125944 (Розробка модифікованих композиційних покриттів на поліорганосилоксановій основі для захисту магістральних трубопроводів)

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

МАРУХА МАР’ЯНА ВАЛЕРІЇВНА

УДК 622.4 076; 667.633.263.3

РОЗРОБКА МОДИФІКОВАНИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОКРИТТІВ НА ПОЛІОРГАНОСИЛОКСАНОВІЙ ОСНОВІ ДЛЯ ЗАХИСТУ МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.02.01 - матеріалознавство

Львів - 2008

Дисертацією є рукопис:

Роботу виконано у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Черватюк Володимир Арсенович, зав. лабораторії сертифікаційних випробувань протикорозійних ізоляційних покрить магістральних трубопроводів ФМІ НАН України, м. Львів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Стухляк Петро Данилович, Тернопільський Державний технічний університет ім. І. Пулюя, завідувач кафедрою комп’ютерно-інтегрованих технологій.

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Білий Левко Михайлович.

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів., відділ фізико-хімічних методів зміцнення матеріалів.

Захист відбудеться "_21_"_травня__ 2008 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України, за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (79601, м. Львів, вул. Наукова, 5).

Автореферат розісланий "_18_"_квітня__2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради _______________ Погрелюк І.М. д. т. н., пров. н. с

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Магістральні трубопроводи належать до відповідальних інженерних споруд, від нормальної роботи яких залежить діяльність багатьох галузей народного господарства в Україні. Незважаючи на наявність ізоляційних покриттів, вони з часом погіршують свої техніко-експлуатаційні характеристики. Враховуючи значимість підвищення надійності та довговічності експлуатації трубопроводів, перспективним є проведення науково-дослідних і технологічних робіт зі створення та освоєння в практиці протикорозійного захисту нових високоефективних покриттів.

Лакофарбові матеріали і покриття на кремнієорганічній (поліорганосилоксановій) основі набули широкого використання в багатьох галузях промисловості. Для них характерні високі термостійкість, фізико-механічні та протикорозійні параметри.

У зв’язку з підвищенням вимог нормативної документації, зокрема ДСТУ 4219: 2003 до захисту від корозії магістральних трубопроводів, назріла потреба покращити характеристики ізоляції.

Підвищення властивостей кремнієорганічних покриттів, особливо, міцності під час удару та діелектричної суцільності, можна досягти науково-обгрунтованим введенням у склад кремнієорганічних матриць мінеральних наповнювачів різної структури, з наступною механічною та додатковою ультразвуковою обробкою композицій.

Основним недоліком кремнієорганічних покрить є їх крихкість. Модифікація мінеральнонаповнених композицій на основі поліметилфенілсилоксану поліуретановими системами дає можливість створити покриття з підвищеною еластичністю та низькими внутрішніми напруженнями.

Важливим напрямком наукових і технологічних досліджень, спрямованих на підвищення рівня протикорозійного захисту трубопроводів, є розробка нових методик та пристроїв для визначення параметрів кремнієорганічних ізоляційних матеріалів і покриттів не тільки в лабораторних, а й в експлуатаційних умовах.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в лабораторії сертифікаційних випробувань протикорозійних ізоляційних покрить магістральних трубопроводів ФМІ НАН України, в рамках бюджетних тем "Розробка прискорених методів оцінки ресурсу захисних покриттів нафтогазопроводів та резервуарів" (№ Держреєстрації 0140004529) та "Підвищення ресурсу обладнання газокомпресорних станцій магістральних трубопроводів за рахунок створення і застосування нових поліуретан-кремнієорганічних наповнених покриттів" (№ Держреєстрації 0104V004526) Державної науково-технічної програми "Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин" (“РЕСУРС”), в яких здобувач була виконавцем.

Об’єкт дослідження: кремнієорганічні матеріали і покриття.

Предмет дослідження: фізико-механічні, протикорозійні, структурні та діелектричні закономірності формування термостійких матеріалів і покрить на основі кремнієорганічного лаку КО-921.

Мета дослідження: встановлення закономірностей впливу мінеральних наповнювачів та олігомерно-полімерних модифікаторів на структурування композиційних матеріалів на основі поліметилфенілсилоксанового лаку КО-921 та створення нових термостійких кремнієорганічних покрить з покращеними ізоляційними і протикорозійними параметрами.

Завдання дослідження.

Вивчити кінетику структурування поліметилфелілсилоксану з мінеральними наповнювачами, поліуретановими та поліепоксидними модифікаторами та затверджувачами.

Дослідити структурні, фізико-механічні, ізоляційні та протикорозійні параметри мінерально наповнених кремнієорганічних композитів.

Дослідити вплив механічної та ультразвукової обробки мінерально наповнених кремнієорганічних композицій на властивості матеріалів і покриттів.

