Исследование коррозионной стойкости поверхности металлов в зависимости от адгезионных свойств полимерных связующих Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.197

Н. И. Баурова

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ

Проведено изучение атмосферной коррозионной стойкости поверхности металла под полимерным покрытием с использованием ускоренных методов старения.

Существует множество способов получения интеллектуальных материалов [1], и один из наиболее простых и эффективных - это использование в качестве сенсоров углеродных волокон.

Отличительной особенностью углеродных волокон являются их уникальные электрофизические свойства. Они обладают способностью реагировать изменением своего электрического сопротивления на изменение внешней нагрузки [2]. Именно это свойство углеродных волокон, нитей и тканей делает возможным их применение в качестве чувствительных элементов для оценки напряженно-деформированного состояния детали и соединения.

Технология использования нового метода диагностирования металлоконструкций [3] заключается в том, что углеродное волокно наносится на участок наиболее вероятного возникновения повреждения непосредственно на слой полимерного связующего (ПС), которое в данном случае выполняет функцию изолятора. Затем этим же полимерным связующим волокно пропитывается. Далее, после полного отверждения связующего с обоих концов пропитанного углеродного волокна, которое с помощью ПС приклеено к диагностируемой поверхности металлоконструкции, в режиме реального времени снимаются показания электрического сопротивления и по изменению этих показаний судят о скорости накопления повреждений на диагностируемом участке.

Используемая технология нанесения приводит к образованию на диагностируемом участке металлоконструкции трехслойного пакета (рис. 1), состоящего из двух слоев ПС и слоя углеродного волокна. Если под тем слоем ПС, который находится непосредственно на поверхности металлоконструкций, начнет скапливаться влага, то велика вероятность образования подпленочной коррозии. В этом случае данный метод диагностирования не может быть рекомендован к применению, поскольку он может привести к снижению коррозионной устойчивости.

Целью настоящей работы являлось изучение атмосферной коррозионной стойкости поверхности металла под полимерным покрытием с использованием ускоренных методов старения.

Изучение коррозионной стойкости проводили по методике, принятой в 25 НИИ МО РФ в соответствии с ГОСТ 9.054-75. Сущность используемого метода заключается в выдерживании металлических пластин с нанесенным на них слоем отвержденного ПС в различных климатических камерах, в том числе и в атмосфере соляного тумана.

Для испытаний использовались пластины из Ст.10 размером 50х50х3 мм, на которые наносился слой ПС толщиной от 0,05 до 0,3 мм. В качестве ПС использовался наиболее распространенный эпоксидный клей, который (для уменьшения вязкости) был разбавлен спиртоацетоновой смесью в соотношении 1:1. Клей состоял из эпоксидной смолы

ЭД-20 (100 мас. ч.), отвердителя полиэтиленполиамина (9 мас.ч.) и спиртоацетоновой смеси (100 мас. ч.). В качестве углеродного волокна использовалось волокно марки УКН-2-500 толщиной 0,1мм. Данная толщина волокна специально подбиралась опытным путем в различных партиях волокон.

Рис. 1 - Схема нанесения углеродного волокна: 1 - диагностируемая металлоконструкция; 2 — полимерное связующее; 3 - углеродное волокно

Коррозионную стойкость оценивали через массовый показатель коррозии Кмас. [4], которы рассчитывается по формуле

£ Ат [ / 2 ]

Е1ап . = [г/м

где Ат - потери массы металлического образца; Э - площадь образца; t - продолжительность воздействия коррозионной среды. Полученные результаты приведены в табл. 1. Как видно из приведенных данных (табл. 1) при выдержке в камере в течение 6 ч в условиях повышенных температур и влажности, без конденсации влаги, не удалось определить влияния различный толщины ПС. Для проведения дальнейших исследований толщина слоя ПС задавалась, равной 0,1 мм, поскольку экспериментально было установлено, что данное значение соответствует минимальному значению толщины ПС, при котором не происходит его электрического пробоя. Данный показатель очень важен, поскольку слой ПС на поверхности металла должен обеспечивать полную изоляцию углеродного волокна от поверхности металлоконструкции, в противном случае при замерах электрического сопротивления ток пойдет через металл, что сделает к невозможным дальнейшее проведение диагностирования.

Визуальный осмотр образцов после проведения коррозионных испытаний показал, что после выдержки их в камере соляного тумана в течение 48 и более часов имеет место частичное отслоение слоя ПС от металла. Такой тип разрушения связан с тем, что воздействие воды в основном направлено на разрушение адгезионных связей и в меньшей степени вызывает разрушение самого ПС. Характер разрушения под действием воды меняется от когезионного к адгезионному после выдержки в камере соляного тумана в течение 72 ч.

