Список тематических статей

Лакокрасочные покрытия

Образуются в результате пленкообразования (высыхания, отверждения) лакокрасочных материалов, нанесенных на поверхность (подложку).

Основное назначение: защита материалов от разрушения (например, металлов – от коррозии, дерева – от гниения) и декоративная отделка поверхности.

По эксплуатационным свойствам различают лакокрасочные покрытия атмосфере-, водо-, масло- и бензостойкие, химически стойкие, термостойкие, электроизоляционные, консервационные, а также специального назначения.

К последним относятся, например, противообрастающие (препятствуют обрастанию подводных частей судов и гидротехнических сооружений морскими микроорганизмами), светоотражающие, светящиеся (способны к люминесценции в видимой области спектра при облучении светом или радиоактивным излучением), термоиндикаторные (изменяют цвет или яркость свечения при определенной температуре), огнезащитные, противошумные (звукоизолирующие).

По внешнему виду (степень глянца, волнистость поверхности, наличие дефектов) лакокрасочные покрытия принято подразделять на 7 классов.

Для получения лакокрасочных покрытий применяют разнообразные лакокрасочные материалы (ЛКМ), различающиеся по составу и химической природе пленкообразователя.

К ЛКМ на основе масел относятся олифы, масляные лаки, масляные краски, к модифицированным маслами – алкидные лаки.

Используют лакокрасочные покрытия во всех отраслях народного хозяйства и в быту.

Мировое производство ЛКМ составляет около 20 млн. т/год.

Более 50% всех ЛКМ расходуется в машиностроении (из них 20% – в автомобилестроении), 25% – в строительной индустрии.

В строительстве для получения лакокрасочных покрытий (отделочные) применяют упрощенные технологии изготовления и нанесения ЛКМ главным образом на основе таких пленкообразователей, как казеин, водные дисперсии поливинилацетата, акрилатов или других, жидкое стекло.

Большинство лакокрасочных покрытий получают нанесением ЛКМ в несколько слоев. Толщина однослойных лакокрасочных покрытий колеблется в пределах 3-30 мкм (для тиксотропных ЛКМ – до 200 мкм), многослойных – до 300 мкм.

Для получения многослойных, например защитных, покрытий наносят несколько слоев разнородных ЛКМ (так называемые комплексные лакокрасочные покрытия), при этом каждый слой выполняет определенную функцию: нижний слой – грунт (получают нанесением грунтовки) обеспечивает адгезию комплексного покрытия к подложке, замедление электрохимической коррозии металла; промежуточный – шпатлевка (чаще применяют «второй грунт», или так называемые грунт-шпатлевку) – выравнивание поверхности (заполнение пор, мелких трещин и других дефектов); верхние, покровные, слои (эмали; иногда для повышения блеска последний слой – лак) придают декоративные и частично защитные свойства.

При получении прозрачных покрытий лак наносят непосредственно на защищаемую поверхность.

Технологический процесс получения комплексных лакокрасочных покрытий включает до несколько десятков операций, связанных с подготовкой поверхности, нанесением ЛКМ, их сушкой (отверждением) и промежуточной обработкой.

Выбор технологического процесса зависит от типа ЛКМ и условий эксплуатации лакокрасочных покрытий, природы подложки (например, сталь, Аl, другие металлы и сплавы, древесина, строит, материалы), формы и габаритов окрашиваемого объекта. Качество подготовки окрашиваемой поверхности в значительной степени определяет адгезионную прочность лакокрасочных покрытий к подложке и его долговечность.

Подготовка металлических поверхностей заключается в их очистке ручным или механизированным инструментом, пескоструйной либо дробеструйной обработкой или другими, а также химическими способами. Последние включают:

1) обезжиривание поверхности, например обработка водными растворами NaOH, а также Na₂CO₃, Na₃PO₄ или их смесей, содержащими ПАВ и другие добавки, органическими растворителями (например, бензином, уайтспиритом, три- или тетрахлорэтиленом) либо эмульсиями, состоящими из органического растворителя и воды;

2) травление – удаление окалины, ржавчины и других продуктов коррозии с поверхности (обычно после ее обезжиривания) действием, например, в течение 20-30 минут 20%-ной H₂SO₄ (70-80°С) или 18-20%-ной НСl (30-40°С), содержащими 1-3% ингибитора кислотной коррозии;

3) нанесение конверсионных слоев (изменение природы поверхности; используется при получении долговечных комплексных лакокрасочных покрытий):

а) фосфатирование, которое заключается в образовании на поверхности стали пленки нерастворимых в воде трехзамещенных ортофосфатов, например Zn₃(PO₄)₂ Fe₃(PO₄)₂, в результате обработки металла водорастворимыми однозамещенными ортофосфатами Mn-Fe, Zn или Fe, например Mn(H₂PO₄)₂-Fe(H₂PO₄)₂, либо тонкого слоя Fe₃(PO₄)₂ при обработке стали раствором NaH₂PO₄;

б) оксидирование (чаще всего электрохимическим способом на аноде);

4) получение металлических подслоев – цинкование или кадмирование (обычно электрохимическим способом на катоде).

