Уральский регион лидирует в производстве цинковых нанопорошков – антикоррозионных наполнителей для лаков и красок. Одно из самых значимых предприятий в этой области, НПП «Высокодисперсные металлические порошки», расположено в Екатеринбурге. Его продукцию используют для защиты металлоконструкций крупнейших объектов России – от Патриаршего моста в Москве и Краснодарского нефтеперерабатывающего завода до мостов на дороге «Колыма» (Якутск?Магадан) и ЛЭП в Хабаровском крае. Вместе с академическими институтами на предприятии ищут способы создавать новые покрытия.

Лакокрасочные материалы, или ЛКМ, широко используют как защиту от коррозии и огня. Для улучшения защитных свойств в них добавляют нанопорошки различных металлов, чаще всего цинка. Ими покрывают конструкции из металла, бетона и дерева: закладные, соединительные элементы и гибкие связи железобетонных конструкций зданий, мостов и дорожных ограждений, опор ЛЭП, резервуаров и оборудования нефтегазового комплекса, портовых и гидротехнических сооружений. ЛКМ используют как огнезащиту для наливных полов в складских и торговых помещениях, на автопарковках. В строительстве эти материалы применяются недавно, но они уже успели себя зарекомендовать.

Применяем такие антикоррозионные покрытия для резервуаров и металлоконструкций уже около 10 лет, за этот срок отклонений от заявленного качества не было», – констатирует Дмитрий Бессонов, генеральный директор ПП «Волкомпани».

Рис. 1. Мост через Волгу в Ульяновске, покрытый грунтовкой с цинковым нанопорошком.

В ЛКМ используют полидисперсный порошок, т.е. содержащий частицы, размер которых укладывается в определенный диапазон от нм до мкм.

Наши специалисты установили, что больший срок службы имеют антикоррозионные материалы именно из полидисперсных порошков. Сегодня мы вышли на прогнозируемый срок службы системы покрытий до 25–30 лет», – рассказывает Михаил Вахрушев, генеральный директор НПП «Высокодисперсные металлические порошки» (ВМП).

Наносят металлнаполненные покрытия по обычной технологии, и если ее нарушить, то эффективность покрытия снижается. «К самим цинкнаполненным материалам претензий нет, а вот к российской халатности – есть. Зачастую из-за своей халатности наши работники не выполняют указания технолога. Например, не перемешивают краску перед нанесением», – рассказывает Алена Мезенцева, инженер-технолог «Нижнетагильского завода металлоконструкций».

Нанопорошковые ЛКМ более экономичны в использовании. Высокая плотность упаковки частиц позволяет добиться более эффективной катодной защиты и одновременно уменьшить толщину защитного слоя. Сократить расход материала в еще большей степени способны золь-гель покрытия. Золь – взвесь наночастиц в жидкости. При переходе золя в гель происходит кристаллизация, и образуется плотная, прочная, но упругая система, пронизанная сеткой наночастиц. Создать покрытия с помощью золь-гель технологии пытаются в лаборатории ВМП совместно с рядом академических институтов.

Наноструктурированные покрытия на основе золь-гель технологии для защиты от коррозии металлических поверхностей – новое поколение экологически чистых покрытий, преимущественно на водной основе, промышленное производство которых пока не существует, но активно ведется их разработка. Основные преимущества таких покрытий – малая толщина, всего 6–10 мкм (вместо 200–300 мкм традиционных покрытий), срок антикоррозионной защиты продлевается до 50 лет, механическая стойкость во много раз превосходит таковую для традиционных полиуретановых и акриловых покрывных материалов», – сообщает Борис Гельчинский, д. ф.-м. н., заместитель генерального директора по науке и инновациям ВМП.

Технология

Для производства ЛКМ необходимы полидисперсные металлические порошки со сферической формой частиц, что увеличивает плотность упаковки. Их получают путем испарения и конденсации расплава. Этот метод называется газофазной конденсацией. Расплав испаряют в печи в атмосферу охлажденного нейтрального газа, например аргона. Горячий пар смешивается с охлажденным газом, вследствие чего начинается конденсация. При конденсации металлические наночастицы формируются из отдельных атомов, поэтому такой метод носит название «снизу?вверх». В результате получаются полидисперсные порошки, размер частиц которых близок к нормально-логарифмическому распределению. Размер самых маленьких порошинок начинается от единиц нм.

Рис. 2. Цех по производству нанопорошков.

Метод газофазной конденсации зародился еще в 70-е годы прошлого столетия, а применение в российской промышленности нашел в начале 90-х. Этим методом получают порошки металлов с температурой плавления до 1000⁰С, таких как цинк, медь, бронза и серебро.

Испарение-конденсация в электрической дуге позволит получать порошки тугоплавких металлов, например титана, который может использоваться для плазменного напыления коррозиестойких и износостойких покрытий. Мы уже изготовили первую опытную установку и начали отработку технологических режимов», – говорит Борис Гельчинский.

При конденсации частицы порошка будут тем крупнее, чем дольше идет процесс. Это естественное следствие явления коагуляции. Слипание частичек диктует важную проблему – как сохранить порошок с нужными параметрами. Частично предотвратить процесс коагуляции помогает использование пассиватора. На ВМП в качестве пассиватора используют органические соединения, которые при испарении обволакивают порошинки. Кроме того, пассиватор препятствует окислению порошка.

Остается открытым вопрос о безопасности нанопорошков для организма.

Наши исследования в этой области, совместно с медиками УрГМА, выявили, что некоторые нанопорошки менее токсичны, чем микронные. Но, к сожалению, финансирование в этом направлении слишком скудное и работы идут медленно», – комментирует Сергей Соковнин, д. т. н., лаборатория импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН.

Рынок

Михаил Вахрушев:

На сегодня рынок нанопорошков невелик, даже в мировых масштабах». Специфика западного рынка – в поддержке инноваций. «На Западе в области защиты от коррозии активно применяют покрытия на основе высокодисперсных порошков, и российские материалы на сегодняшний день не уступают по качеству импортным. Однако развитие подобных технологий сдерживается российской действительностью: требования отечественного рынка таковы, что низкая цена важнее качества», – утверждает Дмитрий Бессонов.

Если уже отработанные инновационные проекты еще имеют шанс, то новые разработки почти обречены. Все хотят сразу технологию, чтобы построить завод. Но сначала нужно провести поисковые исследования, а их финансировать желающих мало.

ЛКМ на основе нанопорошков проходят стандартные испытания. Никаких специализированных технологий для проверки того, насколько более или менее опасны подобные материалы, на сегодняшний день в России не существует и не разрабатывается. Михаил Вахрушев:

В покрытиях кроме порошков используют ряд химических компонентов – связующее и различного рода добавки. Все такие компоненты прошли испытания, сертифицированы. Наши материалы имеют класс опасности 4, как у обычных красок».

При строительстве стартового комплекса для ракеты-носителя «Союз-СТ» на космодроме Куру во французской Гвиане использовали более 30 тонн защитных покрытий с нанопорошками. В конце ноября 2009 г. в Ульяновске открыли 13-километровый мост через Волгу. Металлические пролетные строения на нем покрыты нанопорошковыми ЛКМ, которые должны прослужить 25 лет.

По материалам журнала «Российские нанотехнологии» № 1–2 2010 год: