизводительного метода – в результате, используется ограниченно для защиты небольших по размеру деталей; для улучшения характеристик «расплавляемости» и снижения деструкции (компенсации значительно более низкой в сравнении с плазмой энергии пламени) требуется модификация полимерного материала, что позволяет устанавливать западным компаниям разработчикам относительно высокие для российского рынка цены на данные материалы. Сочетание данных особенностей ведет к крайне малой востребованности и распространенности данного тех.процесса.

Таким образом, реализация задела, созданного работами российских компаний и ученых в разработке процесса плазменного нанесения полимерных и композиционных материалов, даст возможность вывести на отечественный и международный рынок целый спектр принципиально новых ресурсосберегающих услуг и технологий.

Библиография:

В ходе реализации проекта должны быть достигнуты следующие технические результаты:

1. создана унифицированная установка плазменного нанесения полимерных и композиционных покрытий позволяющая:
   • напылять покрытия с толщинами от 50мкм до 0,5мм с производительностью не менее 10 м²/час;
   • напылять многослойные покрытия с различной природой материала слоев (например, 1й слой – металл, 2ой – полимер, 3й – керамика);
   • напылять композитные покрытия на основе полимеров с раздельным и совместным вводом разнородных материалов;
   • выполнять работы по напылению покрытий непосредственно с выездом/выходом на объект заказчика;
2. разработаны, изготовлены и опробованы (испытаны в лабораторных или производственных условиях) порошковые полимерные, композиционные материалы нано- или макро- структурированные, пригодные для нанесения плазменным методом и образующие покрытия, отвечающие задачам химической, антикоррозионной, противобиотической защиты, а также выполняющие роль декоративных покрытий;
3. разработаны технологии плазменного нанесения полимерных и композиционных покрытий и методы контроля качества покрытий.

Полученные материалы и технологии позволят выставить на рынок новые услуги, представленные в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Описание новых видов продукции (услуг) и сравнительный анализ с существующими аналогами.