RU2790265C2

RU2790265C2 - Method for application of protective coating of polyurethane to products of carbon composite

Info

Publication number: RU2790265C2
Application number: RU2020144000A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Нелюб; Максим Андреевич Орлов; Александр Николаевич Калинников; Иван Павлович Сторожук; Алексей Сергеевич Бородулин; Вячеслав Владимирович Богачёв; Ирина Александровна Поликарпова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СЕВЕРМАШ" (ООО "СЕВЕРМАШ")
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2023-02-15

Abstract

FIELD: material processing.

SUBSTANCE: present invention relates to a method for application of a protective composition of polyurethane to products of carbon composite; it can be used in the application of a composition to increase a service life of products of carbon composite, when operating under extreme conditions. The method includes mixing of components A and B of a two-component polyurethane system by quantitative transfer of the component B to the component A at a ratio of 1:5, dissolution with a solvent, preparation of a surface of a product of carbon composite by processing with fine-grained sandpaper, spraying of at least one layer of the protective composition on the entire surface of the product, drying of the protective composition, at least one flaw detection, and additional polymerization. The component A of the polyurethane system consists of prepolymer based on polyester and toluene diisocyanate, and technical carbon, which is fine-dispersed powder, moisture content in which is no more than 3% of the weight. The component B consists of an amine hardener of urethane polymers, liquid low-molecular polyethylene glycol, and diethyl toluene diamine.

EFFECT: invention provides for an increase in a service life of products of carbon composite, as well as increase in the efficiency of processing of the surface during the application of the protective composition.

1 cl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к способу нанесения защитного состава из полиуретана на изделия из углекомпозита, и может быть использовано при нанесении состава с целью увеличения срока службы изделий из углекомпозита при работе в экстремальных условиях.The invention relates to a method for applying a protective composition of polyurethane to products made of carbon composite, and can be used when applying the composition in order to increase the service life of products made of carbon composite when working in extreme conditions.

Уровень техникиState of the art

Настоящее изобретение относится к способам нанесения защитных покрытий на изделия, в частности из углекомпозита.The present invention relates to methods for applying protective coatings to products, in particular from carbon composite.

Из уровня техники известно техническое решение по патенту №RU 2669672 «Способ нанесения покрытий на металлические поверхности субстратов и изделия с нанесенными по данному способу покрытиями», правообладатель - Chemetall GmbH (ХЕМЕТАЛЛ ГМБХ), Германия, которое относится к нанесению органического покрытия на металлические поверхности субстратов. Способ включает подготовку субстрата, его контактирование с водной композицией в форме дисперсии для нанесения органического покрытия и сушку и/или обжиг органического покрытия. При этом используют водную композицию в форме дисперсии, содержащую комплексный фторид, выбранный из группы, состоящей из гекса- или тетрафторидов титана, циркония, гафния, кремния, алюминия и/или бора в количестве от 1,1-10-6 моль/л до 0,30 моль/л, в пересчете на катионы. Используют анион-стабилизированную дисперсию из пленкообразующих полимеров с содержанием твердых веществ от 2 до 40 мас. % и средним размером частиц от 10 до 1000 нм, стабильную при рН от 0,5 до 7,0, к которой добавляют по меньшей мере один анионный полиэлектролит в количестве от 0,01 до 5,0 мас. % в пересчете на общую массу конечной смеси. Причем водная композиция образует органическое покрытие на основе ионогенного геля, который связывает катионы, выделенные растворением из металлической поверхности, или катионы, образованные на стадии предварительной обработки и/или при приведении в контакт металлической поверхности с упомянутой водной композицией.From the prior art, a technical solution is known according to patent No. RU 2669672 "Method of applying coatings to metal surfaces of substrates and products coated by this method", the copyright holder is Chemetall GmbH (CHEMETALL GMBH), Germany, which relates to the application of an organic coating on metal surfaces of substrates . The method includes preparing a substrate, contacting it with an aqueous composition in the form of an organic coating dispersion, and drying and/or firing the organic coating. In this case, an aqueous composition is used in the form of a dispersion containing a complex fluoride selected from the group consisting of hexa- or tetrafluorides of titanium, zirconium, hafnium, silicon, aluminum and/or boron in an amount of from 1.1-10-6 mol/l to 0.30 mol/l, calculated as cations. Use an anion-stabilized dispersion of film-forming polymers with a solids content of from 2 to 40 wt. % and an average particle size of 10 to 1000 nm, stable at pH 0.5 to 7.0, to which at least one anionic polyelectrolyte is added in an amount of 0.01 to 5.0 wt. %, based on the total weight of the final mixture. Moreover, the aqueous composition forms an organic coating based on an ionic gel, which binds the cations released by dissolution from the metal surface, or the cations formed at the stage of pre-treatment and/or by bringing the metal surface into contact with the said aqueous composition.

