ИННОВАЦИОННЫЕ ЛАКОКРАСОЧНЫЕ СИСТЕМЫ В СУДОСТРОЕНИИ

Полный текст

Введение

Коррозия представляет собой серьёзную проблему для любого судна, и её последствия могут быть крайне разрушительными. Коррозия металла не щадит все элементы судна. Обшивка корпуса судна постоянно контактирует с морской водой. Сначала на поверхности появляются едва заметные точки ржавчины. Постепенно эти точки разрастаются, превращаясь в глубокие рытвины. В особо тяжёлых случаях коррозия может проесть металл насквозь, образуя дыры. Это не только ухудшает внешний вид судна, но и серьёзно снижает его мореходные качества. Трубопроводная система страдает не меньше. Внутри труб появляются наросты ржавчины, которые сужают проходное сечение. Это приводит к забиванию трубопроводов, снижению эффективности работы насосов, а также возможному разрыву труб под давлением. В результате чего возможны аварии и утечки различных жидкостей. Особенно опасны коррозионные повреждения для грузовых танков и топливных систем, где утечка может привести к серьёзным экологическим последствиям. Разрушительные процессы затрагивают как сварные швы, так и всю металлическую конструкцию. В местах сварки металл более уязвим, и именно там часто начинается коррозия. Постепенно это приводит ослаблению креплений и появлению трещин. Экономические последствия коррозии поистине впечатляют. Сюда входят как прямые потери от коррозии (окисление металла), так и косвенные. В итоге, годовой бюджет на борьбу с коррозией для среднего торгового судна может достигать нескольких миллионов долларов, не считая непредвиденных расходов и потерь дохода из-за простоя. А самое главное – коррозия напрямую влияет на безопасность судна. Ослабленные конструкции могут не выдержать нагрузки, что грозит возникновением чрезвычайных ситуаций. В особо запущенных случаях коррозия может сделать судно непригодным для дальнейшей эксплуатации, что означает не только потерю самого судна, но и огромные финансовые потери для владельца [1].

В современной судостроительной отрасли стремительно внедряются передовые технологии защиты металлоконструкций от коррозионных процессов. Антикоррозионные системы нового поколения базируются на использовании наноструктурированных материалов и композитных покрытий. Ключевой момент в работе с этими материалами – понимание того, как именно они будут вести себя в составе защитного покрытия. Особое внимание уделяется микроскопическому анализу материалов, позволяющие провести количественную оценку размеров, качественных особенностей формы и агрегационной способности частиц.

1 Типы нанонаполнителей для исследования коррозионной стойкости.

Для научного эксперимента было изучено влияние различных типов нано-наполнителей на устойчивость лакокрасочных покрытий к коррозионным процессам. Объектом исследования выступила судовая эмаль марки ПФ-167, модифицированная следующими типами наполнителей:

- традиционный мел

- природный тальк

- наноразмерный тальк

- наноразмерный мел

В процессе исследования проводилось сравнительное изучение эффективности каждого типа наполнителя для оценки их потенциала в повышении антикоррозионных характеристик лакокрасочного материала.

Минеральные наполнители являются фундаментальным компонентом, определяющим антикоррозионные характеристики современных лакокрасочных композиций. В рамках настоящего исследования особое внимание уделяется наноразмерным карбонатным наполнителям как перспективным модификаторам защитных покрытий.

Карбонатные наполнители, представленные такими соединениями как кальцит (мел) и доломит, демонстрируют выраженную химическую активность в отношении карбоксилсодержащих пленкообразующих веществ, в частности алкидных смол.

Тальковые наполнители (магниевый силикат) характеризуются высокой химической инертностью, минимальной пористостью структуры. Такой наполнитель эффективно ингибирует диффузионные процессы и усиливает барьерные функций покрытия.

Комплексное применение указанных наполнителей обеспечивает синергетический эффект в формировании защитных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Исследования элементного состава природного мела были получены следующие результаты: основной компонент материала представлен оксидом кальция (CaO) с массовой долей 95% от общей массы образца. Второстепенный компонент — оксид магния (MgO) — выявлен в количестве 5%.

Морфологическое исследование выявило высокую степень дисперсности частиц в которой преобладает кристаллическая модификация кальцита. Имеет однородную структуру материала.

При исследовании элементного состава талька выявлена структурная организация материала, характеризующаяся выраженной крупнодисперсностью. Морфологическая характеристика представлена иголчатыми и волокнистыми агрегатами и чешуйчатыми образованиями. Результаты элементного анализа талькового сырья продемонстрировали превалирующее содержание кремнезёма (SiO2) и магниевой окиси (MgO). Содержание окиси алюминия Al2O3 и трехвалентного оксида железа (Fe2O3) находится на минимальном уровне.

2 Проведение экспериментального исследования.

