Protikorozní ochrana ocelových konstrukcí bariérovými povlaky z recyklovaných plastů

Tak tomu je např. u produkce oceli, skla a stejně tak i u produkce plastických hmot, jejichž výroba má dlouhodobě stoupající trend. Je proto pochopitelné, že se v České republice zabývá recyklačními technologiemi velký počet firem. Typické recyklační technologie, odpady, zmetky, výseky, otřepy a jiné zbytky se po rozmělnění přidávají výchozího materiálu. Většinou jde o úpravu na regranulát. Rozdrcené odpady se podle potřeby vyperou, roztaví, homogenizují a ochlazené se granulují. V této formě jsou zpracovatelné jako prvotní surovina. Regranulát může být netříděný nebo tříděný, jednodruhový nebo vícedruhový, čili směsný. Zpracování směsných plastů je možné jen pro omezený sortiment méně kvalitních výrobků. V úvahu přicházejí nejčastěji používané typy termoplastů, jako jsou ABS, EPDM, LDPE, HDPE, PP, PVAC, PVC, PS, PUR, PETP a další. Jednodruhový regranulát je používán pro zpracování vstřikováním a přípravu kompozitů pro výrobu fólií a desek, pytlů apod. Vícedruhové regranuláty jsou zpracovávány za využití kompatibilizačních postupů umožňujících výrazné zlepšení materiálových vlastností výsledného produktu, především pevnosti a houževnatosti. Dále je možné plastový recyklát ve fázi zpracování regenerovat za pomoci dalších aditiv, jako jsou stabilizátory, maziva a barvy.

Obr. 1, 2 – U-profil opláštěný masivním bariérovým povlakem
z termoplastického recyklátu

PROTIKOROZNÍ OCHRANA OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ BARIÉROVÝMI POVLAKY
Rozeznáváme čtyři hlavní ochranné mechanismy, užívané v protikorozní ochraně ocelových konstrukcí:

• inhibiční – využívá působení korozních inhibitorů obsažených v povlaku (dříve hojně používané pigmenty chromanové a suřík, dnes fosforečné aj.),
• adhezní – využívá vysoké přilnavosti povlaku k podkladu, čímž je bráněno rozvoji korozního děje pod povlakem,
• elektrochemický – využívá rozdílného elektrochemického potenciálu kovových povlaků zinku a hliníku vůči oceli,
• bariérový – vyžaduje vyšší tloušťku povlaku a nízký stupeň porozity (uvádí se, že tloušťka povlaku považovaného za bariérový má být větší než 250 μm).

Je zřejmé, že při použití běžných nátěrových hmot se uplatňuje vždy kombinace výše zmíněných ochranných mechanismů. Využití recyklovaných plastů k bariérové ochraně ocelových konstrukcí se nabízí z několika důvodů. Plastový recyklát není drahý, protože produkce plastových odpadů je vyšší než spotřeba recyklátu.Aplikace bariérových povlaků oproti rozpouštědlovým nátěrovým hmotám je výhodná z hlediska úniku škodlivých látek do atmosféry. Mezi nevýhody však patří nemožnost vytvářet bariérové povlaky z recyklátu na složité tvary ocelových konstrukcí. Z tohoto důvodu se bariérové povlaky z recyklátu aplikují zejména na podélné ocelové profily, které je možné kontinuálně opatřit masivním povlakem v extrudéru za zvýšené teploty a tlaku, kdy dojde ke kombinovanému natavení a nalisování směsného termoplastu na ocelový profil. Zhotovený masivní termoplastický povlak o tloušťkách v řádu mnoha milimetrů až centimetrů tak plní jednak funkci protikorozní ochrany, ale i zpevňuje a vyztužuje chráněný ocelový profil. Velmi rozšířený je předpoklad, který zatím nebyl ověřen, že masivní ochranný povlak v mnohamilimetrové až několikacentimetrové tloušťce z recyklovaného termoplastu bude mít zaručený bariérový ochranný mechanismus. K tomu je vhodné poznamenat, že rozvoj, vývoj a s tím spojené poznávání působení nátěrových hmot ve vztahu k protikorozní ochraně oceli je dlouhodobá záležitost, podpořená mnohaletým zkoumáním, úspěchy, ale i mnohým selháním.
Aplikace bariérových povlaků zhotovených z termoplastického recyklátu chrání ocelový prvek pouze bariérovým mechanismem. Elektrochemický a inhibiční mechanismus ochrany můžeme vyloučit, neboť ekonomika zhotovení povlaku to nepřipouští. Adhezní mechanismus lze také vyloučit, neboť termoplasty jsou obecně obtížně lepitelné a navíc pro zlepšení procesu extruze se k regranulátu přidávají maziva, vosky či méně jakostní třídy olejů, resp. použité oleje. Tím lze odvodit, že adheze bariérového termoplastického povlaku k oceli bude z hlediska adhezního ochranného mechanismu nedostatečná.
Zda bude bariérový ochranný mechanismus účinný, závisí zejména na kombinovaném splnění několika fyzikálních parametrů ochranného povlaku. Sem patří dostatečná tloušťka ochranného povlaku. V daném případě je tato podmínka bohatě splněna, neboť dosahované tloušťky ochranných povlaků jsou v řádu mnoha milimetrů až centimetrů. K dalším zásadním parametrům patří nízký nebo nulový stupeň porozity ochranného povlaku a v neposlední řadě i dostatečný stupeň homogenity povlaku. Musíme vzít v úvahu, že při extruzi směsi termoplastů dochází v povlaku k tvorbě četných nehomogenních oblastí a fázových rozhraní vlivem tepelně-mechanického mísení materiálů o různých viskozitách, hustotách, bodech tání, tokových vlastnostech, tepelné roztažnosti, pevnosti v tahu a dalších fyzikálních materiálových konstantách. V úvahu je nutné vzít i to, že polymery z různých lokalit a zdrojů byly po různou dobu a různým způsobem namáhány, čili různě degradovány. To vše může přispívat k výsledné jakosti zpracování regranulátu na ochranný bariérový povlak.

