Учебник ЛКМ


ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из ведуших направлений развития технологии олигомеров и высокомолекулярных соединений является создание нового поколения современных полимерных материалов с заданными функциональными свойствами, в том числе используемых при формировании лакокрасочных покрытий широкого спектра применения в строительстве, промышленности, быту, наукоемких технологиях.
Лакокрасочные покрытия определяют не только внешний вид, но и работоспособность промышленных и бытовых изделий, различных устройств и механизмов, узлов и деталей, зданий и сооружений, обеспечивая их конкурентоспособность и значительную экономию материальных средств, выполняя защитно-декоративные и специальные функции.
Получение лакокрасочных покрытий, основанное на использовании различных природных и синтетических пленкообразователей, наполнителей, пигментов, сиккативов и многих других материалов, известно с давних времен. Но как научная дисциплина химия и технология лакокрасочных покрытий начала формироваться относительно недавно.
На основе исторически накопленных экспериментальных и научных данных развития и становления физикохимии полимеров как науки, химия и технология лакокрасочных покрытий постепенно приобретает прогнозирующий характер, позволяющий использовать знания о физико-химических процессах формирования структуры и свойств лакокрасочных покрытий для целенаправленного регулирования их свойств, совершенствования технологии получения, возможности которой еще далеко не исчерпаны.
Учебное пособие написано в соответствии с программой и на основе опыта чтения авторами курсов «Химия и технология лакокрасочных материалов и покрытий» и «Химия и физика пленкообразующих веществ» в Белорусском государственном технологическом университете с учетом современных достижений науки, техники и технологии.
Учебное пособие будет полезно не только студентам химико-технологических высших учебных заведений, но и аспирантам, а также специалистам, работающим в области получения и использования лакокрасочных покрытий.
Авторы с большой признательностью примут все критические замечания и советы по содержанию данного учебного пособия с целью его дальнейшего совершенствования.
ВВЕДЕНИЕ
Лакокрасочные покрытия широко используются в качестве противокоррозионной защиты машиностроительных изделий, для окрашивания внешних и внутренних поверхностей зданий и сооружений, строительных конструкций. Их применяют при производстве мебели, в кожевенной, обувной, полиграфической промышленности.
Важную роль играют лакокрасочные покрытия при электроизоляции, герметизации, в ряде отраслей современной техники, таких как радио- и электротехническая, микроэлектронная промышленность, авиационная и космическая техника.
В настоящее время в связи с возрастающими требованиями к новым материалам и функциональным покрытиям на их основе возникает необходимость расширения их ассортимента и дальнейшее развитие знаний о физико-химических процессах формирования структуры и свойств лакокрасочных покрытий. Исследования в указанном направлении призваны способствовать дальнейшему развитию представлений о физико-химической природе явлений, сопровождающих формирование сетчатой структуры покрытий и разработке на этой основе новых технологических методов и приемов их получения. Они приведут также к углубленному пониманию механизмов функционирования и путей прогнозирования направленного изменения структуры и свойств пленкообразующих материалов с целью повышения надежности в эксплуатации и расширения пределов практического использования покрытий на их основе.
В этой связи химия и технология материалов и покрытий как наука должна быть ориентирована на динамично развивающиеся отрасли науки: технологию и переработку полимеров, олигомеров и композитов, материаловедение в химической промышленности, химию и физику полимеров, физическую и органическую химию, а также направлена на решение приоритетных задач создания новых материалов с особыми свойствами для микроэлектроники, авиационной и космической техники (Постановление Совета Министров РБ № 139 от 27 февраля 1997 г. «О приоритетных направлениях создания и развития новых и высоких технологий и критериях их оценки»).До сих пор остаются актуальными задачи:
устранения вредных выбросов и загрязнений, создания безотходных технологий;
экономии энергоресурсов и материалов;
сокращения трудозатрат и повышения производительности труда путем механизации и автоматизации технологических процессов;
повышения качества и долговечности покрытий за счет улучшения свойств лакокрасочных материалов, разработки и внедрения новых прогрессивных технологий, совершенствования методов подготовки поверхности перед окрашиванием.
Решению вышеуказанных задач будут способствовать интенсивные научные исследования, проводимые в этих направлениях и ориентированные на решение наиболее важных народно-хозяйственных проблем, внедрение новых разработок в производство лакокрасочных покрытий.
Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЛАКОКРАСОЧНЫХ
МАТЕРИАЛАХ1.1. Классификация и обозначение лакокрасочных материалов
Основные лакокрасочные материалы (ЛКМ) в соответствии с ГОСТ 982573 (с изменениями №1, 2) классифицируются:
по виду, роду пленкообразующего вещества;
по преимущественному назначению материала.
В зависимости от состава ЛКМ включают: лаки, краски, порошковые краски, эмали, грунтовки, шпатлевки, полуфабрикатные лаки.Лак раствор пленкообразующих веществ в органических растворителях или в воде, образующий после высыхания твердую прозрачную однородную пленку. Лаки могут содержать красители и матирующие материалы.
Краска суспензия пигмента или смеси пигментов с наполнителями в олифе, масле или дисперсия пленкообразующего вещества, формирующая после высыхания непрозрачную однородную пленку.
Порошковая краска сухая композиция пленкообразующего вещества, пигментов и наполнителей, формирующая после сплавления, охлаждения и отверждения твердую непрозрачную пленку.
Эмаль суспензия пигмента или смеси пигментов с наполнителями в растворе синтетического пленкообразующего вещества, формирующая после высыхания непрозрачную твердую пленку с различным блеском и фактурой поверхности.
Грунтовка суспензия пигмента или смеси пигментов с наполнителями в пленкообразующем веществе, образующая после высыхания непрозрачную однородную пленку с хорошей адгезией к подложке и покрывным слоем; предназначена для повышения защитных свойств системы покрытий.
Шпатлевка суспензия смеси пигментов с наполнителями в пленкообразующем веществе, предназначенная для заполнения неровностей и сглаживания окрашиваемой поверхности.
Полуфабрикатный лак лак для получения эмалей, грунтовок, шпатлевок.
По химическому составу (роду пленкообразующего вещества) классификация ЛКМ производится по группам:
АБ ацетобутиратцеллюлозные;
АК полиакрилатные;
АС алкидно-акриловые;
АУ алкидно-уретановые;
АЦ ацетилцеллюлозные;
БТ битумные;
ВА поливинилацетатные;
ВЛ поливинилацетальные;
ВН винилацетиленовые и дивинилацетиленовые;
ВС винилацетатные (сополимерные);
ГФ глифталевые;
ЖС силикатные;
КО кремнийорганические;
КП копаловые;
КФ канифольные;
КЧ каучуковые;
МА масляные;
МЛ меламинные;
МС масляно- и алкидностирольные;
МЧ карбамидные (мочевино-формальдегидные);
НП нефтеполимерные;
НЦ нитратцеллюлозные;
ПА полиамидные;
ПИ полиимидные;
ПЛ полиэфирные (насыщенные);
ПО полиолефиновые;
ПФ пентафталевые;
ПЭ полиэфирные (ненасыщенные);
УР полиуретановые;
ФА феноло-алкидные;
ФЛ фенольные;
ФП фторопластовые;
ФР фуриловые;
ХВ перхлорвиниловые и поливинилхлоридные;
ХС винилхлоридные (сополимерные);
ХП хлорированные полиэтиленовые;
ЦГ циклогексановые;
ШЛ шеллачные;
ЭП эпоксидные;
ЭФ эпоксиэфирные;
ЭЦ этилцеллюлозные;
ЯН янтарные.
Лакокрасочным материалам на основе новых пленкообразующих веществ допускается присваивать обозначения, не приведенные выше.
По преимущественному назначению (применительно к условиям эксплуатации покрытий) классификация ЛКМ приведена в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Классификация лакокрасочных материалов по преимущественному назначению
ЛКМ Группа Характеристики
покрытий
Атмосферостойкие 1 Покрытия, стойкие к атмосферным воздействиям в различных климатических условиях, эксплуатируемые на открытых площадках
Ограниченно атмосферостойкие 2 Покрытия, эксплуатируемые под навесом и внутри неотапливаемых и отапливаемых помещений в различных климатических условиях
Консервационные 3 ЛКП для временной защиты окрашиваемой поверхности в процессе производства, транспортирования и хранения изделий
Водостойкие 4 Покрытия стойкие к действию пресной воды и ее паров, а также морской воды
Окончание табл. 1.1
ЛКМ Группа Характеристики
покрытий
Специальные 5 ЛКП со специфическими свойствами: стойкие к рентгеновским и другим излучениям, терморегулирующие, противообрастающие, для пропитки тканей, окрашивания кожи, резины, пластмасс, гигиенические, противоскользящие и др.Маслобензостойкие 6 Покрытия, стойкие к воздействию минеральных масел и консистентных смазок, бензина, керосина и др. нефтяных продуктов
Химически стойкие 7 ЛКП, стойкие к воздействию кислот, щелочей и других жидких химических реагентов и их паров
Термостойкие 8 Покрытия, стойкие к воздействию повышенных температур
Электроизоляционные и электропроводные 9 ЛКП, подвергающиеся воздействию электрических напряжений, тока, электрической дуги и поверхностных разрядов
Отнесение ЛКМ к определенной группе по условиям эксплуатации с учетом наиболее характерного признака не исключает возможности его применения в других условиях.
Обозначения ЛКМ записываются в следующем порядке:
вид ЛКМ;
обозначение пленкообразующего вещества;
обозначение группы ЛКМ по преимущественному назначению;
порядковый номер, присвоенный данному ЛКМ;
словесное обозначение цвета краски, эмали, грунтовки, шпатлевки.
Для ряда ЛКМ перед обозначением пленкообразующего вещества ставится индекс, определяющий разновидность материала: Б без растворителя, В водоразбавляемые, ВД водно-дисперсионные, ОД органо-дисперсные, П порошковые.
Для грунтовок и полуфабрикатных лаков вместо обозначения группы ЛКМ по преимущественному назначению записывается цифра 0, а для шпатлевок 00. Для масляных густотертых красок перед обозначением группы ЛКМ по преимущественному назначению также ставится 0.
Порядковый номер, присвоенный ЛКМ, обозначается одной, двумя или тремя цифрами. Для масляных красок вместо порядкового номера ставится цифра, определяющая наименование олифы, на основе которой изготовлена краска:
1 олифа натуральная;
2 олифа оксоль;
3 олифа глифталевая;
4 олифа пентафталевая;
5 олифа комбинированная.
После порядкового номера ЛКМ допускается добавлять буквенный индекс, характеризующий некоторые особенности материала, например:
ВЭ содержащий воду, эмульгированную в полимере;
ГС, ХС горячей и холодной сушки;
М, ПМ, ГМ матовый, полуматовый, глубоко матовый;
ПГ пониженной горючести.
При большом разнообразии оттенков одного и того же цвета, цвет указывается с порядковым номером (зеленая-1, зеленая-2, голубая-2, голубая-3 и т.п.). Допускается после наименования цвета указывать номер первого из образцов (эталонов) цвета «Картотеки образцов (эталонов) цвета лакокрасочных материалов», нормирующих цвет (оранжевая 121, вишневая 25, серая 571, серая 579 и т.д.).
При обозначении ЛКМ, состоящего из смеси пленкообразующих веществ, ему присваивается обозначение по типу пленкообразователя, содержание которого наибольшее или которое определяет основные свойства материала.
Примеры обозначения лакокрасочных материалов.
Лак ГФ-95 глифталевый (ГФ) электроизоляционный (9) лак, порядковый номер 5.
Краска МА-25 красно-коричневая масляная (МА) ограниченно атмосферостойкая (2) краска на комбинированной олифе (5).
Краска МА-015 желтая масляная (МА) густотертая (0) атмосферостойкая (1) краска на комбинированной олифе (5).
Краска П-ЭП-45 серая порошковая (П) эпоксидная (ЭП) водостойкая (4) краска, порядковый номер 5.
Эмаль ХВ-238 серая 571 перхлорвиниловая (ХВ) ограниченно атмосферостойкая (2) эмаль, регистрационный номер 38, 571 номер первого из образцов (эталонов) цвета «Картотеки образцов (эталонов) цвета лакокрасочных материалов».
Эмаль В-ЭП-2100 красная водоразбавляемая (В) эпоксидная (ЭП) ограниченно атмосферостойкая (2) эмаль, регистрационный номер 100.
Грунтовка В-КЧ-0207 водоразбавляемая (В) грунтовка (0) на основе каучуков (КЧ), регистрационный номер 207.
Шпатлевка ПФ-002 пентафталевая (ПФ) шпатлевка (00), порядковый номер 2.
Лак МЛ-044 меламинный (МЛ) полуфабрикатный лак (0), порядковый номер 44.
1.2. Состав лакокрасочных материалов
Кроме пленкообразующих веществ в состав лакокрасочных материалов входят: пигменты, удешевляющие компоненты, наполнители и вспомогательные пигменты, растворители, добавки.
1.2.1. Пигменты
Основные пигменты представляют собой твердые микрочастицы, распределенные в связующем или пленкообразователе. Мы будем проводить различие между ними и вспомогательными пигментами, наполнителями, удешевляющими добавками и т. д. Основные пигменты вносят главный вклад в одну или несколько важнейших свойств, например цвет, кроющую способность, антикоррозийные свойства. Вспомогательные пигменты, удешевляющие добавки, хотя и важны, но, в общем, не вносят большого вклада в эти свойства. Их назначение – снижение стоимости. Они могут усиливать укрывистость, влиять на глянец, облегчить шлифовку.
Основной применяемый пигмент – диоксид титана. Это обусловлено тем, что на рынке декоративных красок пользуются большим спросом белые и пастельные тона, а не насыщенные. Это же наблюдается и в автомобильной промышленности. Диоксид титана в пигментной форме является высококачественным пигментом. Наиболее часто используют рутильную форму с высоким показателем преломления. Этот пигмент производится с необходимыми размерами частиц и дисперсностью. Хотя обычно поверхность кристаллов диоксида титана считают химически инертной, она фотоактивна, и в пигментной форме ее защищают покрытием с целью свести до минимума фотохимическую активность на границе раздела связующее–пигмент. Типичные покрытия поверхности диоксида титана содержат диоксид кремния и оксид алюминия в различных соотношениях. Помимо уменьшения фотохимической активности они могут улучшать диспергируемость пигмента в связующем.
Цветные пигменты делят на неорганические и органические. Из-за токсичности многие ранее использовавшиеся пигменты, например свинецсодержащие всех типов (хроматы, оксиды, карбонаты), будут заменены и тем самым исключены из лакокрасочного производства. Однако это вызывает появление проблем в тех случаях, когда цветные пигменты используются с двойной целью – придания цвета и антикоррозийных свойств пленке. Ранее подгонка цвета была исключительно искусством очень квалифицированных колористов. В настоящее время, хотя они еще полностью не заменены, наблюдается постепенный переход к инструментальному подбору цветов (с помощью компьютеров).
Таблица 1.2. Некоторые широко используемые
пигменты
Цвет Неорганические Органические
1 2 3
Черный Сажа, карбонат меди,
диоксид марганца Анилиновый черный
Желтый Хроматы свинца, цинка и бария; сульфид кадмия, оксид железа Никелевый желтый азопигмент
Синий, фиолетовый Ультрамарин, берлинская лазурь, кобальт синий Карбозоловый фиолетовый, индантреновый голубой
Окончание табл. 1.2.
1 2 3
Зеленый Оксид хрома Фталецианиновый зеленый
Красный Красный оксид железа, селенид кадмия, свинцовый сурик Толуидиновый красный,
хинакридоны
Белый Диоксид титана, оксид цинка, оксид сурьмы, основной карбонат свинца
В красках для автомашин в качестве пигмента используется чешуйчатый алюминий с целью получения привлекательных покрытий с металлическим блеском. Размеры частичек и их ориентации в красочной пленке определяют оптические эффекты, которые невозможно достичь другими путями. Однако в отношении этих красок существуют трудности с применением, контролем качества и составлением цветов. Но использование таких материалов полностью оправдывается эстетически.
1.2.2. Удешевляющие добавки, наполнители
и вспомогательные пигменты
Эти вещества применяют к широкому кругу материалов, которые вводят в состав красок для самых разнообразных целей. Они относительно дешевы и поэтому могут быть использованы вместе с основными пигментами для достижения определенных эффектов. Например, было бы технически трудно и непозволительно дорого производить хорошую эмульсионную белую краску с матовым эффектом, используя только диоксид титана. Последний не эффективен как матирующий агент, да и вообще не предназначен для этой цели. Намного выгоднее использовать наполнитель с грубодисперсными частицами, такой как карбонат кальция в сочетании с диоксидом титана, для достижения белизны и укрывистости в матовых или полуматовых материалах (например, матовые латексные декоративные краски верхнего или промежуточного слоя или грунтовки). Подобные добавки обычно не вносят вклада в цвет и в большинстве случаев важно, чтобы они были бесцветными. Размер частиц удешевляющих добавок колеблется от долей микрона до нескольких десятков микрон; их показатель преломления обычно близок к показателю преломления органического связующего, в которое их вводят. И поэтому их вклад в укрывистость мал.
Добавки пластинчатого типа, такие как слюда мокрого помола, могут влиять на водопроницаемость пленок, и поэтому многие из них способствуют повышению коррозионной стойкости. Часто используют различные виды талька (например, в автомобильных грунтовках) с целью улучшения способности пленки к шлифовке перед нанесением верхнего слоя. Многие обычно используемые удешевляющие добавки имеют природное происхождение и подвергаются различной степени очистке в зависимости от их целевого использования. Но их свойства по сравнению с основными менее постоянны: имеют место вариации формы, размера частиц, дисперсности (распределение по размерам частиц).
В последние годы для специальных целей использовались синтетические полимерные наполнители, например в форме полимерных шариков (бисера) диаметром до 30 мкм, содержащих внутри пузырьки воздуха субмикронных размеров. Но подобные наполнители не получили широкого распространения по экономическим соображениям. Тем не менее, они расширяют возможности при разработке рецептур лакокрасочных материалов для конкретных целей.
Таблица 1.3. Удешевляющие добавки
Химическая
природа Тип
Сульфат бария Бариты
Карбонат
кальция Мел, кальций
Сульфат
кальция Гипс, ангидрит, осажденный сульфат кальция
Силикаты Кремнезем (диоксид кремния), глина, тальк,
слюда
1.2.3. Растворители
Используются в лакокрасочных составах:
для приготовления краски;
для обеспечения возможности ее нанесения на различные поверхности.
Это может казаться очевидным, однако важно представлять себе, что растворитель не влияет на свойства лакокрасочной пленки в процессе ее длительной эксплуатации. Хотя нельзя сказать, что в свежесформированной пленке остатки растворителя не влияют на твердость и другие свойства.
Термин растворитель часто используется для жидкостей, которые не растворяют полимерные связующие, и в этих случаях более правильно использовать термин разбавитель. Назначение разбавителя то же, что и растворителя.
В водных системах вода может быть истинным растворителем для некоторых компонентов, но не являться растворителем для основного пленкообразователя. Примером могут служить декоративные водноэмульсионные краски. Чаще всего в этих случаях принято говорить о «водной фазе» растворителя.
В качестве растворителей используют широкий ряд органических жидкостей, причем тип растворителя зависит от природы пленкообразователя.
Новейшие методы, основанные на концепции параметра растворимости, позволяют осуществлять более рациональный выбор смесей растворителей в соответствии с возникающей необходимостью.
Другими критериями, по которым выбирают растворитель, являются скорость испарения, запах, токсичность, горючесть, стоимость. Эти факторы могут иметь неодинаковый вес в зависимости от того, как используется растворитель.
Если нанесение осуществляется в промышленных условиях, то проблемы, связанные с запахом, токсичностью, горючестью, разрешимы, хотя и не всегда.
Необходимость установки дорогого рекуперационного оборудования или камер сжигания может исключить использование некоторых растворителей и, следовательно, некоторых типов лакокрасочных композиций.
С токсичностью тесно связаны и вопросы загрязнения окружающей среды. Перспективны 100%-ные порошковые краски.
1.2.4. Добавки
Наиболее простая лакокрасочная композиция, состоящая из пигмента, диспергированного в связующем, и жидкой фазы (растворителя или нерастворителя), на практике имеет недостатки.Некоторые из главных недостатков:
оседание пигмента и образование пленки на поверхности жидкого лакокрасочного материала в таре;
аэрация и сохранение пузырьков при нанесении;
образование на покрытии кратеров и натеков, сморщивание лакокрасочной пленки;
всплывание пигмента и изменение цвета покрытия.
Кратерообразование – появление маленьких круглых углублений на поверхности пленки.
Сморщивание – образование морщинистой поверхности пленки, которая высыхает за счет окисления.
Появление натеков – образование неровного покрытия в результате избыточного стекания краски на вертикальной поверхности.
Расплывание – термин, используемый для описания различий в цвете, которые могут появляться в лакокрасочной пленке из-за спонтанного разделения компонентов пигментной части после нанесения.
Кистевая аномалия – изменение цвета пленки вследствие всплывания пигмента после нанесения.
Чтобы избежать перечисленных недостатков, необходимо понять причину их появления и найти способы преодоления. В некоторых случаях они могут быть устранены небольшими изменением в рецептуре. Например, сморщивание обусловлено дисбалансом между скоростями реакций окислительного сшивания в поверхностном слое и внутри пленки. Положительный эффект достигается изменением состава сиккатива.
Проблемы изменения цвета из-за всплывания и разделения пигментов связаны с коллоидной устойчивостью пигментных дисперсий и могут быть обусловлены рядом причин. Сепарация пигментов, проявляемая во всплывании, происходит в результате различий в размерах частичек составного пигмента и может быть преодолена их совместной флокуляцией в данной системе.Другой метод стабилизации системы может заключаться во введении небольшого количества наполнителя высокой степени дисперсности, такого как оксид алюминия, с поверхностным зарядом частиц, противоположным заряду мелких частичек пигмента, чтобы обеспечить совместную флокуляцию с последними.
Появление проблемы изменения цвета вследствие кистевой аномалии указывает на флокуляцию, протекающую по мере высыхания пленки. Под влиянием усилия сдвига, когда кистью проводят по краске, пигмент диспергируется, и оттенок краски становится бледнее. Это обусловлено увеличением вторичного рассеяния падающего света из-за дефлокуляции белого пигмента.
Образование кратеров и натеков связано с химией поверхности и реологией. В первом случае эффект вызывается локальным изменением поверхностного натяжения пленки. В пределе это может привести к неполному смачиванию подложки так называемое сморщивание. Образование натеков связано с объемными свойствами пленки, на которые может влиять коллоидная стабильность композиции.
Идеальные, коллоидноустойчивые дисперсии склонны проявлять ньютоновское поведение, т. е. их вязкость не зависит от скорости сдвига. Это значит, что на вертикальной поверхности ньютоновская жидкость с соответствующей вязкостью, требуемой для нанесения кистью (примерно 0,5 Пас), будет обладать текучестью, если только вязкость не возрастает быстро в результате испарения растворителя. Напротив, при составлении композиций может возникнуть необходимость обеспечения не ньютоновского поведения, когда при малых усилиях сдвига вязкость материала очень высока.
Следовательно, можно избежать образования натеков, используя любой из этих эффектов или их комбинацию.
Таким образом, добавки это такие вещества, которые, будучи введенными в рецептуру красок в небольших количествах, тем не менее, оказывают значительное влияние на их свойства. Обычно к добавкам не относят те компоненты, которые рассматривают как часть основной рецептуры.
Следует помнить, что:
любое перечисление добавок никогда не может быть всеобъемлющим, учитывая появление новых разработок;
иногда добавка является очень специфической для конкретной композиции, будучи эффективной в одних типах красок и бесполезной в других;
применение добавок очень часто приводит к нежелательным вторичным эффектам, особенно если их вводить в избытке или необдуманно;
необходимо заботиться о том, чтобы применение добавок не привело к «спиральной рецептуре». Например, ПАВ вводят для облегчения смачивания поверхности, однако они вызывают вспенивание. Вспенивание уменьшают, добавляя силиконовый раствор, но он способствует кратерообразованию, которое в свою очередь преодолевают введением ПАВ;
может встретиться композиция, которая разрабатывалась в течение большого промежутка времени, возможно, несколькими исследователями, и содержащая поэтому целый ряд добавок. В случае если при ее применении возникнут дополнительные затруднения, может оказаться гораздо выгоднее, оставляя только базовую рецептуру, исключить эти добавки, а не искать еще другие. Некоторые из добавок продолжают вводить по традиции, хотя первоначально их применяли для преодоления недостатков при изготовлении конкретной партии лакокрасочных материалов;
добавки обычно применяют для устранения недостатков красок, но описания этих недостатков часто неточные. Поэтому вначале надо убедиться, что это именно тот недостаток и та добавка, с помощью которой его можно преодолеть. Вспенивание и биологическая защита представляют две области, где возможно появление проблем при невнимательном подходе.
Усилители противокоррозионных свойств обычных противокоррозионных пигментов. Типичный пример – производные таниновой кислоты Kelate, Albakex – это отработанные наполнители, используемые для частичной замены истинных противокоррозионных пигментов, таких как фосфат цинка.
Alcophor 827 представляет собой цинковую соль органического азотистого соединения, усиливает действие основных антикоррозионных пигментов. Ferrophos рекомендуют для частичной замены цинковой пыли в грунтовках, обогащенных цинком.
Пеногасители. Вододисперсные краски стабилизируют коллоидами и ПАВ, которые, к сожалению, отрицательно сказываются на разрушении воздушных пузырьков, вводимых при производстве или при нанесении красок, и, вследствие этого, приводят к образованию устойчивых пен. В неводных жидких красках может также наблюдаться образование воздушных пузырьков.
Известны антивспениватели как для определенного класса лакокрасочных материалов, так и для общего употребления. Иногда антивспенивающие добавки вводят в два приема: первый в начале производства, а второй – непосредственно перед расфасовкой.
Обычно антивспениватели обладают высокой поверхностной активностью и хорошей подвижностью, хотя и не растворяются во вспенивающейся жидкости. Их действие основано на понижении поверхностного натяжения в окрестности пузырьков, что приводит к их слиянию в более крупные и менее устойчивые пузырьки, которые затем разрушаются. Наиболее простые из этих добавок – это растворы какого-то одного вещества, например пихтового масла, дибутилфосфата или спиртов с короткой цепью (С6С10).
С другой стороны, они могут быть сложными композициями неопределенного состава, состоящими из минеральных или силиконовых масел, нанесенных на мелкоизмельченный диоксид кремния в присутствии ПАВ.
Многие антивспениватели действуют благодаря несовместимости, создавая вследствие этого центры, на которых может начаться разрушение пузырьков. Медленное увлажнение или эмульгирование антивспенивателей часто является причиной того, что они теряют свою эффективность при длительном процессе производства или при продолжительном хранении.
Добавки, препятствующие осаждению. Хорошие диспергаторы и дефлокулянты повышают блеск и укрывистость, но отрицательно влияют на осаждение. И решая вопрос о предотвращении осаждения пигментов при хранении органорастворимых лакокрасочных материалов, часто приходится идти на компромисс.
При регулировании конечных реологических характеристик красок также необходим компромисс между устойчивостью к осаждению и ухудшением блеска. Такая хорошо известная и полезная добавка на стадии диспергирования, как соевый лецитин, может очень эффективно препятствовать осаждению. Тем не менее, при превышении оптимального ее содержания возможно очень сильное расслоение системы.
Запатентовано много веществ, придающих небольшую тиксотропность. Так, в рецептуры включают до одного процента стеарата алюминия. Но более удобны карбонаты кальция с нанесенным сверху слоем стеарата.
Другими представителями веществ, используемых для предотвращения осаждения, являются модифицированные гидрированные касторовые масла.
Некоторые модифицированные клеи также вызывают определенное структурирование, но их необходимо активировать полярным растворителем, таким как спирт. Часто используют смеси добавок, например дисперсные пирогенные диоксиды кремния эффективны и сами по себе, и в смеси с другими соединениями. Так как многие из вышеупомянутых добавок влияют на вязкость при малых скоростях сдвига (удерживая вследствие этого пигменты в виде суспензии, несмотря на гравитационные силы), их используют также для других целей, например против образования натеков, регулирования разлива и изменения цвета вследствие всплывания пигмента.
В латексных красках осаждение не представляет проблему ввиду специфики их рецептуры. Для водных красок других типов важно правильно выбрать коллоидную систему, и, кроме того, регулярно использовать при пигментировании бентонит, пирогенные диоксиды кремния или же целлюлозные и синтетические полимерные загустители.
Добавки, препятствующие образованию поверхностной пленки при хранении красок. Сиккативы в красках воздушной автоокислительной сушки имеют большое значение для правильного регулирования соотношения между процессами высыхания в поверхностном слое и во всем объеме. Но, к сожалению, они могут также вызывать образование поверхностной пленки при хранении лакокрасочных материалов.
Раньше для борьбы с этим явлением применяли 12% (от массы краски) пихтового масла или дипентена, или фенольные антиоксиданты (гваякол) менее 0,1%. Сейчас используют оксимы: метилэтилкетооксим (<0,2%), циклогексаноноксим.
Ингибиторы коррозии тары. Водные краски всех типов даже при упаковке в лакированные емкости из белой жести способны вызывать коррозию, особенно на внутренних спаях, стойках и т. д.
Используют такие ингибиторы, как нитрит натрия и бензоат натрия. Их вводят совместно (<1%). Они хорошо известны из опыта их применения в антифризах. Недостаток применения этих солей – отрицательное влияние на водостойкость покрытия.
Добавки, поглощающие влагу и предотвращающие газовыделение. Для обеспечения стабильности некоторых красок при хранении важно поддерживать низкое содержание влаги. Так, чтобы избежать сшивания и газовыделения отверждаемых влагой полиуретановых красок при хранении в емкостях, необходимо применять только те пигменты, из которых почти полностью удалена адсорбционная вода. Один из типов таких добавок – это мономерный изоцианат, который активно реагирует с водой и поэтому используется для обезвоживания пигментов на стадии диспергирования.
Добавку триэтилортоформиата вводят в краски для того, чтобы регулировать влияние остаточной влаги при хранении.
Другой группой материалов, в которых присутствие влаги может вызвать проблемы при хранении, являются алюминийсодержащие краски и грунтовки с цинковой пылью. В них возможна реакция металла с влагой и выделение водорода, вызывающего повышение давления в закрытой емкости. Здесь применяют другие добавки (Silosiv Al и ZNI).
Сиккативы. Сиккативы являются неотъемлемой частью лакокрасочных материалов. Реакции окисления и полимеризации при высыхании красок идут и без катализатора, но в присутствии определенных органических соединений металлов они сильно ускоряются. Каталитическая активность зависит от способности катиона металла легко окисляться из стабильного состояния с низшей валентностью в менее устойчивое состояние с высшей валентностью. Поэтому все сиккативы многовалентны. На практике используют смесь металлических сиккативов.
В качестве сиккативов можно использовать неорганические соли, например нитрат кобальта, но до сих пор подавляющее число сиккативов – это металлические производные органических кислот (мыла), которые эмульгируются в водных системах
Из исследованных свыше 40 переходных металлов примерно около 10 оказались достаточно эффективными.
Кобальт – наиболее эффективен в сиккативах. Он обеспечивает быстрое высыхание с поверхности, оставляя текучим подпленочный слой, что вызывает сморщивание толстых пленок. Самостоятельно его применяют редко, например в алюминийсодержащих красках холодной сушки (когда наносят очень тонкие пленки, и когда свинец привел бы к потускнению алюминия) и в некоторых красках горячей сушки.
Свинец – традиционно наиболее широко используемый металл с тех пор, как было замечено, что свинцовые пигменты способствуют высыханию. Сиккатив объемного действия. Используют в сочетании с другими металлами, если только требования по токсичности и возможность образования пятен сульфидов на покрытии не исключает его применения.
Марганец – очень активен в сиккативах. Ускоряет высыхание с поверхности и в объеме. Его недостаток – цвет (темно-коричневый).
Железосодержащие сиккативы считаются устаревшими и имеют плохой цвет. Их применяли в дешевых эмалях темного цвета горячей сушки. Практически не используют в красках естественной сушки.
Цинк – используют в виде мыл или пигмента – оксида цинка вводимых в количествах, типичных для сиккативов. Он замедляет начальную скорость высыхания с поверхности, но ускоряет объемное высыхания. Использование цинка приводит к большой твердости конечной пленки.
Кальций – малоактивен.
Церий – эффективен, но вызывает пожелтение пленки.
Ванадий – аналогичен церию.
Барий – как и кальций – используется только во вспомогательных сиккативах.
Цирконий – рекомендуют вместо свинца в сиккативах объемного действия. Удовлетворяет требования по токсичности.
Алюминий – для этих сиккативах необходимо обычно специально готовить связующие. Их достоинства – хороший цвет, хорошее ускорение высыхания в объеме, твердость пленок.
Регуляторы электрических свойств. Их применяют:
чтобы избежать накопления статического электричества и связанного с этим появлением искры и возгорания при хранении и транспортировке (для этого в углеводородные растворители могут вводиться антистатические добавки, повышающие проводимость);
для уменьшения электрического сопротивления красок с неполярными растворителями с целью обеспечения хорошей наносимости при электростатическом распылении.
Желательно применять простые эфиры гликолей (растворитель) вследствие их хорошей растворяющей способности, полярности, высокой проводимости, хорошей способности к электростатическому распылению.
Консерванты для хранения краски в таре. Латексные и другие водные краски особенно подвержены порче под воздействием микроорганизмов. Для предотвращения их порчи вводят антисептики – смеси гетероциклов с веществами, выделяющими формальдегид, оксазолидины, бензидотиазолиноны.
Биоциды. В соответствующих условиях большинство лакокрасочных покрытий способствует развитию плесени, вызывающей появление характерных черных пятен у стен и потолка в ванных комнатах, а также с наружной стороны зданий.
Порча наружных поверхностей может вызываться зеленоватыми морскими водорослями. Добавлением биоцидов в краски можно защитить покрытия от развития плесени, но от них нельзя ожидать слишком много: если поверхность постоянно обрабатывается питательными веществами; если, например, окрашенные стены постоянно обильно покрыты сиропом, например, на сахарном заводе. Обычно содержание биоцидов не более 5%.
В отличие от хорошо растворимых в воде биоцидов, применяемых в эмульсионных красках в качестве консервантов для хранения в таре, биоциды для защиты покрытий должны практически не растворятся в воде. В противном случае они будут вымываться водой из пленки, что снизит эффективность защиты.
Запатентованные средства часто представляют собой смеси биоцидов для обеспечения наилучшей защиты от широкого круга грибков и морских водорослей.
Инсектициды. Интересно использование инсектицидов в покрытиях против бытовых мух. Такие краски применяют в специальных случаях, например для уничтожения тараканов в корабельных трюмах. Нельзя забывать и об инсектицидах, применяемых в пропиточных композициях для защиты древесины.
Применяют органические соединения металлов, например трибутилоловооксид, октоат цинка, нафтенат меди.
В качестве инсектицидов для красок предложены также хлорированные ароматические соединения, например, 6-хлор-эпоксигидроксинафталин и 1,1-дихлор-2,2-бис-(n-хлорфенил)этан.
Добавки, повышающие белизну покрытий. Эти вещества поглощают УФ-излучение и излучают энергию в области видимых длин волн. Если излучение попадает в сине-фиолетовую область, добавки повышают белизну и устраняют склонность к пожелтению.
Хотя такие добавки широко используют в производстве бумаги и моющих средств, в технологиях покрытий они мало применяются из-за короткого срока их действия и высокой стоимости.
Дезодоранты. Большинство красок при высыхании пахнет. У латексных красок умеренный запах. Запах органорастворимых материалов значительно сильнее. Он объясняется, в первую очередь, выделением растворителей, и, в случае красок, высыхающих вследствие окислительных процессов, появляется дополнительный устойчивый запах из-за химических реакций. Добавку, которая бы полностью устранила эти запахи, ищут до сих пор.
В общем случае необходимо избегать применения в исходной рецептуре сильно пахнущих компонентов, например выбирая растворители с меньшим запахом. Но большинство людей предпочитает запах первоначальной краски смеси запахов, которая получается при введении в нее дезодорантов.
Добавки, поглощающие УФ-излучение. Многие пигменты выцветают, а связующие диспергируют под воздействием облучений, особенно ультрафиолетового. Известно, что нанесение слоя лака замедляет выцветание непрочных красок, но, к сожалению, непигментированные лаковые пленки сами быстро разрушаются. Показано, что поглотители УФ-излучения повышают срок службы таких защитных лаковых покрытий.
Еще более успешно использование сочетания светостабилизаторов с УФ-поглотителями. При этом достигается защита на двух стадиях. УФ-поглотитель (около 1%) превращает вредные коротковолновое излучение в тепловую энергию, а светостабилизатор (стерически затрудненный амин) захватывает образующиеся свободные радикалы, которые не являются причиной деструкции пленки. Эта технология позволила использовать в автомобилестроении систему наружного покрытия типа «основное покрытие + лаковое покрытие» и решить проблемы подпленочного меления, расслоения и растрескивания верхнего лакового покрытия.
Глава 2. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ
ПОЛИКОНДЕНСАЦИОННЫХ СМОЛ
2.1. Алкидные лакокрасочные материалы
Алкидные смолы (алкиды) применяются в качестве пленкообразователей при получении алкидных лаков и пигментированных лакокрасочных материалов. Это сложные эфиры многоатомных спиртов с многоосновными кислотами или их ангидридами (фталевым), модифицированные растительными маслами.
По типу спирта алкиды и лакокрасочные материалы на их основе подразделяются на глифталевые, пентафталевые, этрифталевые.
По природе модификатора различают алкиды:
модифицированные высыхающими и полувысыхающими растительными маслами (льняным, подсолнечным и др.);
жирными кислотами – продуктами гидролитического расщепления растительных масел;
дегидратированным касторовым маслом;
смесью растительных масел с канифолью;
синтетическими жирными кислотами фракции С10С16;
и др.
По способности к высыханию алкиды подразделяются на высыхающие и невысыхающие; по способности к растворению – на растворимые в органических растворителях и разбавляемые ими, на нерастворимые в воде и водорастворимые.
По жирности (содержанию масла) алкиды подразделяют на жирные, содержащие растительного масла более 60%, средние – 4559%, тощие – 3344% (мас.). Жирные алкиды готовят преимущественно на высыхающих, а тощие на полувысыхающих маслах. Наиболее широко применяются как пленкообразующие вещества алкидные смолы, модифицированные растительными маслами, их жирными кислотами, синтетическими кислотами, а также различные композиции алкидных смол с поликонденсационными и полимеризационными смолами, с нитратами целлюлозы: алкиднокарбамидоформальдегидные, алкидномеламиноформальдегидные, фенолоалкидные, алкидноэпоксидные, алкиднополиорганосилоксановые и уралкидные смолы, алкидностирольные, алкидноакриловые сополимеры, нитроглифталевые и нитропентафталевые пленкообразующие.
Алкиды отличаются повышенной атмосферо-, водо- и щелочестойкостью, хорошо высыхают и образуют с аминоальдегидными смолами пространственные полимеры, применяемые в производстве высококачественных лакокрасочных материалов (например, меламиноалкидных автомобильных эмалей).
Алкидные лаки получают в виде растворов глифталевых, пентафталевых и этрифталевых смол в органических растворителях. Лаки подразделяют на применяемые в производстве алкидных эмалей (полуфабрикатные) и готовые (товарные), которые используют по назначению.
Пигментированные лакокрасочные материалы на основе алкидных смол (эмали, грунтовки, шпатлевки, этрифталевые эмали) являются суспензиями пигментов или пигментов с наполнителями в алкидных полуфабрикатных лаках. Их получают путем диспергирования пигментов в среде пленкообразующих алкидов в бисерных или песочных мельницах. Схема процесса приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема производства эмалей на основе поликонденсационных смол:
1 бункер для пигментов; 2 смеситель, быстроходный;
3 смеситель напорный; 4, 5 бисерные мельницы;
6 мерная емкость для лака; 7 хранилище одноколерных паст;
8 – смеситель для эмали; 9 – патронный фильтр; 10 – насос
В диссольверы (быстроходные смесители) 2 из мерника 6 поступает лак, через дозатор – растворители, а также пигменты. Из бункера 1 полученный однородный замес подается с помощью насосов 10 в напорные смесители 3, а затем в бисерные мельницы 4 и 5 на диспергирование. Пигментная паста требуемой степени дисперсности поступает в смеситель для эмали 8, в который подают лак и растворители, а также подколеровочную пасту для подгонки цвета. После перемешивания и типизации полученная эмаль направляется на патронный фильтр 9 для очистки, затем в фасовочную машину на разлив в тару.
На рис. 2.2 представлена схема производства эмалей периодическим способом.