Обработку поверхности химическими методами обычно осуществляют окунанием или обливанием изделия рабочим раствором в условиях механизированной и автоматизированной конвейерной окраски. Химические методы обеспечивают высокое качество подготовки поверхности, но сопряжены с последующей промывкой водой и горячей сушкой поверхностей, а следовательно, с необходимостью очистки сточных вод.

Методы нанесения жидких ЛКМ.

1. Ручной (кистью, шпателем, валиком) – для окраски крупногабаритных изделий (строит, сооружении, некоторых промышленных конструкций), исправления дефектов, в быту; используются ЛКМ естественной сушки.

2. Валковый – механизированное нанесение ЛКМ с помощью системы валиков обычно на плоские изделия (листовой и рулонный прокат, полимерные пленки, щитовые элементы мебели, бумага, картон, металлическая фольга).

3. Окунание в ванну, заполненную ЛКМ. Традиционные (органоразбавляемые) ЛКМ удерживаются на поверхности после извлечения изделия из ванны вследствие смачивания. В случае водоразбавляемых ЛКМ обычно применяют окунание с электро-, хемо- и термоосаждением. В соответствии со знаком заряда поверхности окрашиваемого изделия различают ано- и катофоретическое электроосаждение – частицы ЛКМ движутся в результате электрофореза к изделию, которое служит соответстванно анодом или катодом. При катодном электроосаждении (не сопровождающемся окислением металла, как при осаждении на аноде) получают лакокрасочные покрытия, обладающие повышенной коррозионной стойкостью. Применение метода электемпературоосаждения позволяет хорошо защитить от коррозии острые углы и кромки изделия, сварные швы, внутренние полости, но нанести можно только один слой ЛКМ, так как первый слой, являющийся диэлектриком, препятствует электроосаждению второго. Однако этот метод можно сочетать с предварительным нанесением пористого осадка из суспензии другого пленкообразователя; через такой слой возможно электроосаждение.

При химоосаждении, используют ЛКМ дисперсионного типа, содержащие окислители; при их взаимодействии с металлической подложкой на ней создается высокая концентрация поливалентных ионов (Ме⁰:Ме⁺ⁿ), вызывающих коагуляцию приповерхностных слоев ЛКМ. При термоосаждении осадок образуется на нагретой поверхности; в этом случае в воднодисперсионный ЛКМ вводят специальную добавку ПАВ, теряющего растворимость при нагревании.

4. Струйный облив (налив) – окрашиваемые изделия проходят через «завесу» ЛКМ. Струйный облив применяют для окраски узлов и деталей различных машин и оборудования, налив – для окраски плоских изделий (например, листового металла, щитовых элементов мебели, фанеры). Методы облива и окунания применяют для нанесения ЛКМ на изделия обтекаемой формы с гладкой поверхностью, окрашиваемые в один цвет со всех сторон. Для получения лакокрасочных покрытий равномерной толщины без подтеков и наплывов окрашенные изделия выдерживают в парах растворителя, поступающих из сушильной камеры.

5. Распыление:

а) пневматическое – с помощью ручных или автоматических пистолетообразных краскораспылителей, ЛКМ с температурой от комнатной до 40-85°С подается под давлением (200-600 кПа) очищенного воздуха; метод высокопроизводителен, обеспечивает хорошее качество лакокрасочных покрытий на поверхностях различной формы;

б) гидравлическое (безвоздушное), осуществляемое под давлением, создаваемым насосом (при 4-10 МПа в случае подогрева ЛКМ, при 10-25 МПа без подогрева);

в) аэрозольное – из баллончиков, заполненных ЛКМ и пропеллентом; применяют при подкраске автомашин, мебели и других.

Существенный недостаток методов распыления – большие потери ЛКМ (в виде устойчивого аэрозоля, уносимого в вентиляцию, из-за оседания на стенах окрасочной камеры и в гидрофильтрах), достигающие 40% при пневмораспылении. С целью сокращения потерь (до 1-5%) используют распыление в электростатическом поле высокого напряжения (50-140 кВ): частицы ЛКМ в результате коронного разряда (от специального электрода) или контактного заряжения (от распылителя) приобретают заряд (обычно отрицательный) и осаждаются на окрашиваемом изделии, служащем электродом противоположного знака. Этим методом наносят многослойные лакокрасочные покрытия на металлы и даже неметаллы, например на древесину с влажностью не менее 8%, пластмассы с токопроводящим покрытием.

