TW202307143A - 吸水性導電組合物及其作為用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器的用途 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種吸水性導電組合物，其包括a)水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂；b)導電填料；及c)溶劑。根據本發明之吸水性導電組合物可用作用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器。
Description
本發明係關於一種吸水性導電組合物，其包括水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂，及該組合物作為用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器的用途。
保護性塗層係用於保護工廠資產例如泵、熱交換器、儲存罐、管道、滑槽等免受化學品、磨損及環境腐蝕等惡劣環境的影響。保護性塗層將該資產壽命延長數年，然而，隨著在惡劣工作條件(溫度、濕度、化學蝕刻及磨損)下連續操作，隨著時間流逝，保護性塗層亦將開始破裂、侵蝕及從母基板上分層而失去性能。一旦塗層開始失效，母基板直接暴露於惡劣工作環境且變得脆弱。基板開始腐蝕及/或侵蝕及失去其壁厚，此可導致該資產之運作效率降低或導致設備故障，造成計劃外停機時間。計劃外停機時間導致生產率降低。設備維修延誤增加突發故障之風險，其亦危及工人之安全。
有時，塗層之侵蝕係可見的且容易偵測，然而，情況並非始終如此。此外，該偵測取決於使用塗層材料之位置，有時位置係無法藉由眼睛偵測的。為了生產率及效率，在許多加工工業設備中監測操作條件例如流量、溫度、壓力等。然而，連續監測罐、管道、螺旋槳等內部之塗層係不可能的，且塗層之侵蝕及或腐蝕行為及時間係未知的。當前方法係基於工廠管理者之經驗或基於歷史資料，然而其不基於預測性維護。根據當前實務，在許多行業之年度工廠停機時觀察資產條件，此時一些資產已損壞且需要更換，此產生高成本。若進行預測性維護，則此本可避免。
因此，為了在維持高生產率之同時延長資產壽命，需要開發感測材料以感測及監測塗層性能，以便可藉由早期偵測及適當及時之測量防止故障。
本發明係關於一種吸水性導電組合物，其包括a)水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂；b)導電填料；及c)溶劑。
本發明亦係關於一種根據本發明之吸水性導電組合物之固化產物。
本發明涵蓋一種吸水性導電組合物或根據本發明之固化產物作為用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器的用途。
在以下段落中更詳細地描述本發明。如此描述之各態樣可與任何其他(若干)態樣組合，除非明確指示相反。特別地，經指示為較佳或有利之任何特徵可與經指示為較佳或有利之任何其他(若干)特徵組合。
在本發明之內文中，除非內文另有規定，否則應根據以下定義解釋所使用之術語。
如本文中所用，除非內文另有明確規定，否則單數形式「一」、「一個」及「該」包含單數及複數個指示物兩者。
如本文中所用，術語「包括」(comprising/comprises/comprised of)與「包含」(including/includes)或「含有」(containing/contains)同義，且係包容性或開放性的，且不排除另外未引用之成員、元素或方法步驟。
如本文中所用，術語「由......組成」(consisting of)不包含任何未指定之元素、成分、成員或方法步驟。
數值端點之引用包含在各別範圍內之所有數字及分率，以及該等經引用之端點。
除非另有指示，否則本文中提及之所有百分比、份數、比例及諸如此類皆基於重量計。
當一量、濃度或其他值或參數以一範圍、較佳範圍或較佳上限值及較佳下限值之形式表示時，應瞭解為藉由將任何上限或較佳值與任何下限或較佳值組合所得之任何範圍係經具體揭示的，而不考慮該等所得範圍是否在該內文中明確提及。
本說明書中所引用之所有參考文獻之全文皆以引用之形式併入本文中。
除非另有定義，否則揭示本發明中所用之所有術語(包含技術及科學術語)皆具有如本發明所屬領域之一般技術人員通常理解的含義。憑藉進一步指導，包含術語定義以更好地理解本發明之教示。
本發明係關於一種吸水性導電組合物，其包括水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂。根據本發明之吸水性導電組合物可用作用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器。
