CZ309669B6 - Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsob její výroby - Google Patents
Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsob její výroby Download PDFInfo
- Publication number
- CZ309669B6 CZ309669B6 CZ2022-137A CZ2022137A CZ309669B6 CZ 309669 B6 CZ309669 B6 CZ 309669B6 CZ 2022137 A CZ2022137 A CZ 2022137A CZ 309669 B6 CZ309669 B6 CZ 309669B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- layer
- suspension
- geopolymer
- sample
- temperature
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 239000000725 suspension Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 229920000876 geopolymer Polymers 0.000 title claims abstract description 42
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 5
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 claims description 3
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 115
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 44
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 42
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 34
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 25
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 13
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 12
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 12
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 7
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 6
- 230000008642 heat stress Effects 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 4
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 4
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 4
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 4
- 241001085205 Prenanthella exigua Species 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 2
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 238000005211 surface analysis Methods 0.000 description 2
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 2
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N butane;propane Chemical compound CCC.CCCC HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000013527 degreasing agent Substances 0.000 description 1
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- -1 siloxanes Chemical class 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000005494 tarnishing Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B12/00—Cements not provided for in groups C04B7/00 - C04B11/00
- C04B12/005—Geopolymer cements, e.g. reaction products of aluminosilicates with alkali metal hydroxides or silicates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
- C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
- C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
- C09D5/08—Anti-corrosive paints
- C09D5/10—Anti-corrosive paints containing metal dust
- C09D5/103—Anti-corrosive paints containing metal dust containing Al
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
- C04B28/006—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mineral polymers, e.g. geopolymers of the Davidovits type
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D1/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D1/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
- C09D1/02—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances alkali metal silicates
- C09D1/04—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances alkali metal silicates with organic additives
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
- C09D5/02—Emulsion paints including aerosols
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
- C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
- C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
- C23C18/125—Process of deposition of the inorganic material
- C23C18/1262—Process of deposition of the inorganic material involving particles, e.g. carbon nanotubes [CNT], flakes
- C23C18/127—Preformed particles
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C20/00—Chemical coating by decomposition of either solid compounds or suspensions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating
- C23C20/06—Coating with inorganic material, other than metallic material
- C23C20/08—Coating with inorganic material, other than metallic material with compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00008—Obtaining or using nanotechnology related materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/20—Resistance against chemical, physical or biological attack
- C04B2111/28—Fire resistance, i.e. materials resistant to accidental fires or high temperatures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
- Y02P40/10—Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geology (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Paints Or Removers (AREA)
Abstract
Řešení se týká geopolymerní suspenze pro tepelně odolné povlaky, která obsahuje 20 až 25 % hmotn. vodného roztoku 80 až 90% kyseliny fosforečné, 25 až 30 % hmotn. hlinitokřemičitanu, 4,6 až 5,2 % hmotn. grafitu, 5 až 7 % hmotn. nanočástic oxidu hlinitého s velikostí do 90 nm a zbytek izopropylalkohol. Dále se týká způsobu přípravy geopolymerní suspenze, při kterém se do 100 ml izopropylalkoholu přidá vodný roztok 80 až 90% kyseliny fosforečné a za míchání při laboratorní teplotě po dobu 8 až 15 min. se postupně přidává hlinitokřemičitan, a po 9 až 15 min. se za míchání jednorázově přidá grafit a nanočástice oxidu hlinitého s velikostí do 90 nm jako aditivum a výsledná směs se homogenizuje dalších 18 až 25 min.
Description
Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsob její výroby
Oblast techniky
Vynález se týká geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsobu její výroby.
Dosavadní stav techniky
Anorganické povlaky na kovových materiálech se připravují mnoha fyzikálními, elektrolytickými nebo chemickými způsoby. Technologie žárového nebo plasmového nanášení jsou sice vysoce účinné jako vrchní ochranná vrstva, ale jejich aplikace je vysoce energeticky náročná a u některých materiálů může dojít k ovlivnění struktury vlivem zahřívání materiálu při aplikaci a nejsou tedy pro takové materiály vhodné. Dále existují sofistikované techniky tvorby povlaků difusními procesy nebo napařování vrstev z plynné fáze. Mezi nejběžnější elektrolytické způsoby patří proces galvanizace. K běžným úpravám povrchů kovových materiálů povlaky a smalty se používají různé technologie nanášení vodních suspenzí s jejich následným výpalem.
K jednoznačným nevýhodám všech výše uvedených procesů patří jejich technologická a zejména energetická náročnost. Technologická náročnost daná nutností drahých zařízení a energetická náročnost se promítá do ceny výrobků, kdy rentabilita výroby většinou vyžaduje rozsáhlou sériovou výrobu.
K nejjednodušším a nejlacinějším způsobům přípravy povlaků v omezeném rozsahu aplikací představuje jejich přímé nanášení natíráním nebo sprejováním suspenzí. Takto se připravují především organické povlaky, které však mají omezenou teplotní stabilitu a velmi krátkou dobu expirace. Jejich výroba a následná likvidace je však velmi ekologicky, a tedy i finančně náročná a je nutné dbát také na ochranu zdraví osob jak při výrobě, tak především i při aplikaci. Anorganické povlaky se tímto jednoduchým způsobem připravují zejména pro estetické a protikorozní účely. Anorganické povlaky pro vysokoteplotní aplikace jsou připravovány většinou na silikátové nebo silikonové bázi. Silikonové barvy na bázi siloxanů jsou aplikačně jednoduché s typickými aplikacemi do max. 400 až 500 °C, avšak jejich cena je v porovnání s ostatními anorganickými povlaky vysoká.
Podstata vynálezu
Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny geopolymerní suspenzí s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že obsahuje 20 až 25 % hmotn. vodného roztoku 80 až 90 procentní kyseliny fosforečné, 25 % hmotn. hlinitokřemičitanu, 4,6 až 5,2 % hmotn. grafitu, 5 až 7 % hmotn. nanočástic oxidu hlinitého s velikostí do 90 pm a zbytek izopropylalkohol.
Hlinitokřemičitan je s výhodou plavený kaolin a/nebo metakaolin. Poměr množství kyseliny fosforečné k množství hlinitokřemičitanu je ve výhodném provedení 1,1 až 1,35.