Рис. 2.2. Схема производства эмалей из многопигментных паст периодическим способом:
1 контейнер для пигментов; 2 бункер-воронка; 3 шнек;
4 питатель; 5 замесочная машина; 6 дежа;
7 краскотерочная машина, 8 смеситель;
9 краскотерочная машина с фильтрующим брусом
В замесочную машину 5 загружают из дозатора лак, а из контейнера 1 через бункер-воронку 2, шнек 3 и питатель 4 пигменты и наполнители; после перемешивания до получения однородной массы замес выгружают в дежу 6, подвозят его для перетира ( диспергирования) на трехволковую краскотерочную машину 7 и после получения требуемой по ТУ степени перетира пигментную пасту из дежи загружают в смеситель 8, в котором перемешивают пасту с лаком и растворителем и проводят типизацию эмали по цвету, вязкости и содержанию нелетучих веществ. После этого эмаль пропускают через одновалковую краскотерочную машину с перетирочным брусом для фильтрации и очистки, а затем фасуют в тару, помещенную на весы.
2.2. Свойства и применение алкидных лакокрасочных
материалов
Свойства товарных лаков и эмалей, а также покрытий на их основе в значительной степени определяются типом входящих в их состав глифталевых и пентафталевых смол и полуфабрикатных лаков. Высыхающие алкиды холодной и горячей сушки используются как самостоятельные пленкообразователи для алкидных лакокрасочных материалов, а также как компоненты смесей с различными смолами. Невысыхающие алкидные смолы применяют в основном в смесях с карбамидными смолами и нитратами целлюлозы для повышения адгезии и эластичности покрытий.
От жирности алкидных смол зависят вязкость растворов, наносимость лаков и эмалей, совместимость их с маслами, высыхание, твердость, блеск, стойкость к действию различных реагентов, а также атмосферостойкость и другие свойства покрытий.
Смолы с жирностью менее 50% хорошо растворяются в ароматических углеводородах, кетонах и сложных эфирах. С повышением жирности алкидов снижается вязкость их растворов, улучшается растворимость в уайт-спирите, других алифатических углеводородах, совместимость с маслами, облегчается диспергирование пигментов, повышается эластичность и атмосферостойкость покрытий; но замедляется высыхание, снижается твердость и стойкость покрытий к действию минеральных масел.
Наибольшей скоростью высыхания характеризуются лакокрасочные материалы на основе алкидных смол, модифицированных льняным маслом или смесью льняного и тунгового масел. Введение полувысыхающих масел снижает твердость и износостойкость покрытий, но замедляет их старение.
Пентафталевые лаки и эмали, по сравнению с глифталевыми (аналогичными по степени жирности и типу масла-модификатора), отверждаются при холодной сушке быстрее и образуют более водостойкие покрытия.
Модифицированные алкидные лакокрасочные материалы образуют покрытия с хорошими декоративными и защитными свойствами, высокой твердостью, атмосферостойкостью и др., их можно эксплуатировать длительно как внутри помещений, так и в атмосферных условиях. Ассортимент алкидных материалов широк: свыше 15-ти марок лаков, 50-ти марок эмалей, 20-ти марок грунтовок и значительное число видов шпатлевок.
2.3. Карбамидо- и меламиноформальдегидные лакокрасочные материалы
Карбамидо- и меламиноформальдегидные смолы в виде растворов самостоятельно не применяются как пленкообразователи в производстве лаков и лакокрасочных материалов. После бутанолизации продуктов поликонденсации карбамида или меламина с формальдегидом соответствующие смолы совмещаются с другими смолами, маслами и пластификаторами, растворяются в органических углеводородах, но пленки, формируемые на их основе, хрупкие и адгезия к металлу слабая.
Совмещение аминоальдегидных смол с алкидными позволяет устранить эти недостатки. В этой связи в производстве лаков, эмалей, грунтовок и шпатлевок в качестве пленкообразующих веществ используют смеси ксилольного раствора алкидной смолы (резиловой) с бутанольным раствором карбамидоформальдегидной (К41102 или др.).
Меламиноформальдегидные лакокрасочные материалы по декоративным и защитным свойствам превосходят карбамидоформальдегидные. Выпускается в промышленном масштабе более 15 марок высококачественных эмалей, применяемых для окраски автомобилей, мотоциклов, велосипедов, станков и других изделий. Карбамидо- и меламиноформальдегидные смолы и лаки получают по технологической схеме, идентичной схеме производства алкидных лаков периодическим способом (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема производства лаков на основе поликонденсационных смол (фенольных, аминоальдегидных, эпоксидных и др.):
1 – реактор синтеза; 2 конденсатор, 3 сосуд разделительный;
4 вакуум-приемник; 5 реактор вакуумной отгонки;
6 сосуд дозировочный; 7 бункер-воронка;
8 емкость для полуфабрикатной продукции; 9 насос шестеренчатый; 10 фильтр патронный; 11 емкость для реакционной воды; 12 насос центробежный; 13 агрегат отверждения смолы;
14 емкость для дистиллятов; 15 емкость для готовой продукции
Реактор 1 емкостью 10 м3 с оснасткой, включающей конденсатор 2 и вакуум-приемники 4 (для сбора дистиллята «метанольной воды»), предназначен для синтеза метилольных производных карбамида, их частичной бутанолизации и поликонденсации. Реактор 5 служит для вакуумной отгонки воды.
Технологический процесс получения включает следующие стадии: перемешивание карбамида с предварительно нейтрализованным аммиачной водой формалином (37%-ным) без нагревания до полного растворения с образованием метилольных производных; отгонка в вакууме при 5065 С «метанольной воды»; частичная бутанолизация при 90 С и поликонденсация метилольных производных карбамида в кислой среде; вакуум-сушка; глубокая поликонденсация в вакууме с одновременной отгонкой избытка бутанола; растворение полученной смолы в бутаноле и очистка раствора фильтрацией.
Производство лаков сводится к смешению в смесителе в определенном соотношении бутанольного раствора карбамидоформальдегидной смолы с ксилольным раствором алкидной смолы и последующей типизацией лака.
2.3.1. Свойства и применение карбамидоформальдегидных
лакокрасочных материалов
При нагреве растворов алкидных смол с карбамидоформальдегидной смолой гидроксильные группы алкидной смолы взаимодействуют с метилольными или бутоксильными группами карбамидной смолы с образованием трехмерного полимера. Лаки и эмали на основе таких композиций, отверждаемые при 110140 ºС, образуют твердые покрытия, обладающие высокой адгезией к металлам, светостойкостью, декоративными и защитными свойствами при эксплуатации в атмосферных условиях (эмаль МЧ-123 черная, МЧ-240, МЧ-240МЧ, МЧ-240ПМ, МЧ-240М, МЧ-277, МЧ-145, МЧ-52, МЧ-173, лак МЧ-270, грунтовка МЧ-042 и др.). Грунтовку МЧ-042 (суспензия белых пигментов в растворе карбамидоформальдегидной и алкидной смол) получают диспергированием пигментной пасты в шаровой мельнице до степени перетира 25 мкм, составлением и типизацией грунтовки в смесителе и фильтрацией через ватно-марлевый фильтр. Применяется для грунтования металлической поверхности перед нанесением белых эмалей МЛ-242, АК-171 и др.
2.3.2. Меламиноформальдегидные лакокрасочные материалы
Для приготовления лаков и эмалей горячей сушки наиболее широко применяют бутанолизированную смолу (К-421-02), совмещаемую с глифталевыми смолами № 90 и № 135 – растворами невысыхающей и высыхающей смолы соответственно.
Примерный состав смолы К-421-02 (мас. %):
меламин – 11;
формалин (37%-ный) – 50,5;
аммиак(25%-ный) – 1,4;
бутиловый спирт – 37;
фталевый ангидрид – 0,1.
Применяют также смолу К-423-02 (малобутанолизированную) в смеси с алкидной смолой ФК-426 для изготовления лаков и эмалей с пониженной температурой сушки.
Товарные алкидномеламиноформальдегидные лаки получают перемешиванием меламиноформальдегидной смолы с полуфабрикатным лаком (глифталевым или пентафталевым) в определенных соотношениях, с последующей типизацией в смесителе по цвету, вязкости, содержанию нелетучих веществ и фильтрованием лака.
Эмали и грунтовки производятпутем приготовления пигментных замесов в замесочных машинах и диссольверах, диспергирования их на бисерных мельницах, краскотерочных машинах или шаровых мельницах, составления эмалей и грунтовок в смесителях, перемешивания пигментных паст с полуфабрикатными алкидными лаками и меламиноалкидными смолами, типизации в тех же смесителях, очистки.
Свойства и применение. По сравнению с алкидными и карбамидоалкидными, лакокрасочные материалы на основе композиций меламиноформальдегидных и алкидных смол обладают более высокой свето-, атмосферо-, термостойкостью, способны сохранять защитные и декоративные свойства в течение продолжительного времени в атмосферных условиях тропического, северного и умеренного климата.
Эмали, лаки, грунтовки применяются в автомобильной промышленности (МЛ-1110, МЛ-197, МЛ-12, МЛ-152, МЛ-1121, МЛ-1195), в станко- и приборостроении (МЛ-242, МЛ-279, МЛ-283, МЛ-1156) и для многих других назначений.
2.3.3. Фенолоформальдегидные лакокрасочные материалы
Фенолоформальдегидные лаки на основе фенольных смол, а также фенолоалкидные и другие совмещенные лаки получают добавлением в состав смол растворителей или растворением смол в органических растворителях с введением добавок или без них.
Смешение смол с растворителями или добавками проводят в смесителях или, реже, в реакторах с последующей типизацией. При получении эмалей из многопигментных паст последние диспергируют на бисерных мельницах, краскотерочных машинах, в шаровых мельницах, смешивают с лаками, растворителями, добавками и типизируют в смесителях.
Свойства и применение. Фенолоформальдегидные лакокрасочные материалы образуют покрытия с хорошей адгезией к металлу, твердостью, атмосферостойкостью, устойчивостью к действию слабых кислот, щелочей, растворов солей, бензостойкостью, с высокими диэлектрическими характеристиками.
Их ассортимент включает более 10-ти марок лаков, 10-ти марок эмалей и 5-ти марок грунтовок. Широко применяются грунтовки ФЛ-03к (для черных металлов и легированных сталей) и ФЛ-03ж (для алюминия и цветных металлов).
2.4. Алкидно-стирольные лакокрасочные материалы
На основе алкидно-стирольных смол, синтезируемых сополимеризацией алкидной смолы со стиролом в ксилоле с перекисными инициаторами, получают лаки, эмали, грунтовки и шпатлевки. Эмали значительно превосходят алкидные по скорости высыхания, твердости и водостойкости, обладают более высокой стойкостью к действию минерального масла, слабых растворов солей, щелочей, выдерживают температуры до 80 С.
Недостатки: покрытия, образуемые этими эмалями, более подвержены старению и склонны к пожелтению.
Получение лака включает стадии синтеза алкидно-стирольной смолы, составления лака, его типизации, очистки.
Эмали и грунтовки готовят диспергированием пигментной пасты в шаровой мельнице в растворе алкидно-стирольной смолы с последующим составлением и типизацией эмали или грунтовки в смесителе.
2.4.1. Свойства и применение некоторых промышленных
марок алкидностирольных лакокрасочных материалов
Лак МС-25 – раствор алкидно-стирольной смолы в ксилоле или в смеси ксилола и скипидара на основе алкида, модифицированного смесью высыхающего, полувысыхающего и тунгового или дегидратированного касторового масел. Лак используют как пленкообразователь при производстве эмалей и грунтовок, а также в качестве покрывного покрытия. Перед применением в лак добавляют НФ-1 (2%). При 18–22 С лак высыхает до степени 1 за 30 мин, до степени 3 – в течение 4,5 ч.
Эмали МС-1181 и МС-1181А – суспензии красного железоокисного пигмента и микроталька в алкидно-стирольном лаке МС-0154. Перед применением в эмаль добавляют 3% сиккатива НФ-1. Эмаль МС-1181А получают на месте потребления путем смешения 100 мас. ч. алюминиевой пудры ПАП-1 и 3 мас. ч. сиккатива НФ-1. Время жизни такой эмали – 72 ч с момента смешения.
Назначение эмали МС-1181 – окраска изделий из черных металлов для временной защиты от коррозии на период транспортирования и хранения в складских условиях, а эмали МС-1181А – на открытом воздухе.
Грунтовка МС-067 – суспензия пигментов и наполнителей в алкидно-стирольном лаке с добавлением пластификатора, используемая для грунтования стальных изделий и для временной защиты стальных изделий при межоперационном хранении. После высыхания грунтовка образует полуглянцевое покрытие толщиной 2025 мкм.
Грунтовка МС-0152 используется для нанесения на ржавые, старые, прокорродированные поверхности изделий, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности. Ее можно наносить в качестве фосфатирующей на поверхности черных и цветных металлов и легких сплавов. Она содержит ортофосфорную кислоту. По слою этой грунтовки можно наносить практически любые лакокрасочные эмали. Срок службы покрытия из одного слоя грунтовки МС-0152 и 2–3слоев эмали – 2 года.
Шпатлевка МС-006 – густая вязкая масса из пигментов, наполнителей (около 70%) и алкидно-стирольного лака (около 30%). Она предназначена для исправления дефектов загрунтованной или окрашенной эмалью поверхности. Сушка 15 мин при 1822 С. Толщина – 4050 мкм.
2.4.2. Алкидно-акриловые эмали
Алкидно-акриловые пленкообразующие – это сополимеры алкидной (глифталевой) смолы и бутилового и метилового эфира метакриловой кислоты.
Покрытия, формируемые из алкидно-акриловых смол, обладают повышенной водо- и атмосферостойкостью, быстро высыхают при пониженной температуре сушки (8090 С), их эксплуатация возможна в условиях тропического климата.
Эмаль АС-182 – это суспензия пигментов в алкидноакрилатном лаке АС-0133 с добавлением сиккатива. Для получения эмали смесь пигментов и части алкидно-акрилового лака с добавлением сольвента и ксилола диспергируют в шаровой или бисерной мельнице. Полученную пигментную пасту соединяют в смесителе с оставшимся количеством алкидно-акрилового лака и другими компонентами, типизируют по вязкости, содержанию нелетучих веществ и цвету и затем фильтруют через марлевый фильтр или калиброванные патроны.
Эмаль АС-182 применяется для окраски сельскохозяйственных машин и тракторов.
2.5. Эпоксидные лакокрасочные материалы
Эпоксидные лакокрасочные материалы можно разбить на три большие группы:
1) содержащие органические растворители;
2) несодержащие органических растворителей;
3) водоразбавляемые.
Первая группа включает лакокрасочные материалы, отверждаемые на холоду аминами, полиамидами, изоцианатами и отверждаемые при нагревании модифицирующими смолами: эпоксиднофенольные, эпоксидномеламиновые, эпоксиднокарбамидные, эпоксиэфирномеламиновые, эпоксиэфирные, отверждаемые на холоду, нитроэпоксиалкидные, эпоксиэфирные с добавлением сиккатива, эпоксиэфирностирольные.
Вторая группа – это эпоксидные лакокрасочные материалы: жидкие Б-ЭП, отверждаемые на холоду полиамидами, имидозолинами, амидоэфирами; порошковые ЭП горячего отверждения.
Третья группа – лакокрасочные материалы горячего отверждения – эпоксидные ВЭП, эпоксиэфирные ВЭФ.
Эпоксидные лакокрасочные материалы, содержащие органические растворители, подразделяются на:
1) двухкомпонентные, отверждаемые на холоду с помощью отвердителей;
2) однокомпонентные горячего отверждения.
Двухкомпонентные эпоксидные лакокрасочные материалы включают в себя полуфабрикаты лаков, эмали, грунтовки, шпатлевки и соответствующие отвердители.
Полуфабрикатные материалы состоят из эпоксидных смол, растворителей, добавок, улучшающих разлив и ускоряющих отверждение (высыхание) модификаторов. Пигментированные полуфабрикатные материалы, кроме того, содержат пигменты и наполнители.
Состав однокомпонентных эпоксидных лакокрасочных материалов: эпоксидные смолы, растворители с добавлением модифицирующих смол, ускорители отверждения и другие добавки, пигменты и наполнители (для эмалей и грунтовок).
Для получения двухкомпонентных материалов пригодны низко- (ММ 600900) и среднемолекулярные (ММ 10002000) эпоксидные смолы с относительно высоким содержанием эпоксидных групп.
Эпоксидные смолы способны взаимодействовать на холоду с аминами, полиамидами, изоцианатами, а при нагревании – с соединениями, содержащими карбоксильные, алкоксильные, гидроксильные группы, с образованием сетчатой структуры в полимере, что приводит к отверждению покрытий.
Эпоксидные покрытия обладают высокой адгезией и эластичностью. Это объясняется наличием в макромолекулах смолы сильно полярных вторичных гидроксильных групп, редко расположенных вдоль цепи. Из-за отсутствия сложноэфирных связей они обладают высокой водо- и химической стойкостью покрытий (особенно к щелочам).
Для получения однокомпонентных эпоксидных материалов горячего отверждения используются высокомолекулярные эпоксидные смолы (ММ 25005000), с повышенным содержанием гидроксильных групп (более 5%), низким содержанием эпоксидных групп (менее 3%), с высокой температурой плавления (выше 150 С). Отверждение этих материалов обусловлено взаимодействием гидроксильных и эпоксидных групп смолы с реакционноспособными группами модифицирующих олигомеров при 140200 С. При этом формируется полимерное покрытие сетчатой структуры.
Растворители. Эпоксидные смолы хорошо растворяются в кетонах, ацетатах, эфирах гликолей, спиртах, хлорсодержащих растворителях. В ароматических углеводородах (толуол, ксилол) растворяются только низкомолекулярные жидкие смолы. В алифатических углеводородах (уайт-спирит, бензин) эпоксидные смолы не растворяются. Модификаторы для эпоксидных лакокрасочных систем, отверждаемых на холоду, – это битумные смолы, тиоколы, дивинилацетиленовые смолы.
Отвердители (на холоду): гексаметилендиамин (50%-ный спиртовой раствор) – отвердитель № 1, диэтилентриамин, полиэтиленполиамин, растворы низкомолекулярных полиамидов, изоцианаты. Жизнеспособность лакокрасочных материалов после введения отвердителей составляет 124 часа:
для полиаминов 48 ч,
для полиамидов 872 ч,
для изоцианатов 16 ч.
Модифицирующие смолы для получения однокомпонентных эпоксидных материалов горячего отверждения – это феноло-, меламино-, карбамидоформальдегидные олигомеры, содержащие гидроксильные, алкоксильные и другие группы, которые могут взаимодействовать с реакционноспособными группами эпоксидной смолы.
Пигменты – это двуокись титана, окись хрома, железоокисные пигменты, технический углерод. В грунтовках применяют хроматы стронция, железоокисные пигменты, цинковую пыль.
Наполнители – тальк, барий, асбестовая мука. На 1 мас. ч. эпоксидной смолы (считая на 100%-ный продукт) вводят 0,71 мас.ч. пигментов и наполнителей.
2.6. Эпоксиэфирные лакокрасочные материалы
Эпоксиэфиры являются пленкообразователями для получения однокомпонентных лакокрасочных материалов холодной и горячей сушки.
Материалы холодной сушки получают с использованием эпоксиэфиров, модифицированных стиролом, ненасыщенными жирными кислотами растительных масел, нитратом целлюлозы. Горячей сушки – на основе эпоксиэфиров, модифицированных меламиноформальдегидными смолами.
Для ускорения отверждения используют сиккативы и ускорители, позволяющие отверждать покрытия в течение 1 ч при н.у.
Жидкие эпоксидные лакокрасочные материалы, не содержащие летучих растворителей, – это композиции, в которые входят жидкие низкомолекулярные эпоксидные смолы, нелетучие разбавители – глицидиловые эфиры, отвердители – полиэтиленполиамин, низкомолекулярные полиамиды, имидозолы, пластификаторы, тиксотропные и другие добавки.
Двухкомпонентные жидкие эпоксидные лакокрасочные материалы включают один компонент, содержащий эпоксидную смолу, другой – содержащий отвердитель. Отверждение покрытия при обычных условиях происходит после смешения компонентов в течение 2472 ч. Нагрев до 80 С ускоряет отверждение покрытий до 1,5ч.
Эмали и грунтовки – это суспензии наполнителей и пигментов в жидкой эпоксидной смоле с различными добавками.
Ассортимент лакокрасочных материалов на основе эпоксидных пленкообразователей чрезвычайно многообразен.
2.7. Полиэфирные лакокрасочные материалы
Их получают с использованием насыщенных и ненасыщенных полиэфирных смол линейного строения, синтезируемых при взаимодействии двухатомных спиртов и двухосновных кислот.
На основе насыщенных полиэфирных смол выпускают лаки, эмали, грунтовки холодной сушки, отверждаемые изоцианатами, лаки горячей сушки. С использованием ненасыщенных полиэфирных олигомеров выпускают лакокрасочные материалы парафиносодержащие холодной сушки, лакокрасочные материалы беспарафиновые холодной, горячей и ускоренной сушки.
Лаки на основе насыщенных полиэфиров горячей сушки в процессе пленкообразования формируют покрытия сетчатой структуры:
путем взаимодействия в присутствии катализатора концевых и боковых гидроксильных групп макромолекул при высокой температуре с образованием эфирных связей;
за счет введения в состав лака модифицирующих смол – эпоксидных, алкидных или аминоформальдегидных, реакционные группы которых (гидроксильные, эпоксидные, алкоксильные) способны образовывать эфирные связи с гидроксильными группами насыщенной полиэфирной смолы.
Наиболее широко насыщенные полиэфирные смолы применяются в производстве электроизоляционных лаков. Растворители: смесь трикрезола и сольвента 4/1 соответственно. В качестве катализаторов отверждения используются тетрабутоксититан или триэтоксисилан. В состав ряда электроизоляционных полиэфирных лаков высокотемпературного отверждения входят эпоксидные или алкидные смолы.
Для получения лаков в смесь трикрезола и сольвента (4/1) добавляют, если предусмотрено рецептурой, модифицирующие составы и ускорители сушки, типизируют по вязкости, содержанию нелетучих веществ и тщательно фильтруют на пресс-фильтре. В некоторые марки лаков ускорители отверждения вводят непосредственно перед применением.
Насыщенные полиэфирные лаки преимущественно используют для лакирования электропроводов с целью получения электроизоляционного покрытия с высокой термоэластичностью.
Перспективно применение насыщенных гидроксилсодержащих полиэфиров в пигментированных лакокрасочных материалах с высоким содержанием сухого остатка. В качестве модифицирующей отверждающей смолы используются меламиноформальдегидные смолы.
Лакокрасочные материалы на основе ненасыщенных полиэфиров. Отличительной особенностью этих материалов является то, что в качестве основного растворителя используются ненасыщенные соединения (мономеры), способные сополимеризоваться с ненасыщенной связью полиэфира в процессе пленкообразования с формированием сетчатой структуры полимера.
При отверждении мономеры практически не выделяются, поэтому содержание пленкообразующих веществ в ненасыщенных полиэфирных лакокрасочных материалах очень высоко, достигает 8597%.
Целенаправленное регулирование свойств материалов холодного и горячего отверждения возможно путем варьирования химического строения исходных кислот и гликолей, их состояния, природы мономера-растворителя и инициатора, технологических параметров отверждения.
Образование покрытия возможно под действием энергии УФ-облучения, в присутствии фотоинициаторов (сенсибилизаторов), в процессе радиационно-химического отверждения под действием пучка ускоренных электронов.
Скорость отверждения зависит от способа инициирования. Так, если под действием окислительно-восстановительной системы лаки высыхают в естественных условиях в течение 324 ч, при горячей сушке 0,51,5 ч, то лаки под действием УФ импульсного излучения за 2024 с, а под действием пучка ускоренных электронов в течение 0,33 с.
На основе ненасыщенных полиэфиров получают преимущественно лаки для мебели и других изделий из древесины. Кроме того, изготовляют, но в значительно меньших количествах, пигментированные материалы (эмали, грунтовки, шпатлевки).
В состав лаков входят ненасыщенная полиэфирная смола, растворенная в мономере, ингибитор (стабилизатор), инициатор сополимеризации, ускоритель, всплывающая добавка, тиксотропные добавки, добавки для снижения вязкости, повышения эластичности и др. В состав эмалей, грунтовок и шпатлевок входят пигменты и наполнители.
2.8. Полиуретановые лакокрасочные материалы
Они образуют покрытия с высокой абразивостойкостью, хорошими декоративными свойствами, атмосферо- и влагостойкостью, стойкостью к действию растворителей и различных химических реагентов. Полиуретановые покрытия обладают хорошей адгезией к черным и цветным металлам, дереву, коже, пластмассам, бетону, штукатурке, характеризуются высокими диэлектрическими показателями.
Полиуретановые эмали используют (несмотря на высокую стоимость и сложности при применении) для создания декоративных антикоррозионных покрытий с длительным периодом эксплуатации – окраски железнодорожных вагонов и самолетов, объектов городского транспорта. Для отделки мебели, лакирования полов применяют полиуретановые лаки.
Выпускается широкий ассортимент полиуретановых лаков, эмалей, грунтовок для различных отраслей промышленности, для транспорта, строительства, быта. Образование полиуретановых покрытий происходит при взаимодействии гидроксилсодержащих насыщенных полиэфиров и изоцианатов на холоду, при нагревании, под действием влаги воздуха, в присутствии катализаторов и без них.
Поскольку изоцианаты отличаются высокой химической активностью при взаимодействии с полиэфирами (даже на холоду), их вводят в лакокрасочный материал перед применением. Если же использовать блокированные изоцианаты (форполимеры изоцианатов с полиолами), то они (ЛКМ) однокомпонентны.
Полиуретановые материалы включают также и уралкиды.
Лакокрасочные материалы на основе полиуретановых пленкообразователей подразделяются:
на двухкомпонентные, отверждаемые на холоду и при нагревании;
на однокомпонентные, отверждаемые при нагревании;
на однокомпонентные, отверждаемые под действием влаги воздуха;
на уралкидные холодной сушки;
на водорастворимые уралкидные горячей сушки.
Двухкомпонентные полиуретановые лакокрасочные материалы состоят из полуфабрикатного лака или эмали и изоцианата. Полуфабрикатный лак – это раствор гидроксилсодержащего насыщенного полиэфира (на основе адипиновой, фталевой кислот и многоатомных спиртов – гликолей, глицерина, триметилолпропана и др.) в растворителе (циклогексаноне); он содержит также катализаторы, другие добавки для создания матовости, улучшения разлива и других свойств. Эмаль дополнительно содержит пигменты, не содержащие реакционноспособных (по отношению к изоцианатным) групп. Не используются пигменты, содержащие цинк и свинец. Пигменты контролируются также на минимальное содержание влаги.
Жизнеспособность лакокрасочных материалов зависит от концентрации пленкообразующего вещества, температуры хранения, типа растворителя и после введения в композицию изоцианатных соединений составляет около 24 ч.
Получение двухкомпонентных полиуретановых лаков включает синтез полиэфира, составление на его основе лака и комплектацию с соответствующим изоцианатным соединением. Для получения полуфабрикатного лака к раствору полиэфира добавляют предварительно приготовленные и очищенные растворы фенолформальдегидной смолы, ацетобутирата целлюлозы и катализаторов в циклогексаноне. Затем лак типизируют по вязкости и содержанию нелетучих веществ и очищают. После расфасовки полуфабрикатный лак комплектуется соответствующим полиизоцианатом.
Двухкомпонентные полиуретановые эмали получают диспергированием пигментов в полиэфирном лаке и последующим смешением пигментной пасты с остальными компонентами эмали. Диспергируют пигменты в шаровой или бисерной мельнице, а смешивают компоненты с последующей типизацией в вертикальном смесителе с якорной или рамной мешалкой. После очистки эмаль комплектуют соответствующим полиизоцианатом.
Однокомпонентные полиуретановые лакокрасочные материалы, отверждаемые при нагревании, получают из гидроксилсодержащих насыщенных полиэфиров и блокированных изоцианатов с добавлением фенолформальдегидных смол и винилфлекса.
Однокомпонентные полиуретановые лаки и эмали, отверждаемые влагой воздуха, содержат форполимеры (продукты взаимодействия переэтерификата касторового масла с избытком толуилендиизоцианата), которые после нанесения тонким слоем на подложку взаимодействуют с влагой воздуха и подложки, превращаясь в нерастворимое твердое покрытие, содержащее уретановые и карбамидные группы. При получении эмалей используют специально обработанные пигменты, не содержащие влаги, поскольку она приводит к загустеванию и желатинизации эмали.
Получение однокомпонентных эмалей включает диспергирование на бисерной мельнице пигментов в лаке и последующее составление эмали в смесителе после добавления остального количества лака, пигментной пасты, толуола.
Недостатки этих материалов: низкая эластичность покрытия и сложности при получении пигментированных материалов.
Уралкидные лакокрасочные материалы получают на основе алкидных смол, в которых фталевый ангидрид частично заменен изоцианатом. По технологическим свойствам уралкидные материалы аналогичны алкидным – не чувствительны к влаге, имеют неограниченную жизнеспособность, высыхают в обычных условиях.По сравнению с алкидными, уралкидные покрытия характеризуются более высокими твердостью и химической стойкостью, однако они уступают алкидным покрытиям по атмосферостойкости.
2.9. Кремнийорганические лакокрасочные материалы
В производстве кремнийорганических лакокрасочных материалов пленкообразующим веществом служат разветвленные полиорганосилоксаны, они отличаются высокой термостойкостью и могут эксплуатироваться длительное время при температуре от 200 до 500700 С.
Для получения лакокрасочных материалов используют полиорганосилоксаны с метильными и фенильными заместителями. Они хорошо растворяются в толуоле, ксилоле и их смесях с простыми и сложными эфирами, кетонами, спиртами и хлорированными углеводородами. Полиметилфенилсилоксаны обладают морозостойкостью до 45…60 С, гидрофобностью, негорючестью и высокими электроизоляционными показателями. Покрытия на их основе стойки к действию 210%-ных растворов неорганических кислот, разбавленных растворов щелочей, солей металлов, аммиака, фенолов и др., не подвержены мелению под действием атмосферных факторов, обладают хорошей атмосферо- и влагостойкостью.
Недостатки: повышенная хрупкость покрытий, трудно устраняемая введением пластификаторов (т.к. они летучи при температуре эксплуатации термостойких покрытий), слабая адгезия и недостаточная стойкость к действию минеральных масел и углеводородных растворителей; очень высокая температура сушки лаков и эмалей (около 200 С). Путем модификации кремнийорганических соединений органическими полимерами, например алкидными смолами, возможно улучшить адгезию, увеличить твердость, ускорить процесс отверждения покрытий.
Использование в качестве модификаторов полиакрилатов и эфиров целлюлозы позволяет получать покрытия холодного отверждения повышенной твердости, но снижает их термо- и бензостойкость. Окончательное отверждение таких покрытий с образованием сетчатого полимера происходит в процессе горячей сушки последнего слоя покрытия либо при эксплуатации термостойкого покрытия.
Введение пигментов и наполнителей в кремнийорганические лакокрасочные материалы позволяет повысить термостойкость, твердость и механическую прочность покрытия. Так, введение алюминиевой пудры увеличивает термостойкость покрытия до 450500 С при длительном воздействии температуры и до 700750 С при кратковременном. В состав лаков входит кремнийорганический полимер, модификатор, ускоритель высыхания и растворители. В состав эмалей и грунтовок – также пигменты и наполнители.
Кремнийорганические эмали и грунтовки производят в три стадии: получение раствора модификатора (коллоксилина, этилцеллюлозы и др.), приготовление пигментной пасты и составление эмали или грунтовки с последующей типизацией их и очисткой через ватно-марлевый фильтр или на калиброванном патронном фильтре.
На основе кремнийорганических полимеров выпускают большой ассортимент термо-, атмосферостойких, электроизоляционных лакокрасочных материалов. Эмали на их основе способны продолжительное время защищать от атмосферной коррозии изделия и сооружения из черных и цветных металлов, бетона и дерева.
Широко применяются грунтовки и шпатлевки – суспензии пигментов и наполнителей в кремнийорганических лаках (грунтовка КО-052, шпатлевки КО-001, КО-0035).
2.10. Фуриловые лакокрасочные материалы (лаки и эмали)
Получают на основе фурилоформальдегидной смолы, модифицированной различными добавками других смол. Они образуют покрытия, отверждаемые при высокой температуре (250300 С). Для снижения температуры отверждения используют кислотные катализаторы: H3PO4 (2%), контакт Петрова (23%).Фуриловые лаковые покрытия стойки к действию высоких температур, бензина, кислот и щелочей. Они выдерживают воздействие 85%-ного раствора серной кислоты в течение 3 лет при 40 С.
2.11. Циклогексанонформальдегидные лаки
Представляют собой спиртовые растворы циклогексанонформальдегидной смолы с добавлением других смол или эфиров целлюлозы для повышения физико-механических свойств покрытий. На основе таких композиций выпускают две марки лаков (ЦГ-595, ЦГ-5131) для лакирования печатной продукции на бумаге.
Глава 3. Лакокрасочные материалы на основе
полимеризационных смол
Доля лакокрасочных материалов на основе полимеризационных смол в общем объеме выпуска лакокрасочной продукции составляет около 4%. По большей части это материалы, содержащие полимеры и сополимеры винилхлорида, поливинилацеталей, полимеров и сополимеров акриловых соединений, хлоркаучука, фторопластов, хлорсульфированного полиэтилена.
3.1. Перхлорвиниловые лакокрасочные материалы
В состав перхлорвиниловых лаков, эмалей, грунтовок и шпатлевок входят перхлорвиниловые смолы, вводимые в виде 1025%-ных растворов, модификаторы, пластификаторы, пигменты и различные добавки.
Лаки получают путем растворения перхлорвиниловой смолы, модификаторов и пластификаторов, типизации лака, его очистки и расфасовки. Получение эмалей и грунтовок включает приготовление лаковой основы, подготовку пигментной пасты, составление эмали и грунтовки, их типизацию, очистку и расфасовку (рис. 3.1).
При получении эмалей и грунтовок с применением бисерной и шаровой мельниц в диссольвер 5 с быстроходной мешалкой загружают растворители через объемные счетчики, затем растворы смол (алкидных и др.) и пластификаторы через мерники 9, установленные на весах, и пигменты. Замес пигментов из диссольвера 5 насосом 10 подают в нижнюю часть корпуса бисерной мельницы 7. После достижения требуемой степени дисперсности и вязкости пигментную пасту насосом 10 непрерывно перекачивают из приемного бачка бисерной мельницы 7 в смеситель 4 для составления эмали или грунтовки, типизации и последующей расфасовки готового продукта в тару.
При получении эмалей и грунтовок с применением шаровой мельницы в шаровую мельницу 6 загружают раствор смолы, пигменты, наполнители, растворитель (ксилол или толуол) и выдерживают около 30 мин для насыщения воздушного пространства парами растворителей перед пуском шаровой мельницы. Предусматривается блокировка электродвигателя шаровой мельницы с люком и ограждением. После достижения требуемой степени дисперсности пигментную пасту самотеком или с помощью насоса 10 подают в мерник 9, установленный на весы, или в смеситель 4 для составления эмали или грунтовки, ее типизации, очистки и расфасовки в тару.

Рис. 3.1. Схема производства перхлорвиниловых эмалей и грунтовок с использованием паст СВП или с изготовлением пигментных паст
в бисерной или шаровой мельнице:
1 замесочная машина; 2 краскотерочная машина для получения подколеровочных паст; 3 дежа; 4 смеситель; 5 диссольвер;
6 мельница; 7 бисерная мельница; 8 промежуточная емкость;
9 мерник; 10 шестеренчатый насос; 11 фильтр
На некоторых производствах компоненты предварительно соединяют в вертикальном смесителе и затем перекачивают полученный замес в шаровую мельницу. Это позволяет сократить время на загрузку компонентов и несколько уменьшить длительность диспергирования за счет лучшего распределения компонентов между шарами и уменьшения образования «мертвых» пространств для сухих пигментов.
На рис. 3.2 представлена аппаратурно-технологическая схема производства перхлорвиниловых эмалей и грунтовок с изготовлением пигментных паст на краскотерочной машине. Замес пигментов с пластификаторами готовят в передвижных дежах 3 с помощью вертикальных планетарных мешалок. Из передвижных деж замес поступает на краскотерочную машину 2 на перетир. После достижения требуемой степени дисперсности по клину пигментную пасту собирают в дежи. Готовят как однопигментные, так и составные пигментные пасты требуемого колера. Из дежи пасты загружают в смеситель 5, туда же загружают пластификаторы из мерника 7, установленного на весы, и добавляют около 7% толуола для получения требуемой консистенции. В смесителе 6 производят подколеровку пигментной пасты однопигментными пастами. Готовый полуфабрикат пигментную пасту насосом 9 перекачивают в мерник 7, установленный на весы, из которого пасту загружают в смеситель 4.

Рис. 3.2. Схема производства перхлорвиниловых эмалей и грунтовок с изготовлением пигментных паст на краскотерочной машине:
1 замесочная машина; 2 краскотерочная машина; 3 дежа;
4 смеситель для эмали; 5 промежуточная емкость для основы; 6 смеситель для пигментной пасты; 7 мерник; 8 – фильтр;
9 шестеренчатый насос
Лаковую основу насосом перекачивают в мерник, установленный на весы, из которого затем ее сливают в смеситель 4. Туда же загружают второй полуфабрикат пигментную пасту, полученную на бисерной или шаровой мельнице или на краскотерочной машине, а затем оставшийся раствор смолы и недостающие пластификаторы и добавки.
После перемешивания в течение 2 ч и проверки качества продукт сливают в тару или подвергают типизации в смесителе 4. В процессе типизации регулируют вязкость эмали или грунтовки путем добавления смеси растворителей или компонентов нелетучей части и проводят подколеровку цвета эмали однопигментными пастами. Очистку эмали и грунтовки производят на фильтрах или на центрифугах.
Получение шпатлевок: диспергирование пигментов в растворе пластификаторов в органических растворителях; совмещение перхлорвиниловой смолы с дисперсией пигментов и одновременное диспергирование наполнителей; типизация шпатлевки и слив в тару.
Ассортимент перхлорвиниловых материалов широк. Это различные марки атмосферо-, водостойких, химически стойких, огнезащитных, необрастающих и других эмалей, лаков, грунтовок. Они высыхают при комнатной температуре в течение 13 ч, образуя ровные полуглянцевые покрытия. Но оптимальная твердость покрытия достигается через 57 суток. Допускается сушка перхлорвиниловых покрытий при температуре до 6080 С, но не выше (время высыхания 1ч). При температуре сушки выше 80 С покрытие желтеет, темнеет и теряет эластичность. Перхлорвиниловые лакокрасочные материалы используют для окраски изделий и конструкций из металла и древесины, а также сооружений из бетона. При окраске металлических поверхностей эмали наносят по грунтовкам на основе глифталевых, пентафталевых, алкиднофенольных смол и смол на основе винилхлорида.
Быстрота формирования покрытий (13 ч при 1822 С) обеспечивает их применение для окраски крупногабаритных машин и изделий, не требующих высокодекоративной отделки (дорожно-строительные механизмы, сельскохозяйственные машины, железнодорожные вагоны, цистерны, станки и др.), различных металлических сооружений (мостов, виадуков, ферм и др.) и оборудования.
3.1.1. Лакокрасочные материалы на основе
сополимеров винилхлорида
Лакокрасочные материалы этой группы характеризуются улучшенной адгезией и повышенной свето- и термостойкостью. Чаще всего используют сополимеры винилхлорида с винилацетатом, в том числе и частично омыленным, сополимера винилхлорида с винилацетатом и малеиновой кислотой, сополимеры винилхлорида с винилиденхлоридом.
Лакокрасочные материалы на основе сополимеров винилхлорида образуют покрытия, высыхающие при 1822 С за 12,5ч. По водо-, бензо-, масло- и химической стойкости и негорючести покрытия аналогичны перхлорвиниловым.
Недостатки: невысокий глянец, способность размягчаться при температуре выше 80 С. Это увеличивает загрязняемость окрашенной поверхности.
Сополимеровинилхлоридные лакокрасочные материалы применяют для получения атмосферо-, водо-, химически стойких покрытий, а также токопроводящих, маркировочных и др.
3.2. Лакокрасочные материалы на основе
полиакрилатов
К лакокрасочным материалам на основе полиакрилатов относятся материалы:
холодной сушки на основе темопластичных полимеров;
горячей сушки на основе термореактивных полимеров;
водорастворимые горячей сушки;
водоэмульсионные холодной сушки.
Материалы первой группы образуют покрытия при комнатной температуре в течение 13 ч в процессе улетучивания органических растворителей. Пленкообразователи – сополимеры бутилметакрилата и метакриловой кислоты, бутилметакрилата и амида метакриловой кислоты, тройной сополимер бутилметакрилата, амида метакриловой кислоты и нитрила акриловой кислоты и др. Пластификаторы – фталаты и фосфаты. Модифицирующие добавки – нитрат и ацетобутират целлюлозы, фенолформальдегидные смолы и др. В пигментированные материалы вводят неорганические и органические пигменты.
Данные лакокрасочные материалы применяют для окраски крупногабаритных изделий из алюминия и его сплавов, изделий из стеклопластиков и пластика АВС, а также других изделий целевого назначения (флуоресцентные, токопроводящие, светоотражающие, дорожные знаки и др.).
Материалы горячей сушки на основе термореактивных полимеров образуют покрытия при 125180 С в течение 1530 мин. Термореактивные акриловые олигомеры – это сополимеры трех и более мономеров, содержащие реакционноспособные группы: гидроксильные, метилольные, карбоксильные и другие, способные при повышенной температуре взаимодействовать друг с другом или с группами отвердителя (меламиноформальдегидные, алкидные, эпоксидные, полиуретановые и другие смолы).
В состав полиакрилатных лаков и эмалей горячей сушки входят отвердители и растворители, эмалей – пигменты, иногда ускорители высыхания (п-толуолсульфокислота).
Материалы этой группы используют для окраски электробытовой и бытовой техники, строительных конструкций из алюминиевых сплавов, рулонного металла, консервной тары и др.
3.3. Лакокрасочные материалы на основе
поливинилацеталей
В производстве лакокрасочных материалов поливинилацетального типа в качестве пленкообразователей используют поливинилбутираль (бутвар), поливинилформальэтилаль (винифлекс) и поливинилформаль (формвар).
Среди перечисленных веществ поливинилбутираль имеет более широкое применение (около 70% от общего выпуска таких материалов). Его синтезируют путем взаимодействия поливинилового спирта с масляным альдегидом. Технический поливинилбутираль – разнозвенный полимер. В состав его макромолекулы входит 6578% мас. винилбутиральных звеньев, 3219% мас. звеньев поливинилового спирта и около 3% мас. винилацетатных звеньев. Он хорошо совмещается с различными другими полимерами и пластификаторами. Растворим в спиртах, кетонах, сложных эфирах, хлорированных углеводородах, в смесях спирта с толуолом и ксилолом; не растворим в бензине, керосине, жирах.
В состав поливинилбутиральных лаков кроме основного полимера входят различные поликонденсационные смолы (феноло-, крезолоформальдегидные, алкидные резольного типа, карбамидные), пластификаторы (фталаты, фосфаты, касторовое масло) и растворители (смеси спиртов, кетонов и ацетатов с добавлением толуола или ксилола). В эмали и грунтовки входят также неорганические пигменты (железооксидные, цинковый крон, фосфат хрома, двуокись титана и др.), алюминиевая пудра и наполнители. Введение ускорителей высыхания (фосфорной или борной кислот) позволяет получать материалы холодной сушки.
Технологический процесс получения лака: растворение смолы, составление лака, типизация, очистка и расфасовка.
При получении пигментированных материалов включаются дополнительные стадии: приготовление пигментных паст, составление эмалей и грунтовок и типизация их с последующей очисткой и расфасовкой. Пигментную пасту готовят диспергированием пигментов и наполнителей в растворе смолы в шаровой или бисерной мельнице до получения заданной степени дисперсности. Составление и типизацию эмалей и грунтовок проводят в одном смесителе. На основе поливинилацеталей получают в основном материалы горячей сушки (60180 С), с использованием кислотного катализатора – холодной сушки (1822 С).
Покрытия на основе поливинилбутираля обладают хорошей адгезией к черным и цветным металлам, устойчивостью к действию бензина, керосина, минеральных масел, воды, пара и повышенных температур (9095 С). Поливинилбутиральные лаки и эмали используют при окраске изделий из алюминиевых и магниевых сплавов, из стали и пластмасс, при окраске бензохранилищ и других объектов.
Фосфатирующие поливинилбутиральные грунтовки холодной сушки, в отличие от других, одновременно с антикоррозионным грунтовочным слоем создают фосфатный слой на окрашиваемой поверхности. У них хорошая адгезия как к металлам, так и к поверхностным слоям эмалевых покрытий. Фосфатирующие грунтовки наносят на черные металлы, алюминий и его сплавы, титан, медь, магний, цинк.
Поливинилформальные и винифлексовые лаки используют для эмалирования и создания изоляционного слоя на проводах с образованием покрытий с высокими электроизоляционными и механическими свойствами, достаточной эластичностью, водо- и теплостойкостью.
3.4. Эмали на основе хлоркаучука
Хлоркаучук, являясь пленкообразующим веществом, хорошо растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, ацетатах, кетонах, в смесях этих растворителей с ацетоном. Растворы хлоркаучука совмещаются с алкидными, фенолформальдегидными, акриловыми смолами, канифолью, ее эфирами, кумароноинденовыми смолами. Наиболее часто хлоркаучук совмещают с высыхающими алкидными смолами жирными и средней жирности.
На основе хлоркаучука получают различные лакокрасочные материалы (эмали, грунтовки, шпатлевки) холодной сушки. Они формируют покрытия с хорошей адгезией высокой атмосферо-, огне-, бензо-, масло- и химической стойкостью и хорошими электроизоляционными характеристиками. Эмали образуют покрытия с хорошим блеском и твердостью.
Недостатком хлоркаучуковых покрытий является их слабая светостойкость. Промышленные марки атмосферостойких эмалей дополнительно к основному пленкообразующему веществу содержат алкидную, алкидноакриловую смолу или полиакрилаты, а также пластификаторы (фталаты) до 0,6 мас. ч. на 1 мас. ч. хлоркаучука. В состав химически стойких и водостойких эмалей и грунтовок вместо фталатов входят хлорпарафины. Стабилизирующими добавками являются эпоксидированные масла, низкомолекулярные эпоксидные смолы, мел и другие акцепторы HCl (выделяется при нагревании).
Эмали и грунтовки содержат от 0,8 до 1,4 мас. ч. пигментов и наполнителей. Для получения химически стойких эмалей и грунтовок применяются наиболее инертные пигменты (двуокись титана, окись хрома, технический углерод и др.). Технологический процесс получения хлоркаучуковых эмалей и грунтовок: растворение хлоркаучука, приготовление пигментной пасты, составление эмали или грунтовки, их типизация, очистка и расфасовка.
Лаки на основе хлоркаучука не выпускают из-за недостаточной светостойкости покрытий на их основе.
Высыхание материалов на основе хлоркаучука происходит за 14 ч при 1822 С. Можно применять и горячую сушку, но не выше 4060 С (2030 мин), поскольку хлоркаучуковые покрытия обладают низкой термостойкостью.
Хлоркаучуковые эмали применяют для антикоррозионной защиты металлических деталей машин, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред, для окраски морских судов и портовых сооружений. Их можно использовать для нанесения по бетонным, кирпичным, асбоцементным поверхностям, а также по дереву.
3.5. Лакокрасочные материалы на основе эфиров
целлюлозы
Для получения эфироцеллюлозных лакокрасочных материалов используют сложные (нитраты, ацетаты, ацетобутираты) и простые (этилцеллюлоза, бензилцеллюлоза) эфиры целлюлозы. Наиболее широкое применение находит нитрат целлюлозы (коллоксилин). Ацетилцеллюлоза и ацетобутират целлюлозы применяются ограниченно. Среди простых эфиров целлюлозы практическое применение имеет этилцеллюлоза.
Лаки и эмали на основе эфиров целлюлозы (нитролаки, нитроэмали), высыхающие при нормальных условиях в течение 11,5 ч, позволяют формировать покрытия с хорошими защитными и декоративными характеристиками, применяются в различных отраслях промышленности, в строительстве, на транспорте и в быту.
Эфироцеллюлозные лаки представляют собой растворы соответствующих эфиров целлюлозы в смеси органических растворителей с добавлением пластификаторов, синтетических и природных смол. Эмали, грунтовки и шпатлевки – это суспензии пигментов и наполнителей в эфироцеллюлозных лаках.
Нитрат целлюлозы применяют в лакокрасочной промышленности с 1882 г., но до 1918 г. получали только два лака на его основе:
для покрытий по металлу (цапонлак);
для покрытий тканей в самолетостроении (аэролак).
После первой мировой войны возникла проблема утилизации огромных запасов нитроцеллюлозных порохов, которая была успешно решена путем их использования в качестве сырьевых источников при производстве нитролаков и нитроэмалей в промышленном масштабе.
Нитрат целлюлозы разлагается под действием УФ-излучения и тепла, что является причиной более низких атмосферостойкости, защитных и антикоррозионных свойств лакокрасочных материалов на его основе по сравнению с синтетическими.
На основе этил- и ацетилцеллюлозы формируют покрытия, более устойчивые к действию тепла и УФ-лучей, но с пониженной водостойкостью и адгезионной прочностью к металлическим поверхностям, причем эти пленкообразователи плохо совмещаются с другими пленкообразователями и пластификаторами.
Ацетобутиратцеллюлозные материалы превосходят по свойствам ацетилцеллюлозные, но уступают нитроцеллюлозным по твердости и прочности покрытий. Этилцеллюлозные – обладают высокими эластичностью и прочностью, хорошими диэлектрическими свойствами, однако при сравнительно невысоких температурах размягчаются.
Нитроцеллюлозные лакокрасочные материалы получают на основе нитрата целлюлозы (коллоксилина), содержащего 11,8912,26% азота (средняя степень замещения 2,232,35). При более высоком содержании азота уменьшается растворимость коллоксилина в органических растворителях. Более низкое содержание азота (10,7 % мас.) обеспечивает полное растворение полимера в этаноле, но показатели защитных, физико-механических и других свойств покрытий на его основе существенно ухудшаются.
Лаковый коллоксилин растворим в сложных эфирах уксусной кислоты, кетонах, эфирогликолях (целлозольвах), формальгликоле, диацетоновом спирте. На его основе производят широкий ассортимент лаков, эмалей, грунтовок и шпатлевок. Несмотря на некоторое снижение выпуска нитроцеллюлозных лакокрасочных материалов в последние годы, их роль в народном хозяйстве значительна: они широко применяются для ремонтных работ и для формирования покрытий, эксплуатируемых внутри помещений. Перспективно направление создания новых лакокрасочных материалов путем модификации нитратцеллюлозных пленкообразующих полимеров.
Нитролаки – это коллоидные растворы лакового коллоксилина необходимой вязкости в смеси растворителей и разбавителей с добавлением или без добавления смол и пластификаторов. Для получения цветных лаков в композиции дополнительно вводят органические красители, растворимые в спирте и в ацетоне.
Состав. Для изготовления нитролаков используют различные марки лакового коллоксилина – от низковязкого ПСВ до высоковязкого ВВ получаемого на основе хлопка или древесной целлюлозы. Дополнительно вводят на 1 мас. ч. сухого коллоксилина 0,72 мас. ч. растворов вязких алкидных смол (высыхающих и невысыхающих), и твердые смолы (эфиры канифоли, циклогексанонформальдегидная смола) – от 0,1 до 1 мас. ч. Желатинизирующие пластификаторы – фталаты (дибутилфталат, диоктилфталат), себацинаты, фосфаты (трикрезилфосфат) – 0,70,8мас.ч. Нежелатинизирующие пластификаторы – касторовое масло, хлорпарафин, совол, кастероль – до 2 мас. ч. (высокоэластичные лаки).Растворители: сложные эфиры уксусной кислоты (ацетаты) бутил-, изобутил-, амилацетат; кетоны (метилизобутилкетон, циклогексанон); простые моноэфиры гликолей (этилцеллозольв, бутилцеллозольв); диоксаны (диметилдиоксан). Могут применяться также нитропарафины и метилентетрагидропирен. Активные низкокипящие растворители – этилацетат, пропилацетат, кетоны, формальгликоль.
Неактивные растворители – этиловый, пропиловый, изопропиловый, бутиловый, изобутиловый спирты.
В состав кабельных нитролаков в качестве скрытого растворителя входит дихлорэтан.
Разбавители нитролаков – толуол и ксилол.
Получение. Процесс изготовления нитролаков (рис. 3.3) периодический и состоит из следующих стадий: растворение коллоксилина и твердых смол в органических растворителях и смешение с растворами смол и пластификаторами; типизация лака по вязкости, содержанию нелетучих веществ и другим показателям, очистка нитролака и его расфасовка. Для получения черных и цветных нитролаков необходимы дополнительные операции – растворение органических красителей (нигрозина, родамина и др.) в органическом растворителе и смешение красителя с лаковой основой цветного нитролака.
Растворители из цистерн с помощью насосов 3 загружают через объемные счетчики в смесители 5. Пластификаторы подают в мерники 1, установленные на весах. Растворы смол перекачивают в промежуточные емкости 2, а затем насосом в мерники 1. Из мерников пластификаторы и растворы смол перекачивают насосами или направляют самотеком в смесители 5. Коллоксилин предварительно разрыхляют в отдельном помещении, удаленном от основного цеха, и расфасовывают в герметически закрывающиеся прорезиненные мешки или алюминиевые бачки. Из них коллоксилин загружают в смеситель 5 через алюминиевую сетку, вставленную в люк смесителя. Сетка изготовляется из полосового алюминия шириной 23 см с сечением 66 см.
Растворение коллоксилина, твердых смол и смешение с пластификаторами и растворами смол производят в стальном вертикальном смесителе 5 емкостью 39 м3. Густые нитролаки лучше изготовлять в горизонтальном смесителе, так называемом малаксере 4. Для обеспечения быстрого растворения и получения однородного раствора коллоксилина и смол загрузку компонентов лака ведут в следующей последовательности: разбавители и спирты; твердая смола (перемешивание и растворение смолы в течение 3040 мин); коллоксилин (перемешивание и набухание 3040 мин), активные растворители (растворение 24 ч); растворы смол и пластификаторы (перемешивание 12 ч). При изготовлении густых нитролаков компоненты вводят в приведенной последовательности: разбавители и спирты; твердые смолы; растворы смол; пластификаторы; коллоксилин и активные растворители. Растворение коллоксилина ведут при температуре цеха. В зимнее и холодное время, когда растворители, поступающие в смеситель, имеют очень низкую температуру, содержимое смесителя подогревают до 35 °С горячей водой. Применять водяной пар не рекомендуется из-за возможного частного перегрева и воспламенения. Окончание растворения коллоксилина проверяют по отсутствию «сетки» (полученная на стекле пленка нитролака, подсвеченная темной пигментной пастой, не должна иметь просвечивающихся точек растворенного коллоксилина).