Obr. 3, 4 – Makrofoto vnějšího povrchu bariérového
recyklátového povlaku

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Pro ověření kvality bariérového mechanismu ochranného povlaku z termoplastického recyklátu byly zvoleny zkoušky s vhodnou modifikací zkušebního postupu tak, aby se docílilo intenzivního působení zkušebních médií a dosáhlo průkazného ověření. Nejrůznějšími zkouškami se u rozličných materiálů stanovuje podíl vázané vody zkoušeným materiálem. Hovoříme tak o navlhavosti, nasákavosti, prosákavosti, propustnosti apod. Protože zkoušené vzorky jsou směsí různých materiálů, jsou tedy kompozitního charakteru a stanovení celkové sorpce vody objemem vzorku bariérového povlaku lze považovat za správný metodický přístup. U těchto kompozitních materiálů nelze určit jen navlhavost nebo jen nasákavost. U zkoumaných vzorků bariérových ochranných povlaků z termoplastického recyklátu se uplatnily současně navlhavost, nasákavost a propustnost. Pro zajištění reálných výsledků s dostatečnou výpovědní hodnotou o jakosti bariérového mechanismu byly provedeny cyklové a dlouhodobé zkoušky. Vyjdeme-li ze srovnání, literatura uvádí, že množství vody absorbované polyetylenem se pohybuje v rozmezí od 0,005 do 0,2 % hmotnosti a to v závislosti na struktuře polymeru, jeho čistotě, pigmentaci, aditivaci a způsobu zpracování. Dále se uvádí, že přítomnost nečistot, degradační stárnutí a opětovné přepracování polymeru podstatně zvyšují absorpci vody polymerem – několikanásobně oproti prvotnímu materiálu.

STANOVENÍ CELKOVÉ SORPCE VODY OCHRANNÝM BARIÉROVÝM POVLAKEM
Z části ocelové konstrukce chráněné masivním bariérovým povlakem z termoplastického recyklátu byly odebrány řezem tři zkušební vzorky. Ty byly po řezu pečlivě očištěny od otřepů, volných vláken či pilin a poté zváženy na laboratorních vahách na čtyři desetinná místa. Po zvážení byly vzorky umístěny do kádinky obsahu 800 ml a zcela ponořeny do demivody. Vzorky byly ponechány v trvalém ponoru a ve zvolených časových intervalech po osušení váženy za účelem stanovení hmotnostního přírůstku vlivem sorpce vody do vzorku povlaku. Po 24 hodinách byla zkouška modifikována evakuací za účelem zjištění, zda bariérový povlak je ve svém objemu uzavřený, a tedy kompaktní, což je žádoucí a nutné z hlediska zajištění bariérového ochranného mechanismu.

