Influence of erosive particles impact angle on erosive wear intensity of polyurethane coatings

W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań wpływu kąta padania cząstek elektrokorundu na kinetykę zużywania erozyjnego powłok poliuretanowych. Badano trójwarstwowe powłoki poliuretanowe o grubości 190 žm. Średnia twardość powłok wg Buchholtza (PN-EN ISO 2815:2000) wynosiła 85. Natomiast parametry chropowatości powierzchni powłok stanowiły odpowiednio: Ra = 0,21 žm oraz Rz = 0,97 žm. Prowadzono badania erozyjne powłok dla kąta padania [alfa] = (25, 45, 75 bajtów)°. Wykorzystano do tego celu aparat zalecany w polskiej normie PN-76/C-81516. Zamontowano w nim specjalny uchwyt, umożliwiający badania dla różnych kątów padania cząstek erozyjnych. Aparat ten umożliwiał swobodne spadanie cząstek erozyjnych z wysokości h = 0,94 m. Rezultaty badań udowodniły, że im mniejszy był kąt padania cząstek erozyjnych, tym intensywniejszemu zużywaniu erozyjnemu ulegały powłoki poliuretanowe. Największą intensywność zużywania erozyjnego (I = 4,72 žm/kg) wykazała powłoka, poddana oddziaływaniu cząstek erozyjnych, uderzających w powłokę pod kątem 25°. W tym przypadku dominowało mikroskrawanie powłoki. Natomiast najmniejszą intensywność zużywania erozyjnego (I = 0,83 žm/kg) obserwowano dla [alfa] = 75°, gdy dominowało zużycie deformacyjne powłok.The article presents examination results of the influence of alundum particle impact angle on the kinetics of the erosive wear of polyurethane coatings. Examined three-layer polyurethane coatings of an average thickness of 190 žm were examined. The average hardness acc. Buchholtz (PN-EN ISO 2815:2000) was 85, whereas the roughness parameters were Ra = 0.21 žm and Rz = 0.97žm. The process of the erosive wear of coatings was investigated for impact angle [alfa] ranging from 25° to 75°. The erosive wear of the coatings was examined using the apparatus recommended by the Polish Standard PN-76/C-81516. The test specimen was mounted in a specially designed holder that allowed the precise setting of the angle of the specimen surface, which was subsequently subjected to testing. The apparatus enabled free fall of an abrasive material from 0.94 m height. As the abrasive material particles of granulated alundum of grain size 0.60–0.71 mm (acc. PN-76/M-59111 bajtów) were applied. Examination that that the lower [alfa] angle, the higher the intensity of erosive wear of the polyurethane coating. For [alfa] angle equal 25°, due to the micro-cutting process domination, more intensive erosive wear was observed (I = 4.72 žm/kg) than in the case of impact angle values higher than 60°. However, the lowest intensity of erosive wear (I = 0.83 žm/kg) of the coating was observed for the impact angle [alfa] = 75° when deformative wear dominated

The evaluation of sulphuric acid water solution influence on the state of epoxy coating surface

W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu oddziaływania wodnych roztworów kwasu siarkowego (3, 10, 20%) na zużycie erozyjne powłok epoksydowych. Stwierdzono zmianę chemicznej struktury starzonych powłok w wyniku ich znacznego utlenienia. Wpłynęło to na wzrost kruchości powłok, co przyczyniło się do utraty spójności napełniaczy oraz pigmentów z tworzywem epoksydowym. Na kolejnym etapie zachodziło ich uwalnianie z powierzchni powłok. Przyczyniło się to do znacznego wzrostu chropowatości powierzchni starzonych powłok tym większego, im wyższe było stężenie medium agresywnego i im dłuższy był okres jego oddziaływania. Destrukcja powierzchni powłok skutkowała: pęcherzeniem, pękaniem oraz powstawaniem kraterów. Starzenie miało istotny wpływ na zwiększenie intensywności zużywania erozyjnego badanych powłok epoksydowych.The paper presents the examination results concerning the influence of (3, 10, 20)% sulphuric acid water solutions on the erosive wear of epoxy coatings. Chemical structure change of aged coatings was stated as the result of their essential oxidation. It caused a coating brittleness increase that contributed to cohesion loss between fillers, pigments, and epoxy material. In the next stage, their release from coating surface layers occurred. It contributed to an essential increase of the surface roughness of aged coatings which was the higher, and the aggressive medium concentration was higher, and the period of its action longer. The destruction of the coating surface caused blistering, cracking, and crater generation. The ageing essentially increased the erosive wear intensity of examined coatings