Рис. 3.3. Схема производства нитролаков:
1 мерники на весах, 2 емкости промежуточные; 3 насос шестеренчатый; 4 – малаксер; 5 смеситель с планетарной мешалкой;
6 смеситель с якорной мешалкой; 7 центрифуга типа СГО-100
Типизацию нитролака проводят в том же смесителе. Для снижения вязкости или уменьшения содержания нелетучих веществ вводят органические растворители; для повышения вязкости или содержания нелетучих веществ вводят мелкоразрыхленный оспиртованный коллоксилин соответствующей вязкости.
Нитроцеллюлозные эмали и грунтовки – это суспензии пигментов в нитролаке с введением добавок, улучшающих пленкообразующие свойства, стабильность системы, придающих покрытиям специфические свойства.
Нитроэмали и нитрогрунтовки по составу нелетучей части делятся на нитроцеллюлозные, нитропентафталевые, нитроглифталевые, нитроэпоксидные. Нитрогрунтовки, отличающиеся от нитроэмалей повышенным содержанием пигментов и наполнителей, применяют, главным образом, для грунтования изделий из дерева, древесностружечных и древесноволокнистых плит, для местного грунтования прошлифованных участков металлической поверхности небольшой площади.
3.6. Лакокрасочные материалы на основе битумов
Основу битумных лаков составляет битум – твердое вещество. Он размягчается и плавится при нагревании, растворяется только в органических растворителях. Лаковые битумы – это природные битумы (асфальты и асфальтиты – гильсонит, садкинский, печорский и сирийский асфальтиты), искусственные нефтяные битумы, а также каменноугольные, древесные и другие пеки.
Наиболее применимы в качестве пленкообразователей специальные нефтяные битумы. Их получают окислением ухтинских нефтей или остатков от перегонки этих нефтей.
Битумные лаки различают по химическому составу – масляные и безмасляные. Масляные подразделяют на масляно-битумные и масляно-битумно-смоляные (в качестве смолы применяют глифталевую или канифольную). Безмасляные лаки подразделяют на чисто битумные, состоящие из битума и растворителя, и битумно-смоляные – растворы в органических растворителях смесей битума со смолой (обычно канифолью). Существуют и каменноугольные лаки – это растворы каменноугольного пека и других битумов в органических растворителях.
Получение. Масляно-битумные и масляно-битумно-смоляные лаки получают горячим или холодным способом (рис.3.4). Безмасляные битумные лаки готовят путем нагрева битума или его смеси со смолой при 250260 С в реакторе 1 до получения однородного сплава. После добавления необходимого количества растворителя и размешивания раствор сплава перекачивают в смеситель 2 для типизации, а затем в напорный бак 3 и центрифугу 4. После очистки готовый лак расфасовывают в тару.
-106045952519513559525
92265534925
Рис. 3.4. Схема производства битумных лаков:
а безмасляных; б горячим способом;
в холодным способом:
1 реактор; 2 смеситель; 3 напорный бак;
4 суперцентрифуга; 5 приемный бак; 6 насос;
7 плавитель; 8 мерники на весах;
9 полимеризатор

Свойства. Безмасляные битумные лаки образуют плавкие покрытия, масляные неплавкие и нерастворимые. По содержанию масла эти лаки бывают жирные (коэффициент жирности 24), средние (1,22) и тощие (0,31,0).
Для растворения и разбавления жирных масляно-битумных лаков применяют уайт-спирит, а средних и тощих – смеси уайт-спирита с ксилолом или сольвентом.
Достоинства: водостойкость, высокие диэлектрические показатели, способность к надежной противокоррозионной защите металлических поверхностей.
Недостатки: склонность к желатинизации, загустеванию, образованию сыпи на пленках, недостаточная светостойкость.
Применяют масляные битумные лаки в электротехнической промышленности для защиты узлов и деталей электрических машин, двигателей и аппаратов, в строительстве, для окраски подземных труб и др. Безмасляные используют как быстросохнущие покрытия металлических изделий бытового назначения (скобяные изделия, замки и др.). Они являются хорошими консервационными лаками.
Битумные эмали –суспензии пигментов (чаще технического углерода и реже железной лазури), а также алюминиевой пудры в масляно-битумных лаках.
Пигментированные алюминиевой пудрой битумные лаки выпускаются под названием «краска», а не эмаль. Битумные эмали по свойствам близки к битумным лакам, обладают хорошими диэлектрическими и противокоррозионными свойствами и высокой укрывистостью. Различают битумные эмали электроизоляционные, применяемые в электротехнической промышленности, и эмали покрывные для защиты от коррозии деталей машин и других металлических изделий, шасси и деталей автомобилей и велосипедов (БТ180), для окраски деревянных поверхностей, эксплуатируемых в атмосферных условиях и внутри помещений.
3.7. Лакокрасочные материалы на основе природных смол
В настоящее время из природных смол для изготовления лакокрасочных материалов наиболее широко применяется глицериновый эфир канифоли. Его называют также эфир канифоли или эфир гарпиуса.
Масляно-канифольные лаки и эмали на основе эфира гарпиуса представляют большую часть ассортимента (лаки КФ274, КФ547,КФ965, МА594, эмали КФ248, КФ252 и др.). Некоторые лакокрасочные материалы получают на основе резинатов канифоли. Так, эмаль КФ751, изготовляется на основе цинкового резината канифоли. Существуют масляные лаки, не содержащие смол и представляющие собой растворы полимеризованных высыхающих масел, например, эмаль МА952.
В небольших количествах выпускаются лаки на основе природной янтарной смолы (плавленого янтаря), например, лак ЯН153. Примерные составы лакокрасочных материалов на основе природных смол (янтарной и масляно-канифольной) приведены ниже.
Лак КФ274 раствор глицеринового эфира канифоли (эфира гарпиуса) в смеси тунгового и льняного масел с добавлением сиккатива и растворителя (обычно уайт-спирита). Лак получают, смешивая полуфабрикаты: полуфабрикатный лак ЛУ430, представляющий собой раствор полимеризованного льняного масла в уайт-спирите в соотношении 2/1 и полуфабрикат 7673-раствор эфира гарпиуса в уайт-спирите в соотношении 3/2 с сырыми маслами – тунговым и льняным с последующей очисткой. Перед фильтрацией проводят типизацию лака по цвету, вязкости, содержанию нелетучих веществ, принимая во внимание соответствие внешнего вида пленки лака утвержденному эталону, а также на продолжительность проявления рисунка (не более 25мин.). Общее содержание масла в лаке должно быть не менее 42%.
Лак КФ-274 применяется для декоративной отделки металлических и деревянных поверхностей, предварительно окрашенных алкидными эмалями различных цветов (чаще горячей сушки). Лак можно наносить на поверхность кистью или распылителем. При нанесении краскораспылителем получают слой более равномерный по толщине. В специальной сушильной камере может быть получено покрытие с узором, напоминающим иней. Процесс проявления рисунка около 25мин. При превышении этого времени рисунки - матовые и белесоватые, а при неполном проявлении рисунка-покрытия глянцевые. Покрытие обладает невысокой механической прочностью. Гарантийный срок хранения лака – 3 месяца со дня изготовления.
Лак МА-592 – это раствор смеси полимеризованных масел (тунгового с хлопковым или подсолнечным) и эфира гарпиуса в уайт-спирите с добавлением сиккатива. При изготовлении лаковой основы используют смесь полимеризованных тунгового масла и подсолнечного или хлопкового в соотношении 4/1. Лак МА592 горячей сушки. Его применяют в качестве противокоррозионного покрытия металлических поверхностей. Гарантийный срок хранения лака – 6 месяцев со дня изготовления.
Лак ЯН153 – раствор в уайт-спирите плавленой янтарной смолы, модифицированной растительными маслами с добавкой сиккатива. По внешнему виду – это однородная жидкость темно-коричневого цвета. Лаковую основу получают в реакторе с обогревом путем сплавления следующих компонентов в соотношении 1/1/1 (по массе): плавленого янтаря (янтарной смолы), полуфабриката ЛУ12- полимеризованного льняного масла и полуфабриката ТУ18 полимеризованного тунгового масла. Затем основу растворяют в уайт-спирите, лак типизируют и очищают на центрифуге.
Достоинства: способность образовывать после горячей сушки (180С, 40мин) твердое, эластичное, устойчивое к удару, декоративное глянцевое водостойкое покрытие золотистого цвета.
Основное назначение: покрытие белой консервной жести. Кроме того, лак применяют для изготовления водостойкой шлифовальной шкурки. Лак разбавляют уайт-спиритом. Гарантийный слой хранения лака – 6 месяцев со дня изготовления.
Краска МА-514 – суспензия пигментов в масляно-лаковой основе без органических растворителей. Краски выпускаются в виде однородных тонкотертых паст белого, оранжевого, синего, черного и других цветов. Краски отличаются хорошими печатными свойствами, наносятся на поверхность изделий методом печатания и после высыхания при 135150С в течение 1,5ч образуют оттиски, стойкие в условиях тропического климата. Краски применяются для маркировки конденсаторов, резисторов и других изделий электронной техники. Гарантийный срок хранения – 4 месяца со дня изготовления.
Грунтовка КФ-030 – суспензия пигментов в полуфабрикатном масляно-канифольном лаке. Выпускается двух цветов – желтого и серо-зеленого. Желтую грунтовку изготавливают перемешиванием в смесителе предварительно затертой на краскотерочной машине пасты цинкового крона с лаком, сиккативом и растворителем. После типизации грунтовку фильтруют. Грунтовка должна обладать хорошими малярными свойствами (наноситься кистью), пленки грунтовки должны быть устойчивы к действию покрывных лакокрасочных материалов и воды. Грунтовку КФ030 желтую применяют для грунтования деталей из сталей, алюминиевых и магниевых сплавов, а серо-зеленую – для грунтовки стальных деталей. Наносят грунтовку краскораспылителем или кистью. Разбавляют уайт-спиритом или смесью ксилола с уайт-спиритом в соотношении 1/1. Гарантийный срок хранения – 2 месяца со дня изготовления.
Масляно-канифольные лаки готовят холодным или горячим способом. По горячему методу масло сплавляют со смолой при 200280С. Сплав выдерживают при указанной температуре до достижения необходимой вязкости. При этом полимеризация масла может протекать в процессе сплавления или можно использовать предварительно полимеризованное масло. Согласно холодному способу, заранее приготовленные полуфабрикаты – растворы полимеризованного и оксидированного масел смешивают в определенных соотношениях с эфиром гарпиуса или другой смолы.
Следует отметить, что современная промышленность выпускает около 40 марок лакокрасочных материалов на природных смолах и битумах – битумные лаки и эмали, масляно-канифольные лаки и эмали, янтарные лаки.
3.7.1. Циклокаучуковые эмали
Циклокаучук – твердый хрупкий продукт, хорошо растворяется в ароматических и алифатических углеводородах. Его растворы в уайт-спирите имеют невысокую вязкость. Его синтезируют каталитической изомеризацией синтетического или натурального каучука, чаще изопренового. При этом в молекуле полимера остаются непредельные связи. В этой связи, формирование покрытий происходит как за счет улетучивания растворителей, так и путем присоединения кислорода воздуха с образованием сетчатой структуры пленкообразующего вещества.
Циклокаучук хорошо совмещается с другими смолами (алкидными, фенолформальдегидными и многими другими), а также с пластификаторами.
В состав лакокрасочных материалов на основе циклокаучука входят кроме пленкообразующего пластификаторы, пигменты, наполнители, при необходимости сиккативы. Циклокаучуковые эмали получают по технологии, аналогичной получению материалов на полимеризационных смолах. Циклокаучук обычно поступает на производство в виде 40%-го раствора в уайт-спирите. Пигментную пасту получают в шаровой мельнице, диспергируя пигменты и наполнители в растворе циклокаучука или другой пленкообразующей системы.
Покрытия, получаемые на основе циклокаучука, обладают высокой атмосферостойкостью, хорошей адгезионной прочностью к металлу, пластмассе, бетону, стойкостью к действию разбавленных минеральных (серной, соляной, фосфорной) и органических (уксусной, винной) кислот, щелочей (соде, тринатрийфосфату, растворам аммиака), формальдегида, бензина, мало стойки к концентрированным кислотам. По химической стойкости такие покрытия аналогичны перхлорвиниловым, на основе сополимеров винилхлорида, хлоркаучуковым, но значительно превосходят их по термостойкости, выдерживая воздействие температурного поля до 250С. Эмали, содержащие в качестве пигментов металлические порошки, устойчивы до 300С. Однако относительно высокая стоимость таких материалов ограничивает их выпуск.
В качестве примера, эмаль КЧ728, представляющая собой суспензию двуокиси титана в растворе циклокаучука с добавлением пластификатора формирует покрытия, высыхающие при 1822С до степени 3 в течение 24ч, при 80С – за 1,5ч., при 100С – 1ч. Покрытия выдерживают воздействие 25%-го раствора серной кислоты и щелочи при 1822С в течение 48ч.
Эмаль используется для окраски объектов, эксплуатируемых в агрессивных (кислых, щелочных) средах.
3.8. Фторопластовые лаки и эмали
Для производства таких материалов в качестве пленкообразующего вещества используют фторопласты марок 32ЛВ, 32ЛН, 42Л. Растворители: кетоны при комнатной температуре; сложные эфиры (для фторопласта 32Л, 42Л). Свойства покрытий зависят от температуры сушки. Поскольку фторопластовые покрытия, полученные при 18-22С, обладают низкой адгезией к металлической поверхности, а при 150270С (1ч) – отличаются хорошей адгезией, первый слой фторопластового покрытия лучше всего подвергать горячей сушке.
Характерные свойства фторопластовых покрытий, как холодной, так и горячей сушки их высокая водо-, атмосферо-, термо-, морозо- и химическая стойкость к концентрированным минеральным кислотам, щелочам, маслам, хорошая бензостойкость и электроизоляционные показатели.
Фторопластовые лакокрасочные материалы (лаки и эмали) могут применяться самостоятельно и в композициях с другими грунтовками и эмалями. Например, лаки используют для создания гидрофобного слоя по эмалевым покрытиям на основе полиакрилатных и других смол, а также для повышения свето- и атмосферостойкости покрытий. Адгезию фторопластовых покрытий позволяют улучшить эпоксидные, полиакрилатные, поливинилбутиральные (фосфатирующие) грунтовки.
Покрытия на основе фторпластов выдерживают продолжительное воздействие 98%-х серной и соляной кислот, 45%-го раствора щелочи, фтористоводородной кислоты и морской воды. Лаковые покрытия на основе этих пленкообразователей можно эксплуатировать в широком диапазоне температур от –60 до +150250С, а эмалевые от –60 до +200300С.
3.9. Эмали на основе хлорсульфированного полиэтилена
При воздействии на полиэтилен смесью сернистого ангидрида и хлора, получают химически модифицированный, растворимый в ароматических и хлорированных углеводородах продукт – хлорсульфированный полиэтилен (ХСПЭ).
Молекулярная масса ХСПЭ составляет 2000025000, причем на 78 атомов углерода в нем содержится один атом хлора и одна хлорсульфированная группа, что соответствует содержанию 2634% мас. хлора и 1,32,2% мас. серы в техническом продукте. Эмалевые покрытия на основе ХСПЭ высыхают при 1822С в течение 1ч., отличаясь высокой эластичностью, что предопределяет возможность их нанесения на резины и прорезиненные ткани. Материалы и покрытия из ХСПЭ устойчивы к действию озона и других окислителей, обладают высокой износостойкостью, морозо- и термостойкостью (до 140С). Эмали на основе ХСПЭ благодаря экранирующему действию неорганических пигментов, значительно устойчивее к действию УФ-лучей.
Отверждение покрытий на основе ХСПЭ при холодной сушке происходит в течение 37 суток, а при 100120С в течение часа, причем свойства покрытий горячей сушки значительно лучше.
При хранении эмалей в их состав вводят незначительное количество бутилового спирта (около 5%) для повышения стабильности.
Промышленное применение имеет эмаль ЭТ147 различных цветов. Она представляет собой суспензию пигментов в хлорсульфированном полиэтилене, растворенном в толуоле.
Эта эмаль используется для защиты неметаллических поверхностей и прорезиненных тканей от атмосферных воздействий, а также для маркировки резиновых кабелей. В целях повышения атмосферостойкости и гидрофобности покрытий на основе эмали ЭТ147 их перекрывают слоем фторопластового лака ФП112.
3.10. Пластизоли и органозоли (поливинилхлоридныелакокрасочные материалы)
Использование поливинилхлорида в качестве пленкообразующего вещества затруднено его плохой растворимостью и низкой адгезионной прочностью к металлическим поверхностям, неудовлетворительной термо-, свето- и морозостойкостью. Однако его положительные качества – хорошая водостойкость, стойкость к действию растворов кислот и щелочей, минеральных масел, негорючесть, дешевизна и доступность обеспечивают его применимость в виде дисперсий в органических пластификаторах и растворителях (органозоли и пластизоли).
Пластизоли – дисперсии поливинилхлорида, пигментов и наполнителей в пластификаторах с добавлением модификаторов и стабилизаторов, а органозоли – это дисперсии поливинилхлорида и наполнителей в растворе пластификаторов в летучих разбавителях и диспергаторов с добавлением модификаторов и стабилизаторов. Для диспергирования в пластификаторах используют эмульсионный и суспензионный поливинилхлорид с константой Фикентгера 6080, с кажущейся плотностью 450650г/м3 и размером частиц 0,21,5мкм.
3.10.1. Состав пластизолей и органозолей
Пластификаторы – желатинизирующие (фталаты, их смеси с трикрезилфосфатом) и ограниченно совместимые (адипинаты, себацинаты, 40%-е хлорпарафины, эпоксидированные масла и др.) – пластификаторы не желатинизирующие поливинилхлорид даже при нагревании. Желатинизирующие пластификаторы позволяют снизить вязкость дисперсий и повысить их стабильность при хранении.
Нежелатинизирующие же (эфиры жирных кислот, эфиры высших спиртов С7С10 , ненасыщенных дикарбоновых кислот С4С64 и др.) снижает вязкость дисперсии, повышает твердость, улучшает механические свойства, стойкость к царапанью, а некоторые из них уменьшают способность к накоплению статического электричества.
Пигменты и наполнители в органодисперсии вводят до 12%, поскольку превышение этого количества резко увеличивает вязкость дисперсии, снижает физико-механические и защитные свойства покрытий.
В качестве модификаторов используют эпоксидные, глифталевые, феноломеламиноформальдегидные и другие смолы в количестве до 10мас. ч. на 100мас.ч. Если увеличить их содержание, то снижается прочность покрытий и увеличивается вязкость дисперсии. Модификаторы усиливают адгезионную прочность покрытий к подложкам.
Стабилизаторами в таких композициях являются соли металлов неорганических кислот, оксиды металлов, фенолы и их производные, фосфорорганические соединения и др., повышающие устойчивость покрытий к нагреванию и УФ-воздействию.
Летучие разбавители (бензины, уайт-спирит, спирты, а также их смеси с толуолом и ксилолом) регулируют процесс пленкообразования органозолей
Летучие диспергаторы вводят в органозоли для ускорения набухания поливинилхлорида. Они способствуют слипанию (коалесценции) частиц полимера, агрегативной устойчивости системы. В качестве летучих диспергаторов используют высококипящие кетоны – диизобутилкетон, метилизобутилкетон, циклогексанон, гликолевые и другие эфиры. Чем активнее разбавитель, тем меньше необходимо вводить летучего диспергатора в состав композиции.
3.10.2. Получение пластизолей и органозолей
Пластизоли из-за высокой вязкости получают в одну стадию перемешиванием компонентов в смесителях горизонтального или вертикального типа. Емкость горизонтальных смесителей 0,21м3, они оборудованы двумя Z-образными мешалками и устройством для опрокидывания корпуса на 90 для выгрузки пластизоля.
Емкость вертикальных смесителей 0,20,4м3,они оборудованы подъемной планетарной мешалкой.
При получении пигментированных пластизолей пигменты диспергируют в пластификаторах на краскотерочных трехвалковых машинах и затем смешивают с органодисперсией в смесителе.
Органозоли получают в три стадии: получение дисперсии поливинилхлорида в растворе пластификаторов; диспергирование пигментов и наполнителей в пластификаторах; смешение пасты пигментов с дисперсией поливинилхлорида.
Получение органодисперсий полимера в растворе пластификаторов в летучих разбавителях осуществляется в шаровой мельнице 4872ч. Пигменты и наполнители в пластификаторах диспергируют на краскотерочных машинах, в шаровых или бисерных мельницах. Органозоли изготавливают смешением органодисперсии с пигментной пастой и типизацией в смесителе.
3.11. Масляные и алкидные краски
Масляные краски – это суспензии алкидов или их смесей с наполнителями в масляных алкидах, а алкидные краски – в алкидных олифах (глифталевых и пентафталевых). Из олиф, входящих в состав масляных красок наибольшее применение в качестве пленкообразующих находят комбинированные олифы и олифы оксоль, несколько реже используют натуральные, олифа К–СКДП, нефтеполимерные и др.

Рис. 3.5. Схема производства масляных красок густотертых
и готовых к применению:
1 замесочная машина; 2 дежа; 3 краскотерочная машина;
4 смеситель; 5 – насос; 6 фильтр
В состав масляных красок входят: неорганические (белила цинковые, литопон, двуокись титана, кроны свинцовые, лазурь железная, ультрамарин, железо – окисные мумия, сурик железный и др.) и органические (фталоцианиновые и азопигменты) пигменты, наполнители (барит, тальк, мел), сиккативы и добавки (лецитин, поверхностно-активные вещества).Масляные и алкидные краски производятся в густотертом и готовом к применению виде (рис. 3.5). Процесс получения густотертых красок включает следующие стадии: приготовление замеса; перетир (диспергирование) замеса на краскотерочной машине; съем тертой краски с фартука краскотерочной машины и расфасовка. Поступающие в замесочную машину 1 олифа, пигмент и наполнитель после перемешивания образует замес, который выгружают в дежу 2 и подвозят на тележке к краскотерочной машине 3, из которой после перетира густотертая краска расфасовывается в тару.
Пастообразные густотертые краски содержат минимальное количество олифы, которое соответствует критической объемной концентрации пигментов, и обеспечивает полное смачивание всех частиц пигмента и образование комка.
Готовые к применению краски (жидкотертые) содержат большое количество олифы, соответствующее маслоемкости второго рода, чтобы создать консистенцию, позволяющую наносить краски кистью на окрашиваемую поверхность.
По назначению краски подразделяют на две группы: для наружных и внутренних работ. Причем краски для наружных работ пригодны также и для внутренних.По цвету краски подразделяют на белила (белого цвета), цветные и черные.
При обозначении масляных и алкидных красок, состоящих из одного пигмента (белого или земляного) в начале названия указывают наименование пигмента, а в остальных случаях употребляется слово «краска». Для обозначения марок густотертых и готовых к применению красок приняты одинаковые буквенные и цифровые индексы только с той разницей, что для густотертых красок впереди цифрового индекса помещают цифру «0». Буквенные индексы МА, ГФ, ПФ – означают соответственно масляные, глифталевые и пентафталевые; цифра 1 – краска для наружных работ; 2 – краска для внутренних работ; последняя цифра обозначения указывает вид олифы, на которой затерта краска.
Буква «н» в конце цифрового индекса указывает, что краска содержит наполнитель. Для цветных красок в конце указывают цвет краски, например, МА–11 желтая: краска масляная, готовая к применению, для наружных работ на натуральной олифе желтого цвета.
Масляные краски выпускаются в значительно большем объеме, чем алкидные.
3.12. Порошковые краски
Порошковые краски содержат кроме пленкообразующих веществ (полимеры, олигомеры) пигменты, наполнители, поверхностно-активные вещества, отвердители, пластификаторы, стабилизаторы и другие добавки. После нанесения порошковых красок на поверхность аэродисперсным методом, охлаждение и отверждение формируются твердые, непрозрачные покрытия.
Порошковые краски имеют существенные преимущества перед другими видами лакокрасочных материалов:
улучшения условий труда;
снижение огнеопасности при их производстве и применении из-за отсутствия горячих и токсичных растворителей;
возможность использования в качестве пленкообразователей нерастворимых полимеров;
полное отсутствие производственных выбросов;
более простая и менее трудоемкая технология их получения (исключение из технологии операций растворения, перетира, фильтрации и др.);
меньшая затрата производственных площадей, энергии, оборудования и рабочей силы при получении и использовании порошковых красок;
стабильность красок при хранении и транспортировании.
Порошковые краски подразделяют по типу пленкообразующего вещества на:
термопластичные;
термореактивные.
Обозначения порошковыми краскам присвоены по входящему в их состав основному компоненту – пленкообразователю (полимеру, олигомеру, реже – мономеру).
Краски на основе термопластичных пленкообразователей: поливинилбутиральные, поливинилхлоридные, полиамидные, фторопластовые, пентапластовые, полиолифиновые (полиэтиленовые и др.) и эфирцеллюлозные (этилцеллюлозные и ацетобутиратцеллюлозные). Краски термореактивные получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиакрилатных, полиуретановых пленкообразователей.
Пигменты, входящие в состав порошковых красок: двуокись титана, окись хрома, технический углерод, железоокисные, кадмиевые и другие укрывистые и светопрочные неорганические и органические (фталоцианиновые, пигмент желтый светопрочный) и другие пигменты.
В качестве пластификаторов могут служить сложные эфиры – порошковый трифенилфосфат или жидкие (фосфаты, фталаты, адипинаты, себацинаты), вызывающие набухание полимера при сохранении его сыпучести.
Стабилизаторы: соединения свинца, оловоорганические соединения.
Отвердители: цианамиды (дициандиамид и др.), ароматические амины, глицедиловый эфир тримеллитового ангидрида.
Для улучшения смачивания окрашиваемой поверхности в краски вводят поверхностно – активные вещества (поливинилбу-
Рис. 3.6. Схема производства порошковых красок сухим смешением компонентов:
1 электродвигатель, 2 мешалка; 3 турбосмеситель; 4 затвор; 5 рукав;
6 смеситель; 7 вибросито; 8 затвор шлюзовой
тираль в эпоксидные порошковые краски); для варьирования реологических характеристик порошковых красок в их состав вводят аэросил (в качестве тиксотропных добавок).3.12.1. Получение, свойства и применение
порошковых красок
При получении порошковых красок, например, на основе поливинилбутираля и других термопластичных полимеров наиболее распространен в производстве способ сухого смешения компонентов с использованием скоростного смесителя (рис. 3.6). В турбосмеситель с мешалкой с частотой вращения 900 об/мин загружают через воронку все компоненты краски. После смешения в течение 1530 мин при 8090°C полученная порошкообразная смесь поступает в вибросито для удаления механических включений и агрегирования части, а затем на упаковку.
Способ смешения в расплаве наиболее широко распространен при получении термореактивных порошковых красок – эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, полиакриловых (рис.3.7).

