Μελέτη Μεθόδων Επιταχυνόμενης Γήρανσης και Αξιολόγηση Οργανικών Επικαλύψεων σε Υπόστρωμα Ναυπηγικού Χάλυβα

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη 5 χαρακτηριστικών αντιδιαβρωτικών οργανικών επιστρωμάτων που χρησιμοποιούνται ευρέως σε ναυπηγικές εφαρμογές. Για το λόγο αυτό, επιλέχθηκαν 3 βασικές χημικές συνθέσεις οργανικών επιστρωμάτων, οι οποίες συναντώνται σε εφαρμογές πλοίων. Συγκεκριμένα, οι βαφές που επιλέχθηκαν είναι οι εξής:  Αλκυδικές Βαφές  Εποξικές Βαφές & Βαφές Πολυουρεθάνης  Βαφές Υφάλων Πλοίων (Marine Antifouling Coatings) Τα εξεταζόμενα συστήματα οργανικών επιστρωμάτων είναι τα εξής:  Σύστημα 1: χρώμα λευκό, αποτελούμενο από αλκυδικό αστάρι (primer) και αλκυδικό φινίρισμα (topcoat).  Σύστημα 2: χρώμα πράσινο, αποτελούμενο από χλωριωμένο αλκυδικό αστάρι και τελικό φινίρισμα (topcoat).  Σύστημα 3: χρώμα λευκό, αποτελούμενο από εποξική ρητίνη , ως αστάρι, και φινίρισμα πολυουρεθάνης (topcoat).  Σύστημα 4: χρώμα κόκκινο, αντιρρυπαντικό (antifouling) επίστρωμα, για ναυπηγικές εφαρμογές. Το συγκεκριμένο σύστημα αποτελείται από το αστάρι (primer), ένα ενδιάμεσο στρώμα (intermediate) και το τελικό φινίρισμα (topcoat).  Σύστημα 5: χρώμα λευκό, αποτελούμενο από εποξική ρητίνη, ως αστάρι , και φινίρισμα ασπαρτικής πολυουρεθάνης (topcoat). Με την παρούσα εργασία έγινε μια προσπάθεια για μια ολοκληρωμένη, κατά το δυνατό, αξιολόγηση των συστημάτων αυτών. Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη αυτή περιλαμβάνει την εξέταση διαφορετικών μεθόδων επιταχυνόμενης γήρανσης (αλατονέφωση, έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία, θερμικοί κύκλοι, πείραμα συνεχούς εμβάπτισης), προκειμένου να εκτιμηθούν οι ιδιότητες φραγμού (barrier properties) των βαφών αυτών. Για το λόγο αυτό, προετοιμάστηκαν δοκίμια από υπόστρωμα ναυπηγικού χάλυβα, τύπου Grade A (100mm x 100mm x 4mm), τα οποία επικαλύφθηκαν με τα παραπάνω συστήματα βαφών. Σημειώνεται ότι, τα δοκίμια που εξετάστηκαν προήλθαν από πείραμα επιταχυνόμενης γήρανσης με συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία (sun test 6h 100C) και από πείραμα επιταχυνόμενης γήρανσης με προσομοίωση μέρας-νύχτας (900h solar simulation). Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, μετά τα πειράματα αυτά ακολούθησαν δοκιμές επιταχυνόμενης γήρανσης, με σκοπό να προσδιοριστεί η αντοχή των εν λόγω συστημάτων σε συνθήκες υπεριώδους ακτινοβολίας (240h UV & 480h Thermal Cycling), με βάση το πρότυπο ASTM G 154-06, σε συνθήκες αλατονέφωσης (720h Salt Spray), με βάση το πρότυπο ISO 14993:2001. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε πείραμα συνεχούς εμβάπτισης σε διάλυμα NaCl, σε συνθήκες περιβάλλοντος. Ανά τακτές χρονικές περιόδους, καθώς και μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών επιταχυνόμενης γήρανσης, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση των δοκιμίων με διάφορες τεχνικές, όπως ηλεκτροχημικές, οπτικές, χημικές και μηχανικές. Πιο συγκεκριμένα, η όψη των δοκιμίων εξετάστηκε, αρχικά, μέσω οπτικής παρατήρησης και στη συνέχεια μέσω μετρήσεων στιλπνότητας (gloss), χρώματος (colorimetry), και στερεοσκοπίας (stereoscopy). Στη συνέχεια, τα δοκίμια εξετάστηκαν με την τεχνική της φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης (ΕΙS), τη μέθοδο γραμμικής πόλωσης (LPR) και τη μέθοδο προεκβολής Tafel (Tafel extrapolation). Η εξέταση των δοκιμίων συνεχίστηκε με τη μέθοδο FTIR, προκειμένου να ανιχνευθούν τυχόν χημικές αλλοιώσεις των επιστρωμάτων. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις βάρους και πάχους των δοκιμίων. Στα συστήματα 2 και 4 έγινε, επίσης, προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών επιταχυνόμενης γήρανσης. Οι μηχανικές δοκιμές αυτές, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις της εταιρίας ΧΡΩΤΕΧ στον Ασπρόπυργο, περιλαμβάνουν τη μέτρηση πρόσφυσης (pull of test) και τη μέτρηση της σκληρότητας του φορέα (König Pendulum Damping Test ).

The aim of this thesis is to study five different anticorrosive organic coatings, which are widely used in shipbuilding applications. For this reason, we selected three basic chemical compositions of organic coatings, which are used in marine applications. Specifically, the coatings which are selected are:  Alkyd Paints  Epoxy & Polyurethane Paints  Marine Antifouling Coatings The examined systems are:  System 1: color white, alkyd primer & topcoat  System 2: color green, alkyd resin modified with chloride (primer & topcoat)  System 3: color white, epoxy primer & topcoat  System 4: color red, marine antifouling coating, this system consists of primer, intermediate and topcoat  System 5: color white, epoxy primer with aspartic polyurethane topcoat More specifically, this study examines different methods of accelerated weathering tests (salt spray, UV exposure, thermal cycling, immersion test), in order to examine the barrier properties of these coatings. This is way, the specimens are made of shipbuilding steel Grade A (100x100x4mm) and they were coated with the examined paint systems. It should be noted that these specimens had studied in concentrated solar tests (6h at 100C) and solar simulation tests (900h). As it was mentioned above, after these experiments, we carried out accelerated weathering tests, in order to determine the durability of the paints systems in ultraviolet conditions ( 240h UV & 480h Thermal Cycling), based on standard ASTM G 154-06, in salt spray conditions (720h Salt Spray), based on the standard ISO 14993-2001. Moreover, we carried out immersion test (solution NaCl, 1200h). The properties of the specimens were evaluated by various techniques, such as electrochemical, optical, chemical and mechanical tests at planned intervals and at the end of the accelerated aging tests. More specifically, the surface properties of the coating are examined by visual observation and gloss test, colorimetry and stereoscopy. Also, the paint systems are characterized by Electrochemical Impedance Spectroscopy, Liner Polarization and Tafel Extrapolation study. Furthermore, the structure of the specimens was investigated by Fourier- transform infrared spectroscopy (FTIR), in order to detect any chemical changes. Finally, we carried out weight and thickness measurements. Moreover, the mechanical properties of the systems 2 & 4 were evaluated though pull off adhesion test and König Pendulum Damping Test. These tests were carried out at premises of Chrotex Company at Aspropirgos.