Wpływ struktury warstwowej powłok polimerowych na ich odporność erozyjną

The paper presents the results of erosive resistance investigation of three-layer epoxy coating systems with different compositions of surface layers. This layer was modified with glass microspheres or nanoparticles of aluminium trioxide or silica. The highest erosive resistance, in the whole thickness range of examined epoxy coatings, was revealed by coating systems with a surface layer (top coat) modified using nanoparticles of aluminium trioxide. Similar but slightly lower erosive resistance was reported in the case of surface layer modification with nanoparticles of silica use. High erosive resistance of coating systems modified with nanoparticles results from their structure reinforcement by nanoparticles that seal nanopores generated during the process of coating constitution. The lowest erosive resistance was observed in the case of systems with a surface layer modified using Glass microspheres. This results from high brittleness of glass microspheres, which is evident during the coating surface bombardment with alundum particles. The paper demonstrates the methods for the analysis of the interaction between lubricant and steel substrate and presents the obtained results. The samples to be tested were commercially available greases as well as greases developed for the purpose of this research, containing a known amount of adhesion additives. Due to the lack of normalized methods, the authors applied indirect methods based on the analysis of the peel resistance and the resistance to variable shearing rates. The obtained results reveal that there is a possibility to apply the proposed methods for the comparative assessment of interactions between the grease and steel substrate.W artykule przedstawiono wyniki badań odporności erozyjnej trójwarstwowych epoksydowych systemów powłokowych różniących się składem warstwy nawierzchniowej. Do modyfikacji warstwy nawierzchniowej powłok zastosowano: mikrosfery szklane, nanocząstki tritlenku aluminium lub nanocząstki krzemionki. Najwyższą odporność erozyjną (w całym zakresie grubości badanych powłok epoksydowych) wykazały systemy powłokowe z warstwą nawierzchniową modyfikowaną nanocząstkami tritlenku aluminium. Podobną, lecz nieco mniejszą odporność erozyjną stwierdzono w przypadku modyfikacji warstwy nawierzchniowej nanocząstkami krzemionki. Wysoka odporność erozyjna systemów powłokowych modyfikowanych nanonapełniaczami wynika ze wzmocnienia ich struktury na skutek uszczelnienia przez nanonapełniacze nanoporów powstających podczas procesu konstytuowania powłok. Natomiast najmniejszą odporność erozyjną obserwowano w przypadku systemów powłokowych z warstwą nawierzchniową modyfikowaną mikrosferami szklanymi. Wynikało to z wysokiej kruchości mikrosfer szklanych objawiającej się podczas uderzania cząstek elektrokorundu. W artykule przedstawiono metody badania oddziaływań środków smarowych z podłożem stalowym, a także zaprezentowano uzyskane wyniki. Przedmiotem badań były komercyjne smary plastyczne i smary opracowane na potrzeby eksperymentu zawierające znaną ilość dodatków adhezyjnych. Ze względu na brak znormalizowanej metody do badania zastosowano metodyki pośrednie oparte o pomiar siły rozrywania i odporności warstw smarowych na działanie zmiennych szybkości ścinania. Uzyskane wyniki wskazują, że istnieje możliwość wykorzystania zaproponowanych metod do oceny porównawczej oddziaływań smarów plastycznych z podłożem stalowym

Estimation the influence the type of filler on the resistance to erosive of epoxy coating