Рис. 3.7. Схема производства порошковых красок методом сплавления:
1 смеситель сухих компонентов; 2 питатель; 3 экструдер двухчервячный;
4 охлаждающее устройство; 5 мельница грубого помола; 6 мельница тонкого помола; 7 фильтр
Известен способ распылительной сушки. Он заключается в смешении компонентов в присутствии растворителя с последующей его отгонкой в распылительной сушилке.
Процесс включает следующие операции: приготовление жидкой краски диспергированием в смесителе пигментов и добавок в среде раствора пленкообразователя; сушка в распылительной сушильной камере жидкой краски с получением готового продукта.
Достоинства этого метода: возможность получения порошковых красок сушки (отверждения), формирование частиц правильной формы (близкой к сферической), высокая степень дисперсности и равномерное распределение компонентов в покрытии.
Недостатки: склонность красок к слеживанию, приводящая к дефектам покрытия, повышенная огнеопасность и удорожание краски.
Среди термореактивных порошковых красок наиболее широко применяются эпоксидные (около 75% всех термореактивных красок). В сравнении с термопластичными они отличаются лучшей адгезией, термостойкостью, повышенной твердостью, блеском, более высокой химической стойкостью. Покрытия на их основе характеризуются повышенной влагостойкостью, устойчивостью к перепаду температур, способностью к сохранению электроизоляционных свойств.
Весьма перспективны в практическом плане полиакриловые порошковые термореактивные краски на основе глицидил и карбоксилсодержащих сополимеров и других сложных составов. Они формируют покрытия с высокой атмосферо- и щелочестойкость.
Среди термопластичных красок в странах СНГ используются поливинилхлоридные порошковые краски. Поливинилбутиральные краски образуют покрытия с высоким блеском, хорошей адгезией, бензо-, маслостойкие. Их можно эксплуатировать внутри помещений.
Недостатки: невысокая термостойкость (до 70ºС), эластичность и химическая стойкость покрытий.
Поливинилхлоридные порошковые краски образуют покрытия, отличающиеся масло-, бензо- и химической стойкостью, кроме того меньшей стоимостью по сравнению с другими порошковыми красками.
Порошковые краски применяются в различных областях народного хозяйства. Например, эпоксидные – для защиты изделий электротехнической и радиоэлектронной промышленности (электродвигателей, конденсаторов, трансформаторов, электроприборов и др.) для защиты химического оборудования, деталей мотоциклов, автобусов, тракторов, магистральных трубопроводов, для покрытия рулонного металла. Поливинилхлоридные – для защиты трубопроводов, ирригационных сооружений, электробытовых приборов, деталей насосов и других изделий.Покрытия полиакрилатными порошковыми красками характеризуются высокой атмосферо- и химической стойкостью, поэтому их используют в автомобилестроении, электротехнической промышленности и приборостроении.
Полиамидные порошковые краски применяются для защиты узлов трения машин и механизмов.
3.13. Водоэмульсионные краски
Водоэмульсионные краски представляют собой суспензии пигментов и наполнителей в водных дисперсиях пленкообразующих веществ типа синтетических полимеров с добавкой эмульгаторов, диспергаторов и других вспомогательных веществ. Эти водоразбавляемые краски называют также эмульсионными, латексными или воднодисперсными (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Схема производства водоэмульсионных красок:
1 смеситель для приготовления раствора добавок; 2 весы; 3 хранилище для эмульсии; 4 насос; 5 – фильтр сетчатый; 6 смеситель быстроходный;
7 промежуточный смеситель; 8 бункер для пигментов; 9 бисерная мельница; 10 смеситель
Краскам присвоен начальный индекс «Э» при обозначении марок, например, краска ЭВА17 или краска ЭКЧ26. По типу пленкоообразующего вещества водоэмульсионные краски подразделяют на:
поливинилацетатные (ВА) на основе поливинилацетатной дисперсии;
сополимеровинилацетатные (ВС) на основе водных дисперсий сополимеров винилацетата с дибутилмалеинатом или этиленом;
бутадиен стирольные (КЧ) на основе латексов типа СКС65ГД, представляющих собой сополимер бутадиена со стиролом;
акрилатные (АК) на сонове сополимеров акрилатной дисперсии;
сополимеровинилхлоридные (ХВ) на основе смеси сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом и бутадиен-стирольного латекса.
По назначению водоэмульсионные краски подразделяют на краски для наружных работ, краски для внутренних работ и краски целевого назначения. При обозначении марок для каждой из этих групп принята в качестве первой цифры соответственно 1, 2 и 5, например, краска ЭВА17, ЭКЧ26, ЭВА524.
Исходные материалы. В состав водоэмульсионных красок кроме пленкообразующих веществ входят пигменты, наполнители, вода и вспомогательные функциональные вещества диспергаторы, эмульгаторы, стабилизаторы, загустители, антивспениватели (пеногасители), антисептики, ингибиторы коррозии, а также добавки гидрофобизирующие, структурирующие, коалесцирующие и др.
Пленкообразующие вещества. К важнейшим пленкообразователям, входящим в состав водоэмульсионных красок, относятся водные дисперсии поливинилацетатная, сополимерацетатная, полиакрилатные, а также бутадиенстирольный латекс.
Дисперсия поливинилацетатная гомополимерная белая вязкая жидкость, представляющая собой продукт полимеризации винилацетата в водной среде в присутствии защитного коллоида и инициатора. Эта дисперсия выпускается в пластифицированном виде и применяется в качестве связующего и клея в различных отраслях промышленности. В производстве водоэмульсионных поливинилацетатных красок применяют, главным образом, непластифицированные дисперсии марок Д50Н, Д50В и Д50С низко-, высоко- и средневязкие, содержащие 50% полимера и реже пластифицированные дисперсии марок ДБ47/7С и ДБ48/4С, содержащие соответственно 47 и 48% полимера и 59 и 1014% пластификатора. Размер частиц в дисперсии 13 мкм, содержание остаточного мономера не более 0,5%. Дисперсии образуют гладкие, однородные покрытия, обладающие удовлетворительной адгезией.
Сополимерная дисперсия С135 винилацетата с дибутилмалеинатом продукт эмульсионной сополимеризации мономеров (в соотношении 2/1 по массе) в водной среде в присутствии эмульгаторов (поливинилового спирта) и инициатора (персульфата аммония). По внешнему виду дисперсия С135 вязкая жидкость белого цвета, свето-, масло- и бензостойкая. Она не требует дополнительной пластификации и характеризуется по сравнению с поливинилацетатной дисперсией лучшими защитными свойствами и водостойкостью.
Латекс синтетический СКС65ГП продукт сополимеризации бутадиена со стиролом (в соотношении 35/65 по массе) в водной эмульсии в присутствии некаля и натриевого мыла СЖК в качестве эмульгатора. Латекс содержит 4748% нелетучих веществ и не более 0,08% незаполимеризованного стирола. Латекс должен обладать стабильностью в присутствии пигмента в смеси с двуокисью титана анатазной формы, не должен оставлять комков и крупинок при перемешивании в течение 2 ч.
Водная дисперсия акрилового сополимера МБМ5С продукт эмульсионной сополимеризации смеси трех мономеров метилметакрилата, бутилакрилата и метакриловой кислоты. Сополимер образует покрытия, характеризующиеся прочностью при изгибе, хорошей адгезией, свето- и атмосферостойкостью.
Водоэмульсионные акрилатные краски применяют для наружных работ, поскольку покрытия отличаются длительным сроком службы.
Пигменты и наполнители. Из неорганических пигментов в производстве водоэмульсионных красок применяют двуокись титана анатазной и рутильной формы, метопон, кроны свинцовые и стронциевые, ультрамарин, окись хрома, железоокисные и земляные пигменты. Не рекомендуют применять: свинцовые белила из-за их токсичности; цинковые белила и кроны, обладающие слабоосновными свойствами, и поэтому не совмещающиеся с водными полимерными дисперсиями; лазурь железную (милори), разлагающуюся в щелочных растворах (особенно при окраске штукатурки и цемента) с выделением оксида железа.
В водоэмульсионные краски, наносимые непосредственно на металлические поверхности, вводят ингибиторные пигменты (хромат стронция, силикохромат свинца и др.), предохраняющие подложку от коррозии.
Из органических пигментов применяют азопигменты (пигмент алый, пигмент красный, пигмент оранжевый прочный и др.) и фталоцианиновые (пигмент голубой фталоцианиновый, пигмент зеленый фталоцианиновый).
Из наполнителей применяют в основном тальк и барит, реже мел и асбест, а каолин в особых случаях, в качестве добавки.
Вода. Водоэмульсионные краски содержат около 50% (мас.) воды, причем половина этого количества входит в состав водной дисперсии пленкообразователя, а вторая половина расходуется на разбавление краски для доведения ее вязкости (консистенции) до требуемого значения.
Используют дистиллированную воду (ГОСТ 70972) или деминерализованную (умягченную) воду, получаемую путем умягчения водопроводной воды, обработкой двумя натрийкатионитными фильтрами. Жесткость не более 3 мэкв/л.
Вспомогательные вещества и добавки. Диспергаторы вещества, смачивающие пигменты и наполнители, ускоряющие их диспергирование (перетир) в жидкой среде и равномерное распределение в красках. К числу диспергаторов относятся полифосфаты (полифосфат натрия, триполифосфат натрия и др.), лецитин, поливиниловый спирт.
Полифосфат натрия технический (NaPO3)nH2O продукт термической дегидратации мононатрийфосфата, получают при взаимодействии фосфорной кислоты с кальцинированной содой. Выпускается в виде порошка или стекловидных кусков.
Триполифосфат натрия технический продукт термической переработки ортофосфорной кислоты, содержащей 9293% Na2P3O10 порошок белого цвета.
Защитные коллоиды диспергатор поливиниловый спирт служит одновременно защитным коллоидом поливинилацетатных дисперсий, образуя нерастворимый в воде продукт в присутствии диметилолмочевины или альдегида и катализатора типа NH4Cl. ПВА повышает водостойкость ПВА-покрытий.
3.14. Контроль качества в лакокрасочной промышленности
Контроль качества в лакокрасочной промышленности включает проверку сырья, полупродуктов и готовой продукции нормам показателей, установленным для них действующими государственными стандартами (ГОСТ), отраслевыми стандартами (ОСТ) и техническими условиями (ТУ). Контролю, а при необходимости тем или иным видам испытаний должны подвергаться сырье и полупродукты, как получаемые от поставщиков, так и производимые на данном предприятии. Особое значение имеет пофазный контроль производства.
Так, при производстве масляных и масляно-смоляных лаков контроль проводят на стадиях термообработки (проверяется правильность загрузки компонентов, температурный режим, вязкость лаковой основы), разбавления основы (температура), типизация лака (цвет, вязкость, продолжительность высыхания) и его очистку.
Для глифталевых и пентафталевых лаков возникает необходимость дополнительного контроля хода алкоголиза масла глицерином или пентаэритритом (завершение процесса устанавливают пробой на растворимость в этиловом спирте), за проведением этерификации фталевым ангидридом и последующим упариванием, окончание которого определяют на основании измерения вязкости.
При производстве эмалей контроль ведут на стадиях замеса (проверка однородности и смачиваемости), перетира (степень которого определяют по методу клина), составления эмали (проверка цвета, вязкости, укрывистости, продолжительности высыхания, содержания нелетучих веществ), а после окончательной очистки проверяют внешний вид пленки эмали.
Для водоэмульсионных красок контролируют однородность и полноту растворения, а также содержание нелетучих веществ еще на стадии приготовления водного раствора вспомогательных веществ, затем определяют степень перетира при приготовлении пигментных паст на краскотерочных машинах или в шаровых и бисерных мельницах, проводят контроль внешнего вида, вязкости, рН и содержания нелетучих веществ после смешения пигментных паст с водной дисперсией пленкообразующего компонента, и, наконец, проверяют цвет и другие показатели конечного продукта.
Существует множество методов испытаний лакокрасочных материалов и покрытий, а также используемых для их изготовления сырья и полупродуктов. К основным из них можно отнести следующие:
физико-химические (цвет, степень блеска, прозрачность, укрывистость, вязкость, плотность, маслоемкость, летучесть, показатель преломления, светостойкость и др.);физико-механические (твердость пленки, прочность покрытия при изгибе, растяжении и ударе, износостойкость, адгезия лакокрасочного материала, эластичность пленки, удлинение свободной пленки при растяжении и др.);
химические (кислотное и йодное число, число омыления, рН, зольность), состав (содержание основного вещества, летучих и нелетучих веществ, водорастворимых солей, ароматических веществ и т.д.), химическая стойкость и др.;
электрические (электрическая прочность пленки, удельное объемное электрическое сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь и др.);
атмосферостойкость (срок службы покрытия в разных климатических зонах; стойкость к мелению, выветриванию, растрескиванию и др.);
молярно-технические (степень перетира, наносимость; способность покрытия шлифоваться и полироваться и др.);
ускоренные климатические испытания (в везерометрах, гидростатах, камере солевого тумана и др.).
На все существующие методы испытаний лакокрасочных материалов и покрытий, за исключением ускоренных климатических испытаний, имеются стандарты.
Большое распространение получил метод газожидкостной хроматографии для качественного и количественного анализа сырья и готовой продукции, например, для определения состава масел и растворителей, содержания основного вещества и примесей в различных мономерах и смолах. В особенности этот метод незаменим для разделения смесей.
Из электрохимических методов следует выделить метод полярографии для определения качественного и количественного состава мономеров, смол, пигментов, а также сточных вод. Достоинства полярографического метода – воэможность одновременного анализа в одной пробе нескольких веществ без их разделения, исключительная быстрота (несколько минут) и точность определения.
Применяются также другие электрохимические методы анализа: кондуктометрия, кулонометрия, потенциометрия, высокочастотное титрование и др.
Кроме того, для анализа лакокрасочных материалов применяются оптические методы – поляриметрия, рефрактометрия, калориметрия, нефелометрия, а также методы электронной микроскопии, рентгеновской спектроскопии, масс-спектроскопии, электронного парамагнитного резонанса, ядерного резонанса.
При рассмотрении свойств лакокрасочных материалов необходимо сказать об их токсичности и пожароопасности. Токсичность лакокрасочных материалов обусловлена, главным образом, содержанием в них органических растворителей (ацетона, метилэтилкетона, циклогексанона, ксилола, толуола, этилацетата, бутилацетата и др.).
Кроме того, в состав лакокрасочных материалов входят другие токсичные компоненты – соединения свинца и хрома, формальдегида, фталевый ангидрид, фенол, стирол, гексаметилендиамин и др. Пожароопасность лакокрасочных материалов характеризуется температурами вспышки, воспламенения и самовоспламенения, пределами взрывоопасности. Данные о пожароопасности ряда марок эмалей, грунтовок и товарных полуфабрикатных лаков приведены в табл.1.1 справочного пособия «Лакокрасочные материалы» (авторы: М.Л.Лившиц, Б.И.Пшиялковский, Москва, Химия, 1982г.).3.15. Стандартизированные методы испытаний
лакокрасочных материалов и покрытий
Стандартные испытания материалов и покрытий осуществляют для контроля и гарантии качества при производстве, для входного контроля свойств лакокрасочных материалов, а также для определения качественных показателей систем покрытий, предусмотренных технической документацией на окрашиваемое изделие.
Стандартизованные методы испытаний лакокрасочных материалов и покрытий включают следующие:
Методы определения показателей, характеризующих технологические свойства лакокрасочных материалов (вязкость, содержание летучих и нелетучих твердых пленкообразующих веществ, степень перетира, Укрывистость, степень и время высыхания, розлив, электрические свойства).
Методы определения физико-механических свойств покрытий (прочность при ударе, прочность при растяжении, прочность при разрыве и модуль упругости, твердость, адгезия, прочность при изгибе, устойчивость к истиранию).
Методы определения показателей, характеризующих декоративные и защитные свойства лакокрасочных покрытий (блеск, цвет, меление, растрескивание, сморщивание, образование пузырей, коррозия металла).
Методы определения устойчивости лакокрасочных покрытий при ускоренных климатических испытаниях, имитирующих различные условия эксплуатации и хранения изделий с лакокрасочными покрытиями при действии агрессивных сред и в природных условиях.
3.16. Определение технологических свойств
лакокрасочных материалов
3.16.1. Условная вязкость
В соответствии с ГОСТ 842074 метод определения условной вязкости заключается в измерении продолжительности (с) истечения известного объема жидкости из капилляра или воронки с отверстием определенного диаметра. Измерения проводятся с использованием воронки-вискозимера ВЗ246 (ГОСТ 907075) со съемными соплами диаметром 2,4 и 6 мм с термостатированным измерительным узлом.
3.16.2. Срок годности
Метод распространяется на лакокрасочные материалы, состоящие из нескольких компонентов (ГОСТ 27 27181). Он состоит в том, что измеряется вязкость лакокрасочного материала через 3 мин после смешивания компонентов и после истечения определенного времени, указанного в нормативно-технической документации на лакокрасочный материал. Для проведения эксперимента необходимы технические весы с погрешностью не больше 0,01 г, термостат, позволяющий регулировать температуру с погрешностью не более 0,1С, вискозиметр ВЗ246.
3.16.3. Содержание летучих и нелетучих твердых
пленкообразующих веществ
Определение проводятся согласно ГОСТ 173772. Проба лакокрасочного материала нагревается при определенной температуре в течение заданного промежутка времени или до достижения постоянной массы и определения содержания летучих и не летучих веществ по разности результатов взвешивания до, и после нагревания. Содержание летучих и нелетучих веществ в композиции выражается в % (мас.).
Оборудование: сушильный шкаф с регулятором температуры, обеспечивающий необходимую температуру нагрева (100140С) типа СНОЛ3,5, 3,5 3,5/ 343 (ТУ 16531. 63978) или установка с инфракрасной лампой марки ИК3127500 или ИК322050 (ГОСТ 1387476), весы с погрешностью взвешивания не более 0,02 г.
3.16.4. Степень перетира
Этот метод (согласно ГОСТ 658974) состоит в определении степени перетира пигментированных лакокрасочных материалов по глубине паза прибора в мкм. Глубина паза соответствует границе появления на поверхности испытуемого материала отдельных агрегатов пигментов или границе начала штрихов от них.
Оборудование: гриндометры (прибор «Клин») ТУ 290210.1280.
3.16.5. Цвет непигментированных лакокрасочных материалов
Метод определения цвета непигментированных лакокрасочных материалов основан на сравнении цвета испытуемого материала с цветом раствора сравнения йодометрической шкалы. Раствор сравнения йодометрической шкалы готовят следующим образом: взвешивают 0,25; 0,50; 1; 2; 3; 4; 5; 7; 10; 15; 20; 30; 40; 60; 80; 100; 130; 160; 200; 220; 250; 280; 300; 400; 500; 700; 800; 1100; 1400; 1600; 1800; 2000; 2400 Мг йода с погрешностью не более 0,001 г и растворяют эти навески в 100 мл 0,5 N раствора иодида калия. Допускаемые отклонения концентрации растворов сравнения не должны превышать 2%. Йодометрическую шкалу хранят в темном месте не более 12 месяцев со дня приготовления растворов.
3.16.6. Укрывистость
Этот показатель в соответствии с ГОСТ 878475 определяется тремя методами:
Визуально с помощью черно-белой шахматной доски. На стеклянную пластинку наносят несколько слоев лакокрасочного материала для прекращения просвечивания черных и белых квадратов шахматной доски, подложенной под стеклянную пластинку. Количественный показатель укрывистости – это количество граммов краски, требуемой для того, чтобы сделать невидимой закрашиваемую поверхность площадью 1м2. Оборудование: шахматная доска (ГОСТ 878475), краскораспылитель типа КРП6; КРП10 (ГОСТ 2022374), кисть «Апликатор» или другое оборудование для нанесения на стеклянные пластинки слоя лакокрасочного материала, толщиной до 20мкм.
Инструментальный метод оценки укрывистости по коэффициенту контрастности заключается в определении коэффициента контрастности, т.е. соотношения количества света, диффузно отраженного от черной и белой поверхностей, на которые нанесен лакокрасочный материал. Поверхность считается укрытой по достижении величины коэффициента контрастности 0,970,98. Коэффициент контрастности (С) – это отношение коэффициента яркости покрытия черной подложки (Rч) к коэффициенту яркости покрытия белой подложки (Rч):С = Rч /Rб. Коэффициент контрастности определяют при помощи фотомера (блескомера) ФБ2, фотокалориметра любой марки, компаратора цвета и других приборов, обеспечивающих измерение коэффициента яркости с точностью до 0,01 при зеленом светофильтре или длине волны 560 нм.
Инструментально-металлический метод определения укрывистости на черно-белой поверхности путем определения коэффициента яркости неукрывающего и переукрывающего покрытий, помещенных на черной и белой подложках. Коэффициент яркости покрытий – не менее 0,6. Для определения необходимой толщины укрывающего слоя используют соответствующие математические выражения, найденные с использованием ЭВМ.
Таблица 3.1. Характеристика степени высыхания (ГОСТ 19007)
Степень высыхания Характеристика
1 Стеклянные шарики размером 100335 мкм полностью удаляются мягкой волосяной кистью с поверхности покрытия, не вызывая ее повреждения.
2 После снятия нагрузки 20 г бумага
(ГОСТ 903573) не прилипает к поверхности покрытия и не оставляет следа.
3 После снятия нагрузки бумага не прилипает к поверхности покрытия и не оставляет следа.
4 После снятия нагрузки 20 кг бумага не прилипает к поверхности покрытия, но оставляет след.
5 После снятия нагрузки 2 кг бумага не прилипает к поверхности и не оставляет следа.
6 После снятия нагрузки 20 кг бумага не прилипает к поверхности покрытия, но оставляет след.
7 После снятия нагрузки 20 кг бумага не прилипает к поверхности и не оставляет следа.
Оборудование: шкаф сушильный с терморегулятором, микрометр типа МК102 (ГОСТ 650778), магнитный толщинометр МТ41НЦ (ТУ 2506250082).
3.16.7. Разлив
Это способность лакокрасочного материала после нанесения растекаться и выравнивать свой поверхностный слой. Согласно ОСТ 6-10-436-82 разлив определяется двумя методами.
Первый метод используется для определения разлива лакокрасочного материала, наносимого распылением. При этом оценивают величины шагрени и наличия потеков. Наличие потеков определяют только визуально (сравнение с утвержденным образцом), величину шагрени – визуально или измеряя на профилографе-профилометре (ГОСТ 1930086) и выражая в баллах (от 1 до 5). Балльная оценка шагрени представлена в таблице 1.
Таблица 3.2. Балльная оценка шагрени ЛКМ
Оценка
баллы Шагрень Основание неровности, ммВысота неровности, мкм5 Отсутствует
4 Едва заметная >3,5
3,52,0 <1,2
<1,0
3 Незначительная >3,5
3,52,0
<2 2,01,2
1,71,0
<1
2 Значительная >3,5
3,52,0
2,0 3,0-2,0
3,01,7
2,01,0
1 Сильная >3,5
3,52,0
<2,0 >3,0
>3,0
>2,0
Устройство для окрашивания – это механизм перемещения образцов с постоянной скоростью (14 м/мин) перпендикулярно плоской струе лакокрасочного материала, распыляемого неподвижно закрепленным краскораспылителем при расходе 0,14кг/мин на расстоянии 450 мм от поверхности.
Второй метод используют при определении разлива лакокрасочных материалов, наносимых кистью. При этом разлив оценивают при сравнении со шкалой разлива и выражают степенью от 0 до 10. Шкала разлива составлена по зависимости слияния пяти пар полос лакокрасочного материала, полученных специальным приспособлением (гребенкой) с различными размерами канавки (0,254,0 мм) с шириной канавки 0,05 мм 1,600,1 мм и шириной выступа 2,50,1 мм. Разлив хороший – при полном слиянии пяти пар полос (степень 10); разлив плохой – полосы не сливаются (степень 0).
3.16.8. Электрические свойства
Установлены следующие показатели изоляционных материалов нефтяного или растительного происхождения, синтетических при испытаниях в текучем состоянии:
тангенс угла диэлектрических потерь tg и диэлектрической проницаемости r при частоте тока 50 Гц;
удельное (объемное) электрическое сопротивление v при напряжении постоянного тока;
пробивное напряжение Uпр при частоте тока 50Гц.
Оборудование: прибор ПУС2 (ТУ 610206086), состоящий из датчика – измерительной ячейки (датчик ЯИ), датчика оперативного контроля (датчик ОК) и тераометра Е613А (ЯЫ.722.ОМТУ).
Погрешность при измерении датчиком ЯИ 10, ОК 40%.
Глава 4. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ
4.1. Характеристика и классификация лакокрасочных покрытий
Покрытия формируются из различных по химической природе лакокрасочных материалов, основу которых составляют полимерные пленки (пленкообразователь), пигменты, включающие наполнители, модифицирующие добавки и другие ингредиенты.
Пленка это состояние вещества в виде сплошного тонкого слоя. Пленки могут быть свободными или адгезированными.
Лакокрасочные покрытия (ЛКП) пленки, связанные с твердой поверхностью (субстратом) адгезионными силами, причем эта связь создается в процессе формирования пленки толщиной 10300 мкм из жидких или порошковых лаков и красок, удельная поверхность которых составляет 101000 см2см3.
Лакокрасочные покрытия имеют две поверхности контакта: одну с внешней средой (газообразной или жидкой), другую с твердым телом (подложкой). В покрытиях, полученных из растворов или расплавов пленкообразователей, можно выделить три слоя с непрерывными границами:
верхний («воздушный»);
промежуточный (средний);
нижний (адгезионный или «зеркальный»).
Верхний слой, соприкасающийся с воздухом при формировании пленки, подвержен его влиянию в наибольшей степени: степень окислительной деструкции и часто другие виды химических превращений с участием кислорода и влаги воздуха наиболее значительны в нем, поскольку проникновение кислорода и влаги в средний и нижний (адгезионный) слой (беспористые подложки) существенно замедляется.
Часто подложка влияет на протекание как химических реакций при формировании покрытий, катализируя или ингибируя их, что особенно проявляется при высоких температурах, так и на физические процессы в адгезионном слое: усадку, стеклование, ориентационные эффекты и др., сказываясь на структуре пленок. В адгезионном слое макромолекулы пленкообразователя подвергаются плоскостной ориентации и формируется менее совершенная структура, чем в массе пленки. По мере удаления от подложки степень ориентации и анизотропия пленок падают, а степень надмолекулярной ориентации полимера возрастает. Структурная неоднородность особенно существенна у покрытий, полученных из кристаллических полимеров. Это объясняется тем, что из-за большого количества центров кристаллизации и малой подвижности макромолекул полимера, обусловленной фиксирующим действием твердой поверхности, возникают затруднения при кристаллизации в адгезионном слое, чего не происходит в промежуточном и верхних слоях: в них степень кристалличности выше, чем в адгезионном слое.Подобная корреляция наблюдается и для сферолитной кристаллизации: на среднюю часть пленки приходятся максимальные по объему сферолиты. По мере приближения к подложке и в верхний (воздушный) слой они вырождаются или приобретают иные морфологические формы.
Структурные особенности отдельных слоев сказываются на их свойствах. Например, нижний слой пленок, формируемых из растворов аморфных полимеров, обладает повышенной сорбционной способностью и, обычно, более низкой твердостью, чем промежуточные слои. Часто наблюдается его меньшая плотность, но более высокая температура стеклования, чем в объеме, обусловленная ограниченной подвижностью макромолекул пленкообразователя.
Большинство покрытий это многокомпонентные системы и неоднородность по толщине (не редко в объеме) может появляться в результате микро- и макрорасслоения пленкообразователей, выпотевания или кристаллизации пластификаторов, всплывания или оседания пигментов при пленкообразовании, избирательной адсорбции компонентов на поверхности подложки.
Образование послойно-неоднородной структуры покрытий может быть обусловлено и самой рецептурой лакокрасочного материала, в частности при использовании смесей взаимонесовместимых пленкообразователей.
Следует отметить, что неоднородность состава, структуры, анизотропию свойств, характерные для лакокрасочных покрытий, не всегда нужно рассматривать, как только отрицательные явления. В этом может быть и положительная сторона, особенно при формировании многослойных покрытий.
Процесс получения покрытий на подложке сопровождается усадкой, что при отсутствии полной релаксации, обуславливает возникновение остаточных напряжений (тонкий слой акварельной краски на бумаге при высыхании закручивает ее на себя), то есть большинство лакокрасочных покрытий, особенно на основе жесткоцепных аморфных или кристаллических полимеров это напряженные системы. Даже самые тонкие лакокрасочные покрытия отличаются от жидкостных или газовых адсорбционных слоев тем, что последние существуют только при наличии поверхности адсорбента, в то время как лакокрасочные пленки в результате определенной когезионной прочности могут сохраняться и вне ее.
Все эти особенности покрытий необходимо учитывать при их получении и эксплуатации.
Классификация лакокрасочных покрытий осуществляется по химическому и эксплуатационному признакам. Так, в основе химической классификации заложена природа пленкообразователя, из которого изготовлено покрытие (эпоксидные, полиакрилатные, алкидные и т. д.). Классификация покрытий по эксплуатационному признаку (по назначению) не дает представления о природе материала пленки, но для потребителей она важна, так как ориентирует на области практического применения того или иного покрытия (например, атмосферо-, термо-, свето-, химически стойкие и т.д.).
Существует и структурная классификация А. Я. Дринберга, согласно которой все лакокрасочные покрытия подразделяются на 2 группы: превращаемые и непревращаемые в трехмерное состояние. Хотя она и менее распространена, по ней можно судить о механизме формирования покрытий (получены ли они в результате химических превращений или без них), а также о некоторых свойствах этих покрытий (растворимость, термопластичность и др.).
По строению лакокрасочные покрытия классифицируют на одно- и многослойные; последние на однородные и разнородные. Для многослойных разнородных покрытий принято соответствующее название слоев. Первый, контактирующий с подложкой грунтовочный или грунт, затем следуют промежуточные слои и верхнее покрытие.
Различают также комбинированные покрытия. Их изготовляют сочетанием лакокрасочных покрытий с другими видами металлическими, термодиффузионными, фосфатными, оксидными и др.
Классификация ЛКП по внешнему виду. Внешний вид поверхности покрытия характеризуется цветом, фактурой, качеством исполнения покрытия наличием или отсутствием дефектов.
Определения основных дефектов.
Шагрень углубления, напоминающие специально выделанную кожу.
Потеки утолщения на окрашиваемой поверхности, образовавшиеся при стекании ЛКМ и сохранившиеся после сушки.
Волнистость периодические неровности.
Сморщивание складки в виде регулярных неровностей.
Кратеры макроскопические круглые углубления.
Оспины углубления, не доходящие до окрашиваемой поверхности.
Поры макроскопические круглые сквозные отверстия.
Риски следы царапин от абразивной обработки окрашиваемой поверхности.
Включения посторонние частицы.
Разнооттеночность пятна различных оттенков.
Неоднородность рисунка нарушение формы и размеров элементов рисунка.
По фактуре покрытия делятся на гладкие и рельефные. Гладкие, в свою очередь, подразделяются на однотонные и рисунчатые, а рельефные – на лидаровые и шагреневые.
Фактура покрытия – это внешнее строение поверхности покрытия. Степень блеска покрытий для различных фактур по блескометру ФБ2 (%) составляет:
Гладкие:
высокоглянцевые – >59;
глянцевые, в том числе с лессирующим эффектом – 5950;
полуглянцевые – 4937;
полуматовые – 3620;
матовые – 194;
глубокоматовые – ≤3.
Рисунчатые:
глянцевые – 5939;
полуглянцевые – 3824.
Рельефные:
муаровые;
полуматовые;
матовые.
Шагреневые:
полуглянцевые – 128.
Качество исполнения покрытия характеризуется следующими показателями:
наличие на покрытии посторонних включений, их допустимое количество и размеры;
наличие других дефектов, полученных в процессе окрашивания (шагрени, рисок, штрихов, потеков, разнооттеночности, волнистости, неоднородности рисунка).Различные уровни указанных дефектов и их сочетание предопределяют различный внешний вид покрытий и необходимость их разделения на различные классы.
В соответствии с ГОСТ 9.03274 по качеству исполнения покрытия делятся на 7 классов.
К классу I относятся покрытия гладкие однотонные: высокоглянцевые, глянцевые и матовые.
Для класса II применяются покрытия всех фактур с различной степенью блеска.
Для классов IIIIV не рекомендуются высокоглянцевые покрытия.
Для VVII классов, кроме высокоглянцевых не рекомендуются также и гладкие однотонные глянцевые, так как экономически нецелесообразно применять высокодекоративные покрытия для пониженных и низких классов, в то же время на таких покрытиях дефекты более заметны.
Только в технологически обоснованных случаях высокоглянцевые покрытия применяются для IIIIV классов, гладкие однотонные глянцевые для VVII классов. При этом нормы для высокоглянцевых покрытий IIIIV классов должны соответствовать нормам для глянцевых покрытий, а глянцевые VVII классов – для полуглянцевых.
Для I класса дефекты на покрытиях не допускаются, за исключением включений для матовых покрытий, так как включения на матовых покрытиях менее заметны. Допускается не более четырех включений на 1м2 размером не более 0,2мм с расстоянием между включениями не менее 100мм.
На покрытиях II класса допускаются незначительная шагрень, а также отдельные штрихи и риски. На гладких однотонных высокоглянцевых, глянцевых, полуглянцевых, полуматовых покрытиях допускаются включения в количестве не более 4шт/м2, на гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых и шагреневых покрытиях – не более 8шт/м2. Размер включений на всех покрытиях не должен превышать 0,5мм, расстояния между включениями должно составлять не менее 100мм.
На покрытиях III класса допускаются незначительная шагрень, отдельные штрихи и риски, волнистость не более 1,5мм. На гладких однотонных глянцевых покрытиях допускаются включения в количестве не более 10шт/м2, на гладких однотонных полуматовых и матовых покрытиях – не более 15шт/м2, на гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых и шагреневых покрытиях не более 25шт/м2. Размер включений для всех покрытий должен быть не более 0,5мм, расстояния между включениями для гладких однотонных глянцевых, полуглянцевых, полуматовых покрытий должно быть не менее 50мм, для гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых, шагреневых – не менее 30мм.
На покрытиях IV класса допускаются шагрень без ограничений величины, отдельные штрихи и риски, волнистость не более 2мм. На гладких однотонных глянцевых, полуглянцевых, полуматовых покрытиях допускаются включения в количестве не более 1шт/дм2, на гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых и шагреневых покрытиях – не более 2шт/дм2. Размер включений для всех покрытий должен быть не более 1мм, расстояния между включениями – не менее 10мм.
На покрытиях V класса допускаются шагрень, отдельные потеки, штрихи, риски, волнистость величиной не более 2,5мм. На всех покрытиях допускаются включения в количестве не более 4шт/дм2 размером не более 2мм для гладких однотонных полуглянцевых, полуматовых матовых и глубокоматовых покрытий и не более 3мм для молотковых, муаровых и шагреневых покрытий.
На покрытиях VI класса допускаются шагрень, отдельные потеки, штрихи, риски, волнистость величиной не более 2,5мм, разнооттеночность, неоднородность рисунка. На всех покрытиях допускаются включения в количестве не более 8шт/дм2 размером не более 3мм.
Для VII класса дефекты на покрытиях не нормируются. В каждом классе допускается другое количество включений, если их суммарная протяженность (суммарный размер) и размер каждого включения не превышает приведенных требований.
Для всех классов покрытий не допускаются дефекты, влияющие на защитные свойства покрытий (поры, кратеры, сморщивание и т.д.).
Методы определения блеска и дефектов покрытий, характеризующих качество исполнения, приведены в табл.4.1.
Таблица 4.1. Методы определения блеска и дефектов
покрытий
Показатель Метод определения
Блеск Блискометром ФБ2 на изделиях или образцах-свидетелях с покрытием, полученным по технологии, принятой для изделий или визуально, путем сравнения с образцом, утвержденным в соответствии с НТД на покрытия
Включения:
количество
размер Визуально
Линейкой чертежной измерительной по ГОСТ 1743572 и лупой ЛИ210х по ГОСТ 2570683
Шагрень Визуально сопоставлением с образцом, утвержденным в соответствии с НТД на покрытия
Окончание табл. 4.1
Показатель Метод определения
Риски, штрихи То же
Потеки То же
Неоднородность рисунка То же
Разнооттеночность То же
Волнистость Линейкой длиной 500мм, накладываемой ребром на поверхность, другой линейкой или щупом измеряется максимальный зазор между поверхностью и линейкой. Линейку устанавливают таким образом, чтобы была определена наибольшая волнистость
Класс покрытия допускается определять по образцу (эталону), изготовленному и утвержденному в соответствии с требованиями стандартов и технических условий на изделие.
Внешний вид покрытий зависит как от свойств ЛКМ, так и от технологии их получения. Для получения различных классов покрытий должны быть соответствующие условия подготовки поверхности и сушки. Максимально достигаемый класс покрытий для эмалей и лаков зависит от фактуры их пленок.
Для каждого ЛКМ установлен максимально достигаемый класс покрытия. Достижение I класса возможно лишь с применением нитратцеллюлозных (НЦ11), меламино-алкидных (МЛ1110, МЛ197) и полиакрилатных (АК1102, АС2106) эмалей при условии полного соблюдения предписаний технологии окрашивания.
В большой мере качество внешнего вида покрытий определяет состояние окрашиваемой поверхности (шероховатость, дефекты). Для характеристики окрашиваемой металлической поверхности под покрытия различных классов используют следующие показатели:
шероховатость Rz по ГОСТ 278973;
неплоскостность;
отдельные неровности (высота, глубина).
Под отдельными неровностями поверхности подразумевают неровности размерами (длина или ширина) не более 20мм.
Шероховатость металлической поверхности для I покрытий класса должна быть не более 4мкм; II класса – не более 6,3мкм для гладких однотонных покрытий и не более 20мкм для молотковых, муаровых и шагреневых покрытий; III класса – не более 10 мкм для гладких однотонных и не более 80мкм для молотковых, муаровых и шагреневых покрытий; IV класса – не более 80мкм для всех покрытий; V класса – не более 320мкм; а для покрытий VI и VII классов – не нормируется.
Шероховатость металлической поверхности, подлегающей шпатлеванию, для II класса может быть увеличена до 80мкм, для III и IV классов – до 500 мкм, а для классов V, VI, VII классов – не нормируется. Для покрытий I класса сплошное шпатлевание не рекомендуется.
Неплоскостность металлической поверхности для покрытий I и II классов не допускается. Для поверхностей, не подлежащих шпатлеванию, неплоскостность под покрытия III класса должна быть не более 1,5мм, IV класса – 2мм; V класса – 2,5мм; VI класса – 4мм, а VII класса – не нормируется.
Для поверхностей, подлежащих шпатлеванию, под покрытия III класса неплоскостность должна быть не более 3мм, IV класса – 3,5мм, V класса – 4мм, VI класса – 5,5мм, а для VII класса – не нормируется.
Требования по неплоскостности поверхности указаны для плоских поверхностей с наибольшим габаритным размером свыше 500мм. При оценке неплоскостности поверхности отдельные неровности в расчет не принимаются.
Для изделий с окрашиваемой поверхностью более 5м2 допускается увеличение неплоскостности на 2,5мм для III класса и на 3,5мм для IVVI классов.
Неровности металлической поверхности для покрытий I, II, III классов не допускаются, для покрытий IV класса допускаются неровности с высотой (глубиной) не более 2мм, V класса не более 3мм, VI и VII классов – не более 5мм.
Для всех классов покрытий не допускаются на металлической поверхности забоины, неровно обрезанные края, острые кромки и углы в местах перехода от одного сечения к другому.
По ГОСТ 9.10479. ЕСЗКС различают покрытия для умеренно континентального (У), тропического (Т) и холодного (ХЛ) климата. Группы покрытий имеют следующие обозначения:
А, АН, АТ, АНТ, АХЛ, АНХЛ атмосферостойкие (эксплуатация на открытом воздухе и под навесом (Н) в различных климатических зонах);
П, ПТ стойкие внутри помещений (умеренно континентальный и тропический климат);
Х, ХК, ХЩ химически стойкие (воздействие агрессивных газов, кислот, щелочей);
В, ВМ водостойкие (воздействие пресной и морской воды);Б бензостойкие;
М маслостойкие;
Т термостойкие;
Э электроизоляционные.
Примеры обозначения лакокрасочных покрытий:
Эмаль НЦ25 голубая IIIП - покрытие из голубой нитратцеллюлозной эмали III класса, предназначенное для эксплуатации внутри помещений (например, на станках).
Эмаль ХВ110 красно-коричневая, IVАТ покрытие из перхлорвиниловой эмали красно-коричневого цвета IV класса, предназначенное для эксплуатации в атмосферных условиях тропического климата.
4.2. Требования, предъявляемые к лакокрасочнымпокрытиям
Технология формирования и эксплуатационные характеристики лакокрасочных покрытий в большой мере определяются свойствами исходных пленкообразующих материалов, к которым предъявляются следующие основные требования:
обеспечение тонкослойного распределения на подложке;
образование покрытий с комплексом необходимых технических свойств.
Таким требованиям вполне удовлетворяют жидкие пленкообразующие системы или высокодисперсные порошки, обеспечивающие получение в широком интервале температур разнотолщинных слоев.
Жидкие пленкообразующие системы включают:
композиционные составы, не содержащие летучих компонентов, и получаемые на основе жидких мономеров, олигомеров или полимеров, которые наносят на покрываемые поверхности в расплавленном состоянии;
100%е лаки и краски;
составы, представляющие собой растворы, водные дисперсии или органодисперсии твердых полимеров или олигомеров.
Вода и органические компоненты (летучие компоненты) оказывают существенное влияние на технологические способы и приемы формирования покрытий, их эксплуатационные характеристики, экономику и безопасность производства.
Появившиеся в 60-х годах прошлого века порошковые лакокрасочные составы, не содержащие органических растворителей, а также водные, 100%-ые лаки и краски, относятся к прогрессивным лакокрасочным материалам с точки зрения экологии. Удельный объем их производства и использования существенно возрастает из года в год.
Эксплуатационные характеристики покрытий разнообразны в широких пределах, многообразны также и постоянно возрастающие требования к ним со стороны потребителей.
Развитие новой техники и технологии невозможно без создания специальных покрытий, зачастую обладающих противоположными свойствами. Например, токопроводящих и электроизоляционных, гибких, эластичных и хрупких, антиадгезионных и с высокой адгезионной прочностью к различным субстратам и др. Достижение таких требований возможно только при решении единой задачи, с одной стороны, соответствующим качеством лакокрасочных материалов, с другой разработкой необходимой технологии покрытий.
В зависимости от метода нанесения и условий получения покрытий используют лакокрасочные материалы разной вязкости. Их консистенция может быть жидкой, вязкой и пастообразной. Вязкость лаков и красок обусловлена внутренним трением, возникающим между слоями при перемещении под действием внешних сил.
Разновидности течения. Для неструктурированных жидкостей, например, органических растворителей, воды, вязкость вычисляют по уравнению Ньютона
т= = , (4.1)
где т напряжение сдвига;
F сила трения;
S площадь сдвига;
скорость сдвига или скорость течения;
мера динамической вязкости, Пас (1 Пас = 10 П).
А

Б

Рис. 4.1. Кривые течения жидкостей:
А предельные случаи течения; Б течение реальных жидких красок и расплавов полимеров;
1 ньютоновское течение; 2 дилатантное течение;
3 псевдопластическое течение; 4 пластическое течение;
а сильструктурированная система; б слабоструктурированная система
Отношение коэффициента динамической вязкости к плотности материала – кинематическая вязкость, м2с (1 м2с = 104 Ст).
Для неструктурирующихся (ньютоновских) жидкостей характерно постоянство вязкости в широком интервале напряжений и скоростей сдвига (рис 4.1, кривая 1).
Для лакокрасочных материалов такой линейной зависимости не наблюдается. Для них характерны разные виды течений в зависимости от физической природы (раствор, слабо- или сильнонаполненная дисперсия) и степени проявления сил взаимодействия (рис. 4.1, кривые 24, а и б). Причем, наиболее типичны пластическое и псевдопластическое течения, обусловленные различной степенью структурирования системы.
Пластическое течение связано с тиксотропными явлениями, имеющими место в высоконаполненных материалах (масляных, типографских, офсетных, художественных, воднодисперсионных и др.). Зачастую проявление структурной вязкости рассматривается как положительное качество, поскольку краски приобретают пастозность, необходимую в художественном и печатном производстве. В таких системах не оседают пигменты, материалы можно наносить толстыми слоями без потеков. Такие краски создаются путем соответствующего подбора пленкообразователей и пигментов. Так, введение в алкиды олигомерных амидов, алкоголятов алюминия, дегидратированного касторового масла, а также использование высокодисперсных пигментов и наполнителей (талька, каолина, аэросила, диоксида титана, ряда органических пигментов) и поверхностно-активных веществ (стеараты Al и Zn, воски) приводит к образованию достаточно прочных коагуляционных структур. Этот принцип лежит в основе создания тиксотропных красок и грунтовок на основе алкидов, эпоксиэфиров, хлоркаучука, виниловых мономеров (марки КЧ771, ХС416, ЭФ094, ВДВА27Т и др.)
При установившейся структуре тиксотропные краски не текут, но легко наносятся на поверхность, если эта структура разрушена. Их течение приближенно описывается уравнением вязкопластического течения Шведова-Бингама
т = к + , (4.2)
где к предельное напряжение сдвига или предел текучести;
пластическая вязкость.
Полученные на основе полимеров (полиакрилатные, перхлорвиниловые, нитратцеллюлозные и др.) лаки и эмали без тиксотропирующих добавок характеризуются малой степенью тиксотропии, но и для них наблюдается проявление структуры значительное отклонение от ньютоновских жидкостей в реологическом поведении.
При скоростях сдвига до 105 с-1 они проявляют свойства псевдопластических жидкостей (рис. 1.1, кривая 3), а при истечении подчиняются уравнению
т = , (4.3)
где n показатель, характеризующий степень отклонения от линейной зависимости; для многих эмалей n=1,01,2.
При дальнейшем увеличении скорости сдвига вязкость псевдопластических жидкостей становится постоянной, ее и принимают за показатель текучести материала (эф).
У высоконаполненных составов (густотертые краски и шпатлевки) наблюдается обратный случай реологического поведения повышение вязкости с увеличением скорости сдвига (рис. 4.1, кривая 2).
В случаях получения покрытий из расплавов полимеров и олигомеров также возникает необходимость в оценке их реологических свойств. Как видно из рис. 4.1. Б, типовая кривая течения расплавов полимеров в логарифмических координатах имеет S-образную форму. При низких и высоких значениях напряжений и скоростей сдвига наблюдается прямолинейная зависимость, что соответствует наибольшей макс и наименьшей мин ньютоновским вязкостям.
Отклонения от прямолинейности на среднем участке S-образной кривой обусловлены структурными изменениями в полимерах: эта ветвь называется структурной ветвью.
Регулирование и определение реологических свойств. На практике при получении покрытий возникает необходимость снижения вязкости расплавов и растворов, что обеспечивается применением соответствующих растворителей, разбавителей, пластификаторов или нагревом.
Зависимость вязкости от температуры описывается уравнением
= АeЕRT , (4.4)
где Е энергия активации вязкого течения.
Увеличение вязкости при наполнении описывается уравнением ГутаГольда:
0(1+3+232), (4.5)
где 0 вязкость ненаполненной системы;
объемная доля наполнителя.
Для большинства структурированных широкоупотребляемых красок =0,050,4 Пас и к=015. Для некоторых полиграфических и промышленных тиксотропных красок =1550 Пас, а к лежит в пределах нескольких десятков и даже сотен Па.Следует отметить, что сильно структурирующиеся краски удовлетворительно наносятся, например, распылением, кистью, валковым способом, то есть способами, при которых достигаются большие напряжения или скорости сдвига, но они не пригодны для нанесения методами окунания и облива, поскольку при этом избыток краски не стекает с поверхности.
Экспериментально установлено, что при кистевом окрашивании (скорость движения кисти 0,50,9 мс) =500030000 с-1. Время восстановления разрушенной структуры подбирается таким образом, чтобы краска растекалась по поверхности, но не образовывала натеков на вертикальных поверхностях. Вероятность их образования возрастает при нанесении медленно высыхающих лакокрасочных материалов толстыми слоями, что следует из формулы
gh22, (4.6)
где плотность краски;
g ускорение свободного падения;
h толщина слоя краски;
вязкость краски;
скорость стекания лаков и красок с вертикальных поверхностей.
Если вязкость плохо подобрана, то соответствующие лаки и краски наносить достаточно сложно, зачастую возможны дефекты поверхности покрытий. Учитывая все вышеизложенные аргументы можно заключить, что необходимо строго контролировать вязкость лакокрасочных материалов прежде, чем наносить покрытия на их основе.
Для определения реологических характеристик жидких красок используют ротационные вискозиметры: реотест, эластовискозиметр Михайлова, прибор конструкции ГИПИ ЛКП, реоадгезиометр РА2, вискозиметр с коаксиальными цилиндрами (прибор Шведова), приборы СНС2 и ПСП3, вискозиметр типа конуспластинка, прибор ВейлераРебиндера.
Вискозиметр Гепплера и другие, основанные на принципах истечения и падающего шарика, с некоторыми допущениями могут быть использованы для оценки вязкости неструктурирующихся лакокрасочных систем.
Схемы некоторых приборов приведены на рис. 4.2.
а б в

Рис. 4.2. Схемы приборов для реологических измерений:
а вискозиметр Гепплера; б прибор Шведова; в прибор ВейлераРебиндера
Для оценки некоторых партий лаков и красок используют методы определения условной вязкости с помощью вискозиметров (воронок) ВЗ246, ВЗ4 в соответствии с ГОСТ 842074.
Вязкость расплавов порошковых красок оценивают с помощью капиллярных вискозиметров АКВ2, КВПД и ротационного РВ7, или условно по длине образующегося следа при стекании капли расплава с поверхности стеклянной пластинки, установленной под углом 60 к горизонту.
Сравнительная характеристика однотипных полимерных красок, например полиэтиленовых, снимается прибором для определения показателя текучести расплава (ПТР). ПТР выражается массой расплава (в граммах), выдавливаемой их сопла прибора под действием груза за 10 минут.
4.3. Поверхностное натяжение жидких лакокрасочных
материалов
Поверхностное натяжение в значительной мере обуславливает способность жидких лаков, красок, расплавов пленкообразователей к распылению и смачиванию подложки, определяет скорость слияния нанесенных капель жидкости, их растекание на поверхности. Работа, затрачиваемая на создание новой поверхности при диспергировании (распылении) лакокрасочных материалов и высвобождаемая при слиянии дисперсных частиц в процессе пленкообразования, пропорциональна их поверхностному натяжению.
Среди олигомерных пленкообразователей поверхностная активность, определяющая поверхностное натяжение лакокрасочных материалов, уменьшается в ряду:
алкидныеполиэфирныеэпоксидныефенолоформальдегидные
мочевиноформальдегидные.
Значения поверхностного натяжения (в мДжм2) для ряда пленкообразователей приведены ниже:
Алкид, модифицированный жирными кислотами 36-37
Поливинилацетат 39
Полибутилметакрилат 40
Полистирол 41
Фенолоформальдегидный олигомер 42
Ацетобутират целлюлозы 42
Циклогексанонформальдегидный олигомер 44
Поливинилбутираль 53
Хлорированный каучук 57
Поверхностное натяжение жидких лаков и красок в значительной степени зависит от природы растворителей. Для ароматических и алифатических углеводородов, сложных эфиров, спиртов, кетонов поверхностное натяжение лежит в пределах 2236 мДжм2. С увеличением содержания растворителей в композиции поверхностное натяжение лаков и красок уменьшается (рис. 4.3).
1397045720
Рис. 4.3. Зависимость поверхностного натяжения растворов полистирола от содержания растворителей:
1 циклогексанон;
2 ксилол;
3 метилэтилкетон