В качестве базового материала исследования была выбрана углеродистая сталь марки Ст3. На исследуемые образцы наносились стандартная судовая эмаль ПФ-167 и модифицированный лакокрасочный состав с добавлением наноразмерных частиц мела и талька.

Перед нанесением покрытий проводился подготовительный этап обработки стальных образцов. Механическая обработка поверхности абразивным материалом, удаление жировых загрязнений и нанесение грунтовочного слоя.

Технологический процесс нанесения покрытий осуществлялся с соблюдением межслойной выдержки в течении 48 часов. Температурный режим сушки – 20-20 ºС.

Для проведения экспериментального исследования были подготовлены следующие образцы материалов:

Контрольная группа – образец стали, покрытый базовой эмалью без дополнительных модификаторов.

Экспериментальная группа №1 – образец с покрытием на основе традиционного талькового наполнителя.

Экспериментальная группа №2 – образец, модифицированный наноразмерными частицами талька.

Экспериментальная группа №3 – образец с покрытием, содержащим классический меловой наполнитель.

Экспериментальная группа №4 – образец, модифицированный наноразмерными частицами мела

Каждый образец представлял собой отдельную экспериментальную модель для изучения влияния различных типов наполнителей на характеристики покрытия.

Экспериментальное исследование осуществлялось посредством метода потенциодинамической поляризации. Для этого была задействована специализированная трёхэлектродная электрохимическая система, интегрированная с измерительным прибором — потенциостатом модели P8S. Основной элемент измерительной ячейки состоит из стеклянного полого цилиндра с диаметром 3 сантиметра. Где размещается исследуемый образец – стальной образец с нанесённым покрытием. Электролитная среда была представлена 3-процентным водным раствором хлорида натрия (NaCl), обеспечивающим необходимые условия для проведения электрохимических измерений.

 

Рисунок 1 – Метод потенциодинамической поляризации

1 – контроль, 2 – Экспериментальная группа № 1 (ЭГ), 3 – ЭГ № 2, 4 – ЭГ № 3, 5 – ЭГ № 4

 

Для снятия показаний на всех образцах скорость сканирования потенциала составляла 10 милливольт в секунду. Диапазон измерения охватывал интервал от -0,9 до +0,3 вольт. Методика испытаний предполагала перманентное погружение тестируемых образцов в раствор хлорида натрия (3%). [5].

 

Заключение

Проведённый анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании поляризационных кривых, убедительно свидетельствует о том, что лакокрасочные материалы, содержащие в своём составе мел и его наноразмерные компоненты, обеспечивают высокий уровень защиты от коррозионных процессов.

Интерпретация экспериментальных данных (см. рисунок 1) позволяет сделать выводы относительно коррозионной активности исследуемых образцов. Базовая эмаль (немодифицированное покрытие) демонстрирует максимально высокие показатели коррозионного тока среди всех тестируемых образцов. Тальковые модификации (как традиционная, так и наноразмерная форма) характеризуются сниженным уровнем коррозионного тока, однако недостаточным защитным эффектом. Меловые композиции (включая наноразмерные модификации) демонстрируют существенное подавление коррозионных процессов и значительное снижение показателей тока коррозии. Экспериментальные группы №3-4 достигают полного уровня защиты, который не фиксируется измерительной аппаратурой.

Исходя из полученных результатов выстраивается ранжированный ряд эффективности антикоррозионной защиты стальных конструкций: контроль < тальк < наноразмерный тальк < мел ≈ наноразмерный мел.

В ходе детального анализа образцов лакокрасочного материала ПФ-167, созданных на базе наполнителей из мела и талька, обнаружены включения оксида железа (FeO) зафиксированы в структуре обоих типов эмалевых композиций. Наличие примесей свидетельствует о протекании коррозионных процессов в обеих исследуемых системах. Но несмотря на это характер коррозии демонстрирует существенную разницу в скорости развития разрушений между образцами.

Меловое эмалевое покрытие существенно замедляет коррозионные процессы, при этом концентрация образующегося оксида железа остаётся крайне низкой — лишь 0,4%.

Процесс коррозии на стальной поверхности с тальковым эмалевым покрытием протекает значительно интенсивнее, что подтверждается существенно более высоким уровнем содержания оксида железа — 0,99%.

Сравнительный анализ защитных свойств показал превосходство меловой эмали над тальковой в плане антикоррозионной защиты.

Об авторах

Екатерина Ивановна Карзина

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ekaterina.plaskeeva@list.ru
SPIN-код: 7638-3213

канд. техн. наук, доцент кафедры химии

Россия, Санкт-Петербург

Марина Андреевна Гайдым

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: marina.zhdanova.1998@mail.ru
SPIN-код: 5395-5509

ассистент кафедры химии, аспирант

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы