Химстойкие лакокрасочные покрытия

Бабкин О.Э. д.т.н. (Мир гальваники 2014)
Рассмотрены лакокрасочные покрытия, которые эксплуатируются в условиях воздействия химически агрессивных сред, технологии их получения.

Рецептуры лакокрасочного материала составляются в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству материала и покрытия на их основе, с учетом особенностей эксплуатации изделия.

В основу классификации покрытий положены химические, структурные и эксплуатационные признаки. По химическому признаку, в зависимости от строения основного пленкообразователя, входящего в состав лакокрасочного материала, из которого получено покрытие, покрытия делятся на алкидные, полиуретановые, эпоксидные, кремнийорганические, нитроцеллюлозные и т.д.

По структурному признаку все покрытия делятся на две группы: образующие и не образующие пространственную сетку, т.е. как формируется покрытие - в результате химических превращений или без них. Эта классификация позволяет судить о некоторых основных свойствах покрытий, таких как растворимость, термопластичность и др.

Классификация покрытий по эксплуатационному признаку характеризует назначение покрытий, например, химстойкие, водостойкие, атмосферостойкие, бензостойкие и др.

Важным фактором, определяющим технологию получения покрытия, является качество лакокрасочного материала, из которого формируется покрытие, и в первую очередь его способность к образованию пленки, обладающей комплексом требуемых технических свойств.

Обычно на изделие наносится комплексное покрытие, состоящее из грунтовки, шпатлевки, покрывных эмалей или красок. Число слоев в комплексном покрытии зависит от заданной толщины покрытия и условий эксплуатации изделия. Каждый слой комплексного покрытия имеет свое назначение: грунтовка обеспечивает покрытию коррозионную стойкость, эмаль, наряду с защитными свойствами, придает изделию красивый внешний вид. При определении эксплуатационных свойств покрытий и сроков их службы оценивают комплексные покрытия.

Полимерные покрытия должны обладать определенными физикомеханическими, декоративными и защитными свойствами, обеспечивающими их длительную сохранность в различных условиях эксплуатации. Полимерные покрытия классифицируют на девять основных групп (видов) по условиям их эксплуатации (табл. 1).

Наиболее распространенным видом покрытий являются покрытия для защиты изделий, эксплуатируемых в атмосферных условиях различных климатических зон. Такие покрытия получили название атмосферостойких (группа эксплуатации 1).

Если сравнить поведение одних и тех же покрытий, эксплуатируемых в атмосферных условиях и в помещении (группа эксплуатации 2) в одной и той же климатической зоне, то скорость разрушения покрытий, работающих в атмосферных условиях, примерно в 50 раз больше, чем при эксплуатации покрытий в помещении.

В особый класс выделены полимерные покрытия на изделиях, эксплуатируемых длительное время в пресной и морской воде. Такие покрытия получили названия водостойких (группа эксплуатации 4).

Коррозия металлического оборудования, защищенного полимерными покрытиями, эксплуатируемого длительное время в воде, протекает значительно быстрее, чем на воздухе. Поэтому выбор лакокрасочных материалов и водостойких покрытий на их основе базируется на следующих характеристиках: водопоглощение, водопроницаемость, адгезия покрытия к подложке и «межслойной» адгезии с учетом того, в каких условиях эксплуатируется окрашенное оборудование (морская или речная вода, температура воды и т.д.).

В отдельный класс выделены полимерные покрытия для защиты от коррозии оборудования химических производств. Такие покрытия должны быть стойки к воздействию различных агрессивных сред (кислых или щелочных). Такие покрытия называют химически стойкими (группа эксплуатации 7).

Покрытия, стойкие к воздействию различных минеральных масел и бензина, выделены в самостоятельный класс покрытий (группа эксплуатации 6), хотя, по существу, для окраски изделий, эксплуатируемых в этих условиях, используются химически стойкие лакокрасочные материалы (группа эксплуатации 7) и материалы, отнесенные к 5 группе эксплуатации покрытий, так называемые специальные покрытия.

В табл.2 представлен перечень металлоконструкций из углеродистой стали, подвергающихся коррозионным разрушениям на химических предприятиях (по данным проектных организаций).

Из приведенных данных видно, в каких сложных условиях должны эксплуатироваться антикоррозионные лакокрасочные покрытия, постоянно находясь под воздействием сред различной агрессивности.

Начальной стадией разрушения полимерных покрытий при воздействии химически агрессивных сред является диффузия и сорбция агрессивных агентов. Химически стойкие покрытия должны обладать низкой проницаемостью, высокой адгезией к подложке и межслойной адгезией в комплексном покрытии, а также инертностью по отношению к агрессивной среде.

При выборе лакокрасочных материалов для защиты аппаратуры, оборудования и металлоконструкций, работающих в условиях химических производств, прежде всего необходимо знать, какая агрессивная среда (кислая или щелочная), индивидуально или комплексно (одна или одновременно несколько сред) воздействует на покрытие в процессе эксплуатации изделия, поскольку для одних пленкообразователей разрушающим фактором являются кислые среды и растворы солей, а для других – щелочные среды и т.п. Поэтому химический состав, строение и структура пленкообразователя играет решающую роль в выборе лакокрасочной системы, обеспечивающей покрытию химическую стойкость к агрессивным различным средам.

Устойчивость к гидролизу полимеров возрастает с наличием в нем следующих функциональных групп:

- CH – C < - CO – NH < - CO – O - < - O –

I

O –

Наиболее химически стойкими полимерами являются полимеры, не содержащие функциональные группы, так как покрытия на их основе стойки к гидролизу, окислению и другим процессам. Независимо от характера среды наиболее стойкие покрытия получают из кристаллических полимеров и аморфных полимеров, способных образовывать покрытия пространственно-сшитого строения.

Наибольшей устойчивостью в химически агрессивных средах обладают карбоцепные полимеры с насыщенными связями (полиэтилен, полипропилен) и такими заместителями водорода, как фтор, хлор, сульфо- и бензольные группы (политетрафторэтилен, поливинилхлорид, хлорсульфированный полиэтилен, полистирол).

Покрытия из перхлорвиниловых эмалей обладают большой стойкостью к атмосферным воздействиям, к действию воды, масла, кислот, щелочей и агрессивных газов. Их наносят по металлу и дереву. К недостаткам этих материалов относятся их небольшая термостойкость (не выше 80°С) и плохая адгезия по отношению к металлам Положительным качеством перхлорвинилоых материалов является быстрое высыхание (при температуре 15-18° 1-2 ч); однако полное высыхание наступает после дополнительной выдержки в течение 5-7 суток. Для ускорения высыхания, а также для увеличения химической стойкости и механической прочности можно применять искусственную сушку при температуре 70 – 80°(не выше).

«Акрокор ХВ» ТУ 2316 – 015 – 50003914 - 2003 предназначен для внутренней и наружной противокоррозионной защиты вагоновминераловозов (крытые цельнометаллические из углеродистой стали ж/д вагоны для перевозки гранулированных минеральных удобрений: калий сернокислый (сульфат калия), калий хлористый(технический), подвергающийся воздействию концентрированных растворителей, масел, УФ-облучений, щелочных растворов.

По технологическим и эксплуатационным свойствам винилиденхлоридные лакокрасочные материалы (на основе сополимеров винилхлорида с винилиденхлоридом) сходны с перхлорвиниловыми. Время их высыхания такое же, как перхлорвиниловых материалов. Покрытия превосходят перхлорвиниловые по адгезии, эластичности, морозостойкости, химической стойкости, но уступают им по атмосферостойкости.

Винилиденхлоридные лакокрасочные материалы используют для окрашивания изделий и металлоконструкций, эксплуатируемых в жестких условиях (в морской воде, влажном воздухе), а также для окрашивания химической аппаратуры.