Методы нанесения порошковых ЛКМ: насыпание (насеивание); напыление (с подогревом подложки и газопламенным или плазменным нагревом порошка, либо в электростатическом поле); нанесение в псевдоожиженном слое, например вихревом, вибрационном.

Многие методы нанесения ЛКМ применяют при окраске изделий на конвейерных поточных линиях, что позволяет формировать лакокрасочные покрытия при повышенных температурах, а это обеспечивает их высокие технологические свойства.

Получают также так называемые градиентные лакокрасочные покрытия путем одноразового нанесения (обычно распылением) ЛКМ, содержащих смеси дисперсий, порошков или растворов термодинамически несовместимых пленкообразователей. Последние самопроизвольно расслаиваются при испарении общего растворителя или при нагревании выше температур текучести пленкообразователей. Вследствие избирательного смачивания подложки один пленкообразователь обогащает поверхностные слои лакокрасочного покрытия, второй – нижние (адгезионные). В результате возникает структура многослоевого (комплексного) лакокрасочного покрытия

Сушку (отверждение) нанесенных ЛКМ осуществляют при 15-25°С (холодная, естественная сушка) и при повышенных температурах (горячая, «печная» сушка).

Естественная сушка возможна при использовании ЛКМ на основе быстровысыхающих термопластичных пленкообразователей (например, перхлорвиниловых смол, нитратов целлюлозы) или пленкообразователей, имеющих ненасыщенные связи в молекулах, для которых отвердителями служат О₂ воздуха или влага, например алкидные смолы и полиуретаны соответственно, а также при применении двухупаковочных ЛКМ (отвердитель в них добавляется перед нанесением). К последним относятся ЛКМ на основе, например, эпоксидных смол, отверждаемых ди- и полиаминами.

Горячую сушку ЛКМ в промышленности осуществляют обычно при 80-160°С, порошковых и некоторых специальных ЛКМ – при 160-320°С. В этих условиях ускоряется улетучивание растворителя (обычно высококипящего) и происходит так называемые термоотверждение реакционноспособных пленкообразователей, например алкидных, меламино-алкидных, феноло-формальдегидных смол.

Наиболее распространенные методы термоотвсрждения – конвективный (изделие обогревается циркулирующим горячим воздухом), терморадиационный (источник обогрева – ИК излучение) и индуктивный (изделие помещается в переменное электромагнитном поле).

Для получения лакокрасочных покрытий на основе ненасыщенных олигомеров используют также отверждение под действием УФ излучения, ускоренных электронов (электронного пучка). В процессе сушки протекают различные физико-химические процессы, приводящие к формированию лакокрасочных покрытий, например смачивание подложки, удаление органического растворителя и воды, полимеризация и (или) поликонденсация в случае реакционноспособных пленкообразователей с образованием сетчатых полимеров.

Формирование лакокрасочных покрытий из порошковых ЛКМ включает оплавление частиц пленкообразователя, слипание возникших капелек и смачивание ими подложки и иногда термоотверждение. Пленкообразование из воднодисперсионных ЛКМ завершается процессом аутогезии (слипания) полимерных частиц, протекающим выше так называемые минимальной температуры пленкообразования, близкой к температуре стеклования пленкообразователя.

Формирование лакокрасочных покрытий из органодисперсионных ЛКМ происходит в результате коалесценции полимерных частиц, набухших в растворителе или пластификаторе в условиях естественной сушки, при кратковременном нагревании (например, 3-10 с при 250-300°С).

Промежуточная обработка лакокрасочных покрытий:

1) шлифование абразивными шкурками нижних слоев лакокрасочного покрытия для удаления посторонних включений, придания матовости и улучшения адгезии между слоями;

2) полирование верхнего слоя с использованием, например, различных паст для придания лакокрасочному покрытию зеркального блеска.

Пример технологической схемы окраски кузовов легковых автомобилей (перечислены последовательные операции): обезжиривание и фосфатирование поверхности, сушка и охлаждение, грунтование электрофорезной грунтовкой, отверждение грунтовки (180°С, 30 минут), охлаждение, нанесение шумоизолирующего, герметизирующего и ингибирующего составов, нанесение эпоксидной грунтовки двумя слоями, отверждение (150°С, 20 минут), охлаждение, шлифование грунтовки, протирка кузова и обдув воздухом, нанесение двух слоев алкидно-меламиновой эмали, сушка (130-140°С, 30 минут).