Další podstatou vynálezu je způsob přípravy geopolymerní suspenze podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že do 100 ml izopropylalkoholu se přidá vodný roztok 80 až 90 procentní kyseliny fosforečné a za míchání při laboratorní teplotě po dobu 8 až 15 min. se postupně přidává hlinitokřemičitan, a po 9 až 15 min. se za míchání jednorázově přidá 4,6 až 5,2 % hmotn. grafitu a 5 až 7 % hmotn. nanočástic oxidu hlinitého s velikostí do 90 pm jako aditivum a výsledná směs se homogenizuje dalších 18 až 25 min.
- 1 CZ 309669 B6
Geopolymerní suspenze tedy sestává z kyselé základní matrice hlinitokřemičitanu (vodný roztok s H+), roztoku kyseliny fosforečné (H3PO4), malého množství grafitu (aditivum a izopropylalkoholu (C3H8O). Tato směs je pak navíc modifikovaná nanočásticemi oxidu hlinitého (AI2O3).
Vodné suspenze směsi kyseliny fosforečné představují levnou, ekologickou a velmi jednoduchou aplikaci povrchové ochrany vhodných pro přípravu funkčních povlaků na kovové materiály. Do suspenzí lze snadno dispergovat široké spektrum aditiv, které pak povlakům zaručují variabilitu v jejich vlastnostech. Tato flexibilita složení povlaků propůjčuje výsledným kompozitům nové funkční vlastnosti, zejména v oblasti adheze a tribologie a zároveň umožňuje rozšířit rozsah aplikací. V tomto případě například obsažené nanočástice oxidu hlinitého velmi značně snižují tření oproti povrchu bez povlaku, zvyšují teplotní stabilitu a snižují opotřebení. Suspenze vykazuje výbornou adhezi ke kovovým materiálům a lze ji nanášet nátěrem nebo sprejem bez nutnosti jejich výpalu při vysoké teplotě. Geopoplymer je však po aplikaci na povrch potřeba vysušit za určité teploty - 180 až 200 °C, tzv. setovat, kdy dojde k tepelné stabilizaci emulze. Po setování je výsledný povrch bezúdržbový a stabilizovanou emulzi lze odstranit pouze mechanicky.
Takto stabilizovaný povlak můžeme využít pro dlouhodobou tepelnou ochranu při 500 °C minimálně 50 hod. a pro teplotu 800 °C minimálně 60 min. Suspenze jsou ekologické, dlouhodobě stabilní a cenově dostupné. Povlaky na kovových substrátech umožňují zejména povrchové úpravy kluzných, tribologických a tepelných vlastností výsledných povrchů a rozšiřují tak jejich funkční, tj. aplikační možnosti.
Velkou výhodou geopolymerní emulze je její dlouhá skladovatelnost, která je v porovnání s ostatními emulzemi až 10x delší. U suspenze dochází v malé míře k částečnému oddělení složek, ale následná homogenizace směsi, tj. rozmíchání, je velmi snadná. Ve směsi nedochází k degradaci jednotlivých složek, a to ani při skladování při pokojové teplotě. Zaručená expirační doba je min. 6 měsíců při pokojové teplotě, kdy nedošlo k žádné výrazné degradaci směsi, dá se předpokládat, že celková doba expirace bude mnohem vyšší. Dobu expirace u geopolymerních suspenzí lze dále prodloužit vhodným skladováním při nízké teplotě cca 4 °C, případně vytvořením jednotlivých složek, které se smíchají těsně před samotnou aplikací do výsledné směsi.
Velká výhoda této suspenze spočívá v možnostech nanášení na povrch, kdy není potřeba povrch nijak chemicky či mechanicky předupravovat, tzn. odmašťovat, máčet, tryskat, předehřívat apod. Izopropylalkohol, který je součástí emulze, působí jako účinné odmašťovadlo a kyselina fosforečná způsobí mírné naleptání povrchu a lepší přilnavost povlaku k podkladnímu substrátu. Nicméně předúprava povrchu, např. odmaštěním organickým rozpouštědlem, bude mít pozitivní vliv na konečné vlastnosti povrchu, jako jsou přilnavost, vzhled apod.
Před aplikací je nutné emulzi dobře zhomogenizovat promícháním či protřepáním. Dále je nutné suspenzi při aplikaci natíráním, např. štětcem, důkladně rozetřít po povrchu a dosáhnout tak velmi tenké vrstvy. To je velmi výhodné, neboť tak dochází ke snížení spotřeby v porovnání s jinými druhy povlaků, jako jsou zejména organické nátěry. Bylo ověřeno, že ještě při tloušťce vrstvy, 40 pm nedochází degradaci povrchu. Průměrná tloušťka vrstvy se pohybuje mezi 5 až 20 pm v závislosti na technice aplikace při natírání. V porovnání s jinými běžnými typy povlaků je tloušťka výsledné vrstvy cca 10x slabší. Organické povlaky běžně dosahují tlouštěk 100 až 200 pm.
Možnosti aplikace na povrch materiálu jsou stejné jako u běžných organických sloučenin, tedy např. natírání běžnými štětci, stříkání vzduchem stříkací pistolí nebo sprejem atd. Suspenze po setování nevykazuje žádné zabarvení a je průhledná. Při aplikaci nástřikem dále dojde ke zvýšení estetičnosti výsledného pohledového povrchu, ale již aplikace natíráním dosahuje velmi dobrých estetických výsledků konečného povrchu a povrch lze použít i jako pohledový. Další výhoda je velká jednoduchost aplikace způsobem natírání. Pro pohledovou aplikaci lze suspenzi dále aditivovat barevnými pigmenty.