1

2

3

Содержание растворителя,%

Большое значение в процессах формирования покрытий из растворов имеет и соотношение значений поверхностного натяжения пленкообразователя и растворителя.
Более высокими значениями поверхностного натяжения характеризуются краски, в которых дисперсионной средой или растворителем является вода, поскольку для воды =72,7 мДжм2. Эти краски плохо смачивают гидрофобные и недостаточно обезжиренные поверхности. С целью снижения поверхностного натяжения в состав водоразбавляемых красок вводят спирты, а воднодисперсионных поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Поверхностное натяжение расплавов характеризуется лишь химической природой пленкообразователя, мало изменяясь с изменением молекулярной массы, но, линейно уменьшаясь с возрастанием температуры, причем тангенс угла наклона прямой служит мерой поверхностной энтропии расплава:
(4.7)
Температурный градиент поверхностного натяжения у различных пленкообразователей колеблется от 0,06 до 0,11. Материалы с более высокими значениями этого показателя лучше растекаются по поверхности в процессе их нанесения в нагретом состоянии.
С целью снижения поверхностного натяжения расплавов, улучшения смачивания ими поверхности в состав красок вводят смачивающие вещества: силиконовые масла, акрилатные олигомеры, полимеры простых виниловых эфиров, низкомолекулярные пластификаторы, некоторые поверхностно-активные вещества.
Поверхностное натяжение жидких красок определяют по отрыву капли, поднятию жидкости в капилляре, продавливанию воздушного пузырька. При изучении расплавов расплавов пользуются чаще косвенными методами: определяют по смачиванию пленки жидкостями, набуханию в растворителях, плотности энергии когезии, «нулевой» ползучести и т.д.
4.4. Свойства порошковых лакокрасочных материалов
Среди характеристик порошковых лаков и красок, обуславливающих условия формирования и свойства покрытий наиболее значимыми являются:
дисперсионный состав;
сыпучесть;
насыпная плотность.
Размер частиц промышленных порошковых красок составляет 5350 мкм, то есть эти краски полидисперсны. Дисперсность зачастую предопределяет выбор способа нанесения красок на поверхность, например порошки с диаметром частиц до 100 мкм наносят электростатическим напылением или «в облаке» заряженных частиц, а покрытия из грубодисперсных порошков, обладающих меньшей слеживаемостью и которые легче псевдоожижаются, формируют в аппаратах кипящего слоя. Следует отметить, что более грубодисперсные порошки образуют и более толстые покрытия.
Важную роль играет и полидисперсность красок. Так, полидисперсные порошки склонны к сепарации и пылению в процессе перевода их в аэрозольное состояние. Наличие же крупных частиц и агрегатов приводит к появлению дефектов покрытия: «шагрени» (волнистость), кратеров и т. д.
С дисперсностью связана удельная поверхность порошковых тел Sуд. (10100 м2г):
Sуд. = A/(r0), (4.8)
где А константа, зависящая от степени полидисперсности и формы частиц порошка;
r0 – средний радиус частиц;
плотность порошкового материала.
Являясь своеобразной мерой поверхностной энергии, удельная поверхность во многом определяет скорость слияния частиц и в целом продолжительность формирования покрытий.
Сыпучесть зависит от степени взаимодействия между частицами и часто оценивается по коэффициенту внутреннего трения функции угла естественного откоса свободно насыпанного порошка:
tg (4.9)
и для большинства порошковых красок =0,71,0 ( = 3545).
Сыпучесть зависит от дисперсности порошков, степени изометричности их частиц, влажности, температуры. Ее можно улучшить путем введения в краску целевых компонентов: аэросила, пирогенного кремнезема и др. Для создания более качественных покрытий лучше использовать более сыпучие порошки с меньшими значениями , поскольку они легче псевдоожижаются, равномернее осаждаются на поверхности при любых способах нанесения и образуют более качественные покрытия по декоративности и сплошности.
Насыпная плотность это масса свободно насыпанного порошка в единице объема
нас. = mV, (4.10)
где m масса порошка, кг;
V объем порошка, м3.Для промышленных порошковых красок насыпная плотность составляет 200800 кгм3 и зависит от состава красок (у пигментированных материалов нас. имеет более высокие значения по сравнению с непигментированными), формы частиц, степени их полидисперсности.
Относительная плотность отн. отношение насыпной плотности к истинной плотности характеризует порозность материала. Для многих лаков и красок отн. =2050%, то есть твердое вещество (дисперсная фаза) в них составляет менее 0,20,5 объема. Рыхлые порошки (с малыми значениями нас. и отн.) не технологичны, поэтому перед их нанесением часто проводят операции по повышению плотности. Так, фторопластовые составы нагревают при температуре, близкой к температуре потери прочности (температура начала деструкции материала). При этом частицы укрупняются, их форма выравнивается и нас. возрастает в 1,52 раза.
Дисперсионный состав красок определяют с помощью ситового анализа, микроскопии, седиментационной турбодиметрии. Сыпучесть определяют на приборах, принцип действия которых основан на скорости истечения порошка через сопло, фиксации углов откоса, ссыпания, обрушения, насыпную плотность оценивают с помощью прибора волюмометра и соответствующего набора тарированных стаканчиков.
Рассмотренные показатели не в полной мере исчерпывают все свойства порошковых и жидких красок, влияющих на технологический процесс получения покрытий. Так, при использовании жидких лаков и красок большое значение часто имеют цвет и сорность, однородность, содержание сухого вещества, стабильность при хранении, электрические и многие другие параметры.
Не в меньшей степени разнообразны требования и к порошковым материалам, но они достаточно специфичны для разных групп материалов и будут рассмотрены в других главах учебного пособия.
Глава 5.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Эксплуатационные характеристики лакокрасочных покрытий в значительной мере зависят от взаимодействия их с подложкой типа возникающих между материалом пленки и подложкой связей. Уже при нанесении лакокрасочного материала на твердую поверхность между ними устанавливается адсорбционное взаимодействие, степень которого определяет полноту смачивания поверхности, которая во многом определяет сплошность, адгезию, оптические, противокоррозионные и другие свойства покрытия.
5.1. Свойства твердой поверхности
Чистота поверхности. Поверхность практически любых твердых тел содержит различные загрязнения и примеси (адсорбированные газы, влага воздуха и др.) Для металлов (исключая золото, платину и серебро) типичные загрязнения оксиды.
В зависимости от условий обработки и хранения металла толщина и химический состав оксидов сильно различаются. Например, на железе толщина трехслойных оксидных пленок FeO/Fe3O4/Fe2O3 1,515 нм, на алюминии 520 нм. Для меди характерно двухслойное строение оксидной пленки Cu2O/CuO. Для всех металлов, содержащих оксидные слои, присуще вследствие сорбционной способности наличие физио- и хемосорбированной воды, количество которой достигает нескольких десятков монослоев в зависимости от адсорбционной активности металла и влажности воздуха.
По мере удаления от поверхности подложки энергия связи молекул адсорбированной воды уменьшается. Температурный интервал десорбции физиосорбированной воды у многих металлов 50230С, хемосорбированной 250430С; энергия активации десорбции с поверхности железа соответственно 38 кДжмоль и 84 кДжмоль.
Очевидно, что при нанесении на металлические поверхности лакокрасочный материал контактирует не с металлом, а с кислородными или иными соединениями и адсорбированной водой, находящимися на его поверхности.
1591310227330Поверхности стекол присуща своя специфика. Обычно поверхность стекла обогащена кремнеземом; для нее характерно наличие силанольных групп , являющихся донорами водорода, в результате, как и в случае металлов, на поверхности стекол хемосорбируется вода. Толщина адсорбционного слоя воды десятки нанометров, удаляется вода с трудом даже при прогреве в вакууме при 400500С.
На поверхности силикатных строительных материалов бетона, штукатурки, кирпича, камня всегда присутствует адсорбированная вода, а также карбонаты за счет диоксида углерода воздуха, поскольку строительные материалы имеют щелочной характер.
Поверхность кожи, пластмасс, резины чаще всего загрязнена воскам, жирами, а также веществами, вводимыми при получении и переработке материалов (катализаторы, стабилизаторы, поверхностно-активные вещества и др.), что отрицательно сказывается на адгезионной прочности покрытий.
Макро- и микрорельеф поверхности. Микрорельеф, или атомно-молекулярная шероховатость, поверхности определяется кристаллической и надмолекулярной структурой самого материала. Кроме того, кристаллическим телам свойственны поверхностные трещины и полости микро- и субмикроскопических размеров.
Макрорельеф поверхности обуславливается природой материала и условиями изготовления и обработки изделий. Разновидности макрорельефа: волнистость, шероховатость, пористость. Рельеф может создаваться за счет дефектов поверхности рисками, царапинами, раковинами и т. д. Данные о геометрии поверхности получают путем снятия профилограмм (рис. 5.1).
Шероховатость определяют по ГОСТ 278973, используя высотные и шаговые параметры (рис. 5.1,б). Высотные параметры (Ra, Rz, Rмакс.) характеризуют среднюю и наибольшую высоту неровностей, шаговые (S, Sm, tp) взаимное расположение вершин неровностей. (Параметры: Ra среднеарифметическое отклонение, Rz высота неровностей по 10 точкам и tp относительная средняя длина профиля на рисунке не указаны.) Определено 14 классов шероховатости (чистоты) поверхности. Высший класс 14, ему соответствуют поверхности Ra,0,01 мкм и Rz0,05 мкм.
47117026670 а
б
Рис. 5.1. Разновидности неровностей (а) и профилограмма (б) твердой
поверхности:
I макроскопические отклонения, Rмакс = 1,00,1 мм;
I волнистость, Rмакс = 101103мм;
III микронеровности, Rмакс = 103105мм;
IV ультрамикронеровности, Rмакс = 103107мм
Характеристикой рельефа поверхности может быть также показатель доступности произведение амплитуды иглы профилографа на число колебаний, приходящееся на единицу длины. Для полированной поверхности этот показатель составляет несколько единиц, а для дробеструйно-обработанной десятки и сотни единиц.
Очень развитая поверхность у пористых материалов древесины, бумаги, кожи, тканей. Капилляры древесины разных пород имеют размеры 3090 мкм, а их суммарный объем составляет от 55 до 72% общего объема древесины. Полости кожи занимают до 5060% общего объема материала.
Поверхности твердых тел подразделяют на истинную, доступную и кажущуюся. Кажущаяся поверхность (SK) определяют специальными методами. Для ряда материалов значения SД/SK приведены ниже:
Полированная сталь 1,4
Прокатанный никель 3,5
Шлифованный никель 9,7
Древесина, кожа 200300
Рельеф поверхности влияет на расход лакокрасочных материалов и во многом определяет необходимую толщину эксплуатационно-способных покрытий. Например, расходные коэффициенты красок при нанесении на древесину в 23 раза выше, чем при нанесении на металлы (непористые материалы). Толщина защитных покрытий должна превышать максимальную высоту микро-неровностей поверхности не менее чем на 20%.
В этой связи существует допустимый предел по шероховатости: приемлемой является поверхность не менее 4 класса чистоты (Ra,10 мкм; Rz40 мкм). Норма шероховатости стали после дробеметной обработки составляет значения Rмакс. = 5585 мкм. Необходимо иметь в виду, что уже при значениях Rмакс.3 мкм и Ra0,5 мкм шероховатость поверхности подложки проявляется в покрытии и тем больше, чем тоньше пленка.
Создание заданного рельефа и регулирование степени шероховатости поверхности осуществляется разными способами: соответствующей механической, термической, химической, электрохимической обработкой, воздействием коронного и тлеющего разрядов и др.
Гидрофильность и гидрофобность поверхности свойства, характеризующие сродство твердых тел к воде. Так, Ребиндер считает, что металлы по своей молекулярной структуре гидрофобны, но оксиды и сорбированные газы придают их поверхности гидрофильность. Например, максимальное набухание древесины наблюдается в воде. С уменьшением диэлектрической проницаемости степень поглощения соответствующих жидкостей уменьшается. Однако древесина практически не набухает в ароматических и алифатических углеводородах (5), происходит лишь капиллярное впитывание этих соединений. Кожа гидрофильна, но жировые загрязнения на ее поверхности сообщают ей свойство гидрофобности. Если кожу тщательно обезжирить, то она приобретает способность смачиваться водными красками (казеиновые, полиакрилатные и др.)
Пластмассы в зависимости от химической природы связующего имеют разную по знаку полярности поверхность. Так, органическое стекло, полиамидные, полиацетатные пластические массы фено- и аминопласты хорошо смачиваются водными растворами пленкообразователей. Однако возникают проблемы при нанесении красок, содержащих полярные растворители, на полимеры с высокой гидрофобностью поверхности, такие как полиолефины, полифторолефины. Таким образом, под водные краски нужна гидрофильная поверхность, а под краски на гидрофобных пленкообразователях гидрофобная. Регулирование по знаку полярности поверхности достигается следующими путями:
гидрофилизация тщательным обезжириванием, окислением (в случае пластмасс), нанесением конверсионных покрытий (в случае металлов);
гидрофобизация обработкой поверхностей ПАВ, аппретами, шлифованием поверхности в присутствии неполярных жидкостей (для металлов).
Поверхностная энергия. Условно все тела подразделяют на две группы:
с высокой поверхностной энергией (500 мДжм2);
с низкой поверхностной энергией (500 мДжм2).
К первой группе относятся металлы, окислы металлов, нитриды, сульфиды, стекло, кварц и др. Ко второй пластмассы, кожа, бумага, древесина, органические низкомолекулярные вещества.Экспериментально определение поверхностной энергии твердых тел проводят по энергии разрушения, или критического напряжения разрыва (метод Гриффита), методом «нулевой» ползучести (метод Таммана), по смачиванию поверхности различными жидкостями (метод Зисмана).
Поверхностная энергия Гиббса твердых тел, которые могут служить подложкой, во многом определяет смачивание и растекание, адгезионную прочность и др.
При одинаковой по знаку полярности любые жидкости лучше смачивают подложку с большей поверхностной энергией. Поверхностная энергия может быть изменена путем модификации. Например, металлы оксидируют, фосфатируют, азотируют, силицируют; природу поверхности изменяют путем адсорбции низкомолекулярных веществ (жирные кислоты, амины, ПАВ), нанесения и других органических и неорганических соединений.
5.2. Смачивание жидкими лакокрасочными материалами твердой поверхности
Смачивание поверхности подложки жидким лакокрасочным материалом является обязательным условием создания покрытия. Смачивание представляется как проявление взаимодействия на границе разнородных фаз:
твердое тело жидкость газ или
твердое тело жидкость жидкость.
В кинетическом режиме смачивание это растекание жидкостей по твердой поверхности. Смачивание, растекание это самопроизвольные процессы, которые происходят за счет уменьшения поверхностной энергии Гиббса системы.
От степени смачивания лакокрасочным материалом подложки в значительной степени зависят внешний вид, сплошность, адгезия и защитная способность покрытий.
5.2.1. Формирование поверхности контакта
Взаимодействие разнородных материалов возможно при наличии контакта между ними, который обеспечивается зазором не более 0,5 нм, так как действие ориентационных, индукционных, дисперсионных сил возможно лишь на расстоянии 0,5 нм. Скорость достижения необходимого контакта зависит как от характера поверхности, так и от свойств контактирующих материалов.
В обеспечении контакта важная роль принадлежит рельефу поверхности. Так, шероховатую поверхность можно принять за поликапиллярную систему, причем глубина затекания (подъема) жидкости в поры Н определяется силами капиллярного давления:
Н=Кcos(rg), (5.1)
где К постоянная;
поверхностное натяжение жидкости;
угол наклона капилляра (угол смачивания);
плотность жидкости;
r радиус капилляра (поры);
g ускорение свободного падения.
Время подъема до установления гидростатического равновесия столба жидкости вычисляют по уравнению Пуазейля
= 2l2(rcos), (5.2)
где l длина капилляра (поры).
Таким образом, важными факторами, обуславливающими полноту контакта (заполнение неровностей пор поверхности подложки), являются вязкость, плотность, поверхностное натяжение лакокрасочного материала, размеры, форма и расположение пор (неровностей) поверхности. Следует отметить, что уменьшение диаметра капилляров и полостей приводит к снижению скорости впитывания красок, но потенциально возможная глубина их проникновения возрастает.
Вязкость красок, нанесенных на подложку, может составлять несколько единиц Пас (для растворов) и много тысяч единиц Пас (для расплавов). Она быстро возрастает при отверждении покрытия, что затрудняет достижение полного контакта.
Фактический контакт между лакокрасочным материалом и подложкой является лишь небольшой частью теоретически возможного контакта, что можно объяснить следующими причинами:
мешает воздух, находящийся в углублениях подложки;
газовыделение при формировании покрытий, особенно при повышенных температурах.

Рис. 5.2. Схема проникновения лакокрасочного материала в неровности
поверхности:
1 подложка; 2 воздушные полости; 3 лакокрасочный материал
Существуют разные способы достижения хорошего смачивания и пропитывания лакокрасочными материалами непористых (металлы, стекло, силикаты) и пористых (бумага, ткань, древесина) подложек:
применение лакокрасочных материалов с пониженной вязкостью и малой скоростью отверждения (для этого часто используют медленно испаряющиеся растворители;
нагревание красок или подложки, либо того и другого одновременно;
замедление сушки (отверждения) покрытия (например, путем выдержки его в парах растворителя);
применением давления или чередованием вакуума и давления;
вибрационным (лучше ультразвуковым) воздействием на подложку с нанесенным на нее слоем лакокрасочного материала.
При окрашивании непористых подложек обычно пытаются увеличивать размеры контактной поверхности, существенно влияющей на адгезию покрытий.
При окрашивании высокопористых субстратов, а также при получении съемных покрытий (низкоадгезивных) используют приемы уменьшения поверхности контакта: использование высоковязких быстроотверждающихся лакокрасочных материалов, расплавов пленкообразователей.
5.2.2. Смачивание поверхностей на воздухе
Форма капли жидкого лакокрасочного материала с краевым углом , помещенной на твердую горизонтальную поверхность в воздушной среде, будет обусловлена совокупностью действующих сил в виде поверхностных натяжений на границе раздела фаз твердое тело газ тг, твердое тело жидкость тж и жидкость газ жг.
Рассмотрим три случая:
полное смачивание угол равен нулю или близок к нему, жидкость свободно растекается по поверхности твердого тела (рис. 5.3, а);
неполное смачивание 0 90, капля жидкости имеет форму шарового сегмента (рис.5.3, б);
несмачивание угол превышает 90, жидкость стремиться уйти с поверхности или собраться в сферическую каплю (рис. 5.3, в).
Рис. 5.3. Капля жидкости на поверхности твердого тела

Взаимосвязь смачивающих свойств жидкости с краевым углом описывается уравнением Юнга
тг тж = жгcos (5.3)
Чтобы удалить каплю с поверхности необходимо затратить работу W:
W = Wa·тж, (5.4)
где Wa работа адгезии;
тж площадь поверхности контакта жидкости с твердым телом.
Работа адгезии может быть определена как разность между (жг + тг) и поверхностным натяжением тж и с учетом уравнения (2.3) выражена следующим уравнением:
Wa = жг + тг тж = жг (1+ cos), (5.5)
где жгcos энергия смачивания или адгезионное напряжение.
Работа адгезии тем больше, чем сильнее взаимодействие контактирующих фаз. В связи с тем, что смачивание связано с адсорбцией части жидкости на поверхности твердого тела, которая не может быть удалена, величина определяемой работы адгезии обычно меньше на величину
Wa = жг (1+ cos) . (5.6)
Значения (доля адсорбционной составляющей работы адгезии) для разных лакокрасочных материалов и подложек составляют от долей процентов до нескольких процентов.
Адсорбционное взаимодействие благоприятствует смачиванию и растеканию жидкостей, краевой угол смачивания при этом уменьшается. Смачивание сопровождается выделением теплоты 103 105 кДжсм2.
Для характеристики смачивания Х. Д. Шенборн ввел коэффициент растекания S разность между работой адгезии и работой когезии Wк, численно равной 2жг:
S = Wа Wк = Wа 2жг = жг (cos 1) (5.7)
При полном смачивании S 0. Причем, чем меньше работа когезии жидкости, тем легче эта жидкость смачивает различные твердые тела. Так, неполярные жидкости (алифатические и ароматические углеводороды), имеющие поверхностное натяжение 20 мДж/м2, и содержащие их краски удовлетворительно смачивают большинство твердых тел различной природы, а жидкости с высоким поверхностным натяжением (вода, водные краски) не смачивают многие тела.
Высокоэнергетические поверхности смачиваются легче, чем низкоэнергетические, причем работа адгезии при этом также выше. Например, если наносить водные растворы пленкообразователей на полистирол (кр=33мДж/м2) и олово (кр=540мДж/м2) работа адгезии равна 72 и 312 мДж/м2 соответственно.
Шероховатость поверхности также влияет на смачивание: в случае гидрофильных тел ( уменьшается) положительно, а в случае гидрофобных отрицательно.
При нанесении высоковязких растворов и расплавов полимеров процессы растекания усложняются. Угол в этих случаях близок к 90 и часто кажется, что жидкость плохо смачивает поверхность. Но здесь не учитывается тот факт, что равновесное состояние краевого угла в таких системах устанавливается медленно, часто в течение нескольких суток, и угол, образующийся при растекании, может легко изменяться под влиянием механических воздействий. Растеканию в вязком режиме, как и оттеканию (восстановлению принудительно деформированной капли в первоначальное состояние) противодействует механическая сила f усилие деформации образца. Устанавливается не истинное термодинамическое равновесие, а ложное, заторможенное:
тг тж = жг·cos + f0 (5.8)
Из уравнения 5.8 видно, что если сила f велика, то растекания не происходит, даже несмотря на его энергетическую выгодность. В этой связи для улучшения растекания часто снижают вязкость лакокрасочных материалов.
Часто при нанесении водных красок на плохо обезжиренные поверхности и изделия, покрытые предварительно масляными красками, гидрофобные поверхности пластмасс и др. Наблюдается «сбегание» собирание краски в отдельные островки и капли. Это является признаком плохого смачивания. Влажные поверхности не смачиваются гидрофобными красками.
Следствием плохого смачивания и растекания красок на поверхности может быть повышенная пористость покрытий, «шагрень» (волнистость) при нанесении жидких красок распылением и при сплавлении порошковых красок.
Эффект смачивания очень важен при производстве печатной продукции, а также при нанесении красок валковым методом и электроосаждением. Улучшить смачивание и растекание можно регулированием поверхностного натяжения, степени гидрофильности или гидрофобности лакокрасочного материала, а также изменением свойств подложки или того и другого. Так, благоприятно сказывается на смачивание поверхностей присутствие свободных жирных кислот в масляных и алкидных красках, введение в состав красок умеренно полярных растворителей (бутиловый спирт, этилцеллозольв, метилэтилкетон, циклогексанон, сольвент), тщательное обезжиривание поверхности. Смачивание также улучшается при нанесении красок в подогретом состоянии.
5.2.3. Смачивание увлажненных и погруженных в воду
поверхностей
Процесс смачивания в системе жидкость 1, жидкость 2, твердое тело 3 описывается уравнением:
1,3 1,2,3 2 cos 1,2 3 cos 1,3 2,3 cos 1,2,3, (5.9)
т. е. для смачивания жидкостью 1 (лаком или краской) твердого тела необходимо, чтобы ее поверхностное натяжение было меньше, чем у жидкости 2. На практике чаще всего жидкостью 2 является вода ( 72,7 мДж/м2). Возможны два варианта:
вода в ограниченном количестве контактирует с поверхностью (окрашивание влажных и мокрых поверхностей);
имеется неограниченное количество воды (окрашивание объектов и сооружений под водой).
В первом варианте окрашивание возможно путем связывания воды или избирательного смачивания поверхности на границе двух антиполярных жидкостей, во втором путем вытеснения одной жидкости другой. Например, для нанесения на влажные поверхности применяют водоразбавляемые лакокрасочные материалы (вододисперсионные, цементные, силикатные, клеевые и другие краски). В этом случае присутствующая на окрашиваемой поверхности вода входит в состав лакокрасочного материала как растворитель и испаряется или связывается с компонентами краски при формировании покрытия.
Краски, содержащие гидрофобные пленкообразователи, смачивают влажные поверхности лишь тогда, когда разность полярностей краски и поверхности меньше, чем разность полярностей воды и поверхности. Это выполняется в тех случаях, когда при окрашивании предусматривается гидрофобизация твердой поверхности, осуществляемая либо предварительной обработкой мокрой поверхности раствором гидрофобизатора, либо введением гидрофобизирующих веществ в состав лакокрасочных материалов.
Гидрофобизаторы катионоактивные ПАВ: хлориды стеариламидометилпиридиния, алкилбензилдиметиламмония, алифатических аминов и др. Их содержание в красках составляет 0,10,5%.
Окрашивание возможно и с помощью связывания воды компонентами краски или ее эмульгирования. Для чего в состав красок вводят соответственно в первом случае водопоглощающие вещества (цемент, неблокированные или частично блокированные изоцианаты, отверждаемые водой полиуретаны), и во втором ионогенные ПАВ (олеат триэтаноламина, мыла жирных кислот и др.)
Смачивание поверхности под водой наиболее сложный случай поверхностного взаимодействия. Большинство красок, хорошо смачивающих поверхности на воздухе, не наносятся под слоем воды. Для них краевой угол смачивания в воде металлов, стекол, керамики превышает 90.
Способность краски вытеснять воду и смачивать гидрофильные поверхности во многом определяется энергией взаимодействия пленкообразователя или других составных компонентов краски с водой. Водовытеснение происходит лишь в том случае, если эта энергия будет соизмерима с энергией взаимодействия молекул воды (краска при этом не должна растворяться в воде). Энергия связи функциональных групп с водой возрастает в ряду:
1842770806452757170806452425708064592837080645

115697080645207137080645356870112395

22999701219201156970121920356870121920
.
Применяя в качестве пленкообразователей или модификаторов красок соединения, способные образовывать водородные связи с водой (полиуретаны, полиамиды, ненасыщенные полиэфиры, некоторые амины и др.), можно получить значения краевого угла 30, при этом краски приобретают способность наноситься под водой.
356870369570Схема взаимодействия жидкого пленкообразователя (полиамида) с твердой поверхностью (металл) в воде представлена ниже:
Согласно схеме, формирование жидкой пленки происходит с участием мономолекулярного слоя воды, который прочно связан как с подложкой, так и с полярными группами пленкообразователя.
С повышением температуры смачивание улучшается; наилучшее вытеснение воды с поверхности достигается при оптимальной вязкости пленкообразователя (порядка 0,3 Пас).
Следует отметить, что соленость воды не оказывает существенного влияния на нанесение красок. Краски для подводного нанесения должна обладать плотностью, превышающей плотность воды, и быть способными отверждаться в водной среде. Наиболее применимы для нанесения под водой краски на основе олигомерных пленкообразователей, не содержащие растворителей.
Для нанесения по влажным поверхностям применяют эпоксидную (ЭПК16) и эпоксидно-лаковую (ЭПК20 и ЭПК33) краски с модификатором алкилбензилдиметиламмоний хлоридом. Они применяются для защиты нефтепромысловых и портовых сооружений и других объектов. Для окрашивания мокрых бетонных и оштукатуренных поверхностей используют виниловые (ХС068, ХС510, ХС710) лакокрасочные материалы с модификатором ДГУ (510%) и эпоксидные составы (ЭП525; ЭП0010) с отвердителем-модификатором И6М и ускорителем отверждения УП606/2, а также поливинилацетатную грунтовку ЭВА0151.
Окрашивать объекты и сооружения под водой (суда, опоры мостов, сваи нефтяных вышек, шлюзы и др.) можно эмалью БЭП5188. Ее наносят специальным аппаратом (принцип выдавливания) на предварительно очищенную поверхность; отверждается эмаль под водой быстрее, чем на воздухе (18 ч против 24 ч). Для грунтования и заделки дефектов поверхности используют специально разработанные для подводного склеивания клеи «Стык» и «СпрутМП».
Глава 6. Свойства и разновидности покрытий
6.1. Прочностные и деформационные свойства
В процессе эксплуатации лакокрасочные покрытия испытывают механические воздействия, обусловленные:
приложением внешней нагрузки (вибрация, многократный изгиб, растягивающие напряжения и т. д.;
наличием внутренних (остаточных) напряжений в покрытии;
протеканием физических и химических процессов в пленке (кристаллизация, деструкция и структурирование, улетучивание пластификаторов и др.).
Механическая прочность это сопротивление механическим воздействиям, которые могут вызывать деформацию изменение формы или разрушение покрытия. Разрушение появление микротрещин относят к микроразрушению, а нарушение целостности к макроразрушению.
Прочностные и деформационные свойства покрытий оценивают модулем упругости, прочностью при растяжении, твердостью, эластичностью, стойкостью к истиранию и т. д.
6.2. Факторы, влияющие на механические свойства
покрытий
Механические свойства покрытий зависят от структуры и условий их получения. Так, прочность пленок возрастает с увеличением молекулярной массы полимера, степени кристалличности, числа мостичных связей (в случае пленок трехмерного строения).
В случае полиолефинов установлена зависимость между равновесным модулем упругости Е и степенью кристалличности :
Е = Ае, (6.1)
где А и постоянные; А=33,9; =0,044.
Модуль упругости коррелирует с твердостью покрытий и прочностью при растяжении.
Прочность при растяжении и относительное удлинение пленок уменьшаются с ростом надмолекулярных структур. Образцы со сферолитами диаметром 300 мкм имеют дефекты в пограничных участках структур и хрупко разрушаются при деформациях 515%.
Механическая прочность и способность пленок к деформации изменяются при структурировании. Причем, в случае олигомеров (эпоксидные, мочевиноформальдегидные, полиэфирные). Эти характеристики улучшаются с возрастанием плотности трехмерной сетки, а для полимеров наблюдается экстремальная зависимость прочности от числа поперечных связей. Деформируемость покрытий при этом уменьшается, т. е., используя в лаках и красках разные полифункциональные структурирующие добавки и варьируя условия отверждения (сушки) покрытий можно регулировать их механические свойства.
Механические свойства пластифицированных и пигментированных покрытий также зависят от содержания модифицирующего компонента, химической природы, размера и формы частиц пигмента, а также от его взаимодействия с пленкообразователем. Например, чешуйчатые и волокнистые пигменты и наполнители в большей мере усиливают пленкообразователи, чем наполнители изометрической формой частиц. Отмечается больший эффект усиления у аморфных полимеров, чем у кристаллических.При увеличении пористости покрытий прочность пленок снижается. Прочность не всегда одинакова у пленок разной толщины: существенное значение оказывает на прочность и способ получения покрытия. Прочность адгезированных и неадгезированных пленок примерно одинакова. Временная зависимость прочности покрытий:
= Ае, (6.2)
где А и постоянные.
Это уравнение применяется для оценки долговечности покрытий в изотермических условиях. Прочность зависит и от скорости деформации:
р = an, (6.3)
где скорость растяжения;
a и n постоянные.
Скорость приложения нагрузки сказывается и на величине деформации: чем больше , тем меньше .
Прочностные и деформационные свойства покрытий сильно зависят от температуры. С повышением температуры происходит уменьшение модуля упругости, твердости, прочности при растяжении и изгибе и долговечности покрытий; относительное удлинение пленок при разрыве возрастает.
Температурная зависимость прочности имеет вид:
р = 0, (6.4)
где 0 прочность при исходной температуре.
Прочностные показатели покрытий изменяются при изменении характера окружающей среды. Так, в результате адсорбции поверхностью пленки жидких или газообразных продуктов возможно как понижение ее прочности (эффект Ребиндера), так и повышение за счет залечивания локальных микротрещин. При переходе от газообразных сред к жидким прочность и долговечность покрытий снижается.
6.3. Покрытия целевого назначения.
Морозостойкие покрытия
Главное требование к морозостойким покрытиям я отсутствие хрупкости, то есть сохранение требуемых механических свойств при низких температурах. Критерий морозостойкости полимерных материалов я температура хрупкости Тхр. Она определяется графически путем построения зависимости вын. эл.= f(Т) (рис. 6.1):

Рис. 6.1. Температурная зависимость вынужденно-эластической деформации вын.эл и хрупкой прочности хр стеклообразных пленок
С понижением температуры вын. эл застеклованных полимеров увеличивается, но до определенного предела, затем наступает хрупкое состояние материала, которое характеризуется более пологой прямой зависимости хр = f(Т). Точка перегиба А, при которой достигается равенство пределов вынужденно-эластической деформации и хрупкой прочности (вын. эл = хр), отвечает Тхр материала. Ниже этой температуры пленка не выдерживает больших деформаций и хрупко разрушается при приложении нагрузки. Поэтому Тхр это нижняя граница температурной области эксплуатации покрытий. Верхняя граница температурной области эксплуатации в зависимости от эксплуатационных требований к покрытию определяется Тс, Тпл или реже температурами текучести, разложения, потери прочности материала. Чем больше разность между этими температурами и Тхр, тем шире интервал рабочих температур покрытия Т.
Значения Тхр и Т для ряда полимерных пленкообразователей приведены ниже:
Тхр,С Т, С
Фторопласт 170 430
Полиэтилен 70 190
Полипропилен 15 180
Поливинилхлорид 10 90
Поливинилацетат 5 33
Полистирол 90 10
О морозостойкости покрытий судят по их способности выдерживать без растрескивания резкое охлаждение до температур 60 180С, многократные циклы охлаждения и нагревания в пределах 60 +30С или противостоять в охлажденном состоянии без разрушения ударным воздействиям.
Морозостойкость покрытий зависит от их толщины (увеличиваясь с уменьшением толщины), условий подготовки поверхности материала подложки. Неморозостойкие покрытия самопроизвольно растрескиваются под влиянием внутренних напряжений. При низких температурах снижаются механические свойства (ударная прочность, эластичность при изгибе, адгезия) практически всех покрытий.
Материалы и покрытия выбирают для эксплуатации в условиях холодного климата в соответствии с ГОСТ 9.40481.ЕС3КС. В атмосферных условиях применяют комплексные покрытия из грунтовок ВФЛ093, ВЛ02 с алюминиевой пудрой, ЭП0156, ГФ017, ХС010 и эмалей МЛ1110, МЛ197, АС182, ПФ188, ХВ16, ХВ124. Для защиты металлов от воздействия сжиженных газов (температура до 200С) применяют покрытия на основе акрилатной эмали АС730 и поливинилбутиральных грунтовок ВЛ02, ВЛ08 толщиной 5060 мкм. Перед нанесением покрытий из лакокрасочных материалов во всех случаях полезна дробеструйная обработка поверхности.
6.4. Износостойкие покрытия
Износ это сложный вид механического разрушения материала, возникающий в результате трения соприкасающихся поверхностей. Различают усталостный и абразивный износ. Усталостный износ обусловлен трением скольжения, а абразивный я абразивным воздействием (микрорезанием) неровностей контактирующих поверхностей.
При малых давлениях износ лакокрасочных покрытий наступает после индукционного периода инд, обусловленного накоплением дефектов в пленке. Продолжительность индукционного периода инд, толщина изношенного слоя покрытия, износ h и время полного изнашивания h определяются прочностью межатомных и межмолекулярных связей и скоростью релаксационных процессов в пленке:
h = А, (6.5)
где А, а и в постоянные, зависящие от природы полимера и условий нагружения.
Невелико сопротивление износу у высокомодульных аморфных и кристаллических полимеров с жесткой трехмерной, плотно упакованной фибриллярной или крупносферолитной структурой.
Высокой стойкостью к износу характеризуются покрытия с мелкосферолитной, дезориентированной фибриллярной структурой, имеющие умеренную степень сшивания макромолекул и отличающиеся большими значениями обратимой деформации и малыми временами релаксации. Индукционный период и износ имеют оптимум на температурной зависимости, что связано с понижением подвижности цепей макромолекул и увеличением доли пластической деформации, снижающей прочность материала пленки.
При увеличении давления износ линейно возрастает, причем он тем меньше, чем меньше коэффициент трения покрытия и больше его адгезионная прочность. Покрытия, обладающие низкими значениями коэффициентов трения, называются антифрикционными. К ним относятся: полиамидные, фторопластовые, пентапластовые, полиэтиленовые, эпоксидные. Часто это смеси полимеров: полиамид фторопласт (10/4), полиамид полиэтилен (8/2), полиамид поливинилбутираль (1/1). Их наносят на поверхность в виде порошка с последующим сплавлением.
Для снижения коэффициента трения и увеличения стойкости к износу в композиции лакокрасочных материалов вводят минеральные (дисульфид молибдена, графит, тальк, оксид алюминия, порошок свинца и др.) и полимерные (фторопласты, полиэтилен) наполнители, а также пластифицируют покрытия.
Стойкость к абразивному износу наиболее высока у полиуретановых покрытий. В ряде случаев они превосходят по эрозионной стойкости в 68 раз стальные образцы. Их используют при защите пропеллеров вертолетов, лопастей турбин, пылевых вентиляторов, паркета, верха обуви и т. д.
Абразивостойки покрытия из вулканизованных натурального и хлоропренового каучуков.Для лакирования деревянных полов используют мочевиноформальдегидный лак МЧ26, пентафталевый лак ПФ231, краска ПФ226; для разметки асфальтовых дорог термопластичный состав на полиэфирной основе и др.
При введении в состав красок абразивов (электрокорунд, кварцевый песок) получают покрытия с высоким коэффициентом трения скольжения нескользящие покрытия. Их используют для защиты трапов, полов и как палубные покрытия с целью обеспечения безопасности передвижения людей и перемещения грузов. Например, известна нескользящая эмаль ЭФ5179 с наполнителем электрокорундом, который вводят в лак перед применением в соотношении 1/1.
6.5. Вибропоглощающие покрытия
Вибропоглощающие, или демпфирующие, покрытия используются как эффективные средства борьбы с вибрациями и шумом в промышленности и на транспорте, возникающими в результате колебаний элементов машин и конструкций. Покрытия рассеивают (гасят) энергию колебания подложки, препятствуя шумообразованию. Это свойство обусловлено полимерным строением их пленкообразующих компонентов. Полимеры по механическому поведению занимают промежуточное положение между упругими телами и жидкостями. Они не запасают всю работу внешних сил в виде потенциальной энергии в отличие от упругих тел и не диссипируют ее полностью в теплоту в отличие от жидкостей. Для них характерно частичное превращение колебательной энергии в потенциальную и ее частичное рассеивание в виде теплоты. Диссипированная энергия проявляется как механическое демпфирование, мерой интенсивности которого служит отношение диссипируемой энергии к максимальной потенциальной энергии, запасенной на протяжении цикла колебаний:
(6.6)
где коэффициент диссипации или тангенс угла механических потерь;
модули накопления и потерь энергии, соответственно.
Аналогичными параметрами являются логарифмический декремент и удельная демпфирующая способность или внутреннее трение :
. (6.7)
Логарифмический декремент у полимеров на 12 порядка больше, чем у металлов. Скорость распространения звука (с), определяемая как отношение модуля упругости Е к плотности материала у полимеров относительно низка:
. (6.8)
Все это в совокупности обеспечивает полимерам свойство вибропоглощения. Наиболее высока удельная демпфирующая способность полимеров при температуре стеклования (Тс), в связи с чем в условиях эксплуатации покрытие должно находиться в состоянии, близком к высокоэластическому. Применение кристаллических полимеров для вибропоглощения более предпочтительно, чем аморфных, поскольку они проявляют свойство вибропоглощения в более широком интервале температур.
В качестве вибропоглощающих наиболее эффективны наполненные системы, поскольку внутреннее трение наиболее значительно в гетерогенных средах, состоящих из вязкоупругой (полимерной) и твердой фаз. В качестве наполнителей используются вещества с чешуйчатой и волокнистой формой частиц (графит, микрослюда, алюминиевая пудра, микроасбест), в количествах до 20%. Положительные результаты достигаются и при использовании барита, мела, молотого кварца и др.
Рис. 6.2. Зависимость логарифмического декремента эпоксидных покрытий от относительной деформации (по данным С. С. Негматова и И. И. Пака):
1 образец без покрытия (стальная подложка);
2, 4 образцы с ненаполненным покрытием;
3, 5 образцы с покрытием, наполненным чешуйчатым графитом

Но при больших степенях наполнения (3540%) показана сравнительная демпфирующая способность ненаполненных и наполненных эпоксидных покрытий.
Степень вибропоглощения зависит от соотношения толщин пленки и металлической подложки и их динамических модулей ; для ее оценки используют следующее эмпирическое уравнение:
(6.9)
где А, m, n постоянные.
На массивных подложках демпфирующий эффект покрытий мал, но он существенен на тонкослойных изделиях, когда 1 (см. рис.6.2).
Коэффициент диссипации для большинства недемпфированных конструкций, как правило, не более 0,01. Вибропоглощающие покрытия могут увеличить его до 0,05 и более, что позволяет снизить амплитуды резонансных колебаний почти на 15дБ.
В вибрирующих узлах и механизмов используют покрытия из порошковых пентапластовых, полиамидных и полиэтиленовых композиций, жидких эпоксидных (марка СВМ51), олигоэфиракрилатных (марка СВМ428) и битумных (противошумные мастики №579, 580 и др.) составов. Их толщина, составляя 0,33 мм, обеспечивает снижение вибрации в частотном диапазоне 5010000Гц. При этом (с уменьшением вибрации и шума) повышается срок эксплуатации конструкций.
6.6. Кавитационностойкие покрытия
Изделия и объекты, которые эксплуатируются при контакте с движущимися жидкостями и газами (гидросиловое оборудование ГЭС, днища судов, гидротехнические сооружения и др.), при скоростях обтекания 30 м/с подвергаются эрозионному разрушению в результате кавитации поверхности, вызванной воздействием ударных волн. Такому виду разрушения подвержены почти все твердые материалы, в их числе металл и бетон.
Стойкость покрытий к кавитации зависит от характера и скорости движения среды, природы подложки, структуры и физического состояния материала пленки, ее адгезии к подложке, от деформационных свойств покрытий. В наибольшей степени противостоят эрозионному разрушению покрытия из эластомеров, обладающие высокой прочностью, относительным удлинением, адгезией и малыми временами релаксации. Они служат демпфером, способным гасить ударные кавитационные импульсы. Их формируют используя комбинированные пленкообразователи превращаемого типа как правило, это смеси жесткоцепных полимеров или олигомеров (виниловых, эпоксидных) с эластомерами (каучуками). Установлено, что пигменты и наполнители практически не влияют на кавитационную стойкость покрытий.
Для создания кавитационных покрытий на металлах разработаны эмали: перхлорвиниловая ХВ74, на основе сополимера винилхлорида ХС48, эпоксидно-каучуковые ЭП43, ЭП917.
Кавитационная стойкость покрытий из эмали ЭП43 толщиной 300400 мкм при ускоренных испытаниях в трубе Вентури (скорость омывания водой 60 м/с) 70100ч (к0,25 г/мкм)
(6.10)
где время разрушения пленки;
h толщина пленки;
скорость кавитационного потока
n = 45.
Такие покрытия обеспечивают надежную защиту гребных винтов на судах и других объектов от разрушения и коррозии.
Разработаны покрытия, снижающие сопротивление трению в воде, которые применяют с целью повышения ходовых качеств судов, для уменьшения энергетических затрат при транспортировании водных сред по трубам и др. Для их создания в качестве пленкообразователей используют водорастворимые и водонабухающие полимеры (полиэтилен-оксид с ММ 106107, гидроксилсодержащие акриловые, некоторые оловоорганические), обладающие способностью полироваться водой. Положительный эффект достигается также при введении в состав красок водорастворимых полимерных наполнителей (полиакриламид, Naкарбоксиметилцеллюлоза, сополимеры акриламида с Nвинилпирролидоном). При набухании пленок покрытия коэффициент трения на межфазной границе близок к коэффициенту трения воды.
6.7. Методы определения механических свойств пленок
При определении механических свойств покрытий (применяют как свободные, так и адгезированные к подложке пленки) должно соблюдаться важное требование стандартность. То есть, покрытия должны быть равнотолщинными, получены в одинаковых условиях, не иметь дефектов (газовые включения, поры, риски).
Свободные пленки можно получать, используя особые подложки: фторопластовый лист, амальгамированную жесть, алюминиевую фольгу или специально приготовленное стекло.
Большую часть испытаний проводят в условиях воздействия растягивающей нагрузки в статическом режиме. Образцы используют в виде лопаток стандартных размеров; одноосное растяжение осуществляют на динамометрах разных конструкций (РМИ5, ZМ40, типа Поляни и др.) при скоростях 0,01150 мм/мин.
Эластичность при изгибе и прочность при растяжении покрытий определяют по «шкале гибкости» (ГОСТ 680673), на коническом стержне и прессе типа «Э» или МТЛ10г. При всех испытаниях подложка изгибается или вытягивается (деформируется) одновременно с покрытием, находящемся на ней.
Когезионную прочность оценивают по твердости покрытий. Для определения твердости используют маятниковые приборы, основанные на принципе вдавливания или царапания покрытия более твердым телом. С помощью микротвердомера ПМТ3 можно определять не только поверхностную твердость покрытий, но и их твердость на глубине.
Ударную прочность покрытий определяют на приборах У1 и У2 по ГОСТ 476573 (н/м). Стойкость покрытий к абразивному износу определяют:
по времени воздействия или массе абразива, вызывающего разрушение;
по значению абсолютного износа пленки, которое устанавливают с помощью приборов ГИПИ ЛКП, ИФХ АН СССР, АПГ (ГДР), ИС1, Гарднера и др.
Для измерения демпфирующих свойств покрытий используют методы динамической петли гистерезиса, свободных затухающих и вынужденных колебаний в зоне резонанса.
Кавитационную стойкость покрытий определяют путем натурных и стендовых испытаний. В натурных испытаниях покрытия наносят на поверхности, которые подвергаются обтеканию с большими скоростями жидкостями или газами (турбины, гребные винты). В стендовых используют приборы, где создаются скорости движения жидкостей, превышающие 30 м/с (труба Вентури, ультразвуковые диспергаторы и т. д.). Состояние покрытия при этом оценивается визуально или по изменению некоторых свойств (шероховатость поверхности, потеря массы, начало появления коррозии и др.).
6.7.1. Адгезия
Адгезия лакокрасочных покрытий это явление, заключающееся в установлении связи между пленкой и подложкой, на которую она нанесена.
Адгезионная прочность это работа, которую необходимо затратить на разрушение адгезионной связи.
Аутогезия или самослипание это сцепление между слоями однородных материалов. Проявляется в многослойных покрытиях, наносимых из одного или одинакового по природе лакокрасочного материала.
Различают два типа адгезии:
специфическую или собственно адгезию, характеризующую прочность сцепления адгезива с субстратом;
механическую, обусловленную проникновением адгезива (впитыванием) в поры субстрата.
Этот вид адгезии имеет место при использовании пористых подложек (бумага, ткани, древесина), являясь результатом действия чисто механических (когезионных) сил.
Адгезия является важнейшим свойством лакокрасочных покрытий, от которого зависят многие эксплуатационные характеристики, в том числе долговечность и защитная способность.
6.7.2. Природа адгезионных связей
Работа адгезии (Wа) выражается уравнением:
(6.11)
где средняя энергия единицы связи;
N число связей, приходящееся на единицу поверхности адгезионного контакта.Т. е. адгезионная прочность покрытий зависит от характера адгезионных связей и их плотности. Между разнородными телами могут возникать различные по природе связи:
химические (ионная, ковалентная, координационная), их энергия от 65 до 1000 кДж/моль;
водородные (энергия не 50 кДж/моль);
ван-дер-ваальсовы (индукционные, дисперсионные, дипольные и др.), их энергия не превышает 50 кДж/моль.
При нанесении жидкого лакокрасочного материала на подложку взаимодействие между ними устанавливается уже в момент контакта. Однако значения работы адгезии жидкого лакокрасочного материала и покрытия не равны между собой. При формировании покрытия изменяются химический состав, структура и свойства исходного материала, происходят конформационные перестройки макромолекул, возможны активация поверхности подложки и появление напряжений в контактном слое. То есть в процессе получения покрытия и в процессе его эксплуатации первоначально установившиеся связи могут сохраняться, разрушаться или дополняться новыми.
6.7.3. Молекулярное взаимодействие
При контакте адгезива и субстрата возможно проявление действия молекулярных сил:
притяжения;
отталкивания;
дисперсионного взаимодействия.
Результат такого взаимодействия адсорбция молекул адгезива на поверхности субстрата. Причем, первая стадия адсорбции миграция молекул адгезива к твердой поверхности и их ориентация по отношению к полярным группам, которые имеются на ней; вторая стадия установление адсорбционного равновесия, которое возможно в случае, если расстояние между молекулами будет меньше предела дальнодействия молекулярных сил, т. е. 0,5нм.
Адсорбция может иметь физический или химический характер в зависимости от действующих сил. Причем, образующийся граничный слой на межфазной границе полимера по структуре и свойствам отличается от свойств полимера в объеме. Толщина граничных слоев может колебаться от десятых долей нанометра до нескольких микрометров в зависимости от условий протекания адсорбции (из раствора, расплава, газовой фазы), свойств полимера и подложки. Причем, по мере увеличения толщины структурные и физические характеристики слоя изменяются не монотонно, как считает академик Ю. С. Липатов, строение и структура граничных слоев являются определяющими в межфазном взаимодействии и соответственно влияют на адгезию полимеров к твердым субстратам.
Теория, предложенная Дебройном и развитая А. Д. МакЛареном, Б. В. Дерягиным, А. А. Берлиным, В. Е. Басиным, объясняет адгезионное взаимодействие за счет действия молекулярных сил. Она получила название адсорбционной (молекулярной). Молекулярное взаимодействие, согласно этой теории, наиболее полно проявляется в случае полярных пленкообразователей и полярных субстратов: чем выше полярность адгезива, тем больше адгезионная прочность:
(6.12)
где дипольный момент молекул адгезива;
диэлектрическая проницаемость адгезива.
Увеличение адгезионной прочности достигается изменением химической природы полимера (накоплением полярных групп, уменьшением молекулярной массы, повышением подвижности цепей) и увеличением полярности подложки путем окисления, гидрофилизации и т. д. Физическая адсорбция на поверхности металлов характерна для многих пленкообразователей, имеющих полярные группы: например, карбоксилсодержащие полимеры и олигомеры:
ион-дипольная связь;
пленкообразователи, содержащие амидные и аминные группы (полиамиды, казеин и др.):
24257099060
координационная связь.
6.7.4. Хемосорбционное взаимодействие
Такое взаимодействие возможно с использованием пленкообразователей, содержащих активные функциональные группы (изоцианатные, карбоксильные, эпоксидные), в определенных условиях формирования покрытия. Например, компоненты полиуретановых композиций взаимодействуют с оксидами и гидроксидами металлов при нормальной температуре по реакции:

Эпоксидные пленкообразователи реагируют с поверхностью металлов и стекла выше 170С:


Карбоксилсодержащие полимеры и олигомеры взаимодействуют с металлами обычно при нагревании, но и при нормальной температуре при длительной эксплуатации может образоваться солевая связь:

При высоких температурах возможно химическое взаимодействие с металлической подложкой феноло- и мочевиноформальдегидных, кремнийорганических, масляных, алкидных, полиимидных и других пленкообразователей. Введение катализаторов, активация поверхности подложки может ускорять подобные взаимодействия при снижении температуры. Часто при высоких температурах взаимодействия полимеров с металлической поверхностью сопровождается переносом металла в полимер. Так, расплавы поливинилбутираля и полипропилена подрастворяют поверхность свинца, а расплавы пентапласта поверхность цинка, растворы полиамидокислот при последующем превращении их в полиимиды на металлических подложках (Cu, Al, Fe) взаимодействуют с металлами, переводя их в солевую, а затем оксидные формы, содержащиеся в полимере. Полиэтилен выше 200С восстанавливает оксиды железа до металла. Аналогичные явления наблюдаются и при формировании покрытий из полиакрилонитрильных дисперсий.
По мнению Н.И. Егоренкова и других исследователей, перенос металлов связан с наличием карбоксильных групп в полимерах, например, возникающих в результате термоокислительной деструкции. При высокой температуре карбоксильные группы взаимодействуют с оксидами и гидроксидами металла. В результате реакции образуются межфазные металлполимерные слои с отличающейся от полимера структурой и свойствами. Так, установлено, что в полиэтиленовых покрытиях карбоксилаты железа обнаруживаются на расстоянии до 40 мкм от поверхности подложки.
Молекулярное взаимодействие может иметь место с участием полифункциональных модифицирующих компонентов, вводимых в композиции, ПАВ, кислоты, бис-имиды и др., а также продуктов деструкции полимеров. Например, для улучшения адгезии эпоксидных покрытий в состав композиций вводят адсорбционно-активные компоненты хинолин, оксазолон и другие соединения, содержащие полярные группы NH2, CN, CNS, S, а также используют отвердители кетиминного и аминосиланового типа.
6.7.5. Электростатическое взаимодействие
Причинами образования двойного электрического слоя, который обнаруживается при разделении контактирующих поверхностей (при отслаивании пленки от подложки), являются:
образование донорно-акцепторной связи на границе адгезивсубстрат;
термоэлектронная эмиссия, т. е. переток электронов от субстрата (металла) в адгезив (диэлектрик); миграция электронов возможна в случае понижения электрического барьера на поверхности металла, особенно это проявляется у полимеров, содержащих полярные группы (CN, OH, COOH, NH2 и др.) при высокой степени контакта с подложкой;
адсорбция и ориентация полярных групп адгезива на поверхности субстрата, причем в первую очередь происходит ориентация поверхностных диполей, вследствие чего поверхность приобретает заряд определенной величины и знака.
Следует отметить, что заряды возникают только при контакте разнородных поверхностей, а знак заряда зависит от природы контактирующих поверхностей. В качестве примера ниже приводится электростатический ряд, согласно которому любое вещество ряда при контакте с другим веществом ниже, заряжается положительно, а при контакте с веществом, расположенным выше, отрицательно:
Этилцеллюлоза
Казеин
Полиметилметакрилат
Ацетилцеллюлоза
Стекло
Металлы (все)
Полистирол
Полиэтилен
Политетрафторэтилен
Нитрат целлюлозы
Направление перехода электронов определяется соотношением между потенциалами Ферми контактирующих тел. Значения потенциалов Ферми характеризуют работу выхода электронов, которые перемещаются до тех пор, пока потенциалы Ферми в граничной зоне обоих тел не сравняются. В результате этого различные пленки, нанесенные на одну и ту же подложку, например, на металл, могут иметь разные как по величине, так и по знаку, заряды. Образование двойного электрического слоя в контакте адгезивсубстрат лежит в основе электрической теории адгезива, разработанной Б. В. Дерягиным и Н. А. Кротовой. Согласно этой теории, работа разрушения адгезионной связи (преодоление электрических сил) равна
(6.13)
где поверхностная плотность электрических зарядов;
разрядный промежуток (зазор между поверхностями);
диэлектрическая проницаемость среды.
О возможности возникновения электрических явлений при расслаивании адгезионных соединений свидетельствует:
электризация образующихся поверхностей;
появление в ряде случаев лавинного электрического разряда, сопровождающегося свечением, треском, излучением радиоволн.
Доказательством же существования электрических сил является наличие эмиссии (стекания) электронов при нарушении адгезионной связи. Интенсивность эмиссии электронов I хорошо коррелирует со значениями работы адгезии. Например, при возрастании скорости отслаивания нитрат целлюлозных пленок от стекла на 2 порядка (с 104 до 102 м/с) I увеличивается с 8102 до 104 импульс/с, а Wa с 23 до 71 Дж/м2.
Электростатическое взаимодействие особенно существенно в покрытиях, формируемых на основе полярных полимеров (поливинилхлорида, акрила нитрила, полиамидокислот ароматического строения, эфиров целлюлозы), проявляясь наиболее заметно с увеличением скорости отслаивания.
6.7.6. Диффузионное взаимодействие
Сцепление между отдельными слоями многослойных полимерных покрытий может осуществляться за счет односторонней диффузии или взаимодиффузии макромолекул и их сегментов во времени.
Согласно уравнению Эйнштейна, среднеквадратичное перемещение частицы равно:
(6.14)
где D коэффициент диффузии;
время.
Коэффициент диффузии для полимеров в высокоэластическом состоянии равен 10101016 см2/с. С возрастанием молекулярной массы полимера на один порядок D снижается примерно на два порядка. В этой связи взаимопроникновение полимеров происходит на небольшую глубину (переходная зона не более 108м). Температура, время адгезионного контакта, давление благоприятствует адгезии согласно диффузионной теории. Облегчению диффузионного обмена в контактном слое, и таким образом улучшению адгезии способствует введение пластификаторов в полимеры, а также наличие общего растворителя.
6.7.7. Факторы, влияющие на адгезионную прочность
покрытий
Адгезионная прочность зависит от природы полимера, подложки, от условий формирования покрытия. Установлено, что наиболее высока адгезионная прочность у покрытий, формируемых из мономерных и олигомерных пленкообразователей, которые превращаются в полимерное (трехмерное) состояние непосредственно на подложках.
Адгезионная прочность возрастает с увеличением в пленкообразователе количества полярных функциональных групп таких как OH, COOH,CONH2,CONH, OCONH (их энергия когезии составляет 2565 кДж/моль). Она зависит также от фазового и физического состояния материала пленки. Более адгезионно-прочные покрытия образуют аморфные пленкообразователи по сравнению с кристаллическими.
Наиболее низкую адгезионную прочность проявляют покрытия из фторопластов, полиимидов, пентапласта, полиэтилена, поливинилхлорида, сополимеров винилхлорида. Для повышения адгезионной прочности вышеуказанных полимеров проводят их модификацию: смешивают с адгезионно-активными олигомерами и мономерами (эпоксидными, эпоксидно-новолачными, эпоксидно-фурановыми, алкидными, диаллилфталатом, полиамидокислотами и др.), прививают мономеры, окисляют разными способами: химическими, тепло- или радиационным воздействием.
По-разному влияют на адгезионную прочность пластификаторы, пигменты и наполнители. Как правило, зависимость адгезионной прочности от концентрации этих ингредиентов имеет максимум. Увеличение адгезионной прочности, вероятно, обусловлено адсорбцией пластификатора, пигмента или наполнителя на активных центрах твердой поверхности, изменения в ряде случаев ее природы, а также за счет снижения внутренних напряжений в самом покрытии.
Более высокую адгезионную прочность наполненных покрытий по сравнению с ненаполненными объясняют также усилением полимеров в адгезионном слое, каталитическим влиянием на процессы структурирования и окисления, уменьшением термических напряжений, направленным изменением структуры пленки.
Однако следует отметить, что в ряде случаев наполнитель, увеличивая адгезионную прочность одного пленкообразователя, может не влиять или даже ухудшать адгезионную прочность другого; часто в избирательности действия наполнителей существенную роль может играть природа подложки. Не менее важна роль подложки в формировании адгезионного взаимодействия ее с адгезионным покрытием. Достаточно сложно получать адгезионно-прочные покрытия на гладких непористых подложках (металлы, ситаллы, стекло и др.), а также на материалах с низкой поверхностной энергией (некоторые полимеры).
Адгезионная прочность уменьшается в ряду:
Медь углеродистая сталь легированная сталь
алюминий цинк олово свинец
С целью улучшения смачиваемости подложек лакокрасочными материалами их поверхность модифицируют, что зачастую обеспечивает увеличение адгезионной прочности покрытий.
В связи с тем, что для образования прочной адгезионной связи большое значение имеют процессы микрореологического затекания жидкого адгезива в микропоры и трещины подложки, важным фактором является шероховатость поверхности. Механическое зацепление резко усиливается, если поверхность металла подвергнуть абразивной обработке, фосфатированию, оксидированию и т. д., а лакокрасочный материал использовать с пониженной вязкостью.
Адгезия зависит и от технологических условий формирования покрытий. Повышение температуры и продолжительности нагревания до определенного предела благоприятствует адгезии. Но в случае протекания деструктивных процессов в материале пленки адгезионная прочность снижается. Поэтому для каждого покрытия существуют определенные оптимальные температурные режимы его формирования (рис. 6.3).
Обычно на воздухе формируются покрытия с большей адгезионной прочностью, чем в инертной среде, но превышение оптимального значения степени окисления пленкообразователя в покрытии снижает адгезионную прочность.
Адгезионная прочность зависит также и от режима охлаждения покрытий, особенно, если их формируют из расплавов кристаллических полимеров.
а б

Рис. 6.3. Зависимость адгезионной прочности полимерных покрытий от температуры (а) и от продолжительности формирования при 220С (б)
на стальной поверхности:
1 поливинилбутираль; 2 поликапроамид; 3 пентапласт; 4 сэвилен
Влияние скорости охлаждения на адгезионную прочность показана ниже, на примере формирования полиэтиленовых покрытий на алюминии:
Скорость охлаждения, 1,5 8 16 40 500
С/мин
Адгезионная прочность, 160 220 274 527 1300
Н/м
Возможные приемы увеличения адгезионной прочности это радиационное воздействие, использование магнитного и ультразвукового полей, как на исходные композиции лакокрасочных материалов перед их нанесением на поверхность, так и на покрытия в процессе их формирования на субстрате.
6.7.8. Длительная адгезионная прочность
В процессе эксплуатации адгезионная прочность лакокрасочных покрытий может изменяться. Вначале она может быть стабильной или даже возрастать, но со временем обычно уменьшается. Увеличение адгезионной прочности возможно в тех случаях, когда при эксплуатации материал пленки при сохранении эластичности накапливает дополнительные функциональные группы, реагирующие с подложкой химическим или физическим путем. Примером могут быть покрытия из масляных или алкидных пленкообразователей естественной сушки.
Уменьшение адгезионной прочности обусловлено:
протеканием химических или физических (в первую очередь кристаллизационных) процессов в пленке;
образованием новой фазы на границе раздела пленкаподложка в результате гидратации или окисления поверхности;
проявлением внутренних (касательных) напряжений.
Отслоение пленки возможно по двум механизмам: адгезионному или когезионному. Когезионное отслоение характерно для покрытий, пленкообразователь которых находится в высокоэластичном состоянии, когда когезионная прочность относительно невысока.
Д. Д Бикерманом предложена теория слабых граничных слоев. Согласно этой теории адгезионная прочность определяется когезией адгезива или субстрата в адгезионном слое. Многими методами (масс-спектроскопии, отражательной спектроскопии, по краевому углу смачивания поверхности, даже визуально) обнаруживается, что после отслоения ряда покрытий на поверхности подложки остается слой (2080 нм) полимерного материала. Усиление пленкообразователя в адгезионном слое путем применения активных наполнителей, сшивания цепей макромолекул, направленного регулирования структуры, снижения газонаполнения и другими позволяет повысить адгезионную прочность.
Теория слабых граничных слоев не универсальна: она применима только для случая, когда адгезия материала превышает его когезию. Например, при эксплуатации покрытий в жидких средах более типичен адгезионный характер отслаивания (хотя возможен и когезионный).
На рис. 6.4 показаны характерные случаи поведения покрытий на полярных подложках (металлы, стекло, бетон) при эксплуатации в воде и в атмосфере высокой влажности. Случай, когда адгезионная прочность длительно сохраняется достаточно редкий (кривая 1), хотя и желательный. Чаще распространены варианты снижения адгезионной прочности или полного отслаивания покрытия (кривая 2). Причина этого разрушения адгезионного соединения частично кроется в специфическом адсорбционном взаимодействии среды с адгезивом или субстратом на границе раздела: происходит адсорбционное замещение связей адгезивсубстрат на связи средасубстрат. Причем, проникновение воды в адгезионный слой возможно:
по поверхности раздела пленкаподложка;
путем диффузии через массу пленки.
а б

Рис. 6.4. Зависимость адгезионной прочности покрытий от времени пребывания в воде (а) и от влажности окружающего воздуха (б)
Адсорбция воды из воздуха на поверхности подложки происходит при влажности более 4060% (Wкр критическая влажность). Ниже Wкр роль воды в дестабилизации адгезии незначительна. Но выше Wкр вода отрицательно влияет на адгезию, причем, чем выше влажность, тем больше скорость отслаивания и соответственно меньше время разрушения адгезионных связей. Высушивание выдержанных во влажной атмосфере или в воде покрытий приводит к частичному восстановлению адгезионной прочности (рис. 6.4, б) при этом: А0А1=f(Е).
Пленки с меньшими значениями модуля упругости Е в большей степени проявляют вторичное адгезионное взаимодействие. Это свидетельствует о том, что адгезия полимеров при ТТс определяется динамическим равновесием между адсорбцией и десорбцией макромолекул.
Для получения покрытий с длительной адгезионной прочностью в воде и водных средах приемлемы способы:
снижения межфазного натяжения на границе с подложкой путем применения лакокрасочных материалов, обладающих свойством водовытеснения;
направленного изменения природы поверхности подложки (гидрофобизация, применение конверсионных покрытий и грунтов);
удалением физиосорбированной воды с поверхности подложки нагреванием или связыванием;
применением пленкообразователей, образующих с поверхностью (подложкой) гидролитически устойчивые химические связи.
Таким образом, получены полиуретановые, эпоксидные, фторопластовые, полиэтиленовые, на основе водорастворимых олигомеров и других пленкообразователей покрытия, стабильно сохраняющие адгезионную прочность при длительной выдержке в воде при различных температурах.
Ослабление адгезии может являться результатом действия и механических нагрузок. Время для разрушения адгезионного соединения можно определить:
(6.15)
где А0 первоначальная адгезия,
к постоянная.
Адгезионная прочность зависит также и от температуры, при которой происходит отслаивание покрытия.
Следует отметить, что процесс разрушения адгезионных связей независимо от условий эксплуатации подчиняется общим закономерностям разрушения полимерных материалов.
6.7.9. Взаимодействие покрытий с гидрофильными
веществами
Прилипание пыли и загрязнение ухудшают внешний вид покрытий, ускоряет старение, усиливает коррозию металлических подложек. Налипание увлажненного песка, грунта, удобрений, намерзание льда, примерзание пищевых и других продуктов осложняет работу наземных и водных транспортных средств, увеличивает энергозатраты, приводит к снижению производительности труда. Эти недостатки в некоторой степени можно устранить используя покрытия с пониженной адгезией противоадгезионные.
Пылеудержанию способствует шероховатость, низкая твердость и липкость пленок, их гидрофильность, склонность к электризации. Сила притяжения частиц пыли возрастает с уменьшением их диаметра. Например, частицы диаметром 80 мкм притягиваются с силой, примерно равной их весу, а для отрыва частицы диаметром 1 мкм необходимо усилие в тысячу раз больше ее веса. Особенно быстро загрязняются покрытия, полученные с применением гидрофильных пленкообразователей: чем меньше краевой угол смачивания покрытия водой, тем больше пылеудержание (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Зависимость пылеудержания от краевого угла смачивания покрытий водой

Покрытия на основе воднодисперсионных красок из-за матовости поверхности и присутствия гидрофильных компонентов (эмульгаторы, стабилизаторы) загрязняются значительно быстрее покрытий на основе тех же полимеров, изготовленных из растворов или расплавов. Загрязняемость масляных покрытий много меньше, чем воднодисперсионных, но она зависит от твердости пленок и глубины отверждения пленкообрзователя. Пластифицированные покрытия более склонны к пылеудержанию, чем непластифицированные. Запыляемость возрастает при старении покрытий, меление и образование сетки трещин способствует механическому удержанию пыли.
Наиболее эффективные пути уменьшения запыляемости и загрязняемости покрытий их гидрофобизация и снижение электризуемости. Снижение электризуемости возможно обработкой поверхности покрытий катионоактивными веществами, использованием токопроводящих пигментов и наполнителей. Гидрофобные свойства обеспечиваются применением неполярных пленкообразователей (фторопласты, полиэтилен, кремнийорганические олигомеры), введением гидрофобизирующих добавок (кремнийорганические жидкости, перфторированные жидкости, воски, парафин) или обработкой ими поверхности покрытий, введением в краски некоторых минеральных и полимерных наполнителей и пигментов: слюды, технического углерода (сажи), фторопластов, полиэтилена и др.Гидрофобные покрытия имеет смысл применять в тех случаях, когда имеется контакт с водными средами и гидрофильными веществами. Ими хорошо защищать фасады зданий, детали сельскохозяйственных машин, кузова самосвалов, ковши экскаваторов, гусеницы тракторов, морозильное оборудование.
Если покрывать металлические формы для выпечки хлеба и хозяйственную посуду (сковороды) фторопластовыми и кремнийорганическими лаками, то не нужна смазка; адгезия пищевых продуктов к поверхности фторопластов мала.
Прилипание веществ к покрытиям можно уменьшить, снижая их шероховатость (увеличивая глянец). В этой связи часто для снижения прилипания веществ поверх пигментированных покрытий наносят 12 слоя лака.
6.7.10. Покрытия целевого назначения
Противообледенительные покрытия это покрытия, обладающие низкой адгезией ко льду, достигающейся:
применением красок, содержащих наполнителиантифризы;
использованием гидрофобных пленкообразователей с низкой поверхностной энергией.
Краски, содержащие твердые (солевые) антифризы (хлориды аммония, натрия, магния, кальция) или жидкие (алкилен-гликоли С2С6) антифризы, основаны на применении гидрофильных пленкообразователей (полимеры и сополимеры винилацетата, эфиры целлюлозы, полиакриловая кислота). Содержание антифризов в композициях должно быть максимальным, но при условии получения покрытий с требуемыми механическими характеристиками. В зависимости от природы антифриза и его содержания температура образования льда на покрытии может понижаться на десятки градусов.
Адгезия образующегося льда сильно понижается на покрытиях, которые формируются их пленкообразователей, обладающих низкой поверхностной энергией. Наиболее низкой поверхностной энергией (25 мДж/м2) и соответственно критического поверхностного натяжения материала (рис. 6.6) обладают фторуглеродные поверхности (таблица 6.1):
Адгезионная прочность льда является функцией поверхностной энергии и соответственно критического поверхностного натяжения материала пленки.
Рис. 6.6. Зависимость адгезионной прочности льда от критического поверхностного натяжения материала пленки

Таблица 6.1. Адгезия льда при 15С к полимерам с различными значениями критического поверхностного натяжения (по данным А. В. Панюшкина)
Полимер кр, мДж/м2Краевой угол смачивания водой, , А, кПа
1 2 3 4
Политетрафторэтилен 18,5 97 12
Политрифторхлорэтилен 22 94 15
Поливинилиденфторид 25 90 20
Полиорганосилоксан 22 93 18
Парафин 25 91 30
Полипропилен 29 85 100
Полиэтилен 31 82 170
Полистирол 33 73 220
Поливинилхлорид 40 60 350
Полиметилметакрилат 39 61 450
Окончание табл. 6.1
1 2 3 4
Эпоксиполимеры 44 56 520
Полиамиды 61 20 920
Покрытия, получаемые из пленкообразователей с низкой поверхностной энергией, не препятствуют льдообразованию, но адгезия образующегося льда сильно понижается.
Большинство лакокрасочных покрытий (виниловые, алкидные, эпоксидные, нитратцеллюлозные, поливинилацетальные) обладают краевым углом смачивания водой менее 72; адгезия льда к ним достаточно высока (220920 кПа). Для уменьшения их сцепления со льдом используют обработку поверхностей гидрофобизаторами или вводят их непосредственно в состав красок. В качестве гидрофобизаторов используют кремнийорганические жидкости (ГКЖ94, АМГ9, ВМС1000), мыла поливалентных металлов, перфторированные жидкости.
В результате поверхностной обработки масляных покрытий полиалкилгидросилоксанами образуются, например, соединения:

которые обеспечивают снижение гидрофильности поверхности, хотя не исключено взаимодействие полиалкилгидросилоксанов и по другим функциональным группам. При этом краевой угол смачивания покрытий водой резко возрастает до 88106. Разработана технология получения гидрофобных покрытий с низкой (1030 кПа) адгезией ко льду на основе виниловых и эпоксидных пленкообразователей (эмали ХС527, ХС1168, краска ЭПКОС3). Непосредственно гидрофобизированные покрытия формируются при применении порошков, дисперсий и растворов фторопластов (Ф1, Ф2, Ф30П, Ф40ДП), полиолефинов и органосиликатных материалов (АС9, В23, ОСМ61). Так, адгезия льда к металлическим поверхностям составляет 1,01,2 МПа, а к покрытию, полученному из органосиликатных материалов (ОСМ61) 4070кПа.
Противообледенительные покрытия незаменимы при защите судов, самолетов, строительных конструкций, при эксплуатации морозильного оборудования. Так, из-за малой адгезии и пониженной прочности скалывание льда на обледеневших судах с использованием таких покрытий возрастает в 1,52,5 раза.
Съемные покрытия. Съемные (низкоадгезионные) покрытия находят применение для временной защиты от загрязнения, механических и других повреждений металлических и пластмассовых изделий на период консервации, хранения, транспортировки и монтажа, для защиты мест, не подлежащих химической обработке (травлению, химическому фрезерованию), а также нанесению гальванических и лакокрасочных покрытий. Эти покрытия должны легко удаляться (сдираться) с поверхности изделия, не оставляя на ней дефектов, независимо от срока хранения, при этом поверхность должна выглядеть как только что окрашенная. Их получают из растворов, дисперсий, расплавов пленкообразователей, плохо адгезирующих к различным материалам: фторопласты, перхлорвинил, сополимеры винилхлорида, полистирол, этилцеллюлоза, сополимеры этилена с пропиленом, атактический полипропилен, синтетические каучуки (полихлорпреновый, полиакрилонитрильный, бутадиенстирольный) и др. В состав композиций добавляют антиадгезивы (пластификаторы, воски, парафин, минеральные и силиконовые масла, амиды жирных кислот и др.). Компонентами покрытий могут также использоваться ингибиторы коррозии, например, Акор1 (нитрованное минеральное масло), МСДА11 (соль дициклогексиламина и жирных кислот), хромат гуанидина.
Съемные покрытия наносят толстыми слоями от 100 до 800мкм. Удаляют их с поверхности механическим способом с последующей переработкой в исходные лакокрасочные материалы (за исключением латексных).
Разработаны лакокрасочные материалы, образующие съемные покрытия: на основе виниловых полимеров и сополимеров (лаки ХС567 и ХС596, эмаль ХВ114, состав ХВ036); на фторсополимере и эфирах целлюлозы (ФП5, ФП6, ЗИПУ, АБЦУ, АЦЗК), водоразбавляемые составы АК535, ИСВА, ИСКЧ51; «Карболатс», «Нитролатс» на латексах полиакрилатов, поливинилацетата и каучуков. Они применяются избирательно по черным и цветным металлам, пластмассе, резине или наносятся поверх лакокрасочных покрытий. При комнатной температуре низкая адгезионная прочность покрытий сохраняется в течение нескольких лет.
Можно получать также многослойные, послойно разделяемые покрытия, используя разнородные некоалесцирующие материалы путем чередования слоев, например, эпоксидного (эмаль ЭП574) или перхлорвинилового (эмаль ХВ124) лакокрасочного материала и фторпластового лака (Ф32л, Ф42л).
Возможен прием получения съемных покрытий путем нанесения на промежуточный слой низкоплавких не совмещающихся с полимером веществ. При нагревании покрытия вещество плавится, образуя на межфазной границе слой жидкости, при этом покрытие легко отделяется от подложки. В качестве промежуточного слоя можно использовать парафин, а также органические и неорганические кристаллические вещества.
Использование съемных и послойно разделяемых покрытий позволяет простым способом обновлять окраску и осуществлять дезактивацию поверхностей от радиоактивных и химических загрязнений.
6.7.11. Методы определения адгезионной прочности
Адгезионная прочность определяется прямыми и косвенными методами. Так, адгезионную прочность можно оценивать усилием, под действием которого в адгезионном слое возникают нормальные или касательные напряжения, приводящие к разрушению соединения (прямой метод) или по косвенным характеристикам: скорости и интенсивности эмиссии электронов, величине разрядного потенциала, характеру и активности поверхности, образующейся при расслоении адгезива и субстрата и др.
Если отрыв пленки от подложки осуществляют под действием статической или динамической нагрузки, то в зависимости от способа нарушения адгезионных связей различают неравномерный, равномерный отрыв и сдвиг. Сопротивление, преодолеваемое при равномерном отрыве или сдвиге (усилие распределяется равномерно по всей поверхности образца) выражается в Па. При неравномерном отрыве, когда нагрузка прилагается только к части образца, распространяясь последовательно по его поверхности, единицей адгезионной прочности служит Н/м или кН/м.
Практическое применение получили следующие методы.
Метод постепенного отслаивания. Он основан на оценке усилия отслаивания (расслаивания) адгезионно связанных поверхностей. Отслаивают или пленку от подложки (если она достаточно гибкая) или подложку от пленки. В последнем случае применяют гибкие подложки: мягкую алюминиевую, отожженную стальную, мерную фольгу или фольгу других металлов; толщина фольги 2050 мкм.
Отслаивание можно проводить под разными углами. Наиболее часто угол отслаивания равен 180С. Если отслаиваемая пленка недостаточно прочна, ее армируют полосками марли или стеклоткани. Определения проводят с помощью динамометров и адгезиметров.
Адгезионная прочность зависит от толщины покрытий (если отслаивают пленку), модуля упругости материала фольги (если отслаивают подложку), скорости и угла отслаивания .
При всех вариантах метода усилие отслаивания является суммой затрат усилий на преодоление адгезионной связи и на деформацию (изгиб) отслаиваемого материала (пленки или подложки). При изменении работа отслаивания изменяется:
(6.16)
Скорость отслаивания часто принимают равной 6,57,0мм/мин, при ее увеличении усилие отслаивания возрастает.
По методу клина (разновидность метода расслаивания) отделение пленки от подложки осуществляют по принципу механического расклинивания резцом. Для этого метода применяют прибор Снедзе, адгезиметр ГИПИ ЛКП и др. Этот метод применяют при определении адгезии жестких хрупких покрытий на недеформируемых подложках. Его в основном применяют в тех случаях, когда адгезионная прочность превышает когезионную прочность материала пленки.
Метод одновременного отрыва. Применяют нормальный отрыв при растяжении или сдвиге (грибковый метод, метод штифтов), отрыв центробежной силой (метод ультрацентрифуги), вибрацией (ультразвуковой метод), за счет инерции движущегося образца (метод пневматического ружья). Общим является то, что сила отрыва действует сосредоточенно и распределяется равномерно по площади адгезионного контакта. Результаты выражают отношением усилия отрыва к площади адгезированной пленки.
Оптический метод. По этому методу адгезионную прочность оценивают по значению критических внутренних напряжений, вызывающих самоотталкивание покрытия. Ограничение метода в том, что адгезионную прочность можно измерять только на поверхности полированного оптического стекла призмы.
Согласно ГОСТ 1514078 адгезионную прочность покрытий определяют методом решетчатых и параллельных надрезов. Суть его в том, что на поверхности покрытия режущим инструментом делают надрезы в виде решетки или параллельных линий на расстоянии 1 или 2 мм (в зависимости от толщины пленки). Об адгезионной прочности судят по степени отслаивания или удержания образующихся элементов, которую выражают в баллах. Наилучшей адгезионной прочности соответствует 1 балл. На этом принципе разработаны адгезиметры АД1 и АД2, обеспечивающие удобство и повышенную точность измерений.
6.8. Внутренние напряжения
При любых сочленениях двух твердых разнородных материалов обычно возникают напряжения, обусловленные различием их физических свойств и наличием адгезионного контакта. Лакокрасочные покрытия в этом отношении не представляют исключения. Возникающие в них напряжения могут быть вызваны как внешними воздействиями (нагружение, деформация подложки), так и внутренними факторами (испарение растворителей, охлаждение и кристаллизация, протекание химических реакций и т. д.). Последний вид напряжений носит название внутренних или остаточных. Они были обстоятельно рассмотрены в работах советских ученых В. А. Каргина и М. И. Карякиной, С. А. Шрейнера, П. И. Зубова, А.Т. Санжаровского.
По своему происхождению внутренние напряжения бывают двух видов:
усадочные, возникающие вследствие усадки материала пленки при формировании или эксплуатации покрытия;
термические, появляющиеся при изменении температуры в результате несоответствия в значениях термических коэффициентов линейного расширения подложки и покрытия.
В покрытиях, сформированных при повышенных температурах, внутренние напряжения нередко являются суммой усадочных и термических напряжений:
(6.17)
Внутренние напряжения в покрытиях — преимущественно напряжения растяжения. Они опасны тем, что снижают когезионную и адгезионную прочность, а, следовательно, и долговечность покрытий. Нередко внутренние напряжения достигают настолько больших значений, что происходит самопроизвольное растрескивание или отслаивание покрытий уже в процессе их формирования. Уменьшение и исключение напряжений представляет важную задачу в технологии покрытий.
6.8.1. Возникновение и релаксация внутренних
напряжений
Если на твердую поверхность, например на стекло, нанести слой жидкого полимерного лака, то при пленкообразовании по мере испарения растворителя твердость пленки будет возрастать. При определенном содержании растворителя С пленка начинает приобретать упругие свойства; это проявляется в возникновении внутренних напряжений как результата плоскостной усадки образца (рис. 6.7, а). Появление внутренних напряжений соответствует точке перехода материала пленки из высокоэластического состояния в стеклообразное. Если подвергнуть пленку дальнейшему высушиванию в течение времени , то содержание в ней растворителя уменьшится на С, а линейная усадка возрастет на
(6.18)
где К коэффициент линейной усадки.
Приращение усадки вызовет соответствующий рост внутренних напряжений :
(6.19)
где мгновенный модуль упругости материала пленки;
коэффициент Пуассона.
Это соотношение справедливо при условии, если приращение усадки носит упругий характер. В действительности же в пленке кроме упругой могут иметь место эластическая и пластическая деформации. Они не вызывают роста напряжений, поэтому фактические внутренние напряжения будут определяться вкладом , т. е. коэффициентом , который, как правило, не достигает единицы. Соотношение определяет степень релаксации напряжений, возникающих в покрытии. Это соотношение, большое в начальный момент пленкообразования, резко падает на заключительной стадии освобождения пленки от растворителя; уже незначительный прирост усадки вызывает скачкообразный рост внутренних напряжений, что и отмечается на рис. 6.7, а. Напряжения стабилизируются после прекращения испарения растворителя и, соответственно, усадки пленки.
При пленкообразовании из расплавов, а также при охлаждении покрытий, сформированных при повышенных температурах, возникают термические внутренние напряжения. Начало их роста соответствует Тс для аморфных и Ткр для кристаллических полимеров, когда равновесный модуль упругости становится больше нуля, т. е. в пленке при усадке появляются упругие деформации (рис. 6.7, б).
363220-5715
б
а

, ч
Рис. 6.7. Временная (а) и температурная (б) зависимости внутренних напряжений и содержания растворителей в нитратцеллюлозных (1), полиэтиленовых (2)
и поливинилбутиральных (3) покрытияхТермические внутренние напряжения, возникающие при быстром нагревании или охлаждении покрытий, в пределах температур определяются по уравнению:
(6.20)
где термические коэффициенты линейного расширения материала пленки и подложки соответственно.
Если обозначить конечную (эксплуатационную) температуру через Тэ, то для покрытий из аморфных полимеров ТсТэ, из кристаллических ТкрТэ.
2757170346710В уравнении (6.20) выражение характеризует деформацию пленки, вызывающую напряжение. Она может быть определена экспериментально по значению линейного сокращения пленки. Так, если напряженную пленку снять с подложки, то она постепенно начинает сокращаться. Скорость сокращения как результат проявления релаксации напряжений возрастает с повышением температуры, полная релаксация быстро достигается при ТТс или Тпл полимеров.
На практике обычно не превышает 2% (при 58МПа). Фактически получаемые значения и оказываются в несколько раз меньше расчетных. Это свидетельствует о существенном влиянии релаксационных процессов на формирование напряжений.
Рис. 6.8. Распределение напряжений по сечению пленки (1) и подложки
Релаксация напряжений обусловливается проявлением пластической и высокоэластической деформации и ориентационными эффектами в момент формирования покрытий, которые особенно значительны у кристаллических полимеров. Не исключается релаксация и за счет перестройки (перемещения, деформации) надмолекулярных структур, а также микрорастрескивания и отслаивания по-
крытий.
Внутренние напряжения неодинаково распределены по толщине покрытия: они максимальны в адгезионном слое и убывают по мере удаления от него к поверхности (рис. 6.8). Аналогично распределяются напряжения в подложке. Так, если на пленку действует растягивающая сила Р, то на подложку равная ей сила сжатия. Создается градиент напряжений , направленный на разрушение покрытия. Эмпирически было показано, что если возникающие нормальные напряжения больше прочности пленок на растяжение, т. е., то покрытие растрескивается, если касательные напряжения окажутся больше адгезионной прочности на сдвиг, т. е., происходит его отделение от подложки. Так, покрытия, полученные из расплавов полистирола, самопроизвольно растрескиваются при охлаждении уже при 30°С, а из сополимеров стирола с метилметакрилатом отслаиваются от стеклянной подложки, вырывая кусочки стекла.
6.8.2. Факторы, влияющие на внутренние напряжения
Внутренние напряжения зависят от многих факторов: состава и структуры материала пленок, их строения, условий формирования и эксплуатации. Наибольшие внутренние напряжения возникают в покрытиях из высокомодульных полимеров с большими значениями Тс, это эфиры целлюлозы, виниловые и акриловые полимеры, ацетали поливинилового спирта, желатина и др. Они нередко достигают 25% прочности при растяжении. Напротив, низкомодульные полимеры каучуки, Тс которых ниже комнатной, формируют ненапряженные покрытия.
Напряжения отсутствуют также у свежеизготовленных масляных, алкидных, некоторых полиуретановых и битумных покрытий, покрытий из воднодисперсионных красок. Значение напряжений в покрытиях, получаемых из олигомеров эпоксидных, полиэфирных, мочевиноформальдегидных и других, зависит от условий их формирования: как правило, покрытия, отвержденные при нагревании, являются более напряженными, чем полученные в естественных условиях. Кристаллические полимеры образуют покрытия с высокими внутренними напряжениями, которые тем больше, чем выше модуль упругости, Ткр и степень кристалличности. В ряду полиолефинов установлена следующая зависимость внутренних напряжений от степени кристалличности :
, (6.21)
где А = 5,9; К = 0,075.
Введением пластификаторов в полимеры, особенно аморфного строения, можно снизить, а при определенных концентрациях и полностью устранить возникающие напряжения. При этом снижаются одинаково с модулем упругости материала пленки.
Зависимость внутренних напряжений от содержания пигментов и наполнителей носит более сложный характер. Усадочные напряжения в покрытиях при наполнении, как правило, возрастают, что связано с ростом модуля упругости материала пленки, термические же напряжения могут увеличиваться, оставаться постоянными или уменьшаться (рис. 6.9).
Рис. 6.9. Рис. 6.10.
1С/мин
вн

Рис. 6.9. Типовая зависимость термических внутренних напряжений в покрытиях от содержания наполнителей
Рис. 6.10. Зависимость внутренних (оптических) напряжений от толщины полипропиленовых покрытий при различной скорости охлаждения
По данным А. Т. Санжаровского, вариант 1 реализуется в том случае, когда рост модуля упругости Е при наполнении превалирует над уменьшением коэффициента термического расширения . Примером могут служить эпоксидные покрытия, наполненные диоксидом титана. Вариант 2 имеет место при симбатном изменении Е и . Если уменьшается более интенсивно, чем нарастает Е, то термические напряжения снижаются (вариант 3). Последний вариант встречается при использовании наполнителей с низкими значениями (кварц, ситаллы), а также порошков с неизометрической формой частиц (слюда, рубленое стекловолокно и др.). Варьирование количества и природы наполнителей один из путей снижения напряжений и улучшения стойкости к растрескиванию покрытий, в первую очередь применяемых для защиты электро-, радио- и электронной аппаратуры.
На внутренние напряжения влияют реологические характеристики исходных лакокрасочных материалов. П. И. Зубовым и Л. А. Сухаревой было, показано, что при применении лаков и красок, представляющих собой сильно структурированные системы (с высокой степенью тиксотропии), формируются покрытия со значительно меньшими внутренними напряжениями, чем из аналогичных неструктурированных или слабоструктурированных составов (с малой степенью тиксотропии). Так, введение в хлоркаучуковый лак 1% тиксатрола (гидрогенизированного касторового масла) вызывает резкое повышение его структурной вязкости (после восстановления разрушенной структуры вязкость возрастает на порядок); внутренние напряжения в покрытиях, сформированных из такого лака, в 23 раза ниже, чем в покрытиях из лака без тиксотропирующей добавки. Снижение напряжений посредством усиления тиксотропной структуры жидких материалов объясняют более упорядоченной структурой пленок, получаемых из тикстропных лакокрасочных материалов, вследствие фиксированного положения в них структурных элементов заготовок будущего покрытия.
Внутренние напряжения зависят и от условий получения покрытий. Покрытия, сформированные из расплавов, всегда имеют большие напряжения, чем полученные из растворов тех же пленкообразователей. Применение более летучих растворителей усугубляет рост внутренних напряжений.
Закономерным является увеличение напряжений с ростом скорости охлаждения покрытий из аморфных полимеров и уменьшение их в случае покрытий из кристаллических полимеров (рис. 6.10). Последнее находит объяснение в конкурирующих процессах релаксации и кристаллизации: малое время релаксации способствует увеличению напряжений, тогда как уменьшение степени кристалличности при закалке их снижению. Охлаждение в пластифицирующих средах (например, поливинилбутиральных и ацетобутиратцеллюлозных покрытий в воде, полиэтиленовых в уайт-спирите) приводит к уменьшению напряжений и предотвращает образование микротрещин.
Влияние внешних факторов температуры и влажности окружающей среды иллюстрируется рис. 6.11.

б
а

Рис. 6.11. Типовая зависимость внутренних напряжений от температуры (а) и продолжительности экспозиции покрытий при разной влажности
окружающего воздуха (б)
Независимо от вида покрытия нагревание приводит к постепенному спаду внутренних напряжений (рис. 6.11, а), что объясняется снижением модуля упругости и ростом скорости релаксационных процессов. Напряжения становятся равными нулю при температурах стеклования (в случае аморфных полимеров) или плавления (у кристаллических). При последующем охлаждении покрытий напряжения снова восстанавливаются, при этом восходящая ветвь может дублировать нисходящую или иметь иное расположение в зависимости от того, из какого полимера изготовлено покрытие и какой был выбран режим охлаждения. При этом небезразлично, от какой температуры охлаждается покрытие: ниже или выше Тс, Тпл. В случае кристаллических полимеров старый порядок и структура полностью разрушаются лишь при нагревании выше Тпл.
Напряжения снижаются при выдержке покрытий в атмосфере влажного воздуха (рис. 6.11, б). Например, при 100%-й влажности они становятся равными нулю у поливинилбутиральных покрытий, нанесенных на стекло, через 45 ч, эпоксидных через 56 ч, перхлорвиниловых через 69 ч. С понижением влажности воздуха это время возрастает. Характерно, что уменьшение напряжений у большинства покрытий не коррелирует со снижением адгезии (обычно опережает его). Это позволяет сделать вывод, что релаксация напряжений при увлажнении обусловлена комплексным влиянием воды на механические и адгезионные свойства покрытий. Действительно, при высушивании увлажненных образцов напряжения частично или полностью восстанавливаются.
Внутренние напряжения практически не зависят от толщины покрытий (рис. 6.12), однако с ее увеличением наблюдается линейный рост упругой силы Р, обусловливающей увеличение напряжений в подложке, которые при оптическом методе условно рассматривают как напряжения в покрытии . С учетом толщины могут быть вычислены фактические напряжения в покрытии :
(6.22)
где — толщина покрытия; n — постоянная призмы.
Рис. 6.12 Рис. 6.13.
гр, мкм, мкм
Рис. 6.12. Зависимость внутренних напряжений в нитратцеллюлозных покрытиях (1) и в стеклянной подложке (2) от толщины покрытий
Рис. 6.13. Зависимость внутренних напряжений в поливинилбутиральных покрытиях (толщина 400 мкм) от толщины слоя грунта:
1 полибутадиеновый каучук; 2 бутадиенстирольный каучук; 3 нитрильный каучук; 4 полиизобутилен
Материал подложки не сказывается на формировании усадочных напряжений, однако сильно влияет на термические напряжения. При этом определяющим является термический коэффициент линейного расширения. У металлов, например, в 520 раз меньше, чем у полимеров, а у стекла в 1050 раз. Соответственно в последнем случае и напряжения выше. В покрытиях, нанесенных на подложки из анизотропных материалов (древесина), напряжения распределяются неравномерно в разных направлениях: они выше вдоль волокон, так как термическое расширение древесины в этом направлении на порядок меньше, чем поперек волокон.
Эффективный путь снижения внутренних напряжений усиление релаксационных процессов на границе пленка подложка. Это достигается, в частности, применением под покрытия из жесткоцепных полимеров (как аморфных, так и кристаллических) специального подслоя (грунта) из эластомеров, например каучуков. Релаксирующий эффект возрастает с увеличением толщины и пластичности материала грунта (рис. 6.13). Он зависит также от степени химического сродства полимеров грунтовочного и верхнего слоев. Для каждого покрытия существует предельное значение толщины грунтовочного слоя, при котором внутренние напряжения полностью релаксируют. В случае применения каучуков независимо от типа верхнего покрытия эта толщина находится в пределах 2050 мкм.
Применение эластичных грунтов оправдало себя при получении покрытий из высокомодульных полимеров (полиэтилена, пентапласта, поливинилхлорида и др.) как эффективный способ снижения внутренних напряжений и повышения их долговечности. Термические напряжения растяжения могут быть устранены (компенсированы) чисто технологическим путем, например, растяжением подложки в момент формирования покрытия. Этот способ позволил, в частности, при окрашивании рулонного металла получать более адгезионнопрочные покрытия с повышенным сроком службы.
6.9. Проницаемость покрытий
Проницаемость покрытий характеризует комплекс их изолирующих свойств: способность препятствовать проникновению жидкостей, паров и газов к поверхности подложки из окружающей среды, обеспечивая защитные свойства материала пленки от внешней, контактирующей с ней среды.
На практике чаще всего приходится сталкиваться с проницаемостью водяных паров, воды, водных растворов электролитов, газов, чаще всего воздуха. По водопроницаемости полимерные пленки занимают промежуточное положение между неорганическими солями и жидкостями. Коэффициенты водо- и газопроницаемости составляют соответственно 10151011 м2/чПа и 10161012 м2/чПа.
6.9.1. Перенос жидкостей и газов через пленки
Жидкости и газы проникают через лакокрасочные покрытия к подложке в результате:
капиллярного течения;
диффузии.
Для покрытий с механической пористостью, т. е. имеющих капилляры, поры, микротрещины и т. д., характерно капиллярное течение. Степень капиллярной пористости зависит от метода нанесения лакокрасочного материала, его способности смачивать поверхность, характера подложки (ее рельефа). На ровной поверхности стекла получить беспористое (сплошное) покрытие значительно легче, чем на поверхности древесины. При нанесении красок электроосаждением, обычно получаются более сплошные покрытия, чем при пневмораспылении.
Пористость покрытий может быть явной, связанной с наличием открытых пор, ее легко обнаружить обычными методами оценки сплошности, и скрытой (или неявной), обусловленной замкнутыми порами, быстро проявляющимися при эксплуатации покрытия (слабые дефектные места).
Механическая пористость любых покрытий уменьшается с увеличением их толщины и ростом наносимых слоев (рис. 6.14).
В зависимости от материала, типа подложки, способа нанесения и других факторов существует минимальная толщина беспористых покрытий мин. Она минимальна (соответствует доли или единице микрометров) при формировании покрытий из газовой фазы и гораздо больше (десятки и сотни микрометров) при их получении из жидких сред. В соответствии с пористостью изменяется и проницаемость покрытий.
На практике используют разные приемы получения беспористых покрытий при минимальной толщине. Чаще получают многослойные покрытия: каждый последующий слой более чем на 50% перекрывает дефекты предыдущего. Например, число наносимых слоев, в зависимости от условий эксплуатации в случае перхлорвиниловых покрытий составляет от 3 до 12.

Рис. 6.14. Типовая зависимость пористости и проницаемости покрытий
от толщины:
I покрытия с явной пористостью; II покрытия со скрытой пористостью;
III беспористые покрытия
Если механическая пористость отсутствует, то степень изоляции покрытий определяют их молекулярной или структурной проницаемостью.
Механизм проникновения вещества через пленку (газов, паров и низкомолекулярных жидкостей) состоит из:
сорбции;
диффузии;
десорбции с другой стороны пленки.
Сорбционное равновесие (при отсутствии сильного взаимодействия между сорбентом и сорбатом) устанавливается быстро и скорость суммарного процесса в основном определяется скоростью диффузии и описывается уравнением Фика:
(6.23)
где Q количество диффундирующего вещества;
D коэффициент диффузии;
градиент концентрации;
S площадь;
время.
Коэффициент проницаемости Р определяют:
, (6.24)
где коэффициент сорбции.
В неполярных и слабополярных полимерах растворимость полярных жидкостей (вода, электролиты) и газов мала и их сорбция подчиняется закону Генри:
(6.25)
где перепад давления.
И коэффициент проницаемости может быть вычислен по уравнению:
(6.26)
В случае контакта полярных полимеров с полярными веществами процессы сорбции усложняются: концентрация сорбированного вещества растет не пропорционально давлению, как это вытекает из закона Генри.
В результате взаимодействия полярных групп поглощение может достигать больших значений, а соответственно растет диффузия и проницаемость покрытий.
Как видно из приведенных ниже данных по равновесной сорбции Gравн (при W=100%), диффузии D и проницаемости Р воды непигментированными пленками при 20С:
Gравн, кг/м3 D108, см2/с Р1014, м2/чПа
Поливинилацетатная 100 25 10,0
Полиамидная 85 3,5 4,7
Масляная (из олифы) 250 3,1 3,6
Алкидная 23 0,95 1,3
Полиуретановая 43 1,34 0,9
Эпоксидная 16 0,84 0,5
Хлоркаучуковая 1 0,5 0,2
Полиэтиленовая 0,1 0,1 0,06
Наибольшей проницаемостью обладают поливинилацетатные пленки. Водопоглощение же покрытий на основе неполярного полиэтилена минимально.
Водопоглощение покрытий с полярными группами существенно возрастает с повышением влажности окружающего воздуха, не изменяясь у покрытий на основе неполярных полимеров и олигомеров (рис. 6.15).