申請人已發現吸水性導電塗層組合物可用作感測器以監測塗層(施加在基板之表面的保護性頂層)之侵蝕。
本發明係關於一種吸水性導電組合物，其包括a)水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂；b)導電填料；及c)溶劑。
根據本發明之吸水性導電組合物包括水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂。該水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂可為任何水溶性，或在存在水時膨脹或吸水的樹脂。較佳地，該水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂係選自由以下組成之群：聚丙烯酸鈉、聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)、纖維素醚、甲基纖維素、羥丙基纖維素、阿拉伯膠、澱粉(糊精)、酪蛋白(磷蛋白)及其混合物，更佳係選自由以下組成之群：聚丙烯酸鈉、聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)、甲基纖維素及其混合物。
聚丙烯酸鈉、聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)及甲基纖維素係較佳，因為其優異的水溶性性質。
適用於本發明中之市售水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂包括但不限於印度Prime Specialities之聚丙烯酸鈉、Ashland Specialty Ingredients之聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)及DOW Chemical Company之甲基纖維素。
水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂在根據本發明之吸水性導電組合物中之存在量可為該組合物總重量之5至30重量%，較佳7.5至25重量%，更佳8至22重量%。
申請人已發現此等量係較佳，因為高於30%之量可在應用期間導致穩定性問題。低於5%之量可能無法提供所需水偵測效果。此外，發現水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂在5至30%之範圍內係最優，其作為感測器將提供更好反應。
根據本發明之吸水性導電組合物包括導電填料。理論上可使用任何導電填料。較佳地，該導電填料係選自由以下組成之群：碳、碳黑、碳奈米管、石墨、石墨烯、銀、鎳、銅、金、鉑、鋁、鐵、鋅、鈷、鉛、錫合金、鍍銀銅、鍍銀石墨、鍍銀聚合物、鍍銀鋁、鍍銀玻璃、鍍銀碳、鍍銀氮化硼、鍍銀氧化鋁、鍍銀氫氧化鋁及其混合物，更佳係選自由以下組成之群：碳黑、碳奈米管、石墨及其混合物。
在一個實施例中，該導電填料係碳黑。
在一個實施例中，該導電填料係碳奈米管。
在一個實施例中，該導電填料係石墨。
在又另一實施例中，該導電填料係碳黑及石墨之混合物。
在又另一實施例中，該導電填料係碳黑、石墨及碳奈米管之混合物。
適用於本發明中之市售導電填料包括但不限於Imerys Graphite & Carbon之Timrex SGF 15及Cabot Corporation之Vulcan PF、Cabot Corporation之Vulcan XC 72。
導電填料在根據本發明之吸水性導電組合物中之存在量可為該組合物總重量之10至35重量%，較佳12至33重量%，更佳15至30重量%。
申請人已發現此等量係較佳，因為高於35%之量可在應用期間導致流變學問題，而低於10%之量可能無法提供所需導電率。
當該導電填料係碳黑、碳奈米管或石墨中之任一者時，該量亦可取決於該填料之吸油值。碳黑、碳奈米管或石墨之吸油值係不同，且其取決於該導電填料之粒度及比表面積。例如，碳奈米管具有小粒度(奈米尺度)，且因此具有高吸油值。作為一般指導，該吸油值越高，所需微粒量越低。該吸油值係根據ASTM-D281測量。
根據本發明之吸水性導電組合物包括溶劑。適用於本發明中之溶劑具有低於235℃之沸點。較佳地，該溶劑係選自由以下組成之群：正丁醇、丁基卡必醇、1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯、異丙醇、丁基賽路蘇及其混合物，更佳係選自由以下組成之群：正丁醇、丁基卡必醇、1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯及其混合物。