- 2 CZ 309669 B6
Podstatnými výhodami jsou následující skutečnosti:
Výhodné složení výsledné geopolymerní suspenze. Tepelná ochrana povrchu součástí strojů apod. až do 800 °C po dobu až 1 hod. Zde lze s výhodou využít nízkou tloušťku vrstvy 5 až 10 pm, která výrazně neovlivňuje výsledné rozměry součásti. Tepelná ochrana může být dále zlepšena vrstvením jednotlivých vrstev či vhodnou volbou aditiv přidaných do suspenze a lze tak vytvořit nátěr s vlastnostmi odpovídající konkrétní aplikaci. Dlouhodobá tepelná ochrana při 500 °C minimálně 50 hod. a pro teplotu 800 °C minimálně 60 min. Snížení tření a zvýšení otěruvzdornosti částí strojů, vstřikovacích forem, lisovacích forem apod. Protipožární ochrana konstrukčních materiálů ve stavebnictví, např. ocelové nosníky apod., při havarijních scénářích či samotných součástí strojů až do 800 °C po dobu 0,5 až 1 hod. Zlepšení celkových mechanických vlastností součástí strojů. Suspenze je ekologická, dlouhodobě stabilní ke skladováni až 10x delší oproti ostatním emulzím a použitelná k aplikaci. Zaručená expirační doba je min. 6 měsíců při pokojové teplotě.
Objasnění výkresů
Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsána na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů. Povrch můžeme vidět na obr. 1 při zvětšení 200x a na detailu při zvětšení 500x na obr. 2. Na obr. 3 je metalografický výbrus základního materiálu bez povlaku v řezu při zvětšení 200x, na obr. 4 je detail při zvětšení 500x. Analýza povrchu suspenze je zobrazena na obr. 5 při různých zvětšeních. Na obr. 6 je detail řezu geopolymerní vrstvy při zvětšení 500x. Obr. 7 je SEM analýza vrstvy, na obrázku vlevo je detail jednotlivých vrstev a vpravo poté podobný snímek s naměřenou tloušťkou vrstvy. Na obr. 8 je detail silné vrstvy při zvětšení 500x. SEM analýza z obr. 9 potvrzuje velmi dobré propojení vrstvy a podkladního substrátu. Následná lineární EDS analýza potvrdila složení vrstev, viz obr 10. Geopolymerní vrstvu lze potvrdit především dle přítomného obsahu hliníku a fosforu. Na snímcích z laserového mikroskopu na obr. 11 je vidět stopa, kterou zanechala kulička po testu na Tribolabu. Na obr. 12 vidíme povrch vzorku s tenkou vrstvou geopolymerní suspenze po tepelné zátěži. 3D scan povrchu na obr. 13 vpravo a detail řezu vrstvy obr. 14. Na obr. 15 je povrch se silnou vrstvou suspenze a obr. 16 vpravo ukazuje 3D scan povrchu. Na obr. 17 je řez vrstvy, kde lze ověřit stále dokonalé přilnutí vrstvy k podkladnímu substrátu. Na obr. 18 vidíme povrch vzorku s tenkou vrstvou suspenze po tepelné zátěži. Na obr. 19 vpravo je 3D scan povrchu. Na obr. 20 poté detail vrstvy v řezu. Na obr. 21 je povrch se silnou vrstvou suspenze a na obr. 22 vpravo je 3D scan povrchu. Neporušení celistvosti a přilnavosti vrstvy lze pozorovat i na detailu řezu vrstvy z obr. 23. Na obr. 24 je povrch vzorku s tenkou vrstvou geopolymeru, kde je patrné, že ani při velmi vysokém výkonu hořáku a vysoké teplotě nedošlo k porušení integrity vrstvy. Obr. 25 ukazuje povrch vzorku se silnou vrstvou. Obr. 26 znázorňuje detail vrstvy v řezu a 3D scan vpravo. Na obr. 27 je referenční vzorek bez povlaku. Na obr. 28 je vzorek s tenkou vrstvou geopolymeru. Obr. 29 ukazuje vzorek se silnou vrstvou suspenze. Na obr. 30 je referenční vzorek po 60 min tepelné zátěže. Na obr. 31 je vzorek s tenkou vrstvou geopolymeru. Na obr. 32 je vzorek se silnou vrstvou geopolymeru. Na obr. 33 je povlak po velmi dlouhé době tepelné zátěže při vysoké teplotě. Na obr. 34 je graf 1 znázorňující průběh koeficientu tření. Na obr. 35 je graf 2 znázorňující závislost teploty a času. Na obr. 36 je další graf 3 znázorňující závislost teploty a času.
Příklady uskutečnění vynálezu
Příkladná geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky obsahuje 20 až 25 % hmotn. vodného roztoku 80 až 90 procentní kyseliny fosforečné, 25 % hmotn. hlinitokřemičitanu, 4,6 až 5,2 % hmotn. grafitu, 5 až 7 % hmotn. nanočástic oxidu hlinitého s velikostí do 90 nm a zbytek izopropylalkohol. Hlinitokřemičitan je plavený kaolin. Poměr množství kyseliny fosforečné k množství hlinitokřemičitanu je 1,1 až 1,35.
- 3 CZ 309669 B6
Při příkladném způsobu přípravy geopolymerní suspenze se do 100 ml izopropylalkoholu přidá vodný roztok 80 až 90 procentní kyseliny fosforečné a za míchání při laboratorní teplotě po dobu 8 až 15 min. se postupně přidává hlinitokřemičitan a po 9 až 15 min. se za míchání jednorázově přidá grafit a 5 až 7 % hmotn. nanočástic oxidu hlinitého s velikostí do 90 pm jako aditivum a výsledná směs se homogenizuje dalších 18 až 25 min.
Dále jsou popsány zkoušky teplotní a časové stability suspenze, tj. zpracovatelnost, aplikace suspenze a úprava povrchu, analýzy povrchu nanesené vrstvy, teplotní testy, požární testy a tribometrická měření.
Pro zjištění stability suspenze a možností její skladovatelnosti v běžných podmínkách byly testovány dvě teploty:
°C - lednice, °C - běžná pokojová teplota.
Vzorky byly vyhodnoceny po 1, 30, 90 a 180 dnech. U každého vzorku byla ověřena zpracovatelnost a vlastnosti při aplikaci na podkladní substrát.
1) Stáří emulze 1 den.
Barva emulze je jasně bílá, má vyšší viskozitu v podobě gelu a neobsahuje žádné usazeniny. Aplikace na podkladní substrát je velmi snadná, dobře se roztírá a lze vytvořit velmi tenkou vrstvu. Obsažený izopropylalkohol je velmi těkavý a v kombinaci s tenkou vrstvou způsobuje velmi rychlé zasychání emulze do cca 5 min.
2) Stáří emulze 30 dnů, tj. 1 měsíc,
Skladování při 4 °C.