Эмали «Акрокор ХС» ТУ 2316-016-50003914-2003 предназначены для защитно-декоративного окрашивания изделий машиностроения, металлических конструкций мостов, наружной поверхности емкостей для хранения нефти, а также противокоррозионной защиты стальных поверхностей, подвергающихся воздействию кислот, щелочных растворов.

Система покрытия, состоящая из одного грунта «Акрокор ХС» и трех слоев эмали «Акрокор ХС», обеспечивает защиту на срок до 10 лет.

Лакокрасочная промышленность выпускает большой ассортимент материалов для защиты оборудования химических производств. Наиболее стойкие покрытия к действию растворов кислот и солей получают при использовании лакокрасочных материалов на основе хлорсодержащих полимеров – дополнительно хлорированного поливинилхлорида, сополимеров винилхлорида с винилиденхлоридом фенолоформальдегидных олигомеров. К таким материалам относятся эмали: ХВ-785, ХС-724, ФЛ-787, ФЛ-724; лаки: ХВ-784, ХС-76, ХС-724, БТ-783, ФЛ-723, ФЛ-724; грунтовки: ХС-010, ХС-059, ХВ-050, ХС-068.

В растворах щелочей наибольшую стойкость имеют покрытия на основе эпоксидных олигомеров, хлоркаучука и сополимера винилиденхлорида с винилхлоридом (например: эмали: ЭП-711, ЭП-773, ЭП-718, ХС-720, ХС-717, ХС-710, КЧ-728, КЧ-749; лаки ЭП-730, ЭП-741, ХС-76, ХС-724; грунтовки: ХС-010, ХС-059, КЧ-034 и др.).

Для защиты оборудования, находящегося в контакте с нефтепродуктами (бензин, смазочные масла, жидкое топливо), применяются лакокрасочные материалы на основе эпоксидных, фенолокарбамидомеламиноформальдегидных олигомеров, полиуретанов, нитрата целлюлозы, ацеталей, поливинилового спирта (в основном поливинилбутираля) и т.д. Эти эмали: ЭП-51, ЭП-525, ФЛ-511, МЛ-729, НЦ-5123, БТ-538, ВЛ-515, ВЛ-725 и др.

Из новых разработок представляют интерес системы защиты для мостовых конструкций, опор высоковольтных передач, наружной поверхности резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов и др. Эффективная защита обеспечивается применением эмали «Виникор-62», «Виниколор», «Акрокор ХС» в сочетании с грунтами «Акрокор ХС», «ЭП-0259», «Виникор-061» и др.

«Акрокор ХС» как и аналогичные эмали является двухкомпонентной винилово-эпоксидной эмалью, отверждаемой аминными отвердителями и содержащей активные противокоррозионные пигменты. Сбалансированное сочетание пленкообразующих смол: винилово-сополимерной и эпоксидной обеспечивают высокую защитную стойкость эмали в агрессивной атмосфере, в том числе с повышенным содержанием сернистого газа, аммиака, окислов азота, окислов углерода и др. Покрытие эмалью стойко к обливкам нефти и нефтепродуктов, к периодическому воздействию горячей воды, пара и растворов кислот.

В отличие от атмосферостойких эпоксидных материалов, которые склонны к мелению под воздействием УФ-излучения и требуют перекрывания светостойкими уретановыми составами, эмали «Акрокор ХС» в аналогичных условиях сохраняют защитно-декоративные свойства в течение длительного времени, без признаков меления покрытия. Но когда требуется защита на срокне менее 25 лет, тогда необходимо использование фторуретана.

Ниже приведены свойства покрытия, реализуемые за счет сочетания свойств фторполимера и полиуретана:

  • Чрезвычайно высокая атмосферостойкость, что позволяет покрытию выстоять до 25-30 лет без существенного изменения декоративных свойств.
  • Гидрофобность, из чего следует:
  1. отмываемость от загрязнений;
  2. отличная дезактивируемость;
  3.  слабое прилипание льда;
  4. пониженное обрастание в морской воде за счет плохого удерживания личинок обрастателей.
  • Высокая химстойкость.
  • Термостойкость (кратковременно до 180°С, постоянно до 120°С).
  • Высокие электроизоляционные свойства.
  • Радиопрозрачность в широком диапазоне радиоволн.
  • Устойчивость к биоповреждениям.
  • Пониженная горючесть.
  • Высокие физико-механические свойства (твердость, эластичность, устойчивость к удару).
  • Износостойкость.
  • Высокая адгезия ко всем поверхностям (металл, пластмасса, стекло и др).