Еще одним схожим по назначению изобретением является техническое решение. Раскрытое в патенте №RU 2566779, правообладатель - Borealis AG (БОРЕАЛИС АГ), Австрия.Another similar invention is a technical solution. Disclosed in patent No. RU 2566779, the copyright holder is Borealis AG (BOREALIS AG), Austria.

Изобретение относится к способу соединения стальных труб с полимерным покрытием, включающему стадии получения сегментов трубы с полимерным покрытием, не содержащих покрытие на обоих концах; стадии сварки сегментов трубы с полимерным покрытием; нанесение отверждаемого полимера (А) на не содержащую покрытие зону сварных сегментов трубы с получением первого слоя покрытия; и нанесение полимерной композиции (В) на первый слой покрытия с получением верхнего слоя покрытия с толщиной от 0,5 до 10 мм, в котором полимерная композиция (В) имеет скорость течения расплава СТР2 в диапазоне от 1,0 до 6,0 г/10 мин, измеренная согласно ISO 1133 при температуре 190°С и нагрузке 2,16 кг, и включает в качестве основного компонента полимер, состоящий из (В-1) неэластомерного полиэтилена в количестве от 60 до 85 мас. % от общей массы композиции, который получают с помощью катализатора с единым центром полимеризации, и (В-2) эластомера, включающего сополимер этилена и по меньшей мере один полярный сомономер, при этом компонент (В-1) или компоненты (В-1) и (В-2) привиты с помощью кислотного прививающего агента. Также изобретение относится к применению композиции (В) в качестве верхнего слоя покрытия толщиной от 0,5 до 10 мм, который используется для покрытия стальной трубы в зоне сварных швов, а также к способу покрытия стальной трубы и применению полимерной композиции (В) для покрытия зоны сварных швов стальной трубы или самих стальных труб. Покрытие обладает сильной адгезией к поверхности и имеет хорошие механические свойства.The invention relates to a method for joining polymer-coated steel pipes, comprising the steps of obtaining polymer-coated pipe segments that are uncoated at both ends; stages of welding pipe segments with a polymer coating; applying a curable polymer (A) to an uncoated area of the welded pipe segments to form a first coating layer; and applying the polymer composition (B) to the first coating layer to obtain a top coating layer with a thickness of 0.5 to 10 mm, in which the polymer composition (B) has a melt flow rate MFR2 in the range of 1.0 to 6.0 g/ 10 min, measured according to ISO 1133 at a temperature of 190°C and a load of 2.16 kg, and includes as the main component a polymer consisting of (B-1) non-elastomeric polyethylene in an amount of from 60 to 85 wt. % of the total weight of the composition, which is obtained using a catalyst with a single polymerization site, and (B-2) an elastomer comprising an ethylene copolymer and at least one polar comonomer, while component (B-1) or components (B-1) and (B-2) grafted with an acidic grafting agent. The invention also relates to the use of composition (B) as a top coating layer with a thickness of 0.5 to 10 mm, which is used to cover a steel pipe in the area of welds, as well as to a method for coating a steel pipe and using a polymer composition (B) for coating areas of welded seams of a steel pipe or the steel pipes themselves. The coating has strong adhesion to the surface and good mechanical properties.

За аналог заявленного изобретения примем патент №RU 2680400 немецкой компании BASF Coatings GmbH (БАСФ КОАТИНГС ГМБХ). Изобретение относится к способу получения многослойного покрытия (М) на основе (S), а также к многослойным покрытиям и к их применению. Способ включает следующие стадии: обеспечение грунтового покрытия на основе (S) путем нанесения водного материала грунтового покрытия на основу, причем материал грунтового покрытия является двухкомпонентной композицией покрытия, и обеспечение прозрачного покрытия непосредственно поверх грунтового покрытия путем нанесения материала водного прозрачного покрытия непосредственно на грунтовое покрытие, причем материал прозрачного покрытия является двухкомпонентной композицией покрытия. Указанная двухкомпонентная композиция покрытия включает компонент связующего и отверждающий компонент. Компонент связующего включает по меньшей мере одну полиуретановую смолу, имеющую гидроксильное число от 15 до 100 мг КОН/г и кислотное число от 10 до 50 мг КОН/г, по меньшей мере одну водную дисперсию, включающую воду и фракцию полиуретановой смолы, состоящую из по меньшей мере одной полиуретановой смолы, где фракция полиуретановой смолы имеет гелевую фракцию, доля которой составляет по меньшей мере 50%, стеклование которой происходит при температуре менее -20°С, а связанный с плавлением переход происходит при температуре менее 100°С, и по меньшей мере один окрашивающий и/или обеспечивающий эффект пигмент. Отверждающий компонент включает по меньшей мере один гидрофильно модифицированный полиизоцианат с содержанием изоцианата от 8 до 18%. Многослойные покрытия, полученные указанным способом, обладают хорошими оптическими качествами, высокой механической устойчивостью и гибкостью, а также устойчивы к внешним механическим воздействиям.For an analogue of the claimed invention, we will take patent No. RU 2680400 of the German company BASF Coatings GmbH (BASF COATINGS GMBH). The invention relates to a method for producing a multilayer coating (M) based on (S), as well as to multilayer coatings and their application. The method includes the following steps: providing a ground coat on a base (S) by applying an aqueous ground coat material to the base, wherein the ground coat material is a two-component coating composition, and providing a clear coat directly on top of the ground coat by applying a water clear coat material directly to the ground coat, wherein the clear coat material is a two-component coating composition. Said two-component coating composition includes a binder component and a curing component. The binder component includes at least one polyurethane resin having a hydroxyl number of 15 to 100 mg KOH/g and an acid number of 10 to 50 mg KOH/g, at least one aqueous dispersion comprising water and a polyurethane resin fraction consisting of at least one polyurethane resin, where the polyurethane resin fraction has a gel fraction, the proportion of which is at least 50%, the glass transition of which occurs at a temperature of less than -20°C, and the melt-related transition occurs at a temperature of less than 100°C, and at least at least one coloring and/or effecting pigment. The curing component includes at least one hydrophilically modified polyisocyanate with an isocyanate content of 8 to 18%. Multilayer coatings obtained by this method have good optical properties, high mechanical stability and flexibility, and are also resistant to external mechanical influences.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат заключается в увеличении срока службы изделий из углекомпозита, а также в повышении эффективности обработки поверхности при нанесении защитного состава.The technical result consists in increasing the service life of products made of carbon composite, as well as in increasing the efficiency of surface treatment when applying a protective composition.

Технический результат достигается тем, что на изделия из углекомпозита наносится состав методом напыления. Опытным путем было подтверждено, что такой метод позволяет получать равномерные по толщине покрытия без потеков и наплывов, способ технологичен и имеет высокую производительность. Также завершающими этапами нанесения защитного состава являются дефектоскопия, позволяющая устранить визуальные дефекты, и дополнительная полимеризация, за счет которой испаряются остатки растворителя и достигается окончательная полимеризация защитного покрытия. После полного высыхания состава обработанное изделие из углекомпозита увеличивает срок своей службы при условии соблюдения порядка операций в способе нанесения защитного состава.The technical result is achieved by the fact that the composition is applied to the products made of carbon composite by spraying. It was experimentally confirmed that this method allows obtaining coatings of uniform thickness without streaks and sags, the method is technologically advanced and has high productivity. Also, the final stages of applying the protective composition are flaw detection, which allows to eliminate visual defects, and additional polymerization, due to which the solvent residues evaporate and the final polymerization of the protective coating is achieved. After complete drying of the composition, the processed product from the carbon composite increases its service life, provided that the order of operations in the method of applying the protective composition is observed.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

Компонент А получают перемешиванием в течение 15 минут 831,3 г преполимера на основе простого полиэфира и толуилендиизоцианата (ТДИ), представляющего собой твердую белую массу и переходящего в прозрачную жидкость при температуре выше +30°С, вязкость которой составляет 6,5±2 Па⋅с, и содержание NCO - 6.0±0.3% от массы, заранее разогретого в течение 7 часов при температуре 50-60°С, и 1,7 г технического углерода, представляющего собой мелкодисперсный порошок черного цвета с содержанием влаги не более 3%масс, при этом придерживаясь частоты перемешивания -60 об/мин. После чего полученный продукт плотно закрывают крышкой и держат в термошкафу или термокамере при 50-60°С до начала смешивания с компонентом Б.Component A is obtained by stirring for 15 minutes 831.3 g of a prepolymer based on polyether and toluene diisocyanate (TDI), which is a solid white mass and turns into a transparent liquid at a temperature above +30 ° C, the viscosity of which is 6.5 ± 2 Pa ⋅s, and the content of NCO - 6.0 ± 0.3% by weight, preheated for 7 hours at a temperature of 50-60 ° C, and 1.7 g of carbon black, which is a fine black powder with a moisture content of not more than 3% by weight , while maintaining a mixing frequency of -60 rpm. After that, the resulting product is tightly closed with a lid and kept in an oven or heat chamber at 50-60°C until mixing with component B.