Przedstawiono wpływ mikronapełniaczy oraz nanonapełniaczy na zużycie erozyjne modyfikowanych nimi powłok epoksydowych. Wprowadzone do struktury powłok mikrosfery szklane miały zróżnicowaną średnicę, nieprzekraczającą jednak 30 žm. Natomiast nanonapełniacz stanowiły cząstki miedzi o średnicy 66 nm i udziale masowym 3,5%, a ich udział masowy wynosił 10%. Zastosowane nanocząstki miedzi wpłynęły istotnie na odporność erozyjną modyfikowanych nimi powłok epoksydowych, bowiem odporność erozyjna wzrosła o 46% w porównaniu z powłoką niemodyfikowaną. Uwarunkowane to było przede wszystkim: podwyższeniem twardości powłok, redukcją ich chropowatości, a także wzrostem modułu zachowawczego (sprężystości) E’ powłok modyfikowanych. Najmniejszą odporność erozyjną wykazała powłoka kompozytowa, składająca się z trzech warstw powłoki epoksydowej – modyfikowanej mikrosferami szklanymi. Prawdopodobnie miały na to wpływ: większa chropowatość powłoki kompozytowej, niska odporność mikrosfer szklanych na oddziaływanie cząstek skrawających powłokę lub niska odporność mikrosfer na kruche pękanie, a także słabe ich związanie z tworzywem epoksydowym. Większą odporność erozyjną uzyskano dla trójwarstwowej powłoki epoksydowej z międzywarstwą, modyfikowaną mikrosferami szklanymi. Wzrosła ona o 16% w odniesieniu do powłoki niemodyfikowanej.The paper presents influence of micro- and nanofillers on erosive wear of coatings modified with the use of these particles. Glass microspheres of differentiated diameter values not exceeding 30 žm were used as microfiller at a mass share of 10%; whereas, nanofiller copper particles of mean diameter 66 nm were used at a mass share of 3.5%. Copper nanoparticles caused the essential increase of the erosive resistance of the coatings modified with their use, since this resistance increase by 46% in comparison with the erosive resistance of unmodified coatings. It was primarily caused by the increase in the coating hardness, coating roughness reduction, and the increase of the dynamic storage modulus E’ of modified coatings. The composite coating consisting of epoxy layers modified with glass microspheres showed the lowest erosive resistance. It was probably caused by the higher roughness of the composite coating, the low resistance of microspheres to brittle cracking, and their weak bonding with epoxy material. Higher erosive resistance was obtained for a three-layer epoxy coating with interlayer modified with glass microspheres. It increased by 16%, compared with the erosive resistance of the unmodified coating

Influence of aggressive media on destruction of epoxy protective coatings of technical objects

W artykule przedstawiono niekonwencjonalne badania destrukcji powłok epoksydowych, starzonych mediami agresywnymi, w postaci wodnych 5% roztworów: chlorku sodu, kwasu siarkowego, wodorotlenku potasu. Pod wpływem starzenia tymi mediami obserwowano pękanie powłok oraz istotne zwiększenie chropowatości ich powierzchni. Ponadto w przypadku oddziaływania wodnego roztworu kwasu siarkowego stwierdzono zwiększenie falistości powłok, spowodowane ich pęcherzeniem. Destrukcję powłok badano za pomocą mikroskopii elektronowej oraz optycznej. Kinetykę starzenia powłok analizowano na podstawie charakterystyk, uzyskanych z zastosowaniem dynamiczno-mechanicznej analizy termicznej (DMA), jak również z użyciem spektroskopii w podczerwieni (FTIR). Do oceny zmian topografii powierzchni powłok (falistości i chropowatości) posłużyły badania profilometryczne.The paper presents unconventional examinations of destruction of epoxy coatings aged with aggressive media in the form of 5% water solutions of: sodium chloride, sulphuric acid and potassium hydroxide. Coatings cracking as well as essential increase of coatings surface roughness was observed under the influence of these media. Moreover, in the case of sulphuric acid water solution action, the increase of coatings surface waviness was stated as a result of blistering. Destruction of coatings was examined with the use of electron and optical microscopy. Kinetics of coatings ageing was analysed on the basis of characteristics obtained using dynamic-mechanical analysis (DMA) as well as infrared spectroscopy (FTIR). Evaluation of coatings surface topography changes (waviness and roughness) was made on the basis of profilometric analysis