Barva emulze je jasně bílá, má stejnou, tj. vyšší viskozitu a neobsahuje žádné usazeniny. Došlo k oddělení čiré tekuté složky, která je patrná na povrchu - cca 1/6 celkového objemu. Emulzi lze velmi snadno rozmíchat, např. skleněnou tyčinkou, zpět do homogenní konzistence. Aplikace na podkladní substrát je velmi snadná.
Skladování při 22 °C.
Při skladování emulze v pokojové teplotě nedošlo po 30 dnech k žádným viditelným změnám oproti skladování v lednici, viz obr. 3. Rozmíchání i aplikace je také shodná se vzorkem z lednice.
3) Stáří emulze 90 dnů, tj. cca 3 měsíce.
Skladování při 4 °C.
Oproti předešlým vzorkům nedošlo při stáří emulze k žádným viditelným změnám. Barva emulze se nezměnila a je jasně bílá, má vyšší viskozitu a neobsahuje žádné usazeniny. Opět je zde oddělená čirá tekutá složka, která je patrná na povrchu - cca 1/6 celkového objemu. Emulzi lze velmi snadno rozmíchat zpět do homogenní konzistence. Aplikace na podkladní substrát je velmi snadná, a i v tomto případě lze vytvořit potřebnou tenkou vrstvu.
Skladování při 22 °C.
- 4 CZ 309669 B6
Opět nedošlo k žádné významné změně ve vzhledu emulze. I zde je patrná oddělená čirá složka na povrchu. Na dně nádoby se dále objevila tenká vrstva usazeniny. Homogenizace i aplikace směsi je i nadále snadná.
4) Stáří emulze 180 dnů, tj. cca 6 měsíců.
Skladování při 4 °C.
Vzhled emulze je stejný jako v předešlých případech. I zde je oddělená složka, kterou lze velmi snadno rozmíchat do homogenní směsi. Na dně se nenachází žádné usazeniny a viskozita je stejná, tj. gel. Aplikace a tvorba tenké vrstvy je i nadále na vynikající úrovni.
Skladování při 22 °C.
Po 150 dnech skladování při pokojové teplotě jsou již vidět změny ve vzhledu emulze. Oddělená čirá složka se zvětšila na cca 1/4 až 1/3 objemu. Na dně je opět patrná tenká vrstva usazeniny s charakterem velmi jemného písku. Rozmíchání je však i zde snadné, a to i následná aplikace na podkladní substrát, kterou lze provést v požadované tloušťce.
Doba expirace suspenze je minimálně 6 měsíců, a to i při skladování při pokojové teplotě 22 °C. Vzorky po 6 měsících při skladování v lednici nevykazovaly žádné změny v barvě, konzistenci ani při následné aplikaci natíráním oproti původní čerstvě namíchané směsi. Dá se předpokládat, že takto skladovaná emulze bude mít mnohem delší expirační dobu bez změny výsledných vlastností.
U vzorků skladovaných při 4 °C byly po 6 měsících pozorovány mírné změny - větší oddělení složek o cca 20 %, tenká usazenina na dně nádoby, ale po homogenizaci směsi, která proběhla bez problému, byla i následná aplikace na podkladní substrát velmi snadná a nelišila se od aplikace čerstvě namíchaného vzorku. I při skladování při pokojové teplotě se dá předpokládat mnohem vyšší expirační doba než 6 měsíců. Teplota při skladování nemá během prvních 6 měsíců žádný vliv na výsledné vlastnosti směsi při aplikaci na podkladní substrát. Skladovat lze emulzi bez problémů při pokojové teplotě, což vede spolu i s velmi dlouhou expirační dobou.
Podkladní substrát
Jako podkladní substrát byla použita běžná konstrukční ocel ČSN 11375 dle ČSN 411375. Jedná se o za tepla válcovanou nelegovanou konstrukční ocel vhodnou ke svařování, na součásti konstrukcí a strojů středních tlouštěk tavně svařované, namáhané staticky i dynamicky. Ekvivalentní označení S235JRG2. Tato ocel byla zvolena i z důvodu pozdější možné aplikace jako protipožární ochrana ocelových nosníků a armatur budov a jiné infrastruktury.
Úprava povrchu
Aplikace nátěru proběhla na mechanicky neupravený povrch, kdy byla na povrchu ponechána přirozená oxidační vrstva. Tato metoda byla zvolena z důvodu ověření možnosti aplikace na neupravený povrch, a tedy pro zvýšení ekonomičnosti aplikace, jelikož mechanické či chemické úpravy povrchu jsou velmi časově i finančně náročné. Povrch substrátu byl zbaven hrubých nečistot a odmaštěn běžným organickým rozpouštědlem, obvykle acetonem. Je ověřeno, že pokud není povrch silně znečištěn mastnotou, není v takovém případě nutné odmašťovat povrch organickými či jinými rozpouštědly, jelikož izopropylalkohol přítomný ve směsi dokáže velmi dobře odmastit povrch při samotné aplikaci suspenze, což vede k dalšímu zekonomičtění provozu. Mechanická či chemická předúprava povrchu zajistí další zlepšení mechanických vlastností povlaku, tj. přilnavost povlaku, vzhled atd. Zde již záleží na výsledném konkrétním použití povrchu/součásti.
Aplikace suspenze
- 5 CZ 309669 B6
Před aplikací emulze je nutná dobrá homogenizace směsi rozmícháním, protřepáním apod., aby došlo ke spojení případných oddělených složek. Suspenze se aplikuje pomocí štětce. Suspenze se opakovanými tahy štětce důkladně rozetře po povrchu, aby došlo k vytvoření jednolité tenké vrstvy geopolymeru na povrchu substrátu, je dobré štětec namáčet velmi málo, aby nedošlo k vytvoření příliš silné vrstvy a pozdějšímu popraskání při setování. Rozdíl mezi čistým a napovlakovaným substrátem je díky průhlednosti geopolymerní suspenze těžko postřehnutelný.
Zaschnutí suspenze trvá při běžné pokojové teplotě cca 5 min, ale zaschnutí není podmínkou a ihned po aplikaci se může přejít ke stabilizaci povlaku.
Setování suspenze
Pro získání konečných vlastností povlaku je nutné suspenzi na povrchu substrátu tepelně stabilizovat - setovat. Setování probíhá po určitou dobu při dané teplotě dle schématu:
1) Předehřev sušárny/pece na 30 °C.