Компонент Б получают перемешиванием с помощью стеклянной или металлической палочки 116,9 г аминного отвердителя преполимера, представляющего собой гранулы от желтого до желто-серого цвета с температурой плавления 103°С и массовой долей воды не более 0,35%масс, 48,4 г жидкого низкомолекулярного полиэтиленгликоля с массовой долей воды не более 0,5% масс, и потерей массы при сушке не более 3% масс, и 1,7 г жидкого отвердителя эпоксидных смол (диэтилтолуолдиамин), представляющего собой прозрачную жидкость желтоватого цвета с температурой плавления -15°С, до однородной массы. После чего помещают в термошкаф с температурой 155°С на 25-30 минут. После прогрева массы до 145-155°С нижний слой аминного отвердителя преполимера плавится, и образуется двухслойная жидкая система. Содержимое емкости тщательно перемешивают в течение 15 мин (частоты перемешивания - 60 об/мин) до получения однородного раствора желто-коричневого цвета, плотно закрывают крышку и переносят в термошкаф или термокамеру с температурой 50-60°С.Component B is obtained by mixing with a glass or metal rod 116.9 g of an amine prepolymer hardener, which is granules from yellow to yellow-gray in color with a melting point of 103 ° C and a mass fraction of water of not more than 0.35% mass, 48.4 g liquid low molecular weight polyethylene glycol with a mass fraction of water of not more than 0.5% mass, and a weight loss upon drying of not more than 3% mass, and 1.7 g of a liquid epoxy resin hardener (diethyltoluene diamine), which is a transparent yellowish liquid with a melting point of -15 °C, until smooth. Then they are placed in an oven with a temperature of 155°C for 25-30 minutes. After heating the mass to 145-155°C, the lower layer of the amine hardener of the prepolymer melts and a two-layer liquid system is formed. The contents of the container are thoroughly mixed for 15 minutes (stirring frequency - 60 rpm) until a homogeneous yellow-brown solution is obtained, the lid is tightly closed and transferred to a heating cabinet or a heating chamber with a temperature of 50-60°C.

Смешивают компоненты А и Б при температуре 50-60°С путем количественного переноса компонента Б в емкость с компонентом А в соотношении 1:5. Смесь компонентов А и Б тщательно перемешивают 20 мин до получения теплого однородного раствора. Придерживаться частоты перемешивания 60 об/мин.Components A and B are mixed at a temperature of 50-60°C by quantitative transfer of component B into a container with component A in a ratio of 1:5. The mixture of components A and B is thoroughly mixed for 20 minutes until a warm homogeneous solution is obtained. Adhere to a mixing frequency of 60 rpm.

Для снижения вязкости защитного состава под распыление пневматическим распылителем к смеси А+Б добавляют растворитель Р4 в соотношении 1:1. В результате получают готовый к распылению раствор реакционной смеси. Время жизни такого раствора составляет не менее 1,5 часов в зависимости от температуры окружающей среды, при большем времени выдержки раствор желируется и уже не подлежит распылению.To reduce the viscosity of the protective composition for spraying with a pneumatic sprayer, solvent P4 is added to the A + B mixture in a ratio of 1: 1. The result is a solution of the reaction mixture ready for spraying. The life time of such a solution is at least 1.5 hours, depending on the ambient temperature, with a longer exposure time, the solution gels and is no longer subject to spraying.

Далее поверхность изделия из углепластика обрабатывают при помощи мелкозернистой наждачной бумаги, стараясь не углубляться в тело изделия, чтобы не повредить армирующие волокна. Для обработки защищаемой поверхности изделия из углепластика используют мелкозернистую наждачную бумагу с размером зерен от 7 до 20 мкм. Обработанную наждачной бумагой поверхность изделия очищают от пыли с помощью новой белой хлопчатобумажной ткани (бязь), смоченной ацетоном.Next, the surface of the carbon fiber product is treated with fine-grained sandpaper, trying not to go deep into the body of the product so as not to damage the reinforcing fibers. To process the protected surface of a carbon fiber product, fine-grained sandpaper with a grain size of 7 to 20 microns is used. The surface of the product treated with sandpaper is cleaned of dust using a new white cotton cloth (coarse calico) moistened with acetone.