需要較佳溶劑正丁醇、丁基卡必醇、1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯，因為其係極性溶劑且作用於組合物可加工性。此外，此等較佳溶劑亦在該組合物中作為聚結劑。
適用於本發明中之市售溶劑包括但不限於Sigma Aldrich之正丁醇。
溶劑在根據本發明之吸水性導電組合物中之存在量可為該組合物總重量之10至70重量%，較佳20至65重量%，更佳30至60重量%。
該溶劑量範圍係較佳，因為其在基板上提供良好適用性(組合物)。
根據本發明之吸水性導電組合物可進一步包括樹脂。適用於本發明中之樹脂較佳地係熱塑性樹脂。基於熱塑性樹脂之組合物容許該吸水性聚合物吸水並改變該組合物之電阻。
在一極佳實施例中，根據本發明之吸水性導電組合物包括樹脂。
較佳地，該樹脂係選自由以下組成之群：乙烯基樹脂、氯乙烯及乙酸乙烯酯之共聚物、熱塑性聚胺基甲酸酯樹脂、聚乙烯丁醛樹脂、(甲基)丙烯酸酯樹脂、苯氧基樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂及其混合物，更佳地，該樹脂係選自由以下組成之群：氯乙烯及乙酸乙烯酯之共聚物、聚乙烯醇樹脂、聚乙烯丁醛樹脂及其混合物。
氯乙烯及乙酸乙烯酯之共聚物、聚乙烯醇樹脂及聚乙烯丁醛樹脂係較佳樹脂，因為其係非氧化性的且係永久可撓的，同時提供所需韌性及耐久性。此外，其特徵在於沒有顏色、氣味及味道。稀鹼、礦物酸、醇、潤滑脂、油及脂族烴在室溫或環境溫度下不會對該等聚合物產生不利影響。
適用於本發明中之市售樹脂包括但不限於Dow Chemical Company之UCAR Vagh。
樹脂在根據本發明之吸水性導電組合物中之存在量可為該組合物總重量之5至25重量%，較佳7.5至20重量%，更佳9至15重量%。
申請人已發現此等量係較佳，因為高於25%之量可導致差導電率。此外，過高之量可在應用期間導致流變學問題。而低於5%之量可能無法為該基板及/或基層(塗層)及/或頂層(塗層)提供所需之黏著性。
根據本發明之吸水性導電組合物可進一步包括消泡劑。在製備根據本發明之組合物期間，可將消泡劑添加至該組合物中以減少分散過程中之起泡。
任何市售消泡劑皆可用於根據本發明之組合物。例如，適用於本發明中之消泡劑係無矽聚合物脫氣劑。
適用於本發明中之市售消泡劑包括但不限於BYK之BYK-A 505。
消泡劑在根據本發明之吸水性導電組合物中之存在量可為該組合物總重量之0.1至1重量%，較佳0.1至0.7重量%，更佳0.1至0.5重量%。
申請人已發現此等量係較佳，因為高於1%之量可對塗層性能(諸如表面可濕性)產生不利影響。而低於0.1%之量可能無法提供所需消泡效果。
本發明亦係關於一種根據本發明之吸水性導電組合物之固化產物。
本發明係關於根據本發明之吸水性導電組合物或根據本發明之固化產物作為塗層材料的用途。
本發明涵蓋根據本發明之吸水性導電組合物或根據本發明之固化產物作為用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器的用途。
根據本發明之用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器可以用於例如預測性監測將助於延長資產壽命的應用。根據本發明之用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器將有益於例如鋼鐵廠及電力及採礦業的漿料泵。此等漿料泵係廣泛用於將濕礦漿運輸至多個部位用於加工。其係暴露於嚴重侵蝕及腐蝕環境中且需要頻繁更換等的關鍵資產。
實例
所有重量皆係重量%，除非另有說明。
如下製備樣品以用於電阻測量：
複合測試載具(125X12.7X3 mm，圖1)具有50 µm厚之銅引線用於接線。此等銅引線係用於承載線以測量經塗覆試樣之電阻。將根據本發明之組合物施加在此試樣上，且隨後使該等試樣在室溫下固化24小時並在100℃下後固化30分鐘。根據ASTM D2739-97測量該電阻。
如下進行水滴測試：用根據本發明之導電組合物塗覆面板以供該測試。將該組合物施加於基板表面上並在烘箱中在100℃下乾燥30分鐘。圖1顯示該基板及經塗覆基板(圖1a及1b)。該水滴測試係藉由在該經塗覆基板之中心添加2至3滴水而進行。在添加該等水滴之前及之後測量該電阻。使用Keysight DAQ970A-資料獲取系統測量該等基板之電阻。該測試基板如圖2中所示。
實例中使用以下化學品：
Imerys Graphite & Carbon之Timrex SGF 15