2) Vložení napovlakovaných vzorků/součástí do předehřáté sušárny.
3) Zvýšení teploty na 170 °C. Teplotní gradient, tj. rychlost nárůstu teploty, musí být maximálně 5 °C/min. Během ohřevu na konečnou teplotu dochází k odpařování vody ze suspenze a chemickým reakcím, které vedou ke geopolymerizaci vrstvy a získání konečných vlastností. Pokud by byl nárůst teploty příliš vysoký, voda se nebude dostatečně odpařovat a následná zbytková voda naruší v pozdější fázi geopolymerizaci a může dojít k znehodnocení, např. nižší přilnavost, popraskání, zpěnění, výsledného povlaku a tím ke snížení funkčnosti. Proto je nutné vkládat napovlakované součásti do mírně předehřáté pece a není možné vkládat součásti do již nahřáté pece na konečnou teplotu 170 °C.
4) Výdrž na teplotě 170 °C po dobu 2 h.
5) Vyndání součástí ze sušárny, přičemž je možné nechat vzorky zchladnout v sušárně, ale není to podmínka.
6) Vytvořený stabilizovaný geopolymerizovaný povlak na povrchu součásti. Vrstva je nerozpustná a odstranitelná pouze mechanickou cestou.
Vzhledem k průhlednosti povlaku je přítomnost povlaku těžko viditelná, přičemž lze spatřit jemné tahy štětcem.
Pro vytvoření vícevrstvého povlaku se postup setování musí opakovat pro každou jednotlivou vrstvu.
Pro detailní analýzy povrchů a vrstev byl použit laserový mikroskop LEXT OLS 500 a elektronový skenovací mikroskop Tescan Vega 3 s SEM analyzátorem. Makroskopicky je výsledná setovaná vrstva celistvá, bez viditelných poruch či prasklin, dokonale kopíruje podkladní substrát a díky velmi malé tloušťce a průhlednosti těžko viditelná.
Analýza povrchu substrátu
Povrch podkladního substrátu je mechanicky neopracovaný s nerovnostmi po válcování. Povrch je možné vidět na obr. 1 při zvětšení 200x a na detailu při zvětšení 500x na obr. 2.
Analýza řezu substrátu
- 6 CZ 309669 B6
Na obr. 3 je metalografický výbrus základního materiálu bez povlaku v řezu při zvětšení 200x. Můžeme pozorovat oxidovou vrstvu na povrchu materiálu, která dosahuje tloušťky průměrně 10 až 20 pm. V detailu při zvětšení 500x na obr. 4 vlevo je vidět tloušťka oxidové vrstvy a koroze podkladního substrátu, která není v celé ploše vzorku, ale jen v určitých místech pro porovnání přilnavosti suspenze na zoxidovaný i částečně zkorodovaný povrch. Na obr. 4 vpravo je detail a tloušťka oxidové vrstvy ze SEM analýzy provedené na elektronovém rastrovacím mikroskopu.
Analýza povrchu vrstvy
SEM analýza povrchu suspenze je zobrazena na obr. 5 při různých zvětšeních. Výsledná vrstva je viditelně celistvá bez poškození, odlupků, puchýřů či prasklin a dokonale kopíruje podkladní povrch.
Analýza řezu vrstvy
Pro následné požární testy a analýzy byly vytvořeny dvě různé tloušťky geopolymerní vrstvy.
Tenká vrstva, tj. tloušťka vrstvy 5 až 10 pm
Na obr. 6 vlevo vidíme detail řezu geopolymerní vrstvy při zvětšení 500x. Lze pozorovat, že vrstva je celistvá a dokonale přilnutá k podkladnímu substrátu. Vpravo je naměřená tloušťka vrstvy, která má na snímku průměrně 6,8 pm. Obecně se tloušťka tenké vrstvy pohybuje mezi 5 pm a 10 pm, v případě tenké vrstvy.
Obr. 7 je SEM analýza vrstvy. Na obrázku vlevo je detail jednotlivých vrstev - podkladní ocelový substrát, oxidová vrstva a geopolymerní vrstva, kde lze vidět strukturu vrstvy a její dokonalé přilnutí k povrchu. Vpravo poté podobný snímek s naměřenou tloušťkou vrstvy.
Silná vrstva, tj. tloušťka vrstvy 10 až 30 pm.
Na dalším snímku obr. 8 je detail silné vrstvy při zvětšení 500x. Lze zde pozorovat opět dobré přilnutí vrstvy k podkladu a tloušťku vrstvy, která je v tomto případě 26,2 pm. Obecně se tloušťka silné vrstvy pohybuje v rozmezí 10 pm až 30 pm.
SEM analýza z obr. 9 potvrzuje velmi dobré propojení vrstvy a podkladního substrátu.
Následná lineární EDS analýza potvrdila složení vrstev, viz obr 10. Geopolymerní vrstvu lze potvrdit především dle přítomného obsahu hliníku a fosforu.
Tribologie
Tribologická měření byla provedena na přístroji UMT TriboLab od firmy Bruker. Gepolymer byl nanesen na předem připravená zkušební tělíska v podobě ocelového kotouče, která byla předupravena dle požadavků přístroje. Pro porovnání byl jako referenční vzorek zvolen kotouč bez geopolymerního povlaku.
Podmínky měření • Měřicí metoda: ball on disc.
• Celková doba měření: 10 min.
• Rychlost otáčení kotouče: 10 ot.min-1.
• Obvodová rychlost: 0,014 m.s-1.
• Celková měřená dráha: 8,2 m.
• Zatížení: 10 N.
- 7 CZ 309669 B6 • Teplota: 22 °C.
Výsledky měření • Čistá ocel
Koeficient tření: 0,1009.
Směrodatná odchylka: 0,0063.
• Geopolymerní suspenze - tenká vrstva
Koeficient tření: 0,0482.
Směrodatná odchylka: 0,0124.
Průběh koeficientu tření je patrný z grafu 1, kde modrá křivka značí čistou nepovlakovanou ocel a černá křivka je naměřený průběh pro ocel s povlakem geopolymerní suspenze.
