Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых покрытий с увеличенным коэффициентом теплопроводности для защиты поверхности бытовых радиаторов и промышленных конвекторов.

Докладчик: Квасников Михаил Юрьевич

Должность: профессор, доктор технических наук

Цель проекта:
Проблема, на решение которой направлена настоящая работа, состоит в увеличении эффективности использование тепла при отоплении жилых помещений и промышленных зданий. Известно, что на отопление тратится около 30% общего расхода энергии. Традиционно нагрев осуществляется с помощью отопительных приборов, которые для защиты от коррозии и придания хорошего внешнего вида покрываются лакокрасочными покрытиями, обладающими низкой теплопроводностью. Известно, что теплопередача зависит, прежде всего, от теплопроводности поверхности. Поэтому создание покрытий с увеличенной теплопроводностью является актуально, т.к. это приводит к снижению затрат на отопление. Целью настоящей работы является создание металлополимерных покрытий и технологии их получения для защиты поверхности бытовых радиаторов и промышленных конвекторов с целью увеличения теплоотдачи. Покрытия будут формироваться предлагаемым нами новым способом: сочетанием электроосаждения полимерных водоразбавляемых композиций электролитов (являющихся промышленно выпускаемыми лакокрасочными материалами) с одновременным гальваническим осаждением металлов (например, меди и никеля). При этом образующиеся покрытия будут обладать увеличенной теплопроводностью за счет присутствия металлической фазы. Промышленной технологией получения покрытий на бытовых радиаторах и промышленных конвекторах является именно электроосаждение водоразбавляемых лакокрасочных материалов. Поэтому на существующем промышленном оборудовании, только за счет изменения состава электролита (водоразбавляемого лакокрасочного материла) и технологических параметров процесса можно получить теплопроводное покрытие, которое, к тому же, будет обладать лучшей антикоррозионной защитой и твердостью. Конечным итогом выполнения работы будет разработка новых металлополимерных покрытий и технологии их получения для внедрения на промышленных предприятиях, выпускающую отопительные приборы.