Встановити вплив модифікації мінерально наповнених кремнієорганічних композицій поліепоксидами і поліуретанами на характеристики матеріалів та покриттів.

Розробити швидкий метод контролю готовності мінеральних наповнювачів для приготування кремнієорганічних композицій.

Створити переносний електрод для вимірювання ємності та опору систем "сталева основа – захисне покриття" не лише в лабораторних, а й в експлуатаційних умовах.

Наукова новизна одержаних результатів:

Встановлено синергетичний ефект впливу мінеральних наповнювачів різної природи - оміакарбу та кам’яновугільної золи на структуру та характеристики кремнієорганічних композиційних матеріалів і покриттів;

Підтверджено, що механо-хімічна та ультразвукова обробка покращує структурування мінерально наповнених кремнієорганічних композицій та характеристики кремнієорганічних матеріаліві покриттів;

Показано, що поліепоксидні та поліуретанові модифікатори, а також амінні та оловоорганічні каталізатори забезпечують "холодне" зшивання поліметилфенілсилоксановох матриці та її систем з мінеральними наповнювачами, утворюючи ефективні композиційні матеріали і покриття;

Дослідження кінетики тверднення і ІЧ-спектри показали, що поліметилфенілсилоксанова матриця вступає в реакції хімічної взаємодії з поліольними та ізоціанатними компонентами поліуретанової композиції;

Підтверджено, що модифікація мінерально наповнених кремнієорганічних композицій поліуретановими модифікаторами покращує ряд характеристик захисних покриттів, насамперед, еластичність;

Розроблено метод контролю готовності мінеральних наповнювачів для приготування кремнієорганічних композицій, що базується на визначенні їх діелектричної суцільності;

Вперше створено електрод та розроблено методику вимірювання ємності та опору протикорозійних покриттів в лабораторних та експлуатаційних умовах.

Практичне значення одержаних результатів:

впроваджено в практику захисту магістральних трубопроводів Морського нафтового терміналу (МНТ)"Південний" Філії Магістральних нафтопроводів "Дружба" Відкритого акціонерного товариства (ВАТ) "Укртранснафта" кремнієорганічні покриття з щільноупакованою структурою мінеральних наповнювачів;

впроваджено в Долинському лінійному виробничому управлінні магістральних газопроводів Державному підприємстві (ДП)"Прикарпаттрансгаз" мінеральнонаповнені кремнієорганічно-уретанові покриття для магістральних трубопроводів та їх зварних стиків;

освоєно в Державному підприємстві інженерному центрі (ДПІЦ)"Техно-Ресурс" НАН України переносний електрод для вимірювання імпедансних характеристик захисних покрить в лабораторних та польових умовах;

освоєно в лабораторії ДПІЦ "Техно-Ресурс" НАН України пристрій для контролю сухості мінеральних наповнювачів.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень і висновків, сформульованих в дисертації, забезпечено коректною постановкою завдань та вибором ефективних методик досліджень, їх відповідністю вимогам до протикорозійної ізоляції трубопроводів (ДСТУ 4219-2003), узгодженням результатів дисертаційної роботи з даними літературного огляду та дослідно-промислової перевірки.

Особистий внесок здобувача. Вибір напрямку та отримання основних результатів досліджень, що становлять суть дисертаційної роботи, здійснено здобувачем та науковим керівником. Аналіз літературних даних, вибір і апробація методик досліджень, постановку, синтез та нанесення кремнієорганічних композицій, дослідження властивостей матеріалів і покрить, обробку результатів проведено здобувачем самостійно. Аналіз експериментальних результатів і формулювання висновків здійснено разом з науковим керівником. Імпедансні дослідження покрить проведено за участі пров. н. с. відділу № 11 ФМІ НАН України, д. т. н. Зіня І.М.

Апробація роботи: Результати роботи заслухано на XVI науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів ФМІ НАН України (м. Львів, 2001 р), VI Українському з’їзді з електрохімії (м. Алушта в Кримській АР, 2005 р), VIII Міжнародній конференції - виставці "Проблеми корозії на протикорозійного захисту матеріалів" (м. Львів, 2006 р).

Публікації: Результати досліджень за темою дисертації опубліковано в 9 статтях у фахових наукових виданнях, в тому числі в 3-х матеріалах доповідей на вітчизняних і міжнародних конференціях, отримано 2 патенти України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку літератури і додатків. Робота викладена на 149 сторінках, включає 18 таблиць, 59 рисунків та містить 163 джерела цитованої літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано предмет, об’єкт, мету та завдання досліджень, наукову новизну і практичну цінність.