Cabot Corporation之Vulcan PF及Vulcan XC 72
Lyondell Chemical Company之Arcosolv PM Acetate
Dow Chemical Company之丁基卡必醇
Dow Chemical Company之UCAR Wagh
Ashland Specialty Ingredients之聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)
DOW Chemical Company之甲基纖維素
Sigma Aldrich之正丁醇
印度Prime Specialities之聚丙烯酸鈉
實例1
下表1舉例說明聚丙烯酸鈉作為吸水性聚合物之存在(實例1)及不含其之組合物(比較實例1a)。在高速混合器中以2000 rpm歷時30分鐘製備該等組合物。
表1
| 材料 | 比較實例1a | 實例1 |
| Timrex SGF 15 | 15 | 13.16 |
| Vulcan PF | 7.5 | 6.56 |
| Arcosolv PM Acetate | 21.3 | 18.62 |
| 丁基卡必醇 | 42.7 | 37.35 |
| UCAR Wagh | 13.5 | 11.81 |
| 聚丙烯酸鈉 | - | 12.5 |
| 固體% | 36 | 44.03 |
| 填料% | 22.5 | 19.72 |
| P/B比率 | 1.67 | 0.81 |
基板用實例1及1a之組合物塗覆並用於進行水滴測試。經塗覆基板顯示於圖1中。測試載具(如圖2中所示)係用於測量暴露於水及不暴露於水之電阻。水滴測試之結果顯示於下表2中。實例1顯示對水反應良好，30分鐘內電阻增加62.92%。另一方面，比較實例1a在5分鐘後沒有顯示出電阻變化。
表2
| 時間 | 比較實例1a | 實例1 |
| 電阻，0分鐘，Ω | 33.78 | 27.16 |
| 電阻，5分鐘，Ω | 33.79 | 31.15 |
| 變化%-5分鐘， | 0.03 | 14.7 |
| 電阻，10分鐘，Ω | - | 33.19 |
| 變化%-10分鐘 | - | 22.2 |
| 電阻，30分鐘，Ω | - | 44.25 |
| 變化%-30分鐘 | - | 62.92 |
實例2
包括基於PVP或Methocel VLV的吸水性聚合物在熱塑性黏合劑中之組合物顯示於下表3中。在高速混合機中以2000 rpm歷時30分鐘製備包括10及20%PVP及Methuen VLV之組合物。
表3
| 材料 | 實例2 | 實例3 | 實例4 | 實例5 | 實例6 |
| Timrex SGF 15 | 13.39 | 13.5 | 12 | 13.5 | 12 |
| Vulcan PF | - | 6.75 | 6 | 6.75 | 6 |
| Vulcan XC 72 | 13.39 | - | - | - | - |
| 正丁醇 | 57.15 | - | - | - | - |
| Arcosolv PM Acetate | - | 19.17 | 17.04 | 19.17 | 17.04 |
| 丁基卡必醇 | - | 38.43 | 34.16 | 38.43 | 34.16 |
| UCAR Vagh | - | 12.15 | 10.8 | 12.15 | 10.8 |
| PVP | 16.07 | 10 | 20 | ||
| Methocel VLV | - | - | - | 10 | 20 |
| 固體% | 42.85 | 42.4 | 48.8 | 42.4 | 48.8 |
| 填料% | 26.78 | 20.25 | 18 | 20.25 | 18 |
| P/B比率 | 1.67 | 0.91 | 0.58 | 0.91 | 0.58 |
將導電塗層組合物層施加在基板上並在烘箱中在100℃下保持30分鐘。經塗覆基板顯示於圖1中。測試載具(如圖2中所示)係用於測量暴露於水及不暴露於水之電阻。包括10及20%之PVP (實例3及4)之組合物分別舉例說明10分鐘內電阻變化381%及528%。此外，包括10%及20% Methocel VLV (實例5及6)之組合物分別舉例說明10分鐘內電阻變化25.86%及133%。PVP用作唯一黏合劑之基於PVP之塗層組合物(實施例2)舉例說明10分鐘內電阻變化27054%。該等結果顯示於表4中。
表4
| 時間 | 實例2 | 實例3 | 實例4 | 實例5 | 實例6 |
| 起始 | 68.86 Ω | 1.57 KΩ | 51.6 KΩ | 42 Ω | 92.99 Ω |