Z naměřených hodnot koeficientu tření je vidět, že povlakovaná ocel má více než 2x nižší koeficient tření než čistá ocel bez povlaku. Na snímcích z laserového mikroskopu na obr. 11 je vidět stopa, kterou zanechala kulička po testu na Tribolabu. Její šířka je cca 250 pm a, jak je vidět ze snímků, je jen velmi málo znatelná, což značí, že nedošlo téměř k žádnému poškození povlaku a nedošlo ani k porušení povlaku na základní substrát, což značí i odolnost vůči opotřebení třením.
Naměřené hodnoty koeficientu tření, které jsou více než 2x nižší u povlakované součásti než u součásti bez povlaku, předurčují povlak k použití v aplikacích, které vyžadují snížení tření a zvýšení odolnosti proti opotřebení, např. pohyblivé strojní součásti strojů. Značné snížení tření a zvýšení otěruvzdornosti nátěru je způsobeno nanočásticemi oxidu hlinitého přidaného do směsi jako aditivum.
Požární testy otevřeným ohněm byly provedeny na obou tloušťkách vrstvy - tenká i silná, pro vzájemné porovnání a s referenčním nepovlakovaným vzorkem. Jako zdroj ohně byl použit propanbutanový hořák, jehož plamen byl namířen v určité vzdálenosti na stranu s geopolymerním nátěrem a na druhé straně byla měřena teplota, tj. měřicí termočlánek typu K. Výkon hořáku a teplota plamene byla regulována podle požadavku konkrétního testování.
a) Testování otevřeným ohněm
Bylo provedeno několik analýz pro různé teploty a výkony pro zjištění tepelné a požární odolnosti povlaku:
1) Výkon hořáku: nízký
Vzdálenost hořák - vzorek: 8 cm, doba testu: 4 min., dosažená teplota na nepovlakované straně: 530 °C.
2) Výkon hořáku: střední
Vzdálenost hořák - vzorek: 8 cm, doba testu: 6 min., dosažená teplota na nepovlakované straně: 620 °C.
3) Výkon hořáku: vysoký
Vzdálenost hořák - vzorek: 8 cm, doba testu: 15 min., dosažená teplota na nepovlakované straně: 800 °C.
4) Výkon hořáku: střední
- 8 CZ 309669 B6
Vzdálenost hořák - vzorek: 4 cm, doba testu: 30 min., dosažená teplota na nepovlakované straně: 850 °C.
5) Výkon hořáku: střední
Vzdálenost hořák - vzorek: 4 cm, doba testu: 60 min., dosažená teplota na nepovlakované straně: 850 °C.
b) Dlouhodobá tepelná zátěž
Jako doplňkový test byla zvolena dlouhodobí tepelná zátěž v kalicí peci s následujícími podmínkami: doba testu: 48 h, teplota: 500 °C.
a) Testování otevřeným ohněm
Výkon hořáku: nízký.
Vzdálenost hořák - vzorek: 8 cm, doba testu: 4 min., dosažená teplota na nepovlakované straně: 530 °C. Test byl zvolen pro analýzu prostupu tepla přes geopolymerní vrstvu a ocelový podklad při nižším tepelném výkonu, tj. nižší tepelné zatížení. Plamen hořáku byl namířen přímo na stranu s povlakem a na druhé straně vzorku byla zaznamenávána dosažená teplota v závislosti na čase pomocí termočlánku. Jak je vidět z grafu, průměrná dosažená teplota byla u vzorku s povlakem nižší než u referenčního nepovlakovaného vzorku. Výsledná dosažená teplota po 4 minutách byla u referenčního vzorku cca 530 °C. Vzorek s tenkou vrstvou geopolymeru dosáhl teploty cca 527 °C. Zajímavého výsledku dosáhl i vzorek se silnější vrstvou suspenze, který retardoval dosaženou teplotu lépe. Dosažená teplota po 4 minutách je cca 513 °C, což je snížení teploty o 17 °C oproti referenčnímu vzorku. Shrnutí dosažených průměrných výsledků ukazuje graf 2.
Na obr. 12 vidíme povrch vzorku s tenkou vrstvou geopolymerní suspenze po tepelné zátěži. Jak je vidět, nedošlo k žádnému poškození vrstvy, loupání či oprýskání, což dokazuje i 3D scan povrchu na obr. 13 vpravo a detail řezu vrstvy obr. 14.
Na obr. 15 je povrch se silnou vrstvou suspenze a obr. 16 vpravo ukazuje 3D scan povrchu. I zde lze pozorovat, že nedošlo k žádnému poškození adheze vrstvy k podkladu. Na obr. 17 je řez vrstvy, kde lze ověřit stále dokonalé přilnutí vrstvy k podkladnímu substrátu.
1) Výkon hořáku: střední.
Vzdálenost hořák - vzorek: 8 cm.
Doba testu: 6 min.
Dosažená teplota na nepovlakované straně: 620 °C.
Využití: analýza prostupu tepla, základní izolační vlastnosti povlaku.
Test byl jako v předchozím případě zvolen pro analýzu prostupu tepla přes geopolymerní vrstvu a ocelový podklad při vyšší tepelné zátěži, tj. vyšší výkon hořáku.
Shrnutí dosažených průměrných výsledků ukazuje graf 3.
Jak je vidět z grafu, opět byla průměrná dosažená teplota byla u vzorku s povlakem nižší než u referenčního nepovlakovaného vzorku. Výsledná dosažená teplota po 6 minutách byla u referenčního vzorku cca 619 °C. Vzorek s tenkou vrstvou geopolymeru dosáhl teploty cca 616 °C a vzorek se silnější vrstvou suspenze poté cca 614 °C, což je snížení teploty o 5 °C oproti referenčnímu vzorku.
- 9 CZ 309669 B6
Na obr. 18 vidíme povrch vzorku s tenkou vrstvou suspenze po tepelné zátěži. Ani při vyšší tepelné zátěži a vyšší teplotě nedošlo k žádnému poškození vrstvy. Na obr. 19 vpravo je 3D scan povrchu. Na obr. 20 poté detail vrstvy v řezu, a i zde lze pozorovat, že nedošlo k žádnému poškození adheze vrstvy k podkladu.