Erosive wear kinetics of climate-aged epoxy coatings

Badano kinetykę zużywania erozyjnego powłok epoksydowych, uprzednio starzonych klimatycznie. Maksymalny okres starzenia wynosił 3 lata. Badania procesu zużywania erozyjnego powłok epoksydowych przeprowadzono za pomocą urządzenia opisanego w normie PN-76/C-81516. Do oceny intensywności erozyjnego zużywania powłoki epoksydowej przyjęto kryterium I, wyrażające stosunek grubości (G) powłoki do całkowitej masy (M), swobodnie spadających cząstek elektrokorundu granulowanego, powodujących ubytek powłoki w obszarze jej kontaktu z cząstkami erozyjnymi. Powłokę uważano za całkowicie zużytą w przypadku, gdy ubytek erozyjny powłoki spowodował odsłonięcie fragmentu powierzchni stalowego podłoża w kształcie elipsy, której mniejsza średnica wynosiła d = 3,6 ± 0,1 mm. Starzenie powłok epoksydowych pod wpływem czynników klimatycznych spowodowało destrukcję ich warstw powierzchniowych. W wyniku czego postępujące zanikanie adhezji między powłokotwórczą żywicą epoksydową a powierzchnią cząstek pigmentów oraz napełniaczy, przyczyniło się do uwalniania składników powłoki z jej powierzchniowych warstw. Skutkowało to zmniejszeniem twardości oraz wzrostem chropowatości powierzchni powłok. Miało to wpływ na znaczne obniżenie ich połysku. Ponadto powodowało systematyczne obniżanie grubości powłok wraz z wydłużaniem okresu ich starzenia. Obserwowano progresywną destrukcję powierzchni starzonych klimatycznie powłok epoksydowych. Wpłynęło to na zwiększanie intensywności erozyjnego zużywania powłok w miarę upływu okresu ich starzenia. Po trzech latach klimatycznego starzenia powłok epoksydowych, intensywność zużywania erozyjnego badanych powłok wzrosła bowiem ponad trzykrotnie.Erosive wear kinetics of epoxy coatings, previously aged with climatic factors, was examined. The maximum ageing period lasted 3 years. The examination was carried with a apparatus described in the Polish Standard PN -76/C-81516 enabling the free fall of abrasive material particles from 0.94 m height and hitting the coating surface at the angle α = 45°. As an abrasive material, granulated alunite was used of grain size 0.60-0.71 mm. For erosive wear intensity of epoxy coatings, Criterion I was used expressing a proportion of the coating thickness G to the total mass M of free falling erosive particles which erode the coating exposing the steel substrate surface of the ellipsoid shape with the minor diameter d = 3.6 ± 0.1 mm. As the object of examination, three-layer epoxy coatings of average thickness 155 µm were taken. They were applied on the surface of steel sheet samples of 160 x 80 x 2 mm dimensions. Ageing of coatings under the influence of climatic factors caused the destruction of their surface layers. Therefore, progressive decline of adhesion between the epoxy resin and the surface of pigments and fillers particles contributed to release of coating elements from the coating surface layers. This was the reason for a decrease in coating hardness and an increase in roughness and cause substantial “shine loss”. Furthermore, systematic thickness decreased with the extension of the ageing period, and progressive surface destruction of climate-aged epoxy coatings was observed which induced an increased intensity of coatings erosive wear with the lapse of ageing time. The erosive wear intensity increased 300% after three years of climate ageing

The assessment of surface wear of epoxy coatings aged with a potassium hydroxide water solution