Рис. 6.15. Зависимость сорбции воды покрытиями от влажности окружающего воздуха при 20С:
1 масляное; 2 алкидное; 3 хлоркаучуковое;
4 битумное
Характер диффузионного процесса изменяет присутствие электролитов в воде, в зависимости от природы пленкообразователя диффузия и проницаемость могут увеличиваться или уменьшаться. Так, согласно результатам исследований С. А. Рейтлингера, диффузия электролитов в эпоксидные пленки уменьшается в следующей последовательности:
H2SO4 HNO3 HCl KOH.Причем скорость диффузии щелочей почти на порядок меньше, чем кислот.
Проницаемость полимерных покрытий по отношению к инертным газам мала и для многих пленок падает в ряду:
H2 CO2 O2 N2.Низкомолекулярные вещества могут проникать в пленки как с одной, так и с двух сторон в зависимости от материала подложки. Если подложка твердая и неактивная в сорбционном отношении, то доступ жидкостей и газов к ней открыт только с одной стороны, в случае пористых подложек (древесина, бумага, штукатурка) сорбция пленкой вещества происходит как снаружи, так и от подложки, т. е. покрытие не выполняет функцию диффузионного барьера, если не предусмотрена полная изоляция изделия.6.9.2. Факторы, влияющие на проницаемость
Перенос вещества Р и его сорбционная способность в определяющей степени зависят от природы полимера F, природы сорбата G и степени их химического сродства Н:
(6.27)
Наиболее низкими значениями коэффициентов диффузии и проницаемости обладают покрытия, находящиеся в застеклованном или кристаллическом состоянии. Но различие в проницаемости аморфицированного и высококристаллического образцов может достигать порядка. Покрытия, полученные из эластомеров, имеют более высокие значения D и Р.
Покрытия, полученные из пленкообразователей трехмерного строения, обладают лучшими изолирующими свойствами, чем из линейного.
Большое влияние на проницаемость покрытий оказывают природа, объемное содержание, размер и форма частиц, степень взаимодействия с пленкообразователем, пигменты и наполнители. Ю. С. Липатовым показано, что отношение проницаемости наполненной Рн и ненаполненной Рn полимерных пленок находится в следующей зависимости от объемного содержания в них наполнителя Ф и полимера Vn
Рн/Рn = Vn(1 + КФ), (6.28)
где К коэффициент, учитывающий форму частиц.
Например, коэффициент диффузии воды у масляных покрытий при 30%м наполнении ТiO2 снижается почти вдвое, эпоксидных примерно на 5%. Эффект торможения переноса веществ через пленки при пигментировании по-видимому связан с повышением жесткости молекулярных цепей и уменьшением скорости релаксационных процессов.
Проницаемость покрытий увеличивается с повышением температуры и концентрации диффундирующих веществ:
(6.29, 6.30)
где D0 коэффициент диффузии при начальной температуре или при концентрации С0;
ED кажущаяся энергия активации диффузионного процесса;
постоянная.
Вода относительно быстро проникает через тонкие покрытия, причем проницаемость свободных пленок значительно выше, чем адгезированных, что объясняется структурной упорядоченностью молекул граничного слоя в результате их ориентации под влиянием силового поля твердой поверхности.
Многими исследователями показано, что для получения покрытий с низкой проницаемостью к воде, газам, электролитам, следует применять кристаллические полимеры (полифторолефины, полиолефины, пентапласт, поливинилхлорид, сополимеры винилхлорида и др.), олигомерные пленкообразователи, превращаемые в нерастворимое трехмерное состояние (эпоксидные, фурановые, фенолоформальдегидные, полиуретановые, полидивинилацетиленовые и др.). Хорошие результаты показало использование смесей полимеров с олигомерами (эпоксидно-фторопластовые, эпоксидно-новолачно-фторопластовые, эпоксидно-фурановые и др.).
При введении в состав лаков на основе химически стойких пленкообразователей инертных наполнителей (графит, технический углерод, оксид хрома, барит) должно уменьшить скорость проникновения агрессивных сред в покрытии на 1030%. Особенно эффективно применение реакционно-способных наполнителей веществ, активно взаимодействующих со средой. Например, для снижения скорости проникновения кислот (HCl, HF, HNO3, H2SO4, H3PO4) наилучшие результаты показало использование порошковых металлов (Mg, Zn, Ca), их оксиды, гидроксиды, соли слабых кислот при массовой доле в пленке 0,53,0%.Этот эффект диффузионного торможения, по мнению Ю. А. Мулина, связан с образованием внутри пленки новой фазы нерастворимых продуктов взаимодействия оксидов с кислотами гидратных комплексов. Из-за их большего объема по сравнению с объемом исходных оксидов создается эффект «заклинивания» и уменьшается дефектность покрытий. Подобный эффект замедления диффузии воды наблюдается при введении в покрытия, например, полиэтиленовых добавок вяжущих веществ (цемент, алебастр) и других веществ, легко реагирующих с водой или поглощающих ее.
Покрытия с низкой проницаемостью необходимы для защиты аппаратуры в химической промышленности, защиты электрооборудования и приборов.
Для некоторых назначений (окрашивание штукатурки, кожи, древесины) от покрытий требуется высокая проницаемость для обеспечения влаго-, воздухообмена, создания благоприятных гигиенических условий в объеме (помещения, обувь, одежда), изолированном от внешней среды этими материалами.
Для получения таких покрытий:
увеличивают сродство материала пленки и диффундирующего агента;
повышают механическую пористость пленок путем перенаполнения, использования грубых пигментов и наполнителей, ориентированных в силовом поле перпендикулярно поверхности подложки и др.;
использование в рецептуре красок ПАВ и других гидрофильных веществ солей, кислот и т. д.
Используя покрытия разной проницаемости можно решать различные технические задачи, например, обеспечивать дозированную экстракцию веществ (токсинов, лекарственных препаратов и т. д.) из нижележащих слоев и подложки, регулировать индукционный период или скорость химических реакций в подложке, активируемых газами и жидкостями внешней среды и др.
6.9.3. Методы определения проницаемости
Прямые, или мембранные, методы основаны на непосредственном замере количества жидкости, пара или газа, прошедшего через пленку при заданных условиях, для чего создается определенный градиент концентрации или давления по обе стороны пленки. Для этого используют приборы, которые представляют собой замкнутые ячейки, разделенные на две камеры испытуемой пленкой. В одну из них заливается раствор заданной концентрации или подается газ (или пар) под определенным давлением, в другой определяют количество прошедших через пленку ионов, газа или паров по концентрации, объему, массе или давлению.
Косвенные методы определения проницаемости связаны с количественной или качественной оценкой степени сорбции или диффузии испытываемых веществ. О диффузии судят по скорости переноса или изменению концентрации вещества, скорости движения фронта диффундирующего вещества или другим признакам.
Методами определения коэффициентов диффузии и проницаемости являются сорбционно-десорбционный, интерференционный, микроскопический, метод фазовой границы с применением вертикального оптиметра, сканирующей и отражательной микроскопии, электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа, хроматографический и др. Определения проводят на образцах свободных или адгезированных пленок. Выражают проницаемость в м2/чПа или г/м2сут.
Пористость покрытий на металлических подложках определяют с помощью дефектоскопов, электрохимическим и химическим методами.
6.10. Оптические свойства
К оптическим характеристикам покрытий относятся цвет, прозрачность, укрывистость, блеск. Эти свойства определяются составом и качеством приготовления лакокрасочного материала, природой и качеством подготовки поверхности, соблюдением технологического процесса формирования покрытия. При оценке внешнего вида покрытий необходимо учитывать их функциональное назначение, физиологическое и психологическое влияние на человека. Оптические свойства, как и другие показатели покрытий, изменяются в процессе эксплуатации, поэтому необходимое требование к покрытиям их длительная стабильность.
6.10.1. Пропускание, поглощение и отражение света
покрытиями
Оптическую область спектра электромагнитных колебаний чаще всего воздействующих на лакокрасочные покрытия, составляют видимые лучи ( = 7,21023,8102 нм), инфракрасное ( = 41057,2102 нм) и ультрафиолетовое излучение ( = 3,8102210 нм). Закономерности преломления, поглощения и отражения этих лучей при прохождении через систему внешняя средапленкаподложка одинаковы; результаты различаются только в количественном отношении.
Оптические свойства лакокрасочных покрытий характеризуются коэффициентами отражения , пропускания и поглощения :
(6.31)
где Фо, , , падающий, отраженный, пропущенный и поглощенный потоки излучения соответственно.
При характеристике терморегулирующих свойств и укрывистости покрытий важны также коэффициенты излучения и преломления (отношение скоростей света в вакууме и в среде).
Лакокрасочные покрытия являются оптически неоднородными средами. Это обусловлено особенностями их структуры, наличием пигментов и наполнителей, несовместимых компонентов и примесей, что предопределяет для таких покрытий объемное светорассеяние. Изменение светового потока (отражение, поглощение, рассеяние) вызывает также подложка, особенно заметное при толщине покрытий до 20 мкм.
Одним из важных факторов, изменяющим оптические свойства, является рельеф поверхности покрытий. В зависимости от свойств поверхностей покрытия и подложки будет преобладать диффузионное или зеркальное отражение.
В совокупности влияния различных факторов в реальных условиях оптическое поведение покрытий весьма сложно (рис.6.16).
а б

Рис. 6.16. Схема преломления, отражения и рассеяния света лакокрасочным покрытием в идеальном (а) и реальном (б) случаях:
I воздух; II пленка; III подложка
Блеск покрытий. Блеск (глянец) покрытий определяется их отражательной способностью. На практике наибольший интерес представляют покрытия с предельными значениями отражательной способности: высокоглянцевых (максимальный глянец), и глубокоматовых (минимальный глянец).
Блеск пигментированных и непигментированных покрытий в большей степени зависит от шероховатости их поверхностей (рис. 6.17).
Рис. 6.17. Зависимость блеска покрытий от шероховатости их поверхности

Один из приемов получения высокоглянцевых покрытий облагораживание поверхности (шлифование и полирование). При этом с уменьшением высоты неровностей поверхности наступает момент, когда рассеяние практически исчезает и наблюдается практически зеркальная составляющая отраженного света. Это условие выполняется в том случае, когда высота неровностей h будет значительно меньше длины падающего света :
h или h1, (6.32)
где и углы падения света и наблюдения соответственно.
Блеск зависит от природы лакокрасочного материала. Наибольшим блеском характеризуются покрытия, сформированные из растворов и расплавов пленкообразователей. Флокуляция пигментов в момент пленкообразования, приводящая к отслаиванию лака в поверхностном слое, увеличивает блеск покрытий.
Применение же дисперсных материалов, красок с повышенной тиксотропией, большим содержанием пигментов и со специальными матирующими добавками (аэросил, воски, стеараты металлов и др.) приводит к образованию полуматовых, матовых или глубокоматовых покрытий. Непигментированные матовые покрытия получают при использовании специальных лаков. Матирование возможно и использованием чисто технологических приемов: нанесением лаков и красок пневмораспылением при повышенном давлении, обработкой покрытий мягкими абразивами и др.
В соответствии с ГОСТ 903274 покрытия по внешнему виду (блеску в %) делятся на
высокоглянцевые 60;
глянцевые 5059
полуглянцевые 3749;
полуглянцевые 2036;
матовые 419;
глубокоматовые 3.
Покрытия с высоким блеском используются для отделки мебели, бытовой техники, музыкальных инструментов, автомобилей и др. Матовые покрытия используются в приборостроении, строительстве и др.
Лакокрасочная промышленность выпускает широкий ассортимент матовых и полуматовых эмалей на основе мочевиноформальдегидных, алкидных, эпоксидных, виниловых, полиакрилатных олигомеров (МЧ240М, МЧ240ПМ, ПФ19М, ПФ214М, ПФ214ПМ, ЭП716, ХС1107М, ХС1107ГМ, АК512 и др.).
Прозрачность покрытий. В видимой области спектра прозрачны только непигментированные покрытия, но за ее пределами прозрачность возможна и в пигментированных покрытиях.
Факторы прозрачности в видимой области чистота лицевой и оборотной поверхностей пленки (или подложки) и степень ее однородности. Содержание в пленкообразователе несовместимых с ним веществ (воздух, выпавший сиккатив и другие примеси, кристаллические дискретные образования) с показателем преломления, отличным от показателя преломления пленкообразователя, снижает светопропускание покрытий, делает их опалесцирующими или недостаточно прозрачными.
Свойства пленкообразователей для прозрачных покрытий чистота, однородность состава, бесцветность должны длительно сохраняться при эксплуатации покрытий. Этими свойствами в полной мере обладают полиакрилатные, полиарилатные, полистирольные, полиэфирные, поливинилацетатные, этилцеллюлозные, мочевино- и циклогексанонформальдегидные пленкообразователи. Лаки на их основе надежно зарекомендовали себя при отделке полиграфической продукции, изделий из древесины, при лакировании картин, защите оптики.
В ИК-области наиболее прозрачны полимеры без структурных связей, способные к проявлению больших колебаний: полимеры и сополимеры фторолефинов, полиолефины, поливинилхлорид. В ближней ИК-области хорошо пропускают лучи и многие другие пленкообразователи, причем их спектральные характеристики мало зависят от присутствия пластификаторов и остаточного растворителя, но пигменты и наполнители снижают прозрачность.
Пропускание света пленками в УФ-области спектра подчиняется другим закономерностям (рис. 6.18, кривые 13).
Степень поглощения лучистой энергии пленкообразователем резко увеличивается в коротковолновой области спектра при 340 нм, исключая полифторолефины (250 нм). Пигменты и специальные вещества обеспечивают варьирование спектральных характеристик покрытий. Например, цинковые белила, сульфат бария, сульфид цинка, диоксид титана поглощают основную массу УФ-излучения. Технический углерод однако более прозрачен в УФ-области спектра, чем в видимой и инфракрасной. Поэтому белое покрытие с оксидом цинка в УФ-свете кажется черным, а черное с техническим углеродом, наоборот, белым.

Рис. 6.18. Кривые светопропускания в УФобласти спектра пленками,
полученными из лаков:
1 полиакрилатного; 2 ацетилцеллюлозного; 3 меламиноалкидного;
4 ацетилцеллюлозного с 0,3% 2-гидрокси-4-метоксибензофенона;
5 ацетилцеллюлозного с 0,55 2,2-дигидрокси-4-метоксибензофенона
Наряду с пигментами интенсивно увеличивают светопоглощение в УФ-области (между 300 и 400нм) производные гидроксибензофенона, ферроцена, бензотриазолы, арилсалицилаты, бензидин, фенолят меди и др.
Покрытия, содержащие подобные соединения, используют в качестве светофильтров. Так, стекла, покрытые лаками с УФ-адсорбентами, защищают от проникновения УФ-лучей витрины магазинов и другие объекты.
Изучение спектрального поведения материалов в широком диапазоне длин волн важно для создания маскирующих покрытий.
Цвет и видимость покрытий. Цветовые характеристики покрытий (кроме битумных) создаются в основном за счет пигментов или газонаполнения. При этом кроющая способность определяется разностью показателей преломления пигмента (или газа) n1 и пленкообразователя n2. По Френкелю доля монохроматического светового потока R, прошедшего через границу раздела, равна
(6.33)
а цвет покрытий степенью избирательного (селективного) поглощения и отражения падающего на них света.
Показатель преломления большинства непигментированных пленок на границе с воздухом составляет 1,48 (для поливинилацетатных); 1,60 (для эпоксидных); для белых пигментов и наполнителей 1,62,7.
Кроющая и отражательная способность (при постоянстве состава пигментной части) выше у тех покрытий, которые изготовлены на основе пленкообразователей с более низкими показателями преломления. Это определяет видимость покрытий.
6.10.2. Покрытия как средство цветового оформления изделий и объектов
Цветовая отделка изделий, промышленного оборудования, строительных и других объектов наряду с техническими целями предусматривает решение ряда функциональных и художественно-эстетических задач. К ним относятся создание благоприятных условий зрительной работы и безопасности трудовых процессов, повышение производительности труда, обеспечение необходимого эмоционально-психологического восприятия окружающих предметов. При определении системы покрытий для изделий и объектов, выборе их цвета и фактуры поверхности принимают во внимание многие факторы: габариты, функциональное назначение, характер окружающей среды, условия эксплуатации, особенности процесса производства и т. д.
Цвет оказывает на человека не только эстетическое, но и психологическое, и физиологическое воздействие. Условно гамму цветовых тонов подразделяют на теплые (красные, оранжевые, желтые, желто-зеленые) и холодные (голубые, синие, зеленые, сине-зеленые) цвета. Одни и те же предметы, окрашенные в светлые и темные цвета, кажутся одному и тому же человеку легче или тяжелее.
Темные цвета большинство людей воспринимают как мрачные, а светлые как радостные. Холодные цвета снимают напряжение зрения, успокаивают человека, благоприятствуют рабочему настроению. Теплые, ассоциирующиеся с более высокими температурами, оказывают возбуждающее действие, бодрят, их относят к активным цветам. Возбуждающе действуют на человека и яркие, высоконасыщенные цвета, а также пестрая гамма цветов; при их длительном воздействии наступает утомление.
Отдельные цветовые тона обладают свойством создавать впечатление удаления или приближения поверхностей. Теплые цвета кажутся более близкими, а холодные удаленными. При отделке внутри зданий подбором цвета окраски поверхности можно достичь кажущегося уменьшения или увеличения помещения. Например, для сельскохозяйственных машин, работающих в полевых условиях, рекомендованы покрытия ярких красного и оранжевого цветов; для машин, работающих стационарно, голубого, салатного и других разбеленных цветов; грузовые автомашины окрашивают в темно-зеленый и светло-серый цвета и т. д., согласно ГОСТ 2385279. Сигнальные цвета выбирают согласно ГОСТ 12.4.02676, а опознавательные по ГОСТ 1420269.
6.10.3. Покрытия целевого назначения
Терморегулирующие покрытия. Их применяют для поддержания необходимого теплового режима объектов за счет установления баланса между поглощаемой извне энергией и энергией, излучаемой в окружающую среду. Основной внешний источник энергии солнечное излучение, но могут быть и другие источники нагрева. Терморегулирующие покрытия характеризуются коэффициентом поглощения солнечного излучения и коэффициентом излучения (черноты) . Желательно иметь значения этих параметров у покрытий солнечных отражателей 0,2; 0,9; у покрытий истинных поглотителей 0,9.
Регулирование отражательной способности покрытий осуществляют введением в состав красок белых пигментов (TiO2, ZnS, ZnO) и алюминиевой пудры, а также использованием пленкообразователей, прозрачных для ИК-лучей. Для поглощения лучистой энергии используют черные матовые покрытия, получаемые с применением технического углерода и других светопоглощающих пигментов.
Терморугулирующие покрытия находят широкое применение. Покрытия солнечные отражатели используют для уменьшения температуры нагрева изделий и объектов (бензо-, нефте- и газохранилища, рефрижераторы, нефтеналивные суда), термостатирования космических кораблей, летательных аппаратов, башен телескопов. Покрытия поглотители тепловой энергии применяют в гелеотехнических установках, при изготовлении термоэлементов, экранировании рабочих мест, подверженных тепловой радиации.
Термоиндикаторные покрытия. Это покрытия, изменяющие свой цвет при изменении температуры подложки или окружающей среды. Их применяют с целью регистрации и измерения температуры изделий. Различают покрытия, представляющие собой термохимические индикаторы, термоиндикаторы плавления, жидкокристаллические и люминисцентные индикаторы. Самую большую группу термоиндикаторных покрытий составляют термохимические индикаторы (обратимые, необратимые и квазиобратимые) и индикаторы плавления.
Для получения таких покрытий применяют термоиндикаторные краски, которые представляют собой суспензии термочувствительных компонентов (пигментов, наполнителей и др.) в пленкообразователях.
Термоиндикаторные покрытия должны обеспечивать чувствительность к изменению температуры, контрастность цветов (или цветового фона) до и после действия температуры, стабильность к воздействию внешних факторов за исключением температуры. Чувствительность покрытий к температурным воздействиям зависит от их теплопроводности и скорости протекания химических или физических процессов в пленке. В этой связи термоиндикаторные покрытия должны иметь высокие коэффициенты тепло- и температуропроводности. Для жидкокристаллических индикаторов погрешность измерений температуры колеблется 0,10,5%, для термохимических 510%. В промышленном масштабе выпускаются термоиндикаторные краски , термоиндикаторные карандаши, пленка, порошки.
Термоиндикаторные покрытия применяют для контроля тепловых режимов электро-, радио- и электронного оборудования, индикации нагрева режущего инструмента, исследования поверхностных температурных полей летательных аппаратов, контроля и предупредительной сигнализации средств нагрева и охлаждения, в медицине для оценки температуры кожного покрова и выявления с помощью этого очагов болезней.
Светящиеся покрытия. Эти покрытия способны к люминисценции в видимой области спектра при возбуждении электрическим током, световым или радиоактивным излучением. Различают покрытия временного и постоянного свечения.
Краски для светящихся покрытий содержат пленкообразователь, обладающий оптической прозрачностью в видимой области спектра и высокой диэлектрической постоянной (полиакрилаты, эпоксиолигомеры), и люминофоры (светосоставы) оксиды, сульфиды, селениды металлов II группы, активированные различными металлами.Для сохранения оптических и других свойств поверх люминофорного слоя часто наносят слой прозрачного водостойкого лака, содержащего светостабилизаторы. Светящиеся покрытия применяют для изготовления шкал приборов, уличных и домовых знаков и указателей. С использованием таких покрытий наблюдения за приборами можно проводить в ночное время без применения электрического освещения. Покрытия, не обладающие длительным послесвечением, применяют в картографии. После выключения электрического освещения не требуется адаптации глаз в темноте.
6.10.4. Методы определения оптических свойств покрытий
Для определения оптических свойств покрытий применяют светофотометрический, колориметрический и визуальный способы.
Спектрофотометрический метод основан на определении спектрального состава излучения, спектральных коэффициентов пропускания и отражения, яркости образцов, отражающих свет.
Измерение колориметрическим методом основано на принципе смешения окрашенных световых потоков с известными параметрами (или смешения цветов), при котором достигается идентификация определяемого цвета. Для этого применяют спектрофотометры, работающие в различных областях.
Для инструментальной оценки цвета покрытий служат фильтровой колориметр ФМ104м и компаратор цвета КЦ2, оснащенный микро-ЭВМ.
Визуальный метод определения цвета связан со сравнением испытываемых образцов с эталонными накрасками картотеки или атласа цветовых эталонов.
Блеск покрытий определяют с помощью фотоэлектрических блескометров ФБ2 и ФБ5. Определение основано на измерении фототока, возникающего под действием пучка света, падающего на поверхность покрытия под углом 45 и отраженного от нее.
6.11. Электрические свойства
Лакокрасочные покрытия в последние годы широко применяются в радио-, элекротехнической, электронной, в том числе микроэлектронной технике. Их применяют в катушках сопротивления, для изготовления тончайших проводов, микромодулей, интегральных схем, локаторных антенн, электронных генераторов, мощных электродвигателей и турбин. При этом покрытия подвергаются воздействию электрического тока самых разных напряжений от нескольких милливольт до сотен киловольт, часто в широком диапазоне частот, воздействия низких и высоких температур. Электрические свойства, например сопротивление, играют существенную роль и в обеспечении противокоррозионных свойств покрытий.
Не менее важны задачи и по созданию покрытий с повышенной электрической проводимостью, то есть электропроводящие покрытия, использование которых позволяет снижать статическое электричество, а также решать ряд других технически важных задач.
К наиболее важным электрическим свойствам лакокрасочных покрытий относятся: электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, электрическая прочность.
Электрическая проводимость характеризует перенос электрических зарядов в веществе под воздействием внешнего электрического поля. Обычно пользуются показателями: удельной объемной проводимостью (отношение плотности тока, текущего через образец, к напряженности электрического поля) или обратной величиной удельным объемным сопротивлением . Удельную объемную электрическую проводимость выражают в см/м (1 см/м = 1 Ом1м1), удельное объемное сопротивление в Омм.
В основном, полимерные пленки-диэлектрики (обладают низкой электрической проводимостью), прохождение электрического тока через которые может быть обусловлено ионной или электронной проводимостью.
Ионная проводимость характерна для полимеров с большим водопоглощением. Так, электронная проводимость нитратцеллюлозных, мочевино- и фенолоформальдегидных пленок более чем на 30% определяется их ионной проводимостью.
Электронная проводимость связана с образованием электронов в полимерах при ионизации макромолекул, которая может быть вызвана нагреванием, радиационным или световым воздействием. Электронной проводимости благоприятствует наличие пигментов и других неорганических веществ в покрытии. Электронная проводимость пленок кристаллических полимеров выше, чем аморфных, ионная наоборот. Наиболее высокой электронной проводимостью отличаются полимеры-полупроводники, а также композиции с углеродными и металлическими наполнителями (техническим углеродом, графитом, порошками металлов). Полученные из них покрытия по электрической проводимости занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками; для них =108101 См/м. Электрическая проводимость большинства лакокрасочных покрытий находится на уровне электрической проводимости полимеров и составляет 10111014 См/м.
Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь. Эти характеристики взаимосвязаны. Если внести диэлектрик, например пленку полимера, в электрическое поле, то происходит его поляризация, то есть образование электрического (дипольного) момента , направленного вдоль поля:
(6.34)
где q заряд;
х расстояние между центрами зарядов.
Чем больше , тем больше поляризация, тем выше диэлектрическая проницаемость . У разных полимеров составляет от 2,1 до 4,5. У полярных пленкообразователей (эпоксидных, фенолоформальдегидных) она равна 3,54,5, у неполярных (полифторолефины, полистирол) 2,02,5.
Диэлектрическая проницаемость обуславливает радиопрозрачность покрытий: чем меньше , тем лучше проходимость радиоволн.
О диэлектрических потерях судят по тангенсу угла диэлектрических потерь отношение диссипированной электрической энергии (фактора потерь ) к запасенной энергии, определяемой диэлектрической проницаемостью :
(6.35)
Диэлектрические потери часть энергии электрического поля, которая необратимо рассеивается в диэлектрике в виде теплоты.
У различных покрытий составляет от 0,1 до 0,001. Хорошие диэлектрики те, у которых = 0,002 0,005 и не изменяется в широком диапазоне частот от 102 до 106 Гц (полиэтилен, полистирол, эпоксидные олигомеры).
Электрическая прочность (пробивное напряжение) это характеристика физической способности материала диэлектрика выдерживать воздействие электрического тока. Она выражается в МВ/м. В однородном электрическом поле:
(6.36)
где Uпр напряжение пробоя;
h толщина покрытия.
У покрытий-диэлектриков Епр составляет 5080 МВ/м. Электрическая прочность существенно зависит от качества покрытия. Наличие слабых мест и дефектов в пленках значительно снижает их электрическую прочность.

Глава 7. Определение физико – механических свойств лакокрасочных покрытий
7.1. Получение свободных пленок
Согласно ГОСТ 14243–78 метод состоит в отделении гибких жестких окрашиваемых поверхностей от высыхающего слоя лакокрасочного материала. Гибкой окрашиваемой поверхностью служит полиэтилентерефталатная пленка и алюминиевая фольга. Жесткими окрашиваемыми поверхностями являются фотографические пластинки и пластинки из фторопласта–4. Свободные пленки используются для определения плотности, влагопоглощения, паропроницаемости, а также предела прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве и др.
7.1.1. Получение лакокрасочных покрытий
для испытаний
Для проверки соответствия лакокрасочных материалов нормативно-технической документации методы получения лакокрасочных покрытий на металлической, стеклянной, деревянной и другой окрашиваемой поверхности гостированы (ГОСТ 8832–76).
7.1.2. Толщина лакокрасочных покрытий
Толщину лакокрасочных покрытий, наносимых на поверхность из ферромагнитных сплавов, определяют толщинометром МТ–41НЦ (ТУ 25–06.2500–82) с диапазоном измерения 0–12 мм и погрешностью 5 %. Принцип действия толщинометра базируется на измерении изменения распределения магнитной индукции в стержневом сердечнике преобразователя в зависимости от толщины покрытия.
Для измерения толщины покрытий, нанесенных на стальную поверхность с шероховатостью от 10 до 80 мкм, применяется магнитный толщинометр МТ–10НЦ (ТУ 25–06.9036–82) с диапазоном измерения 10–1000 мм и погрешностью 5%. Измерение толщины покрытий на поверхности из немагнитного металла производится вихревым толщинометром ВТ–10НЦ (ТУ 25–06.2501–83) с диапазоном измерения 0–12 мм и погрешностью 5%. Принцип действия основан на преобразовании первичного сигнала об изменении зазора между преобразователем и металлом в стандартные цифровые значения.
Для измерения толщины свободных пленок применяют стандартный мерительный инструмент, например, микрометр мод. 102 (ГОСТ 6507–78), с ценой деления 0,01 мм и допустимой погрешностью ±0,004 мм.
Предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве и модуль упругости определяются согласно ГОСТ 18299–72. испытуемый образец свободной пленки растягивается с определенной скоростью до разрыва с определением показателей:
– предел прочности при растяжении, МПа;
– относительное удлинение при разрыве – отношение удлинения рабочей части пленки, измеренного в момент разрыва, к начальной длине рабочей части пленки, %.
Модуль упругости – отношение напряжения к соответствующему относительному удлинению в пределах пропорциональности, МПа.
Для измерения используется разрывная машина с изменяющимися в пределах 0–500 Н диапазоном нагрузок (погрешностью не более 1%) и соответствующими скоростями зажимов.
7.1.3. Прочность пленок при ударе
В соответствии с ГОСТ 4765–73 определяется по максимальной высоте, при падении с которой груз определенной массы не вызывает видимых механических повреждений лакокрасочного покрытия на металлической пластинке. Прочность пленок при ударе условно выражают в сантиметрах. Для определения прочности пленок при ударах используется устройство У–2М (ТУ 6–23–1–88), позволяющее определять прочность пленок в широком диапазоне энергий удара.
Адгезия покрытий оценивается согласно ГОСТ 15140–78, предусматривающему четыре возможных метода:
метод отслаивания, состоящий в определении адгезии отслаиванием гибкой пластинки от армированного стеклотканью покрытия и измерения необходимого для этого усилия;
метод решетчатых надрезов, который заключается в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов и визуальной оценке состояния покрытия по четырехбальной системе;
метод решетчатых надрезов с решетчатым ударом, который заключается в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов в визуальной оценке состояния решетки покрытия после ударного воздействия, оказываемого на обратную сторону пластины в месте нанесения решетки;
метод параллельных надрезов, который заключается в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие параллельных надрезов и визуальной оценке по трехбалльной системе после отрыва липкой ленты.
Оценку адгезии с использованием метода отслаивания проводят на разрывной машине с максимальной нагрузкой 30 Н с погрешностью не более 0,5 Н. Образец расслаивают при скорости движения подвижного зажима 0,0010–0,002 м/с и угле отслаивания 180ºС. В этом случае адгезия выражается в Н/м.
В процессе определения адгезии методом решетчатых надрезов на испытуемом участке поверхности образца на расстоянии от края не менее 10 мм делают, например, бритвенным лезвием с кромкой толщиной 0,05–0,13 мм или скальпелем с углом заточки режущей части 20–30º – по линейке или шаблону не менее шести параллельных надрезов до металла длиной не менее 20мм, на расстоянии 1,2 или 3 мм друг от друга. Подобные надрезы создаются в перпендикулярном направлении. Таким образом, на покрытии образуется решетка из квадратов одинакового размера. Для удаления отслоившихся кусочков покрытия мягкой кистью проводят по поверхности решетки в диагональном направлении по пять раз в прямом и обратном направлении. Адгезия выражается в баллах.
Балл 1 – если края надрезов полностью гладкие и нет признаков отслаивания ни в одном квадрате решетки.
Балл 2 – если имеет место незначительное отслаивание покрытия в местах пересечения линий решетки, а нарушения наблюдаются не более чем на 5% площади поверхности решетки.
Балл 3 – если покрытие частично или полностью отслаивается вдоль линий, надрезов решетки или в местах их пересечения; нарушение наблюдается не менее чем на 5% и не более чем на 35% площади поверхности решетки.
Балл 4 – если покрытие отслаивается на более чем 35% площади поверхности.
При оценке адгезии методом решетчатых надрезов с обратным ударом используют устройство для определения прочности пленок при ударе У–2М (ТУ 6–23–1–88). Участок с решетчатыми надрезами располагают на наковальне под бойком. Затем производят ударные воздействие на образец, начиная с максимально предусмотренной в устройстве энергии. Эксперимент продолжают до тех пор, пока ударное воздействие не приведет к отслаиванию квадратов решетки.
В случае определения адгезии методом параллельных надрезов делают пять параллельных надрезов до металла на расстоянии 1,2 или 3 мм друг от друга. Перпендикулярно надрезам накладывают полоску липкой ленты на полиэтилентерефталатной основе размером 10х100 мм.
Резким движением ленту отрывают перпендикулярно покрытию. Адгезия оценивается по трехбалльной шкале: балл 1 – края надрезов гладкие; балл 21 – незначительное отслаивание пленки вдоль надрезов (не более 0,5 мм); балл 31 – отслаивание покрытия полосами.
7.1.4. Твердость покрытия по маятниковому прибору
Метод состоит в определении отношения времени затухания колебания маятника, установленного на лакокрасочном покрытии, ко времени затухания колебания того же маятника, установленного на пластине из фотостекла, и основан на уменьшении амплитуды колебаний маятника в зависимости от степени отверждения покрытия. Для этих целей используют маятниковый прибор 2124 ТМЛ (ТУ 25–0612. 773. 126–83). Перед началом эксперимента производят проверку маятникового прибора по «стеклянному числу» – времени затухания колебаний маятника, точки опоры которого находятся на пластинке из фотостекла от 5 до 2º.
«Стеклянное число» должно составлять 440±6 с. Твердость (Х) в условных единицах вычисляют по формуле:
,
где t – время затухания колебаний маятника от 5 до 2º на испытуемом лакокрасочном покрытии;
с; t1 – время затухания колебаний маятника от 5 до 2º на пластинке из фотостекла («стеклянное число»), с.
Глава 8. Технология нанесения лакокрасочных материалов
8.1. Способы нанесения лакокрасочных материалов
на поверхность
8.1.1. Классификация способов окрашивания
Различают способы нанесения жидких и порошковых лакокрасочных материалов.
Нанесение жидких лакокрасочных материалов, как и любых жидкостей, на твердую поверхность основано на:
1) превращении их в аэрозоли с последующим осаждением и коагуляцией в тонком слое;
2) смачивании поверхности (адсорбции);
3) отложении (осаждении) вещества из жидкой среды (раствора или дисперсии) при воздействии электрического тока, нагревания и т.д.;
4) испарении и последующей адсорбции из газовой или парогазовой фазы (для мономеров).
К первой наиболее распространенной группе способов относятся: пневматическое распыление, электростатическое распыление, гидравлическое (безвоздушное) распыление, аэрозольное распыление. Общим для всех является то, что жидкий лакокрасочный материал предварительно диспергируется – превращается в состояние аэрозоля. От свойств аэрозоля и от того, насколько он полно осаждается и коагулирует на поверхности, зависят экономика и качество получаемых покрытий.
Вторая группа способов – это окунание, облив, окрашивание валиками, в барабанах, кистями и другими ручными приспособлениями. Для них необходим прямой контакт твердой поверхности и жидкого лакокрасочного материала и возможно более полное взаимодействие (смачивание).
Третья группа – это электрополимеризация, электро- и хемоосаждение.
Четвертая группа – полимеризация в тлеющем разряде, инициированная полимеризация мономеров из паровой фазы и др.
В этом случае, как и при электрополимеризации, процесс нанесения (осаждения) мономерного или олигомерного пленкообразующего вещества совмещается с процессом его химического превращения, приводящего к формированию готового покрытия. В других случаях процессы нанесения и отверждения (сушки) материала четко разделяются во времени и по аппаратурному оформлению.
Нанесение порошковых лакокрасочных материалов основано на их способности легко превращаться в аэрозоли. Аэрозоли осаждаются на твердой поверхности в результате:
электризации аэрозольных частиц (сообщается заряд, противоположный по знаку заряду поверхности);
контактирования аэрозоля с нагретой поверхностью;
контактирования аэрозоля с липкой поверхностью подложки;
конденсации аэрозоля на холодной поверхности.
В отдельных случаях применяют нанесение порошковых красок на горизонтальную поверхность насыпанием, насеиванием и т.д.
Таблица 8.1. Сравнительная оценка способов нанесения лакокрасочных материалов
Способ
нанесения Удельное значение, % Потери, %
по 1985г.
1985г. 1990г. 1995г. Пневматическое распыление 60 35 27 45
Безвоздушное распыление 2 8 10 30
Электростатическое распыление 13 20 25 10
Струйный облив и окунание 18 15 12 23
Электроосаждение 5 15 18 8
Окрашивание
порошковыми материалами 0,2 0,5 0,6 5
Ручные способы 0,7 0,5 0,4 10
Прочие способы 1,1 6,0 7,0 10
* Елисаветский А.М., Ратников Ц.Н., Павловский Л.Л.//ЖВХО им. Д.И. Менделеева, 1988, т.33, №1, с. 99-106.
Удельное значение способов и потери при этом лакокрасочных материалов в промышленности бывшего СССР иллюстрируются данными таблицы.
Более 75% всех лакокрасочных материалов (как жидких, так и порошковых) в настоящее время наносят способами, основанными на аэрозольной технологии, поскольку в состоянии аэрозолей наиболее легко осуществляется дозирование лакокрасочных материалов, зарядка и тонкослойное распределение на поверхности. Однако многие из этих способов не экономичны из-за больших потерь лакокрасочных материалов. Например, пневматическое распыление 45%.
Все способы нанесения жидких и порошковых красок подразделяются на механизированные и ручные. Первые используют при окрашивании объектов и изделий в условиях массового, поточного и часто мелкосерийного производства; вторые – в быту, а также при единичном производстве в промышленности и строительстве, когда объем окрасочных работ мал и по соображениям экономии материалов, санитарно-гигиеническим, техническим и другим требованиям нецелесообразно применять механизированные средства окрашивания.
8.2. Пневматическое распыление
Пневматическое распыление – один из наиболее распространенных способов окрашивания в промышленности и строительстве. Его главные достоинства – универсальность, относительно высокая производительность, простота технического осуществления, достаточно хорошее качество получаемых покрытий.
Этим способом можно наносить практически любые жидкие лаки и краски и окрашивать изделия разных размеров и групп сложности, изготовленные из различных материалов. Особенно хорошо зарекомендовал себя этот способ при нанесении быстросохнущих лакокрасочных материалов – эфироцеллюлозных, перхлорвиниловых, полиакрилатных и др. Имеются ручной (с ручными распылителями) и автоматизированный (с автоматическими распылителями) варианты способа пневматического распыления, которые применяют самостоятельно или комбинируют в технологическом цикле окраски изделий с другими способами нанесения. Недостатки пневматического распыления – неэкономичность, повышенная пожароопасность, плохие санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала (при ручном нанесении). Так, потери лакокрасочных материалов в зависимости от сложности окрашиваемых изделий составляют 2555%. Кроме того, этот способ связан с большим расходом растворителей для доведения лакокрасочного материала до требуемой (относительно небольшой) вязкости.
Основы способа. Сущность способа пневматического распыления заключается в образовании аэрозоля при дроблении жидкого лакокрасочного материала струей сжатого газа (обычно воздуха). Образующийся аэрозоль движется в направлении газовой струи и при ударе о деталь коагулирует; капли сливаются, образуя на поверхности слой жидкого лака или краски. Для распыления лакокрасочного материала применяют форсунки с кольцевым газовым каналом и наружным смешением жидкости и газа (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Схема пневматического распыления лакокрасочного материала

Рис. 8.2. Зависимость осевой скорости воздушного потока () при различном давлении газа и потерь лакокрасочного материала П ( ) при =2,5 м/с от растояния l форсунки до окрашиваемой поверхности