Свойства покрытий определяются составом ЛКМ (типом пленкообразователя, пигментом и другими), а также структурой покрытий. Наиболее важные физико-механические характеристики лакокрасочных покрытий – адгезионная прочность к подложке, твердость, прочность при изгибе и ударе.

Кроме того, лакокрасочные покрытия оцениваются на влагонепроницаемость, атмосферостойкость, химстойкость и другие защитные свойства, комплекс декоративных свойств, например прозрачность или укрывистость (непрозрачность), интенсивность и чистота цвета, степень блеска.

Укрывистость достигается введением в ЛКМ наполнителей и пигментов. Последние могут выполнять также и другие функции: окрашивать, повышать защитные свойства (противокоррозионные) и придавать специальные свойства покрытиям (например, электропроводимость, теплоизолирующую способность). Объемное содержание пигментов в эмалях составляет <30%, в грунтовках – около 35%, а в шпатлевках – до 80%. Предельный «уровень» пигментирования зависит также от типа ЛКМ: в порошковых красках – 15-20%, а в воднодисперсионных – до 30%.

Большинство ЛКМ содержат органические растворители, поэтому производство лакокрасочных покрытий является взрыво- и пожароопасным. Кроме того, применяемые растворители токсичны (ПДК 5-740 мг/м³). После нанесения ЛКМ требуется обезвреживание растворителей, например термическим или каталитическим окислением (дожиганием) отходов.

При больших расходах ЛКМ и использовании дорогостоящих растворителей целесообразна их утилизация – поглощение из паровоздушной смеси (содержание растворителей не менее 3-5 г/м³) жидким или твердым (активированный уголь, цеолит) поглотителем с последующей регенерацией. В этом отношении преимущество имеют ЛКМ, не содержащие органических растворителей, и ЛКМ с повышенным (70%) содержанием твердых веществ.

В то же время наилучшими защитными свойствами (на единицу толщины), как правило, обладают лакокрасочные покрытия из ЛКМ, используемых в виде растворов.

Бездефектность лакокрасочных покрытий, улучшение смачивания подложки, устойчивость при хранении (предотвращение оседания пигментов) эмалей, водно- и органо-дисперсионных красок достигается введением в ЛКМ на стадии изготовления или перед нанесением функциональных добавок; например, рецептура воднодисперсионных красок обычно включает 5-7 таких добавок (диспергаторы, стабилизаторы, смачиватели, коалесценты, антивспениватели и другие).

Для контроля качества и долговечности лакокрасочных покрытий проводят их внешний осмотр и определяют с помощью приборов (на образцах) свойства – физико-механические (адгезия, эластичность, твердость и другие), декоративные и защитные (например, антикоррозионные свойства, атмосферостойкость, водопоглощение). Качество лакокрасочных покрытий оценивают по отдельным наиболее важным характеристикам (например, атмосферостойкие лакокрасочные покрытия – по потере блеска и мелению) или по квалиметрической системе: лакокрасочные покрытия в зависимости от назначения характеризуют определенным набором п свойств.

Так, при комплексной характеристике атмосферостойких лакокрасочных покрытий n=4-7 (определяют адгезию, эластичность, меление и другие). Условие эксплуатации пригодности лакокрасочных покрытий: xi>xi0 или R>0, а нормативная долговечность определяется временем, в течение которого свойства лакокрасочного покрытия будут ухудшаться до R=0; поэтому R называют ресурсом качества лакокрасочных покрытий.

Долговечность лакокрасочных покрытий зависит не только от исходной величины R, но и от интенсивности внешних разрушающих факторов (для атмосферостойких лакокрасочных покрыт – солнечное излучение, влажность, средняя температура и ее перепады и другие). Механизм разрушения покрытий существенно зависит также от природы пленкообразователя, каталитической активности пигментов и других. Так, перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия разрушаются в основном вследствие термо- и фотохимического разложения с выделением НСl, густосетчатые эпоксидные и полиэфирные – из-за возрастания внутренних напряжений, вызывающих ухудшение адгезионной прочности и снижение эластичности (вплоть до появления трещин).

Чаще всего основным фактором разрушения лакокрасочных покрытий на основе термореактивных пленкообразователей служит отверждение, продолжающееся (хотя и с минимальной скоростью) при эксплуатации лакокрасочных покрытий.

Долговечность современных атмосферостойких лакокрасочных покрытий (в умеренном климате) составляет 7-10 лет, водостойких – 3-5 лет, термостойкие выдерживают до 300°С (кратковременно – 600°С и более).

Гладкова Наталья