Niniejszy artykuł dotyczy oceny wpływu starzenia wodnym 20% roztworem wodorotlenku potasu na zużycie powierzchni powłok epoksydowych. Powłoki epoksydowe w wyniku starzenia ulegają destrukcji chemicznej w postaci utleniania oraz degradacji tworzywa epoksydowego. Zachodzi również destrukcja fizyczna powłok w wyniku: pękania, wzrostu porowatości powłok oraz zwiększenia chropowatości jej warstw powierzchniowych.The paper concerns the assessment of the influence of ageing with a 20% potassium hydroxide water solution on the wear of an epoxycoated surface. FTIR and X-ray examination proved intensive oxidation of the surface layers of aged coatings. Chemical structure destruction of aged coatings caused an increase of glass transition temperature Tg. As the effect of ageing, the hardness decrease of the surface layers of coatings was noticed. Moreover, oxidised surface layers showed a decreased cohesion of coating constituents. As a result of pigments and fillers released from the coating structure, craters developed on the coating surface. This essentially influenced the roughness increase of aged coatings, the more with the longer time of aggressive medium action. For example, roughness parameter Ra for 1080 h ageing increased more than 35 times. Roughness parameter Rz and waviness parameter Wt are subjected to fewer changes in all periods of ageing. Parameter Rz (equal 0.5 μm for unaged coating) increased more than twice for 1080 h ageing. However, coating waviness for the same ageing period increased over five times, i. e. from Wt = 1.15 μm for unaged coating to Wt = 6.03 μm for the coating aged for 1080 h. Ageing changes of coating structures also contributed to the increase of coating porosity. After 1080 h of ageing, the pore volume increased by 59%. Moreover, cracks development was stated on coating surface as the result of pore consolidation. As a result of ageing, epoxy coating resistance to erosive action of alundum particles decreased, which was proved by more than twice the increase of their erosive wear intensity after ageing for 1080 h

Method of porosity investigation of polymer coatings

W artykule przedstawiono wyniki badań oddziaływania wodnego 20% roztworu chlorku sodu na rozwój porów w strukturze powłok epoksydowych. Do badań zastosowano metodę porozymetrii rtęciowej. Zawartość, jak i rozmiary porów w materiale powłok, ulegały zmianie w zależności od okresu ich starzenia, którego maksymalna długość wynosiła 1380 godzin. W początkowym etapie starzenia (t ≤ 360 h) obserwowano zwiększanie średnicy porów, a także zmniejszanie ich skumulowanej objętości oraz całkowitej powierzchni właściwej porów, co można wytłumaczyć zamykaniem nano- i mikroporów. Proces zamykania tych porów zachodzi prawdopodobnie w efekcie oddziaływania narastających w materiale powłoki naprężeń starzeniowych. W dalszym okresie starzenia powłok (t › 360 h) rosła w nich liczba nano- i mikroporów, o czym świadczyła (stwierdzona w badaniach porozymetrycznych) zmniejszająca się średnia średnica porów, przy zauważalnym wzroście zarówno skumulowanej objętości porów, jak również całkowitej powierzchni właściwej porów. Spowodowane to było zmianami starzeniowymi (zachodzącymi pod wpływem destrukcyjnego oddziaływana wodnego 20% roztworu chlorku sodu) w strukturze chemicznej powłok (takimi jak: pękanie wiązań chemicznych, utlenianie), przyczyniającymi się do pogorszenia ich własności mechanicznych (wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie, twardości). Pogarszanie się własności mechanicznych wpłynęło na zwiększanie podatności powłok na intensywny rozwój w nich nowych (wspomnianych powyżej) nano- i mikroporów, jak również wzrost rozmiarów porów istniejących. Na przykład, po starzeniu powłok epoksydowych w ciągu 1380 godzin objętość porów wzrosła dwukrotnie, zaś ich powierzchnia właściwa trzykrotnie. Ponadto, w wyniku przeprowadzonych badań udowodniono, że system porów w badanych powłokach epoksydowych ma charakter fraktalny dla dwóch obszarów średnic porów. Pierwszy obszar występuje w przypadku porów o średnicy d >10 μm, zaś drugi dotyczy porów o średnicy 0,025 μm ‹ d ‹ 10 μm.The paper presents investigations results of aqueous 20% solution of natrium chloride influence on pores development in epoxy coatings structure. Investigations were carried out using mercury porosimetry method. The sizes of pores and their content in coating material underwent changes depending on the ageing period which maximum duration was 1380 hours. In initial stage of ageing (t ≤ 360 h) pores diameter increase was observed as well as decrease of their cumulative volume and specific total surface which can be explained by the fact of nano- and micropores closing. The process of pores closing undergo probably as an effect of increasing ageing stresses action in coating material. In subsequent period of coatings ageing (t › 360 h) the quantity of nano- and micropores increased which evidence was mean diameter of pores decrease (revealed by porosimetry) accompanied by noticeable increase of cumulative pores volume as well as total pores surface. It was caused by ageing changes (occurring under the destructive action of aqueous 20% solution of natrium chloride) in coating chemical structure (like breaking of chemical bonds, oxidation) contributing to their mechanical properties deterioration (tensile and compressive strength, hardness). Deterioration of mechanical properties caused increase of coatings susceptibility to intensive development in their volume of new (above mentioned) nano- and micropores as well as increase of existing pores dimensions. For example, after epoxy coatings ageing for 1380 hours the pores volume increased two times whereas the specific surface of pores increased three times. Moreover, as a result of carried out investigations it was proved that pore system in examined coatings has fractal mode in two areas of pores diameters. First area occurs in the case of pores of diameter d >10 μm whereas the second pertains to the pores of diameter 0,025 μm ‹ d ‹ 10 μm