У першому розділі представлено огляд літератури щодо впливу кремнієорганічної матриці, мінеральних наповнювачів, олігомерно-полімерних модифікаторів і каталізаторів "холодного" тверднення на процеси структурування і характеристики термостійких кремнієорганічних композиційних покриттів. Аналіз літературних джерел показав, що використання поліорганосилоксанів, як основи (матриці) композицій, дозволяє отримувати матеріали і покриття з високими фізико-механічними, ізоляційними і протикорозійними параметрами, термостабільністю, водо - та хімічною тривкістю.

На основі критичного аналізу літератури окреслено основні напрямки синтезу, наповнення і модифікації композицій на кремнієорганічній основі та отримання ефективних покриттів, що відповідають вимогам до ізоляції трубопроводів в нафтогазовому комплексі України, насамперед, вимогам ДСТУ 4219: 2003. Встановлено наступне:

оптимальні фізико-механічні та ізоляційні параметри, термостійкість і технологічність приготування та нанесення характерні для мінеральнонаповнених поліметилфенілсилоксанів, зокрема, лаку КО-921 виробництва ВАТ "Запорізький завод “Кремнійполімер”;

цілеспрямоване введення в склад мінеральнонаповнених кремнієорганічних композицій олігомерно-полімерних модифікаторів, зокрема поліуретанів і поліепоксидів, сприяє їх структуруванню з покращенням комплексу властивостей, зокрема, еластичності, діелектричної суцільності, адгезії та протикорозійних характеристик;

каталізатори тверднення забезпечують “холодне” (205 оС) структурування мінерально наповнених і модифікованих кремнієорганічних покриттів.

У другому розділі описано вихідні матеріали і методики експериментальних досліджень. Як основу композиційних кремнієорганічних систем використовували поліметилфенілсилоксановий лак КО-921, як каталізатори тверднення – диетиламін (ДЕА), γ – амінопропілтриетилоксисилан (АГМ-9) і октоат кобальту.

Як мінеральні наповнювачі – кам’яновугільну золу та оміакарб, як модифікатори – поліуретан "ALFAPUR SZ 1040 P" (Польща) і композиції на основі епоксидної смоли ЕД-20.

Термічне тверднення мінеральнонаповнених і модифікованих кремнієорганічних композицій проводили при температурах: 60 0С – 1 год; 120 0С – 1 год; 180 0С – 1 год; 210 0С – 4 год. Каталітичне тверднення – при нормальній температурі – 48-72 год.

Ступінь зшивання композитів визначали за вмістом гель-фракції, екстрагуючи ацетоном низькомолекулярні компоненти в апараті Сокслета. Тонкі структурні характеристики систем “поліметилфенілсилоксан – поліуретан або каталізатор тверднення – диетиламін", досліджували методом інфрачервоної (ІЧ) спектроскопії в діапазоні хвильових чисел 4000-400 см-1 на спектрофотометрі “Specord M-80” (Німеччина).

Термостійкість композитів досліджували на дериватографі “Паулік, Ердей” (Німеччина), використовуючи методи диференційно-термічного (ДТА) та термогравіметричного (ТГА) аналізів. Мікроструктуру вивчали на растровому електронному мікроскопі "Akashi DS-130C" (Японія). Внутрішні напруження визначали консольним методом.

Фізико-механічні характеристики кремнієорганічних матеріалів і покриттів визначали вимірюючи: твердість маятниковим приладом МЭ-3, ударну міцність – приладом У2-Т за ДСТУ 4219: 2003 Дод. А, еластичність – за ДСТУ 4219: 2003 Дод.Ж., динамічну в’язкість – приладом "Reotest-2", адгезію покриттів до сталевої поверхні – методом граткових надрізів (ГОСТ 15140-78).

Ізоляційні характеристики кремнієорганічних матеріалів і покриттів встановлювали за тривалої витримки у водних середовищах. Водопоглинення – за ГОСТ 4650-80; хімічну тривкість – за ГОСТ 12020-72; перехідний електричний опір – за ДСТУ 4219: 2003, додаток Г. Питомий об’ємний електричний опір при водопоглиненні визначали за ГОСТ 22372-77, діелектричну суцільність – за ДСТУ 4219: 2003, додаток В.

Протикорозійні характеристики (ємність і опір) систем „сталева основа – кремнієорганічне покриття” оцінювали імпедансним методом, використовуючи стандартний метод "пустотілих циліндрів" і розроблений здобувачем електрод у 3% -ному водному розчині NaCl.

Кінетику стуктурування поліуретанових композицій вивчали, фіксуючи зміни їх відносної вязкості за інтенсивністю низькочастотних вібраційних коливань датчика приладу. Фізико-механічні та діелектричні характеристики поліуретанових матеріалів і покриттів визначали за методиками для кремнієорганічних аналогів.