| 電阻，1分鐘 | 9700 Ω | 1.87 KΩ | 114.8 KΩ | 43.4 Ω | 106.7 Ω |
| 變化% | 13985 | 18.6 | 122 | 2.35 | 14.7 |
| 電阻，2分鐘 | 18400 Ω | 5.43KΩ | 138.5 KΩ | 44.36 Ω | 121.9 Ω |
| 變化% | 26618 | 244.6 | 168 | 4.63 | 31.1 |
| 電阻，5分鐘 | 18050 Ω | 9.23 KΩ | 186 KΩ | 46.86 Ω | 165.7 Ω |
| 變化% | 26110 | 485.8 | 260 | 10.53 | 78.2 |
| 電阻，10分鐘 | 18700 Ω | 9.9 KΩ | 248.7 KΩ | 53.35 Ω | 216.7 Ω |
| 變化% | 27054 | 528 | 381 | 25.86 | 133 |
圖1顯示基板及經塗覆基板(圖1a及1b)。
圖2顯示測試基板。
Claims (15)
- 一種吸水性導電組合物，其包括 a)水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂； b)導電填料；及 c)溶劑。
- 如請求項1之吸水性導電組合物，其中該水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂係選自由以下組成之群：聚丙烯酸鈉、聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)、纖維素醚、甲基纖維素、羥丙基纖維素、阿拉伯膠、澱粉(糊精)、酪蛋白(磷蛋白)及其混合物，較佳係選自由以下組成之群：聚丙烯酸鈉、聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)、甲基纖維素及其混合物。
- 如請求項1或2之吸水性導電組合物，其中該水溶性及/或水可膨脹性及/或吸水性樹脂之存在量係該組合物總重量之5至30重量%，較佳7.5至25重量%，更佳8至22重量%。
- 如請求項1或2之吸水性導電組合物，其中該導電填料係選自由以下組成之群：碳、碳黑、碳奈米管、石墨、石墨烯、銀、鎳、銅、金、鉑、鋁、鐵、鋅、鈷、鉛、錫合金、鍍銀銅、鍍銀石墨、鍍銀聚合物、鍍銀鋁、鍍銀玻璃、鍍銀碳、鍍銀氮化硼、鍍銀氧化鋁、鍍銀氫氧化鋁及其混合物，更佳係選自由以下組成之群：碳黑、碳奈米管、石墨及其混合物。
- 如請求項1或2之吸水性導電組合物，其中該導電填料之存在量係該組合物總重量之10至35重量%，較佳12至33重量%，更佳15至30重量%。
- 如請求項1或2之吸水性導電組合物，其中該溶劑具有低於235℃之沸點，較佳地，該溶劑係選自由以下組成之群：正丁醇、丁基卡必醇、1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯、異丙醇、丁基賽路蘇及其混合物，更佳係選自由以下組成之群：正丁醇、丁基卡必醇、1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯及其混合物。
- 如請求項1或2之吸水性導電組合物，其中該溶劑之存在量係該組合物總重量之10至70重量%，較佳20至65重量%，更佳30至60重量%。
- 如請求項1或2之吸水性導電組合物，其進一步包括樹脂。
- 如請求項8之吸水性導電組合物，其中該樹脂係選自由以下組成之群：乙烯基樹脂、氯乙烯及乙酸乙烯酯之共聚物、熱塑性聚胺基甲酸酯樹脂、聚乙烯丁醛樹脂、(甲基)丙烯酸酯樹脂、苯氧基樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂及其混合物，更佳地，該樹脂係選自由以下組成之群：氯乙烯及乙酸乙烯酯之共聚物、聚乙烯醇樹脂、聚乙烯丁醛樹脂及其混合物。
- 如請求項8之吸水性導電組合物，其中該樹脂之存在量係該組合物總重量之5至25重量%，較佳7.5至20重量%，更佳9至15重量%。
- 如請求項1或2之吸水性導電組合物，其進一步包括消泡劑。
- 如請求項11之吸水性導電組合物，其中該消泡劑之存在量係該組合物總重量之0.1至1重量%，較佳0.1至0.7重量%，更佳0.1至0.5重量%。
- 一種如前述請求項1至12中任一項之吸水性導電組合物的固化產物。
- 一種如前述請求項1至12中任一項之吸水性導電組合物或如請求項13之固化產物作為塗層材料的用途。
- 一種如前述請求項1至12中任一項之吸水性導電組合物或如請求項13之固化產物作為用於監測侵蝕及/或腐蝕之感測器的用途。
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