Na obr. 21 je povrch se silnou vrstvou suspenze a na obr. 22 vpravo je 3D scan povrchu. Opět ani zde není patrné poškození vrstvy přímým ohněm s vyšší teplotou. Neporušení celistvosti a přilnavosti vrstvy lze pozorovat i na detailu řezu vrstvy z obr. 23.
2) Výkon hořáku: vysoký.
Vzdálenost hořák - vzorek: 8 cm.
Doba testu: 15 min.
Dosažená teplota na nepovlakované straně: 800 °C.
Využití: test protipožární odolnosti.
Pro další test byl zvolen vysoký výkon hořáku, aby teplota na zadní nepovlakované straně dosáhla minimálně: 800 °C, a to po dobu 15 min. z důvodu testování protipožární odolnosti.
Z obr. 24, kde je povrch vzorku s tenkou vrstvou geopolymeru, je patrné, že ani při velmi vysokém výkonu hořáku a vysoké teplotě nedošlo k porušení integrity vrstvy.
Obr. 25 ukazuje povrch vzorku se silnou vrstvou a jako v předešlém případě je vidět, že povlak odolal tepelné zátěži a nedošlo k odlupování či popraskání, což detailně dokazuje i další obr. 26 spolu s detailem vrstvy v řezu a 3D scanem vpravo.
Následující testy byly zvoleny pro zjištění dlouhodobé tepelné odolnosti otevřeným ohněm. Byla snížena vzdálenost hořáku od povlaku a tím zvýšena teplota plamene ovlivňující povlak. Byla zvýšena doba testování na 30 min a 60 min, jelikož některé protipožární aplikace vyžadují déle delší dobu ochrany.
3) Výkon hořáku: střední.
Vzdálenost hořák - vzorek: 4 cm.
Doba testu: 30 min.
Dosažená teplota na nepovlakované straně: 850 °C.
Využití: dlouhodobý test protipožární odolnosti, tj. vyšší teplota.
Z obr. 27, na kterém je referenční vzorek bez povlaku, je patrná silně ovlivněná oblast.
Na dalším obr. 28, kde vidíme vzorek s tenkou vrstvou geopolymeru. Nedošlo k žádnému poškození vrstvy popraskáním či odloupnutím, mírné poškození v pravé části vzorku je způsobeno nečistotou na povrchu substrátu při aplikaci suspenze, či odpaření vrstvy a vrstva je na vzorku stále patrná, přičemž lze pozorovat jemné linky způsobené štětcem při natírání.
Obr. 29 ukazuje vzorek se silnou vrstvou suspenze. Tepelně ovlivněná oblast je patrná. K poškození vrstvy nedošlo a je na vzorku stále dobře viditelná - usměrněná struktura po nátěru.
Výkon hořáku: střední.
Vzdálenost hořák - vzorek: 4 cm.
Doba testu: 60 min.
Dosažená teplota na nepovlakované straně: 850 °C.
Využití: dlouhodobý test protipožární odolnosti, tj. vyšší teplota.
Referenční vzorek po 60 min tepelné zátěže vidíme na obr. 30.
- 10 CZ 309669 B6
Na obr. 31 vidíme vzorek s tenkou vrstvou geopolymeru. Ani zde po 60 min nedošlo k poškození geopolymerního povlaku a povlak stále vykazuje velmi dobrou přilnavost k podkladnímu substrátu.
U vzorku se silnou vrstvou geopolymeru z obr. 32 je situace obdobná a nelze pozorovat žádné viditelné poškození. Vrstva je na vzorku stále velmi dobře patrná s velmi dobrou adhezí k povrchu substrátu.
Dlouhodobé testy tepelné zátěže otevřeným ohněm po dobu 30 min. a 60 min. potvrdily výbornou odolnost otevřenému ohni, kdy ani po 60 min. nedošlo k viditelné destrukci povlaku. Povlak není popraskaný ani nedošlo k žádnému odprýsknutí či loupání vrstvy. Dále i po 60 min. vystavení otevřenému ohni nevykazuje povlak ztrátu adheze k podkladnímu substrátu. Lze tedy předpokládat, že doba potřebná k destrukci povlaku otevřeným ohněm bude mnohonásobně vyšší a bude zapotřebí i vyšší dosažené teploty.
b) Dlouhodobá tepelná zátěž
Doba testu: 48 h.
Teplota: 500 °C.
Využití: dlouhodobý test odolnosti proti tepelné zátěži.
Test byl proveden v kalicí peci, kdy byly napovlakované vzorky s tenkou vrstvou geopolymeru zahřáty během 2 h na teplotu 500 °C a poté následovala výdrž na této teplotě po dobu 48 h. Jak je vidět z obr. 33, povlak odolal i velmi dlouhé době tepelné zátěže při vysoké teplotě. Došlo k určitému zmatnění vzhledu povrchu povlaku, ale integrita a přilnavost zůstala beze změn. Nelze pozorovat praskliny ani odlupování povlaku.
Průmyslová využitelnost
Kompozity s upraveným povrchem lze použít pro snížení adheze povrchu oceli při vysokoteplotních aplikacích, teplotní a korozní ochrana kovových konstrukcí proti teplotě ve stavebnictví a strojírenství atd.
Claims (4)
1. Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky, vyznačující se tím, že obsahuje 20 až 25 % hmotn. vodného roztoku 80 až 90 procentní kyseliny fosforečné, 25 % hmotn. 5 hlinitokřemičitanu, 4,6 až 5,2 % hmotn. grafitu, 5 až 7 % hmotn. nanočástic oxidu hlinitého s velikostí do 90 nm a zbytek izopropylalkohol.
2. Geopolymerní suspenze podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlinitokřemičitan je plavený kaolin a/nebo metakaolin.
3. Geopolymerní suspenze podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že poměr množství kyseliny 10 fosforečné k množství hlinitokřemičitanu je 1,1 až 1,35.