Основные планируемые результаты проекта:
В настоящем проекте предлагается получать защитные покрытия методом электроосаждения. При данном методе при окунании токопроводящей поверхности (в нашем случае пластины и ребра бытового радиатора и промышленного конвектора) в водный раствор пленкообразующих полимерных электролитов и наложении постоянного электрического поля образуется полимерное полимерного покрытие. При этом за 2 минуты формируется тонкое покрытие (10-15 мкм), обладающее на сегодняшний день наилучшими защитными свойства на удельную толщину. Если в водорастворимый олигомерный пленкообразователь осаждаемый на катоде добавить соли металлов, в частности меди и никеля, то при определенно подобранных параметрах технологического процесса будет происходить совместное электроосаждение как полимерной части, так и металла. Получаемое металлополимерное покрытие будет сочетать в себе как преимущества полимеров, таких, как низкая плотность, эластичность и прочность, с характерными для металлов высокой теплопроводностью и твёрдостью, а также быть коррозионностойким. Технологические и физико-химические принципы электроосаждения полимеров и гальванического осаждения металлов настолько различаются, что до сих пор никто мире не предпринимал попытки объединить в одном процессе обе технологии. Однако нами установлена принципиальная возможность такого объединения.
Совместное электроосаждение в постоянном электрическом поле металла из его солей и олигомерных электролитов из их водных растворов состоит в необходимости совмещения нескольких химических и электрохимических процессов, в том числе: восстановление на катоде ионов металла с выделением его на электроде, электролиз воды, взаимодействие полимерных ионов с Н+ или ОН¯, при взаимодействии с которыми полиэлектролит переходит в водонерастворимую форму. Каждая из этих реакций специфична и требует определённых условий (рН, напряжённости электрического поля, плотности тока, продолжительности и температурных условий). В отдельности каждый из процессов электроосаждения металлов и полиэлектролитов являются достаточно хорошо изученными. Задача состоит в выяснении процессов их взаимовлияния. Свойства покрытий будут зависеть также от соотношения компонентов в их смешанном электролите, характера взаимодействия между компонентами в покрытии, а также от структуры и морфологии образующихся покрытий.
Задачами работы являются:
1. Найти и определить оптимальные условия совместного электроосаждения на электроде полимерного электролита и солей меди и никеля из их смешанного электролита и оптимальный состав последнего.
2. Изучить свойства, структуру и морфологию получаемых покрытий.
3. На основании изучения механизма формирования медь-никель-полимерных покрытий при электроосаждении смешанного электролита предложить научные основы управления составом, структурой покрытий, а также предложить пути повышения основных и теплопроводящими, физико-механическими и другими эксплуатационными свойствами покрытий .
4. Получить экспериментальные образцы покрытий и провести широкие испытания их свойств с целью рекомендаций по областям их применения и конкретных предприятий.
5. Разработать технологический регламент медь-никель-полимерных покрытий.
На базе изучения этих процессов должны быть выбраны оптимальные параметры процесса, обеспечивающие получение покрытий с наилучшими комплексом свойств. Для изучения механизмов процесса и свойств покрытий будут использованы современные аналитические и физико-химические методы исследования (дифференциальная сканирующая калориметрия, ИКС, атомная микроскопия и др.), а также стандартные методы определения свойств покрытия по ГОСТ и международным стандартам ASTMD и ISO.
Предлагаемая к разработке технология не имеет аналогов в мировой практике, является инновационной, способной к патентованию как в России, так и в мире.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В первую очередь, основным потребителем разработанных покрытий и технологии их получения будут являться предприятия производящие бытовые радиаторы и промышленные конвекторы и использующие для окраски метод электроосаждения. Помимо промышленности производящей бытовые радиаторы и промышленные конвекторы, в разработанных покрытиях могут быть заинтересованы различные отрасли машиностроения, для которых требуется покрытия с улучшенными тепловыми характеристиками, защитными и физико-механическими свойствами.
При внедрении разработанного покрытия промышленность будет выпускать приборы с улучшенными на 15-20% тепловыми характеристиками, которые получаются за счет изменения коэффициента теплопроводности. Это обеспечивается как уменьшением толщины покрытия, так и образованием покрытия с другими теплопроводящими характеристиками. При этом защитные и антикоррозионные свойства покрытий не только не уменьшаться, а даже увеличатся не менее чем в 1,2-1,5 раза. В результате производства бытовых радиаторах и промышленных конвекторах с новым покрытием может произойти уменьшение металлоемкости изделия (уменьшение площади теплоотдающей поверхности) на 10-15% , что в свою очередь уменьшит стоимость производимой продукции.
Разработанные покрытия и технология их получения будут готовы для внедрения на существующих линия окраски электроосаждением на предприятиях производящих бытовые радиаторы и конвекторы. С учетом того, что в Центральном федеральном округе РФ существую шесть заводов, производящих указанную продукции, в объеме 6,5 млн. штук/год , то рынок для внедрения разработанных покрытий наличествует.

Текущие результаты проекта:
В соответствии с ТЗ и КП проекта на 1-ом отчётном этапе осуществлены следующие виды работ:
Произведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной литературы и нормативно-технической документации, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, на базе чего выбрано направление исследований. Процесс получения металлополимерных покрытий сочетанием в едином технологическом процессе (insitu) электроосаждения на катоде олигомерных электролитов с электролитическим осаждением металлов является новой физико-химической методикой формирования металлополимерных покрытий;
Произведен выбор объектов, направления исследований и способов решения поставленных задач. В качестве полимерного компонента для исследования нами был выбран пленкообразователь. В качестве металлической фазы были выбраны никель и медь в виде ацетатов. Также были выбраны и обоснованы направления исследований, способы решения поставленных задач и методы исследо-вания, которые базируются на базе современных физико-химических методах исследования и стан-дартных методиках ГОСТ, принятых в лакокрасочной и гальванической технологиях.
Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы, на основе рассмотрения процессов, протекающих при формировании металлополимерного покрытия методом электроосаждения. Показано, что предлагаемый метод получения металлополимерных по-крытий является наиболее применимым и теоретически обоснованным.
Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96. Установлено, что способ сочетания гальванического процесса электролитического осаждения металлов с катодным электроосаждением полиэлектролитов не имеет аналогов и способен к патентованию.