В табл.3 приведены некоторые показатели, свидетельствующие о высоких защитных характеристиках фторуретановых покрытий под торговой маркой «Акрокор».

Постоянное ужесточение законодательства по охране окружающей среды привело к остепенному вытеснению на мировом рынке традиционных ограноразбавляемых лакокрасочных материалов (ЛКМ) водоразбавляемыми, порошковыми, материалами с высоким сухим остатком (ВСО) и радиационного отверждения.

Хорошие физико-химические свойства покрытий (Пк), уменьшение числа технологических операций при окраске, значительное снижение экологической нагрузки на окружающую среду, улучшение условий труда – это те преимущества порошковых ЛКМ, которые привлекают потребителей и ведут к постоянному увеличению их числа. Поэтому все актуальнее становятся вопросы организации окрасочных производств, использующих порошковые ЛКМ.

Несмотря на неоспоримые достоинства порошковых ЛКМ их применение имеет некоторые ограничения. Так, практически все выпускаемые порошковые краски позволяют получать Пк только 3-4 класса и лишь некоторые соответствуют 2-му классу. Кроме того, в отличие от Пк на основе жидких ЛКМ, порошковые Пк (ППк) не допускают последующей полировки.

Однако этот недостаток во многом компенсируется появлением все большего числа порошковых красок для высокодекоративных Пк со специальными эффектами (текстурированных, «металлизированных» и т.п.).

Другое ограничение в использовании порошковых ЛКМ обусловлено нецелесообразностью окраски крупногабаритных и металлоемких изделий, так как капитальные затраты и расход энергоносителей в этом случае многократно увеличиваются. При расчете экономической эффективности следует также учитывать и количество окрашиваемых изделий, так как при окраске небольших партий производственные затраты не окупаются, а себестоимость продукции становится слишком высокой.

Покрытия лакокрасочных материалов с высоким сухим остатком обладают высокими защитными свойствами. Например: БЭП (грунт БЭП-0126, эмаль БЭП-421).

Применяются БЭП для защиты от коррозии стальных поверхностей, в том числе в замкнутых, трудновентилируемых судовых емкостях, эксплуатирующихся в условиях воздействия морской и пресной воды, а также нефти и нефтепродуктов. Разрешено применение этих материалов в судостроении и судоремонте.

Особенности: обладают высокими противокоррозионными свойствами, стойкостью к нефтепродуктам, пресной и морской воде.

Покрытие, состоящее из одного слоя грунтовки и одно-двух слоев эмали, при общей толщине покрытия не менее 400 мкм, сохраняет защитные свойства в течение не менее 8 лет.

Материалы тиксотропные, позволяют наносить покрытие нужной толщины за 1 слой. Низкое содержание летучих веществ – до 3%. Материалы трудновоспламеняемые, взрывобезопасны. Материалы двухупаковочные на основе эпоксидных смол.

Способы нанесения: безвоздушным распылением, кистью. Жизнеспособность 0,5– 1,5 часа при температуре выше 25°С, 1-2 часа при температуре 15-25° С, 2-3 часа при 10-15° С. Время высыхания до степени 3 при (20±2)°С не более 36 часов. Расход материалов на один слой при нанесении безвоздушным распылением - 400-500 г/м², при нанесении кистью - 300-400 г/м². Рекомендуемое количество слоев: грунтовки – 1, эмалей -1-2.

Перед началом эксплуатации покрытие выдерживают при температуре 5-18°С в течение не менее 30-15 суток.

Уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу при применении лакокрасочной продукции можно достичь двумя путями, один из которых предлагает использование инженерно- технических решений (оптимизация процесса окраски, автоматизации оборудования, модернизации систем рециркуляции и очистки отходов), а второй – внедрение новых типов ЛКМ и современных технологий. И здесь лидируют водоразбавляемые ЛКМ.

Причиной такой популярности являются низкое содержание летучих органических соединений (ЛОС) (24,0 – 30,0 г/л, а в ряде случаев 12,0 г/л), малая токсичность, пожаробезопасность, простота и доступность методов нанесения, отсутствие отходов на вентиляцию цехов и т.д. Но эти ЛКМ из-за сложного состава рецептур и большого числа добавок, как правило, на 5-10% дороже органоразбавляемых аналогов. Однако с учетом экономии на использование очистного рециркуляционного оборудования окраска водоразбавляемыми ЛКМ обходится не дороже, а дешевле, чем обычными составами. Перечисленные достоинства водных ЛКМ способствовали тому, что в некоторых секторах потребления они опередили все другие виды лакокрасочной продукции, включая органоразбавляемые системы.

Создание водоразбавляемых эпоксидных материалов, позволяет, используя традиционные методы нанесения ЛКМ (пневмо-, безвоздушное распыление), получать покрытия с высокими защитно-декоративными свойствами, характерными для БЭП, но при этом скорость формирования защитно-декоративных свойств в покрытии значительно выше, такого же порядка как у органоразбавляемых химстойких эпоксидных ЛКМ.

Краска ВЭП-724 (ТУ 2316-012-50003914-2002) предназначена для защиты от коррозии оборудования, металлических конструкций, а также бетонных и железобетонных конструкций от воздействия агрессивных газов (СО2, CI2, SO2), кислот (серной, фосфорной, соляной) и раствора солей и щелочей при температуре не выше +60°С.

Рекомендуется для окраски полов, стен, в промышленных и общественных зданиях, в том числе на предприятиях пищевой промышленности, возможно применение в качестве герметика в бассейнах.

Технические характеристики приведены в табл.4.

Рекомендации по применению:

  • Требования к поверхности: поверхность металла очищают от продуктов коррозии и обезжиривают 1% раствором моющего средства и промывают водой.
  • Схема окраски: 2-3 слоя ВЭП-724, толщина одного слоя 40 – 60 мкм.
  • Способ нанесения: безвоздушным распылением, кистью, валиком, пневмораспылением.
  • Температура нанесения: от 10°С до 35°С.
  • Разбавитель: вода.
  • Подготовка эмали: смешать отвердитель с основой в соотношении 1:2 по массе, тщательно перемешать в течение 10 минут, полученную смесь разбавить волее 10% до нужной вязкости.
  • Жизнеспособность краски: при 20°С, не менее 4 часов.
  • Расход на один слой: 110 – 130г/м².

В настоящее время инновационная технология УФ-отверждения ЛКМ считается одной из самых главных и перспективных в лакокрасочной промышленности. Свойства любого ЛКМ определяются его химическим составом: природой пленкообразующего, типом пигментов и наполнителей, характером применяемых функциональных добавок. Большая часть УФ-отвердждаемых ЛКМ основана на акрилатах, которые сшиваются за счет радикальной полимеризации.

Из представленного на рынке сырья ассортимента низкомолекулярных олигомеров (эпоксиакрилатов, уретанакрилатов, сложных полиэфиракрилатов с молекулярной массой 500 – 2500 г/моль) разработаны рецептуры УФ-отверждаемых ЛКМ. В табл. 5 представлены некоторые характеристики полимерных покрытий на основе УФ-отверждаемых ЛКМ производства НПФ «ИНМА» (г. Санкт-Петербург)

ЛКМ разработанные и выпускаемые НПФ «ИНМА», отверждаемые на установке Venjakob Maschinenbau GmbH & Co.KG, успешно прошли испытания для защиты труб. Полученный сертификат свидетельствует, что полимерное покрытие можно отверждать при скорости конвейера до 60 м/мин (рис. 1, 2, 3).