4. Způsob přípravy geopolymerní suspenze podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že do 100 ml izopropylalkoholu se přidá vodný roztok 80 až 90 procentní kyseliny fosforečné a za míchání při laboratorní teplotě po dobu 8 až 15 min. se postupně přidává hlinitokřemičitan, a po 9 až 15 min. se za míchání jednorázově přidá grafit a nanočástice oxidu hlinitého s velikostí do 15 90 μm jako aditivum a výsledná směs se homogenizuje dalších 18 až 25 min.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-137A CZ309669B6 (cs) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsob její výroby |
| PCT/IB2022/053799 WO2023187456A1 (en) | 2022-03-28 | 2022-04-24 | Geopolymer suspension containing nanoparticles for heat-resistant coatings and method of the production thereof |
| GB2304475.3A GB2619150B (en) | 2022-03-28 | 2023-03-27 | Geopolymer suspension containing nanoparticles for heat-resistant coatings and method of the production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-137A CZ309669B6 (cs) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsob její výroby |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2022137A3 CZ2022137A3 (cs) | 2023-04-26 |
| CZ309669B6 true CZ309669B6 (cs) | 2023-06-28 |
Family
ID=86053558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2022-137A CZ309669B6 (cs) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsob její výroby |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ309669B6 (cs) |
| GB (1) | GB2619150B (cs) |
| WO (1) | WO2023187456A1 (cs) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2015238291A1 (en) * | 2014-03-27 | 2016-10-06 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Method for producing a macroporous and mesoporous geopolymer, with controlled porosity |
| CN111118490A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-08 | 浙江大学 | 一种耐高温高粘结性能地聚物金属防腐蚀涂层及其制备方法 |
| CN113831102A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-24 | 湖南工业大学 | 连续玄武岩纤维增强磷酸基地质聚合物复合材料及其制备方法 |
| CN114409286A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-29 | 武汉大学 | 一种超疏水磷酸基地质聚合物的制备方法 |
| CZ309317B6 (cs) * | 2021-03-05 | 2022-08-17 | Univerzita J. E. Purkyně V Ústí Nad Labem | Geopolymerní suspenze a způsob její přípravy |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113969070B (zh) * | 2020-10-23 | 2022-10-21 | 深圳优易材料科技有限公司 | 一种用于锅炉管护瓦的涂料及其制备方法和应用 |
-
2022
- 2022-03-28 CZ CZ2022-137A patent/CZ309669B6/cs unknown
- 2022-04-24 WO PCT/IB2022/053799 patent/WO2023187456A1/en unknown
-
2023
- 2023-03-27 GB GB2304475.3A patent/GB2619150B/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2015238291A1 (en) * | 2014-03-27 | 2016-10-06 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Method for producing a macroporous and mesoporous geopolymer, with controlled porosity |
| CN111118490A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-08 | 浙江大学 | 一种耐高温高粘结性能地聚物金属防腐蚀涂层及其制备方法 |
| CZ309317B6 (cs) * | 2021-03-05 | 2022-08-17 | Univerzita J. E. Purkyně V Ústí Nad Labem | Geopolymerní suspenze a způsob její přípravy |
| CN113831102A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-24 | 湖南工业大学 | 连续玄武岩纤维增强磷酸基地质聚合物复合材料及其制备方法 |
| CN114409286A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-29 | 武汉大学 | 一种超疏水磷酸基地质聚合物的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DJOBO JEAN NOËL YANKWA, NKWAJU RACHEL YANOU: "Preparation of acid aluminum phosphate solutions for metakaolin phosphate geopolymer binder", RSC ADVANCES, vol. 11, 30 September 2021 (2021-09-30), XP093098605, ISSN: 2046-2069, DOI: 10.1039/D1RA05433C * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB202304475D0 (en) | 2023-05-10 |
| CZ2022137A3 (cs) | 2023-04-26 |
| GB2619150A (en) | 2023-11-29 |
| WO2023187456A1 (en) | 2023-10-05 |
| GB2619150B (en) | 2024-09-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rai et al. | CMAS‐resistant thermal barrier coatings (TBC) | |
| Parkhill et al. | Application and evaluation of environmentally compliant spray-coated ormosil films as corrosion resistant treatments for aluminum 2024-T3 | |
| Voevodin et al. | Investigation of corrosion protection performance of sol–gel coatings on AA2024-T3 | |
| Agüero et al. | Aluminum slurry coatings to replace cadmium for aeronautic applications | |
| BRPI0708250A2 (pt) | revestimentos antifricção, métodos de produção de tais revestimentos e produtos incluindo tais revestimentos | |
| Kane et al. | Evaluating steam oxidation kinetics of environmental barrier coatings | |
| US20110053275A1 (en) | Corrosion Detection Product and Method | |
| Ryabova et al. | Glass-enamel corrosion-resistant coatings for steel pipelines | |
| JP2011137231A (ja) | 高強度鋼タービン部品の腐食を防ぐ方法 | |
| AU2012388699A1 (en) | Additives for self-regeneration of epoxy coatings | |
| CZ309669B6 (cs) | Geopolymerní suspenze s nanočásticemi pro tepelně odolné povlaky a způsob její výroby | |
| CZ309317B6 (cs) | Geopolymerní suspenze a způsob její přípravy | |
| Sugama et al. | Anti-silica fouling coatings in geothermal environments | |
| Peng et al. | Effects of surface coating preparation and sliding modes on titanium oxide coated titanium alloy for aerospace applications | |
| Hong et al. | Internal friction behavior of C/SiC composites with environmental barrier coatings in corrosive environment | |
| Kumaraguru et al. | Development of an electroless method to deposit corrosion-resistant silicate layers on metallic substrates | |
| KR102114851B1 (ko) | 스테인리스 강재의 고착방지를 위한 코팅용 조성물 및 그 조성물을 이용한 열확산 코팅방법 | |
| Aufray et al. | Practical adhesion measurements of protective coatings on bronze by three-point bending test | |
| CA2727685C (en) | Method for coating a metal surface with a hybrid layer | |
| Merati et al. | The effect of atmospheric plasma paint stripping on the fatigue crack growth properties of aluminium substrates | |
| Deshpande et al. | Effect of heat treatment on corrosion behavior of nodular (spheroidal graphite) cast iron using electrochemical tests in biodiesel environments | |
| EP4284963A1 (en) | Geopolymer suspension and method of the preparation thereof | |
| Mrdak et al. | Testing adhesive bond strength and fracture mechanisms of thicker and porous plasma spray coatings | |
| Ji et al. | Study and prediction for the fire resistance of acid corroded intumescent coating | |
| Merati et al. | Effect of Alternative Paint Stripping Processes on the Fatigue Performance of Aluminium Alloys-Atmospheric Plasma De-painting |