OVĚŘENÍ JAKOSTI BARIÉROVÉHO RECYKLÁTOVÉHO POVLAKU VODIVOSTNÍ ZKOUŠKOU DOPLNĚNOU ZMRAZOVACÍMI CYKLY
Protože je běžné použití prvků ocelových konstrukcí opatřených povlakem z recyklátu ve vnější atmosféře, musíme vzít v úvahu také tepelné namáhání ochranného systému. Venkovní teploty v průběhu roku kolísají běžně od -15 °C až po +30 °C. Proto bylo k ověření jakosti bariérového ochranného mechanismu recyklátového povlaku použito tepelné namáhání za využití zmrazovacích cyklů. Dva kusy ocelových konstrukcí s ochranným povlakem byly opatřeny zkušebními celami, do kterých byl nalit testovací vodný roztok obsahující 1 % hmotn. NaCl a 0,5 % hmotn. HCl za účelem zvýšení elektrické vodivosti vodného roztoku. Z čelní strany byl vyveden elektrický kontakt pomocí ocelového vrutu zašroubovaného do ocelového U-profilu. Zkušební cely, obě čelní a horní plochy, byly opatřeny izolační vrstvou ze silikonového kaučuku, která vymezila přístup zkušební kapaliny povlakem přes zkušební cely a omezila únik zkušebního proudu mimo měřící oblast. Mezi zkušebními celami byl vyvrtán napříč povlakem až k ocelovému U-profilu otvor o průměru 3,5 mm, do kterého byla vložena a silikonovým kaučukem utěsněna měděná trubice zasahující těsně k ocelovému profilu. Do trubice byla zasouvána termosonda, jež snímala teplotu ocelového U-profilu s přesností na 0,1 °C. Zkušební sestava byla postupně vložena na 16 hodin do mrazicího boxu při teplotě přibližně -15 °C, poté vyjmuta a při laboratorní teplotě se provedlo měření vodivosti bariérového povlaku za konstantního napětí při pozvolném nárůstu teploty recyklátového povlaku.
Hodnoty vodivosti vyjádřené měřením proudu protékajícího mezi zkušebním vodným roztokem v cele napříč ochranným povlakem a ocelovým U-profilem byly zaznamenány při každém zvýšení teploty povlaku o 0,5 °C. Teplota povlaku byla měřena na povrchu ocelového U-profilu, v daném uspořádání to bylo 20 mm pod vnějším povrchem ochranného povlaku. Celé měření probíhalo po dobu asi 6,5 hod., kdy se teplota z počátečních -13 °C pozvolna vyrovnala s laboratorní teplotou na 22 °C.

MIKROSKOPICKÁ ANALÝZA BARIÉROVÉHO POVLAKU
Homogenita bariérového povlaku zhotoveného extruzí směsného termoplastického recyklátu je velmi variabilní z hlediska distribuce jednotlivých typů termoplastů, velikosti jednotlivých částic a zejména z hlediska tepelného přepracování, resp. protavení a vzájemného promísení směsného recyklátu. Nedostatečné tepelné zpracování směsného recyklátu extruzním procesem zřetelně dokumentují obr. 9–12. Dobře viditelná jsou ostrá rozhraní mezi různými typy plastů a velké množství dutin, což svědčí o vysoké nehomogenitě zhotoveného povlaku. Stav povrchu ocelového U-profilu po vodivostní zkoušce se zmrazovacími cykly je zobrazen na obr. 13–18.

VÝSLEDKY A DISKUZE
Bylo provedeno důkladné ověření jakosti bariérového ochranného mechanismu masivního povlaku zhotoveného extruzí z recyklované směsi termoplastických hmot na ocelovém nosném U-profilu. Pro zajištění průkazných výsledků o jakosti bariérového povlaku byly aplikovány zkušební postupy s vícenásobným fyzikálním působením korozního média na ochranný povlak: ponor – evakuace a ponor – zmrazovací cyklus. Zvolená zkušební metodika se osvědčila a potvrdila potřebu ověřovacích zkoušek pro nové typy ochranných povlaků zhotovených na bázi recyklovaných materiálů. Prokázalo se, že bariérový recyklátový povlak vykazuje po evakuaci strmý přírůstek hmotnosti vlivem průniku vody do objemu zkoumaného povlaku. Navíc se vzorky od sebe lišily přírůstkem hmotnosti v poměru 1 : 2 : 4.
Bližším zkoumáním bylo zjištěno, že vzorek s nejnižší hodnotou sorpce vody byl odebrán z místa blíže stěně extrudéru, byl označen za „vnější“. Naopak vzorek s nejvyšší sorpcí vody byl odebrán z místa vzdáleného od stěn extrudéru a označen jako „jádro“. Při vizuálním zkoumání vzorků v příčném i podélném řezu bylo zjištěno, že k nejlepšímu protavení termoplastického recyklátu dochází na vnějších stěnách výrobku, při přímém kontaktu s vyhřívanými stěnami extrudéru. Směrem od stěn extrudéru do vnitřku ochranného masivního povlaku ubývá intenzita přenosu tepla a protavení termoplastického recyklátu není úplné.

Autor: Lubomír Mindoš, SVÚOM, s. r. o., Praha

Celý článek v nezkrácené podobě naleznete v ČB příloze časopisu KONSTRUKCE 3/2007. Možnost předplatného ZDE.

Autor

• Svaz podnikateků ve stavebnictví