Изделие под напыление располагается так, чтобы обеспечить свободный доступ ко всей рабочей поверхности, при этом минимизируя площадь опоры. Настраивают подходящее раскрытие факела из капель раствора и переходят к обработке изделия со всех сторон в соответствии с ГОСТ 8832-76 (ИСО 1514-84) Материалы лакокрасочные. Методы получения лакокрасочного покрытия для испытания (с Изменениями N 1, 2, 3)). Сжатый воздух должен соответствовать требованиям ГОСТ 9.010-80.The product to be sprayed is positioned so as to provide free access to the entire work surface, while minimizing the footprint. Set up a suitable opening of the torch from the drops of the solution and proceed to the processing of the product from all sides in accordance with GOST 8832-76 (ISO 1514-84) Paint and varnish materials. Methods for obtaining a paint coating for testing (with Changes N 1, 2, 3)). Compressed air must comply with the requirements of GOST 9.010-80.

Струю напыляемого материала направляют перпендикулярно к окрашиваемой поверхности, производя перекрестное нанесение материала путем перемещения краскораспылителя с равномерной скоростью до 1 м/с вдоль и поперек этой поверхности и параллельно ей. Испытуемый материал наносят равномерным слоем необходимой толщины без пропусков и потеков.The jet of sprayed material is directed perpendicular to the surface to be painted, making a cross application of the material by moving the paint sprayer at a uniform speed up to 1 m/s along and across this surface and parallel to it. The test material is applied in a uniform layer of the required thickness without gaps or streaks.

Затем изделие помещают в термошкаф с температурой 60°С на 30 минут. Затем повторно напыляют защитный состав, соблюдая те же условия, и заново помещают в термошкаф с температурой 60°С еще на 30 минут.Then the product is placed in an oven with a temperature of 60°C for 30 minutes. Then the protective composition is re-sprayed, observing the same conditions, and again placed in an oven with a temperature of 60 ° C for another 30 minutes.

Затем проводится дефектоскопия - органолептическим методом осматривается изделие на предмет наличия дефектов в защитном слое. При выявлении дефектов (раковина от пузырька воздуха или контакта с опорной сеткой) их следует обработать раствором защитного состава при помощи кисти.Then flaw detection is carried out - the product is examined by the organoleptic method for the presence of defects in the protective layer. If defects are detected (a sink from an air bubble or contact with a support grid), they should be treated with a solution of a protective composition using a brush.

Заключительным этапом является помещение обрабатываемого изделия из углекомпозита с защитным покрытием в термошкаф с температурой 60°С на 3 суток для испарения остатков растворителя и достижения окончательной полимеризации защитного покрытия.The final stage is the placement of the workpiece made of carbon composite with a protective coating in an oven at a temperature of 60°C for 3 days to evaporate the solvent residues and achieve the final polymerization of the protective coating.

Claims

A method for applying a protective compound, which is a two-component polyurethane system of type A + B, in which component A consists of a prepolymer based on polyether and toluene diisocyanate, which is a white solid mass that turns into a transparent liquid at a temperature above +30 ° C, the viscosity of which is 6.5 ± 2 Pa⋅s, and the content of NCO is 6.0 ± 0.3% by weight, and technical carbon, which is a fine black powder and the moisture content in which is not more than 3% by weight, and component B consists of a urethane hardener prepolymer, which is an amine hardener for urethane polymers, namely a powder from yellow to yellow-gray, and having a melting point of +103 ° C, liquid low molecular weight polyethylene glycol, the mass fraction of water of which is not more than 0.5% by weight, weight loss during drying which is not more than 3% by weight, and a liquid hardener for epoxy resins, which is diethyltoluene diamine, which is I am a transparent yellowish liquid with a melting point of -15 ° C, mixed by quantitative transfer of component B to component A in a ratio of 1: 5 and further diluted with a solvent, on carbon fiber products, consisting in the fact that first a protective composition is prepared and the surface is prepared carbon composite products by processing with fine-grained sandpaper, then at least one layer of protective composition is sprayed onto the entire surface, it is dried, after which at least one flaw detection and additional polymerization are carried out.