Таким образом, проведенные испытания показали, что используемое ПС не является причиной коррозионных повреждений, а наоборот, защищает поверхность металла от воздействия воды. Защитное действие ПС обусловлено специфическим влиянием адгезии,

благодаря которой обеспечивается пассивация поверхности металла, торможение анодных реакций и существенное замедление отвода продуктов коррозии.

Таблица 1 - Условия проведения и результаты коррозионных испытаний

Условия проведения коррозионных испытаний Время выдержки, ч Толщина слоя ПС, мм Ат, г Кмас., [г/м2ч] Примечание

6 0,05 0 На поверхности

Температура 6 0 1 0 металла хорошо

(40±2)°С и видимые следы

Влажность 6 0,2 0 — коррозии появи-

95-100% 6 0,3 0 лись через 26 ч.

(без конденса-

ции влаги) 6 0,4 0 -

72 0,05 0,58 3,22

72 0,1 0,63 3,5

6 0,05 0 На поверхности

Температура 6 0 1 0 металла хорошо

(40±2)°С и 5 V/ видимые следы

Влажность 18 0,05 0,08 1,77 коррозии появи-

95-100% 18 0,1 0,085 1,88 лись через 18 ч.

(с конденсацией

влаги) 36 0,1 - -

72 0,05 0,88 4,88

6 0,1 0,075 5 На поверхности

Температура 12 0,1 0,205 6,83 металла хорошо

(35±2)°С видимые следы

Атмосфера со- 18 0,1 - - коррозии появи-

ляного тумана 24 0,1 лись через 6 ч.

5% раствора Через 36 ч вся по-

ЫаО! 36 0,1 0,96 10,66 верхность металла

А О Л 1 покрылась следами

48 0,1 коррозии

60 0,1 - -

72 0,1 2,34 13

Можно предположить, что чем выше будет адгезионное взаимодействие между металлом и ПС, тем более эффективными антикоррозионными свойствами будет обладать материал. Данное предположение экспериментально проверено при использовании различных методов очистки поверхности металла и двух разных типов клеев в (табл. 2). В качестве полимерных материалов наряду с ранее применяемым клеем на основе ЭД-20 и

ПЭПА (без растворителя) также использовали эпоксидный клей горячего отверждения марки ВК-36, поскольку он обладает наибольшими значениями адгезионной прочности.

Таблица 2 - Условия проведения и результаты испытаний

Марка клея Технология очистки поверхности металла Время выдержки в камере соляного тумана, ч Площадь металла под слоем клея, пораженная коррозией, %

Без подготовки 6 12 2,5 6

Обезжиривание 6 нет

ЭД-20+ ПЭПА ацетоном 12 3

Травление в раство- 6 нет

ре серной и соляной кислот 12 нет

Без подготовки 6 12 нет 1,5

ВК-36 Обезжиривание аце- 6 нет

тоном 12 нет

Травление в раство- 6 нет

ре серной и соляной кислот 12 нет

Таким образом, можно предположить, что высокая адгезия (у ВК-36 она практически в два раза выше, чем у ЭД-20+ПЭПА) изменяет характер энергетического состояния поверхности металла, и, вероятно, имеет место его пассивация, обусловленная адсорбционными процессами.

Проведенные испытания показали, что использование в качестве тензочувстви-тельных датчиков углеродных волокон, пропитанных эпоксидным связующим, приводит к повышению противокоррозионной устойчивости диагностируемых металлоконструкций.

Литература

1. Костиков, В.И. Конструкционные материалы на основе углерода в современной технике / В.И. Костиков // Современные проблемы производства и эксплуатации углеродной продукции: сб. науч. трудов. - Челябинск, 2000. - С.8-11

2. Басов, Ф.А. Интеллектуальные композиционные материалы и перспективы их применения / Ф.А. Басов // Все материалы: энциклопедический справочник. -2006. - №1. - С.3-7.

3. Баурова, Н.И. Разработка системы мониторинга технического состояния металлоконструкций с использованием углеродных волокон / Н.И Баурова //Материаловедение. -2008. -№6. - С. 14-19.

4. Гриб, В.В. Диагностические модели изменения технического состояния механический систем. Ч.1. / В.В. Гриб [и др.]; под общей ред. В.В. Гриба -М.: МАДИ. -2007. - 300 с.

© Н. И. Баурова - канд. техн наук, МАДИ (ГТУ).