Wpływ starzenia klimatycznego na kinetykę zużywania erozyjnego nanopowłok polimerowych

The paper presents the results of erosive resistance investigation carried out on three-layer epoxy-polyurethane coating systems of different polyurethane top coat composition. Alumina nanoparticles with a grain size of 20 nm or silica nanoparticles with a grain size of 12 or 20 nm were applied for the top coat modification. Coating systems with top coats modified using silica nanoparticles with the grain size of 12 nm (nanocoatings) revealed the highest erosive resistance, whereas the lowest one was observed in the case of coating systems with unmodified top coats. Lower erosive wear intensity of nanocoatings follows on their relatively high hardness, as well as low surface roughness. Moreover, nanofillers contained in the top coat reduce the development of defects (pores, cracks) in its structure, increasing the erosive resistance of the coatings. Climatic ageing substantially influenced the formation of polyurethane coatings surface topography. Polyurethane coatings modified with nanofillers showed less change in their surface topography than did unmodified coatings. Therefore, the modification of polyurethane top coats with nanofillers decreases their surface susceptibility to destruction.W artykule przedstawiono wyniki badań odporności erozyjnej trójwarstwowych epoksydowo-poliuretanowych systemów powłokowych różniących się składem poliuretanowej warstwy nawierzchniowej. Do modyfikacji warstwy nawierzchniowej systemów powłokowych zastosowano nanocząstki tritlenku diglinu (o rozmiarach ziarna d = 20 nm) lub nanocząstki krzemionki (d = 12 nm, d = 20 nm). Najwyższą odporność erozyjną wykazały systemy powłokowe z warstwą nawierzchniową modyfikowaną nanocząstkami krzemionki o rozmiarach ziarna d = 12 nm. Natomiast najmniejszą odporność erozyjną obserwowano w przypadku systemów powłokowych z warstwą nawierzchniową niemodyfikowaną. Mniejsza intensywność zużywania erozyjnego nanopowłok wynika z ich relatywnie wysokiej twardości, a także niskiej chropowatości powierzchni. Ponadto nanonapełniacze zawarte w warstwie nawierzchniowej ograniczają powstawanie w ich strukturze wad (porów, pęknięć), powodując zwiększenie ich odporności erozyjnej. Starzenie klimatyczne istotnie wpłynęło na ukształtowanie topografii powierzchni powłok poliuretanowych. Powłoki poliuretanowe modyfikowane nanonapełniaczem wykazały mniejszą zmianę topografii powierzchni, niż powłoki niemodyfikowane. Zastosowanie zatem modyfikacji nawierzchniowych powłok poliuretanowych nanonapełniaczami zmniejsza podatność ich powierzchni na destrukcję