При малой скорости газового потока жидкость не дробится. Существует предельная критическая скорость истечения газа ωкр, при которой происходит распыление. Она является функцией давления газа р и его удельного объема V при температуре распыления Т:
(8.1)
где К – постоянная, равная 1.4;
g – ускорение свободного падения;
R – газовая постоянная.
Способность газовой струи дробить жидкость может быть оценена также критерием Вебера Кw:
Кw=ρrω2/σ,
где ρ – плотность жидкости;
r – радиус капли;
ω – скорость движения газа;
σ – поверхностное натяжение жидкости.
Распыление происходит при ωкр=300450 м/с или Кw = 5,37,0, при этом давление газа р при выходе из форсунки должно быть не менее 0,19 МПа.
Однако, экспериментально показано, что для хорошего распыления требуется большее давление, а именно 0,20,6 МПа, что и используется на практике. Оптимальное значение вязкости лакокрасочного материала составляет 1735 с по вискозиметру ВЗ4. В этих условиях диаметр образующихся аэрозольных частиц 680 мкм. Отходящая от форсунки аэрозольная струя – это турбулентный поток, скорость движения которого быстро падает по мере приближения к окрашиваемой поверхности. Одновременно возрастают и потери лакокрасочного материала на туманообразование (рис. 8.2), что связано как с уменьшением скорости потока, так и с образованием завихрений (см. рис. 8.1) при движении струи и ударе ее об окрашиваемую поверхность. Возможен и унос частиц интенсивно испаряющимся растворителем. В этой связи эффективность и экономичность способа пневматического распыления определяется совокупностью многих технологических факторов, не исключая конструкции и параметров работы распылителя.
Технологические режимы. Качество образующихся аэрозолей и покрытий во многом зависит от оптимальных технологических режимов распыления лакокрасочных материалов. Наиболее важные параметры давление и расход сжатого воздуха, соотношение объемов воздуха и распыляемого лакокрасочного материала, расстояние от краскораспылителя до окрашиваемого объекта.
Высокое давление воздуха, подаваемого на распылитель (более 0,50,6 МПа), благоприятствует распылению, однако, вызывает повышенный унос материала. Из-за быстрого испарения растворителя покрытия нередко получаются матовыми, при медленном высыхании лакокрасочных материалов возможно сдувание жидкого слоя краски с поверхности. При низком давлении воздуха (0,2 МПа) образуются грубодисперсные аэрозоли, что отрицательно влияет на формирование покрытия. Оптимальное соотношение воздуха и краски Vв/Vкр = 0,30,6; расстояние от кромки распылителя до объекта 200400 мм.
Распыление лакокрасочных материалов в нагретом состоянии. При пневмораспылении температура лакокрасочных материалов при выходе из сопла форсунки резко понижается. При нанесении нитратцеллюлозных лаков и красок она достигает 68С. Это связано с адиабатическим расширением воздуха и испарением растворителей, на что затрачивается тепло. Температура лакокрасочного материала при истечении в струе газа с критической скоростью может быть вычислена по формуле:
(8.2)
где Т1 и Т2 – начальная и конечная температуры; К – адиабатическая постоянная, для воздуха К=1,4.
Снижение температуры в зоне распыления и частичное улетучивание растворителей приводит к значительному повышению вязкости распыленного материала, что отрицательно влияет на его растекание. Поэтому часто наносят лаки и краски с заведомо более низкой вязкостью, чем это требуется из условий распыления.
Снижение вязкости лакокрасочных материалов может быть достигнуто их нагреванием или подогревом покрываемой поверхности. Последний способ не нашел широкого применения при нанесении жидких красок, значительно более широко используют нанесение предварительно подогретых лакокрасочных материалов, при котором улучшается не только растекание, но и распыление.
Экспериментально установлены значения оптимальной температуры нагрева лакокрасочных материалов: для алкидных, меламиноалкидных, мочевиноформальдегидных и перхлорвиниловых лаков и эмалей она составляет 70С, для нитратцеллюлозных 5560С. Одновременно нагревают и поступающий на распыление воздух. Если при этих температурах распылять лакокрасочный материал, то при достижении поверхности он приобретает температуру, близкую к комнатной (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Распределения температуры в факеле нитратцеллюлозного лака
при распылении его в нагретом состоянии при комнатной температуре
В нагретом состоянии можно наносить практически любые лакокрасочные материалы, но из экономических соображений более целесообразно нагревать те материалы, которые содержат дорогие и дефицитные растворители, например, нитратцеллюлозные лаки и эмали. Не рекомендуется нагревать лакокрасочные материалы, представляющие собой высокореакционные системы (эпоксидные, полиуретановые и др.).
Для нанесения подогретых лакокрасочных материалов применяют как стационарные установки, например, типа УГО, укомплектованные красковоздухоподогревателем, специальным краскораспылителем и теплоизолированными шлангами, так и краскораспылители, снабженные портативными нагревателями. Установка типа УГО обеспечивает производительность по краске до 20 кг/ч с нагревом краски до 70С и воздуха до 50С. Нагревание лакокрасочных материалов позволяет значительно повысить эффективность и экономичность процесса окрашивания изделий. Благодаря снижению вязкости при нагревании появляется возможность применять более вязкие материалы, не прибегая к их дополнительному разведению растворителями. В результате достигается значительная экономия растворителей. Так, при нанесении нитратцеллюлозных лаков и эмалей в нагретом состоянии расход растворителей уменьшается примерно на 30%, алкидных, мочевино- и меламиноформальдегидных – на 40%. Одновременно сокращается число наносимых слоев вследствие использования более концентрированных лаков и красок. Например, вместо трех слоев нагретого материала достаточно нанести два слоя нагретого, чтобы получить покрытие заданной толщины. Нагревание красок способствует повышению глянца покрытий.
«Горячее» нанесение, однако, связанно с дополнительной затратой энергии на нагрев лакокрасочных материалов и применением высококипящих растворителей (нередко более дорогих); продолжительность сушки при этом так же несколько увеличивается.
Разновидность способа окрашивания с подогревом распыление лакокрасочных материалов с применением перегретого пара. Положительные результаты получены при давлении 0,150,30 МПА, температуре пара 105110С и окружающего воздуха не менее 10С. Однако, распыление паром обходится дороже, чем воздухом, кроме того, требуется установка специального пароподогревателя перед краскораспылителем или внутри него.
Автоматическое нанесение лакокрасочных материалов. Нанесение лакокрасочных материалов ручным краскораспылителем имеет много недостатков: производительность и качество окрашивания во многом определяется субъективными особенностями и квалификацией аппаратчика, работа связана с вредностями, обусловленными загрязнениями атмосферы растворителями и красочной пылью. Этих недостатков лишено автоматическое распыление лакокрасочных материалов с применением специальных промышленных роботов и манипуляторов.
В комплекс автоматического окрашивания входят:
автоматические манипуляторы или роботы с необходимым числом степеней свободы с программными устройствами и без них;
специальные краскораспылители для автоматического окрашивания;
окрасочная камера непрерывного действия;
система автоматической краскоподачи;
транспортные устройства (конвейеры, механизм автоматической загрузки и разгрузи изделий);
система управления автоматическим окрашиванием. В совокупности набор перечисленных технических средств представляет роботизированный окрасочный комплекс.
Наибольшее распространение получили окрасочные роботы (манипуляторы) несложной конструкции с 2–3 степенями свободы, предназначенные для окрашивания изделий малой и средней сложности; роботы со степенями свободы более 5 применяются относительно редко.
Для окрашивания в автоматическом режиме плоских изделий разработана конструкция робота четырех типоразмеров: РП–1000, РП–1600, РП–2000, РП–2500. Основой его является базовый манипулятор с двумя степенями движения краскораспылителя в интервале 1м по высоте и 0,2 по ширине окрашиваемого изделия.
Два краскораспылителя закрепляются в каретке манипулятора, которая имеет интервал скорости от 0,15 до 1 м/с. Применяют автоматические краскораспылители дистанционного управления КА–2, КА–3, ГАЗ и др. Они имеют регулируемое сечение выходного отверстия форсунки, что позволяет изменять производительность при окрашивании в широких пределах. Ширина отпечатка факела (на расстоянии 300 мм) составляет 300–450 мм, а максимальная производительность достигает 400–650 м2/г, что в 1,5–2 раза выше производительности при ручном окрашивании. Потери лакокрасочных материалов при автоматическом нанесении так же меньше, в случае плоских изделий они не превышают 8–12%.
Используют различные схемы автоматического окрашивания:
при непрерывном движении окрашиваемого изделия и реверсивном (поперек изделия) движении распылителя;
при непрерывном движении изделия и неподвижном распылителе;
при статическом положении изделий и одновременном реверсивном и продольном движении распылителя.
Для изделий типа листов, панелей лент характерна первая схема: конвейер движется в горизонтальной плоскости, а краскораспылитель совершает возвратно-поступательные движения в вертикальной. При выходе краскораспылителя за верхнюю и нижнюю кромки изделия, а так же в промежутках между изделиями краскораспылитель отключается (подача лакокрасочного материала прекращается). Зная ширину полосы (отпечатка факела) Вф, ход краскораспылителя Sкр и параметры лакокрасочного материала, можно рассчитать скорость движения конвейера Vк (или, при заданной Vк, скорость перемещения краскораспылителя Vкр и его производительность Vкр), при которой обеспечивается полное и относительно равномерное окрашивание изделий: , (8.3)
где Н высота листа (плоского изделия); плотность покрытия; сухой остаток лакокрасочного материала; толщина покрытия; х постоянная, зависящая от потерь лакокрасочного материала.
Наряду с плоскими роботами находят применение универсальные промышленные окрасочные роботы типа Колер, Контур (СССР), РБ211 (НРБ). Они имеют три транспортные и три ориентирующие ступени движения краскораспылителя, относятся к классу обучающихся и работают от контурной системы программного управления с записью программы на магнитной ленте. В процессе обучения механическая рука робота копирует все движения оператора, какими бы сложными они не были, а запоминающее устройство записывает их на ленту, воспроизводя потом эти движения с точностью позиционирования 5 мм при рабочей скорости 0,1–0,25 м/с.
Автоматические способы нанесения лакокрасочных материалов особенно хорошо зарекомендовали при производстве изделий, имеющих одинаковые размеры и относительно правильную форму (борта, платформы, кабины грузовых и кузова легковых автомобилей, электробытовые приборы, дверные щиты, металлические листы, деревянные и асбестоцементные строительные панели и др.).
При автоматическом окрашивании получаются качественно-однородные покрытия (максимальное отклонение толщины на разных участках поверхности обычно не превышает 10–15%), повышается производительность окрасочных работ, улучшаются санитарно-гигиенические условия работы на производстве.
В ряду случаев при окрашивании изделий повышенной сложности целесообразно сочетать автоматическое нанесение лакокрасочных материалов с ручным и тем самым частично использовать достоинства автоматического метода окрашивания.
Удаление растворителей и красочной пыли из зоны окрашивания. При нанесении лакокрасочных материалов пневматическом распылением часть краски не достигает окрашиваемой поверхности и в виде мелкой пыли остается во взвешенном состоянии в окружающем воздухе. Одновременно испаряется значительная часть содержащихся в лакокрасочном материале растворителей.
Красочная пыль (аэрозоль) и особенно пары растворителей, концентрируясь в рабочей зоне, отрицательно влияют на здоровье работающих, являются пожаро- и взрывоопасными. Это требует принятия специальных мер, гарантирующих безвредность и безопасность работы: герметизации процесса распыления лакокрасочных материалов (капсюляции) при автоматическом окрашивании, применения распылительных камер и бескамерных установок при нанесении красок ручными краскораспылителями.
Наибольшее распространение получили распылительные камеры, в которых изделие при окрашивании находится в зоне распыления красок, а рабочий с краскораспылителем – вне этой зоны, т.е. вне камеры, а также камеры, в которых и изделия, и рабочий находятся в зоне распыления красок, т.е. внутри камеры. При окрашивании единичных изделий и в условиях мелкосерийного производства применяют тупиковые камеры периодического действия, в случае массового и крупносерийного производств – проходные односторонние и двухсторонние (сдвоенные) камеры непрерывного действия. Когда окрашивают крупногабаритные изделия, например железнодорожные вагоны, нередко пользуются передвижными или стационарными камерами, перекрывающими лишь часть изделия, или бескамерными установками.
По характеру движения отсасываемого воздуха различают камеры с поперечным, вертикальным (нижним) и продольным отсосом воздуха. В бескамерных установках загрязненный воздух отсасывается через решетку в полу.
В санитарно-гигиеническом отношении наиболее удобны камеры, обслуживание которых производится извне, (рабочий находится за пределами камеры), т.к. даже при хорошо работающей вентиляции содержание паров растворителей внутри камер, как правило, превышает санитарные нормы.
К распылительным камерам предъявляются следующие основные требования:
1) свободный доступ ко всем окрашиваемым участкам поверхности;
2) максимальное удаление образующихся паров и красочной пыли из зоны окрашивания;
3) полная очистка загрязненного воздуха от красочной пыли;
4) удобство в работе и обслуживании;
5) пожаро- и взрывобезопасность.
Для обеспечения этих требований в конструкциях камер предусмотрен вентиляционный центр и система сухой и мокрой очистки воздуха от красочной пыли (гидрофильтр). В камерах с поперечным отсосом количество удаляемого воздуха принимается с таким расчетом, чтобы скорость его движения wв в открытых проемах (рабочий проем, проем для входа и выхода изделий) превышала скорость распространения паров и красочной пыли за пределы камеры. Установлены следующие нормативные значения wв (в м/с), учитываемые при проектировании и эксплуатации камер:
Лакокрасочные материалы,
содержащие бензол и изоционаты 1,7
Краски, содержащие
свинцовые соединения 1,3
Другие лакокрасочные материалы 1,0
С учетом этой скорости и площади живого сечения открытых проемов F определяется количество отсасываемого из камеры воздуха Qв (в м3/ч):
Qв =3600Fwв. (8.4)
В камерах с нижним отсосом воздуха и в бескамерных установках объем отсасываемого за 1г воздуха принимается равным 20002500 м3 на 1м2 площади поля (решетки).
Большое внимание при конструировании камер уделяется очистке загрязненного воздуха от красочной пыли. При недостаточной очистке красочная пыль осаждается в воздуховодах и, накапливаясь, создает пожарную опасность. В настоящее время предусматривается исключительно мокрая очистка воздуха с применением водяных завес, гидрофильтров или подвижных экранов специальной конструкции. При этом степень очистки воздуха (покрасочной пыли) составляет 9298%. Запрещается работать в одной и той же камере с нитроцеллюлозными, масляными, виниловыми, мочевино- и меламиноформальдегидными лакокрасочными материалами.
Следует иметь в виду, что установленные в камерах фильтры очищают воздух только от красочной пыли. Пары растворителей, насыщающие воздух, выбрасываются в атмосферу, поэтому необходимы дополнительные меры для предотвращения загрязнения ими окружающей среды.
При окрашивании крупногабаритных изделий и объектов, когда не представляется возможным использовать распылительные камеры, для облегчения условий работы применяют воздушные завесы – два контура из труб приточной и вытяжной вентиляции, расположенных в верхней и нижней частях изделия по его периметру. Воздух подается сверху вниз через щель шириной 50мм со скоростью примерно 4м/с, всасывается снизу через решетку всасывающего воздуховода и направляется в гидрофильтр на очистку. При воздушных завесах создается удобная площадка для работы, рабочий находится за пределами завесы. Однако полного отсоса загрязненного воздуха завесы не обеспечивают. Часть растворителя и красочного тумана все же попадает в цех, загрязняя воздух.
8.3. Электростатическое распыление
По значению и распространению в промышленности электростатическое распыление занимает одно из ведущих мест. Этот способ экономичен, обеспечивает хорошее качество покрытий, возможность автоматизации процесса и высокую производительность. Путем воздействия электрического поля на аэродинамичные частицы достигается практически полное осаждение распыляемого лакокрасочного материала на изделия (потери не 10%).
В электрическом поле можно окрашивать изделия I и II групп сложности, изготовленные из различных материалов, с применением стационарных и ручных установок. Особенно приемлем этот способ при окрашивании мелких изделий не очень сложной формы: деталей приборов, авто-, вело- и мотодеталей, электротехнических изделий, фурнитуры, бытовой техники, мебели, обуви и др. Его используют и при окрашивании средне- и крупногабаритных изделий, таких как кузова и кабины автомобилей, железнодорожные и трамвайные вагоны, автобусы. Хорошие результаты получены как при массовом, серийном производстве, так и при окрашивании единичных изделий. При применении стационарных установок существенно улучшаются санитарно-гигиенические условия труда, и повышается общая культура производства.
Недостатки: сложность и повышенная стоимость окрасочной аппаратуры, некоторые ограничения в использовании лакокрасочных материалов.
Основы способа. Сущность электростатического способа заключается в распылении лакокрасочного материала с одновременным сообщением образующимся аэрозольным частицам электрического заряда, благодаря чему они равномерно осаждаются на противоположно заряженном изделии.
При электростатическом нанесении приемлем любой способ образования аэрозолей, однако наиболее распространены механическое (центробежное), пневматическое и гидравлическое (безвоздушное) распыление. Возникновение заряда на частицах связано с наложением постоянного электрического поля высокого напряжения (50-140кВ), при этом изделие, как правило, заземляется.
Существует несколько способов зарядки аэрозольных частиц, определяющих различный подход к аппаратурному оформлению процессов. Практическое использование нашли два из них: ионный и контактный.
Ионная зарядка. Ионная зарядка (зарядка ионной адсорбцией) широко используется во многих аппаратах электронно-ионной технологии благодаря высокой эффективности и простоте процесса. Источником ионов обычно является коронный разряд, возникающий в пространстве между двумя электродами, например, между электродной сеткой, соединенной с источником высокого напряжения, и заземленным изделием. Одним из важных свойств коронного разряда является его способность сообщать заряд аэрозолю, находящемуся на некотором расстоянии от электрода.
Заряд возникает в результате адсорбции частицами аэрозоля ионов, возникающих при ионизации воздуха. Адсорбция происходит до тех пор, пока силы отталкивания между ионами, осевшими на частице, и силы притяжения ионов частицей не уравняются. Адсорбция ионов вызывает направленное движение аэрозольных частиц (капель) по силовым линиям поля в сторону окрашиваемого изделия (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема ионной зарядки частиц:
1 – коронирующий электрод; 2 – молекулы газа; 3 – частица краски;
4 – изделие
(8.5)
Максимальный заряд qмакс, который приобретает капля лакокрасочного материала, может быть вычислен по уравнению Потенье:

где диэлектрическая проницаемость лакокрасочного материала;
Е – напряженность поля в данной точке;
r радиус капли.
При этом напряженность поля для точечного заряда Q равна:
(8.6)
где диэлектрическая проницаемость среды (воздуха);
l расстояние от заряда до заземленного предмета.
Контактная зарядка. Контактная зарядка (или зарядка путем электростатической индукции) происходит в результате контакта лакокрасочного материала с острой кромкой распылителя, восполняющего одновременно роль коронирующего электрода. Для лучшей зарядки материала обычно выбирают электрод вытянутой формы, образующий кромку в виде острия. Чем меньше радиус распылителя, тем больше напряженность электрического поля в этом месте и легче возникает коронный заряд, вызывающий распыление и зарядку материала. Коронный разряд образуется на острие кромки электрода, если напряженность поля достигает 3 МВ/м. При этом электрические заряды интенсивно стекают в воздух, вызывая его ионизацию в прилегающем к электроду пространстве.
При подключении высокого напряжения к коронирующему электроду на острие его кромки создается поверхностный заряд большой плотности. Если на такую кромку подать тонкий слой лакокрасочного материала, то он будет заряжаться и под влиянием сил электрического поля вытягиваться и стекать с поверхности в направлении заземленного изделия (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Схема электростатического распыления и контактной зарядки частиц:
1 – коронирующий электрод; 2 – слой лакокрасочного материала;
3 – изделие
Образуются направленный движущийся аэрозоль заряженных частиц (капель) лакокрасочного материала.
Заряд капли аэрозоля, полученный при контактной зарядке, определяется из уравнения:
(8.7)
где U – напряжение, подаваемое на электрод;
Uк - напряжение тока, составляющее появлению тока коронного разряда;
- радиус закругления кромки распылителя;
l - расстояние от распылителя до изделия;
А – расчетная постоянная;
диэлектрическая проницаемость лакокрасочного материала;
удельное объемное электрическое сопротивление лакокрасочного материала.
Как следует из формулы (8.7), заряд возрастает с повышением приложенного напряжения и уменьшается при увеличении l, , , . Заряд растет так же пропорционально квадрату радиуса капли. Однако масса капли, определяющая кинетическую устойчивость аэрозоля, увеличивается еще быстрее – пропорционально кубу радиуса.
Поэтому высокая степень диспергирования лакокрасочного материала благоприятно сказывается на распылении.
При контактной зарядке лакокрасочного материала заряд аэрозольных частиц в 10–30 раз больше, чем при ионной, поэтому промышленные электроокрасочные установки работают преимущественно с использованием контактного способа зарядки.Зарядка капель способствует не только их дроблению и направленному движению, но и образованию частиц. В отличие от пневматического при электростатическом распылении факел образуется в результате взаимного отталкивания одноименно заряженных капель. Угол между образующими факела являются функцией напряженности поля Е, радиуса r и заряда Q капли:

Большой угол факела не всегда желателен, т.к. возрастают потери лакокрасочного материала за счет уноса вентиляцией. Поэтому на практике используют различные способы фокусирования материалов с учетом габарита и формы покрываемых изделий.
Заряженные частицы, образующиеся при распылении в электрическом поле, двигаются к поверхности окрашиваемого изделия по определенной траектории. Она формируется под влиянием действующих на частицу сил:
(8.8)
где Fq сила тяжести;
Fk сила, обусловленная действием электрического поля, Fk = Eq max;
FE сила, обусловленная неравномерным распределением напряженности электрического поля;
Fc - сила взаимодействия частицы с другими, близко находящимися частицами.
Противодействующей движению является сила, обусловленная сопротивлением воздуха перемещению частицы. Скорость движения падает пропорционально логарифму радиуса частицы. Так, при максимальной напряженности поля 0,5 МВ/м скорость перемещения частицы радиусом 100 мкм не превышает 1 м/с. Крупные частицы с большой массой, получившие небольшой заряд, при движении могут отклониться настолько, что выпадут из-под влияния электрического поля и будут унесены вентиляцией, не достигнув поверхности изделия.
Разрядка частиц завершает цикл процессов, связанных с переносом вещества в поле коронного разряда, и является одновременно процессом астабилизации дисперсии. Наряду с переходом капель в нейтральное состояние (в результате стекания зарядов на заземленное изделие) происходит их слияние; вязкость образующейся жидкой пленки непрерывно увеличивается вследствие испарения растворителя, соответственно изменяются и электрические параметры слоя.
При прямом контакте капель с поверхностью скорость их разрядки определяется собственной проводимостью материала: чем больше (или чем меньше ), тем быстрее и полнее происходит стекание зарядов. Таким образом, удельное объемное сопротивление на разных стадиях нанесения лакокрасочных материалов играет двоякую роль: с его ростом облегчается зарядка аэрозольных частиц и одновременно затрудняется их разрядка.
Если краска осаждается на уже осевший слой лакокрасочного материала или на предварительно окрашенную (загрунтованную) поверхность, то определяющее влияние на разрядку оказывает сопротивление этого слоя. При большом сопротивлении происходит накопление зарядов на поверхности, осаждения лакокрасочного материала при этом заключается или полностью прекращается.
Поэтому на практике в зависимости от электрического сопротивления пленки наносят 1–3 слоя лакокрасочных материалов. Часто предусматривается нанесение сдвоенных слоев: последующий слой наносят на предыдущий, имеющий относительно низкое значение . Нанесение лакокрасочных материалов в автоматизированных установках. Положительные качества электростатического распыления наиболее полно проявляются при использовании стационарных установок, работающих в автоматическом режиме.

Рис. 8.6. Принципиальная схема стационарной электроокрасочной установки:
1 окрасочная камера; 2 – пульт дистанционного управления;
3 – конвейер; 4 – изделие; 5 электростатический распылитель;
6 дозирующее устройство; 7 кенотронный выпрямитель тока;
8 электростатический генератор; 9 – вытяжная вентиляция
Конструкции таких установок весьма разнообразны, однако все они содержат следующие основные узлы: электростатический распылитель, дозирующее устройство, источник высокого напряжения постоянного тока, включающий электростатический генератор и кенотронный выпрямитель, искропредупреждающее (или предохранительное) устройство, окрасочную камеру (рис. 8.6).
Электростатический распылитель – один из важных элементов установок. В зависимости от способа распыления лакокрасочных материалов находят применение распылители электростатические: с неподвижной коронирующей кромкой (чашечные ЭР–7, ЭР–8, ЭРВ–1, грибковые дисковые), пневмоэлектростатические (марки КЭП–2, АРЭГ–1), электроультразвуковые (тип УУЭ1), гидроэлектростатические (тип КРГЭ–1).
Электромеханические распылители. Наибольшее распространение при окрашивании изделий в электрическом поле получили электромеханические распылители, в первую очередь чашечные (рис. 8.7). Они компактны, просты по устройству и надежны в эксплуатации. Рабочим органом таких распылителей служит коронирующая насадка в виде чаши диаметром 50–150мм.

Рис. 8.7. Электростатический распылитель (чашечный) ЭР–8:
1 – корпус распылителя; 2 – чаша; 3 – подставка; 4 – кронштейн
Вращение коронирующей насадки осуществляется с помощью электрического привода обычно с частотой 1200–1400об/мин. В последнее время разработаны высокооборотные чашечные и дисковые распылители, имеющие частоту вращения 30–60 тыс. об/мин. В частности, к ним относится распылитель ЭРВ–1. Лакокрасочный материал, поступающий в электромеханический распылитель, обычно приобретает заряд в зарядном устройстве, куда подается высокое напряжение (80120кв); далее он поступает на чашу, на кромке которой диспергируется. Производительность электромеханических распылителей 1,52,5 г/мин на 1см длины коронирующей кромки. Для распылителей ЭР8 в зависимости от диаметра чаши (применяют чаши с диаметром 6010 см) это составляет 1,84,5 кг/ч по краске, или 60150м2/ч по окрашиваемой поверхности.
При больших объемах окрасочных работ установки комплектуют несколькими распылителями (от 2 до 6), которые спаривают механизмами, обеспечивающими их качание или возвратно-поступательное перемещение в вертикальной плоскости (устройства типа «Качалка», «Робот» и др.). Расстояние от коронирующей кромки до изделия обычно 200300 мм.
Пневмоэлектростатические распылители. Пневмоэлектростатические распылители создают более направленное перемещение аэрозоля лакокрасочного материала, чем электромеханические и тем самым позволяют лучше прокрашивать углубления в изделиях.
Распыление красок в них осуществляется с помощью струи сжатого воздуха, подаваемого под давлением 0,050,4 МПа. Производительность по окраске распылителей разных типов колеблется от 30 до 300 г/мин.
Щелевые электростатические распылители. Весьма производительны щелевые электростатические распылители ЩЭР1 и ЩЭР2. Длина их коронирующей кромки равна соответственно 500 и 700 мм, а производительность по краске достигает до – 120 г/мин. Они особенно хорошо зарекомендовали себя при окраске крупногабаритных изделий и объектов с несложным профилем поверхности: железнодорожных и трамвайных вагонов, тепловозов, вагонов метро и др.
Источниками постоянного тока высокого напряжения в автоматизированных установках обычно служат высоковольтная выпрямительная установка УВ1602,5, каскадный или роторный генераторы. (Распылитель АРЭГ1 имеет встроенный в корпус электрогазодинамический генератор, повышающий напряжение с 6 до 45 кВ).
Питание электростатических и электродинамических распылителей жидкими лакокрасочными материалами обеспечивается с помощью дозирующего устройства ДКХ3.
Способом электростатического распыления можно наносить различные виды лакокрасочных материалов: грунтовки, лаки и эмали алкидные, мочевиноформальдегидные, меламиноалкидные, масляно-стирольные, эпоксидные (одноупаковочные) и др. Хорошо наносятся лакокрасочные материалы, у которых , Омм, а вязкость 2570 мПас (по реостату), или 1425 с по В34. Для разведения этих материалов применяют разбавители марки РЭ. Толщина однослойных покрытий при нанесении составляет 1825 мкм. При использовании распылителей с высокой частотой вращения чаши можно применять лакокрасочные материалы с вязкостью 6080 с по В34, при этом на 25-30% возрастает толщина получаемых однослойных покрытий (рис. 8.8).
, с , мкм
n104, об/мин
Рис. 8.8. Зависимость предельных значений вязкости эмали МЛ12 при нанесении и толщины слоя покрытия от частоты вращения чаши электростатического распылителя
Нанесение лакокрасочных материалов, содержащих высоколетучие растворители, (нитратцеллюлозных, виниловых, акриловых), применяется ограниченно из-за резкого увеличения вязкости на кромке распылителя и повышенной пожаро- и взрывоопасности. Их нанесение допускается только на установках, снабженных искропредупреждающими устройствами. Определенные трудности представляет также нанесение водоразбавляемых лакокрасочных материалов и красок, содержащих металлические пигменты: вследствие высокой электрической проводимости происходит утечка зарядов по слою краски. Это исключает ее зарядку и делает небезопасной работу на установках. Для автоматического пневмоэлектростатического нанесения водорастворимых лакокрасочных материалов с Омм разработан распылитель РВЛМ1.
Способом электростатического распыления, как правило, окрашивают изделия из металла. Возможно нанесение красок и на неметаллические материалы, обладающие поверхностной электрической проводимостью не менее 108 см. Так, хорошо наносятся лакокрасочные материалы на древесину с влажностью 1012%, у которой см. При окрашивании древесины с меньшей влажностью применяют специальные меры для повышения ее электрической проводимости: поверхностное увлажнение, обработку растворами ПАВ (например, 510% раствором алкамона ДСМ или КМ в уайт-спирите) или кислот (в частности, фосфорной), нанесение специальных токопроводящих грунтовок.
При окрашивании изделий из пластмасс и резины устанавливают с внутренней стороны изделия металлические экраны или вставки, подводят ток от внешнего источника (способ нейтрализации потенциалов), обрабатывают наружную поверхность растворами ПАВ. Например, осаждение лаков на резиновых сапожках удовлетворительно идет, если на конвейере они навешены на заземленные металлические колодки; полнее осаждаются лакокрасочные материалы на деревянных корпусах радиоприемников и телевизоров с внутренними металлическими вставками.
Большое влияние на равномерность и качество покрытий, получаемых в электрическом поле, оказывает форма окрашиваемых изделий и комплектование их на подвесках. На изделиях сложной конфигурации создается неравномерное электрическое поле: заряды концентрируются на кромках и выступающих частях поверхности, напротив, в углублениях, пазах, они отсутствуют или их плотность ниже. Поэтому лакокрасочный материал осаждается в первую очередь на выпуклых и ровных поверхностях, внутренние углы, полости сосудов, и различные пазы и узкие щели, как правило, не прокрашиваются в электрическом поле. На конвейере экранирование одних изделий другими вызывает неравномерное распределение лакокрасочного материала на поверхности. Для улучшения равномерности часто устанавливают дополнительные не коронирующие электроды или сочетают электростатическое распыление с другими способами нанесения лакокрасочных материалов.
Стационарные электроокрасочные установки снабжены вентиляцией. Скорость движения воздуха внутри камеры небольшая. Обычно не превышает 0,20,3 м/с, в открытых проемах 0,40,5 м/с. В отличие от камер пневматического распыления электроокрасочные камеры не имеют гидрофильтров. Для обеспечения безопасности обслуживания установки снабжены автоблокировочными и сигнальными устройствами.
Нанесение лакокрасочных материалов с применением ручных установок. Ручные электроокрасочные установки применяют тогда, когда объем окрасочных работ невелик и использование стационарных установок становится нерентабельным. Они удобны при окрашивании единичных и крупногабаритных изделий в условиях бесконвейерного производства, а также при ремонтных работах. Особенно эффективно применение ручных установок при окрашивании сеток, решеток, длинномерных и некоторых других изделий.
Их достоинства: портативность, маневренность, сочетающиеся с более экономным (по сравнению с пневматическим распылением) расходованием материалов.
Получили распространение электроокрасочные установки с механическим (центробежным), пневматическим и гидравлическим распылением лакокрасочных материалов: УЭРЦ1, УЭРЦ4, УРЭЦ4, УРЭГ4, УРЭГ2, Ореол100. Все установки передвижные. УРЭГ2 – переносная.
Основные их узлы:
электрораспылитель с кабелем высокого напряжения и краскораспыляющим шлангом;
высоковольтный генератор;
краскоподающее дозирующее устройство.
Установка УЭРЦ4 имеет по два сменных распылителя, один из которых электромеханического, другой пневмоэлектростатического типа. Электромеханический распылитель с вращающейся коронирующей насадкой обеспечивает полноту осаждения красок 9496%. Его удобно применять при окрашивании изделий и объектов с гладкими поверхностями: железнодорожных вагонов, пультов и щитов управления, станков, корпусов сварочных аппаратов, труб и др. Полнота осаждения красок при использовании пневмоэлектростатического распыления меньше (7080%), однако он обеспечивает лучшее прокрашивание изделий сложной формы: частей металлорежущих станков, стоек подшипников, деталей турбин и др. Более высокой производительностью (300600 г/мин по краске) отличаются гидроэлектростатические установки типа УГЭР, наиболее совершенной из них является установка УГЭР4, укомплектованная распылителем КЭВ3; краска распыляется в ней под давлением 68 МПа.
Электроокрасочная установка УРЭГ2, используемая для нанесения лакокрасочных материалов на изделия небольших и средних размеров разной сложности (трубы, решетки, сетки и др.), укомплектована пневмоэлектростатическим распылителем со встроенным электрогазодинамическим генератором. Распыление лакокрасочного материала осуществляется под давлением воздуха 0,450,60 МПа и напряжением не более 45 кВ; производительности по краске 250500 г/мин. С помощью ручных электроокрасочных установок обычно наносят мочевиноформальдегидные, глифталевые и пентафталевые лакокрасочные материалы. Оптимальная их вязкость при нанесении электомеханическими распылителями 1520 с, пневмоэлектростатическими 2025 с по ВЗ4. Нанесение нитратцеллюлозных, перхлорвиниловых, водоразбавляемых лакокрасочных материалов, а так же красок, содержащих алюминиевую пудру (молотковые и др.), способом ручного электростатического распыления в целях безопасности обслуживающего персонала не допускается.
Окрашивание ручными электрораспылителями обычно производится в специальных камерах, оборудованных системой вытяжной вентиляции. Внутренние размеры камер выбираются с таким расчетом, чтобы изделия можно было свободно поворачивать в камере в любом положении до стен и пола камеры не менее 0,8 м. В противном случае краска может осаждаться на стены камеры. Объем воздуха, удаляемого из окрасочных камер, определяется по скорости его движения в открытых проемах, которая при использовании электромеханических распылителей принимается равной 0,30,4 м/с, пневмоэлектростатических 0,40,5 м/с.
При соблюдении необходимых правил пользования ручные электроокрасочные установки не опасны в работе. Конструкции установок исключают искрообразование. Ток короткого замыкания мал и не вызывает опасности для человека. В частности, на установке УРЭГ2 он не превышает 40 мкА, в то время как в автоматических стационарных установках достигает 0,1 А. Предусмотрено тщательное заземление аппаратуры.
8.4. Гидравлическое распыление
Гидравлическое распыление, известное в литературе также под названием механическое распыление, принципиально отличается от других способов распыления тем, что диспергирование жидкого лакокрасочного материала осуществляется с помощью гидравлического давления, создаваемого сжатым воздухом.
Работа аппаратов гидравлического распыления основано на превращении потенциальной энергии краски, находящейся под давлением, в кинетическую энергию при выходе ее из сопла распылителя.
Способ гидравлического распыления был известен давно, однако его применение ограничивалось нанесением низковязких лакокрасочных материалов, в первую очередь водных строительных красок, при этом используемое давление не превышало 1МПа. В 50-х годах были разработаны установки с рабочим давлением до 4,04,5 МПа, позволившие распылять более вязкие лакокрасочные материалы, в том числе и краски неводного типа. Затем способ усовершенствовался, рабочее давление выросло до 2025 МПа, стало возможным нанесение материала как в нагретом, так и в ненагретом состоянии.
Этот способ получил название безвоздушное распыление и получил широкое применение в промышленности благодаря эффективности и высокой производительности.
Безвоздушное распыление, как разновидность гидравлического, более экономичен по сравнению с пневматическим распылением (потери лакокрасочного материала на туманообразование сокращается на 2025%, расход растворителей на 1520%), более удобен и безопасен по сравнению с ручным электростатическим распылением. Этот способ более высокопроизводителен и меньше загрязняет окружающую среду вредными веществами. Он применяется как в ручном, так и в автоматическом режиме.
Основы способа. Способ гидравлического распыления связан с диспергированием лакокрасочного материала за счет высоких скоростей его истечения из насадок (сопел) при подаче под давлением. Гидравлическое давление создается воздухом или непосредственно, например, с помощью центробежного или плунжерного насоса. Для распыления применяют струйные форсунки, устройство которых во многом определяет характер и степень распыления лакокрасочного материала и направление движения аэрозольного потока.
Для низковязких жидкостей скорость истечения из сопла определяется следующим уравнением:
, (8.9)
где расходный коэффициент;
давление на лакокрасочный материал;
ускорение свободного падения;
плотность лакокрасочного материала.
При определенной (критической) скорости, когда сопротивление воздуха движению выходящей из сопла струи превышает силы когезии жидкого материала, начинается его дробление.
При этом дисперсность образующегося аэрозоля зависит от геометрических размеров и формы отверстия сопла, гидродинамических параметров распыления, режимов истечения, свойств лакокрасочного материала, вязкости и поверхностного натяжения. Чем выше скорость истечения, меньше вязкость и поверхностное натяжение материала, тем меньше размеры капель образующегося аэрозоля.
Распыление оказывается более эффективным и происходит при меньшей критической скорости истечения, если жидкости перед выходом из сопла форсунки придают вращательное движение. Возникающая при этом центробежная сила способствует распылению. На таком принципе работают, в частности, форсунки, применяемые для гидравлического распыления лакокрасочных материалов при низком давлении (менее 10МПа).
Также благоприятствует гидравлическому распылению нагревание лакокрасочных материалов. Это связано не только с понижением их вязкости и поверхностного натяжения, но и с обильным испарением нагретых растворителей при выходе из сопла распылителя в результате резкого падения давления. Этот прием широко используют на практике. Так, повышая температуру лакокрасочного материла от 20 до 100С, можно снизить давление распылителя с 1420 до 47МПа.
Другой способ снижения давления – использование комбинированного распыления, сочетающего одновременно и гидравлический, и пневматический принципы.
При комбинированном распылении достаточно давления на лакокрасочный материал при истечении из сопла 35МПа, но одновременно требуется подача сжатого воздуха в отверстие форсунки давлением 0,10,2МПа. Под действием этого воздуха материал дополнительно диспергируется и более равномерно распределяется по сечению факела. Одновременно устраняются кромочные эффекты (завихрения струи), что приводит к снижению потерь лакокрасочных материалов при распылении; потери по сравнению с чисто безвоздушным распылением уменьшаются на 3035%, с пневматическим – на 50% (рис. 8.9).
Рис. 8.9. Зависимость потерь лакокрасочных материалов при безвоздушном распылении от давления, дополнительно подаваемого сжатого воздуха (заштрихованная область – область оптимальных давлений)
Производительность установок гидравлического распыления сечением отверстия и формой сопла распылителя, а также давлением на краску. Регулируя эти параметры, можно в широких пределах изменять производительность: 18 кг/мин по краске или 10004000м2/час по окрашиваемой поверхности.
Высокая производительность затрудняет ручное управление распылителями, делает практически невозможным окрашивание мелких изделий и получение высокодекоративных покрытий. Поэтому гидравлическое распыление применяют при окрашивании крупногабаритных изделий несложной формы и строительных объектов.
Нанесение лакокрасочных материалов распылением при низком давлении. Гидравлическое распыление низковязких водных красок (известковых, клеевых, силикатных) удовлетворительно происходит при относительно невысоком давлении 0,60,8МПа. Качество распыление невысокое, но образующиеся покрытия вполне отвечают требованиям строительного назначения (основное применение данного способа).
Для выполнения окрасочных работ применяют краскопульты с ручным и механическим приводом. В ручных краскопультах давление на краску создается за счет сжатого воздуха от ручного насоса. При этом в отличие от пневматического распыления воздух непосредственного участия в распылении лакокрасочного материала не принимает. В распылительных устройствах механического типа – электрокраскопультах – давление на краску создается с помощью насосов низкого давления, работающих от электродвигателей.
Основной элемент краскопульта – форсунка. Наиболее распространена форсунка центробежного типа (рис.8.10.а). Этот полый цилиндр с двумя отверстиями. Входное отверстие форсунки находится на боковой поверхности у одного основания цилиндра, выходное – в центре другого основания. Краска входит в форсунку по касательной к боковой поверхности, и, скользя по ее цилиндрической стенке, получает быстрое вращательное движение при одновременном продвижении к выходному отверстию. При выходе из форсунки краска в результате перепада давления и центробежной силы распыляется, образуя факел в виде полого конуса, который своим основанием направлен на окрашиваемую поверхность.
В другом варианте форсунки (рис. 8.10.б) вращение краски обеспечивается за счет винтообразного внутреннего вкладыша.
При распылении достигается тот же эффект, хотя краска поступает в форсунку не сбоку, а через основание цилиндра вблизи от его боковой поверхности.
24257013970а
б
Рис. 8.10. Схема работы форсунок центробежного типа:
а – полая форсунка; б – форсунка с вкладышем
В последнем случае сопротивление краски несколько снижается, факел получается более удлиненным и направленным.
Наряду с форсункой, в комплект ручного краскопульта (рис. 8.11) входят плунжерный насос, шланги, фильтр, металлическая удлинительная трубка – «удочка». Краскопульт СО22 обслуживается двумя рабочими. Один из них действует удочкой, а второй при помощи насоса поддерживает нужное давление (0,8МПа). Так как форсунка дает полую струю, то для получения равномерного покрытия форсунку, держа за удочку, перемещают, совершая ею плавные круговые движения. Расстояние от форсунки до окрашиваемой поверхности – 0,751,0 м. Производительность по окрашиваемой поверхности – 200м2/ч.
При больших объемах окрасочных работ используют электрокраскопульт типа СО22, СО25, СО61, СО69 и др. В отличие от ручного насоса работа диафрагменного насоса электрокраскопульта осуществляется с помощью электродвигателя. Давление на краску (0,7 МПа) поддерживается автоматически и контролируется манометром.
Длина краскоподающих шлангов – 2050м, это позволяет, пользуясь одним насосом, осуществлять большой объем окрасочных работ. Например, производительность насоса СО69 при применении 7 форсунок по краске составляет 1м3/ч или по окрашиваемой поверхности 15001700м2/ч. Электрокраскопульты обычно монтируются на тележке и представляют собой передвижные окрасочные установки.
13970-5080
Рис. 8.11. Ручной краскопульт СЩ20А:
1 корпус; 2 насос; 3 всасывающий клапан; 4 приемный шланг; 5 фильтр; 6 нагнетательный клапан; 7 сальник; 8 напорный шланг; 9 кран; 10 «удочка»; 11 форсунка
Нанесение лакокрасочных материалов распылением при высоком давлении (безвоздушное распыление). Способ распыления лакокрасочных материалов при высоком давлении (625 МПа), так называемый способ безвоздушного распыления, получил широкое распространение в промышленности при окрашивании средне- и крупногабаритных изделий 1-ой и 2-ой групп сложности, изготовляемых в серийном и массовом масштабе, судов, вагонов, турбин, дорожных и сельскохозяйственных машин, фургонов, конструкционных металлических листов, крупных профилей, станков и др. Он постепенно вытесняет пневматическое распыление, благодаря экономичности, компактности установок, более высокой производительности, меньшему загрязнению окружающей среды. Потери лакокрасочных материалов при нанесении этим способом не превышают 1025%, а срок окупаемости установок 23 месяца. Наибольшая эффективность способа проявляется при окрашивании крупногабаритных изделий и объектов, а также при больших объемах окрасочных работ на производстве, когда потребление красок составляет десятки и сотни тонн в год.
Распыление проводят в трех вариантах: с нагревом, без нагрева лакокрасочного материала и комбинированным путем (сочетанием гидравлического способа с пневматическим). В первом случае лакокрасочный материал нагревают до 60100С и подают к соплу распылителя под давлением 610МПа. Во втором случае ненагретый материал распыляют при1825С, в третьем – распыление материала проводят под давлением 37МПа с дополнительной подачей воздуха в зону распыления под давлением 0,10,2МПа. С учетом этого и применяют соответствующие установки.
Для нанесения нагретых лакокрасочных материалов в основном используют установки УБР3, УБР150П, «ЛУЧ2», ненагретых при безвоздушном распылении – «Радуга2ОБ», «Факел3», «Факел4», «Спутник1», БР1, БР2, «Веер1», УБРХ1М, УБРМП, «Кит1654», «Спрут», а также «Виза1» производства Чехии, «Кинг», «Президент», изготовляемые фирмой «Трако» (США); при комбинированном распылении – «Заря1». Различают малогабаритные передвижные (переносные) и крупногабаритные передвижные или стационарные установки; они могут быть оснащены ручными и автоматическими краскораспылителями.
На рис. 8.12 приведена схема и общий вид распространенной малогабаритной установки «Радуга0,63П». Она работает под давлением 1719МПа, имеет производительность по окраске 0,60,63кг/мин или по окрашиваемой поверхности 300350м2/ч. Самая малогабаритная установка этого типа «Спутник1» (ее масса 12кг), а самые крупные и мощные «Кит1654» и «Кинг». Последние работают под давлением до 25МПа и имеют производительность по краске 4кг/мин и более, что позволяет за 1 час окрашивать ими поверхности в несколько тысяч квадратных метров. Достаточно эффективны и установки комбинированного распыления лакокрасочных материалов. Например, производительность установки «Заря1» по краске составляет 0,651,2кг/мин.
Автоматизированные установки («Лист1», «Профиль») позволяют производить окрашивание в автоматическом режиме на потоке. Они нашли применение для грунтования листового и профильного проката. Производительность установки «Лист1» 700м2/ч, толщина получаемых покрытий 1820мкм.
2071370140970-10033026670 а б
Рис. 8.12. Принципиальная схема (а) и общий вид (6) установки безвоздушного распыления лакокрасочных материалов «Радуга0,63П»:
1 — насос высокого давления; 2 буферная емкость 3 манометры; 4 регулятор давления; 5 красконагреватель; 6 фильтры; 7 краскораспылитель высокого давления; 8 дроссель; 9 красочный бак

Установки для ручного распыления краски без нагрева в основном укомплектованы краскораспылителем КРБ1, с нагревом – КРВД10Ф. Для автоматического нанесения лакокрасочных материалов в установках используется краскораспылитель РДУ1. В отличие от пневматических, распылители безвоздушного типа имеют лишь один канал для краски. Кроме того, в конструкции обеспечивается полная и надежная герметичность, прочность всех сочленений с расчетом на работу под давлением до 25МПа.
Безвоздушным распылением без нагрева можно наносить самые разные лакокрасочные материалы; в случае нагрева, как и при любом другом способе, исключается нанесение высокореакционных лаков и красок (эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых). Особенно распространено нанесение грунтовок, лаков, эмалей, алкидных, масляно-фенолоформальдегидных, нитратцеллюлозных, перхлорвиниловых, полиакрилатных. Важное требование к лакокрасочным материалам – хороший перетир пигментов: размер частиц в них не должен превышать 15мкм. Способом безвоздушного распыления нельзя наносить краски чешуйчатого строения (бронза, алюминиевая пудра, графит, слюда). В работе используют, как правило, лакокрасочные материалы с вязкостью 80120с по ВЗ4 1823С; толщина однослойных покрытий при этом составляет 1530мкм.
Особого навыка и тренировки требует ручное нанесение лакокрасочных материалов. В процессе окрашивания необходимо постоянно перемещать краскораспылитель, постоянно держа его перпендикулярно окрашиваемой поверхности на расстоянии 250350мм. Скорость перемещения должна быть такой, чтобы при хорошем укрытии поверхности исключить образование натеков. На вертикальных поверхностях натеки могут возникать, если толщина нанесенного слоя превышает 3045мкм. Только в случае тиксотропных эмалей можно наносить более толстые слои (до 100120мкм). Однако при самом тщательном нанесения покрытия по декоративному виду уступают покрытиям, получаемым при пневматическом распылении. Они соответствуют лишь 3-у и 4-у классу отделки.
Как и при пневматическом распылении, при нанесении лакокрасочных материалов под высоким давлением в зоне распыления концентрируются пары растворителей и не осевшая на изделие красочная пыль. Поэтому изделия окрашивают в распылительных камерах или с применением бескамерных установок, обеспечивающих отсос загрязненного воздуха из зоны распыления. Используют распылительные камеры, по конструкции аналогичные применяемым при пневматической окраске. Для камер с боковым отсосом вентиляция выбирается таким образом, чтобы скорость движения в открытых проемах составляла 0,60,7м/с. Если в камерах предусмотрен нижний отсос и верхняя подача воздуха, то производительность вентилятора должна составлять 12001500м3/ч на 1м2 пола камеры.
8.5. Окунание и облив
Окунание и облив – наиболее простые и издавна применяемые способы окрашивания. Они позволяют наносить различные лакокрасочные материалы и получать покрытия достаточно хорошего качества при использовании простого оборудования. Окуная изделие в лакокрасочный материал, или обливая им изделие, удается прокрашивать практически все участки поверхности, в том числе и скрытые от глаза человека, что не достигается с помощью других способов.
Окунание и облив применяют главным образом для получения грунтовочных и однослойных покрытий на изделиях разной сложности небольших и средних размеров. Они используются во многих отраслях промышленности (автомобильной, приборостроительной, сельскохозяйственном машиностроении и др.), поскольку позволяют механизировать и автоматизировать процессы окрашивания.
Недостатки способов: неравномерность толщины покрытий по высоте изделий, невозможность окрашивания изделий, имеющих карманы и внутренние полости, относительно большие потери лакокрасочных материалов, нередко доходящие до 20% и более. Многие из этих недостатков, однако, исключаются, если объектом окрашивания служат плоские изделия (деревянные щиты, металлические листы, рулонный материал), уложенные горизонтально. Лакокрасочный материал при этом наносят с помощью лаконаливных (лакообливочных) машин. Именно при окраске таких изделий, особенно щитовой мебели, нашел применение способ облива.
Уменьшение потерь лакокрасочных материалов и разнотолщинности покрытий при одновременном улучшении их декоративного вида достигается при выдержке свежеокрашенных изделий в парах растворителей. Этот способ, как разновидность способа облива, под названием струйный облив получил широкое распространение в промышленности. Аналогичным образом можно улучшить покрытия, нанесенные способом окунания. Другие разновидности способа окунания окрашивание длинномерных изделий протягиванием и покрытием мелких изделий во вращающихся барабанах.
Окунание и облив в любых вариантах исполнения представляют особый интерес при нанесении водоразбавляемых лакокрасочных материалов в связи с возможностью организации поточных пожаробезопасных технологических процессов.
Основы способов. Принцип нанесения окунанием и обливом основан на смачивании окрашиваемой поверхности жидким лакокрасочным материалом удерживании его на ней в тонком слое за счет адгезии и вязкости материала. Качество и толщина покрытий при окрашивании окунанием и обливом определяются свойствами поверхности, а также структурно-механическими характеристиками наносимого материала.
Рассмотрим процесс нанесения жидкой краски путем окунания в нее изделия, например, плоской пластинки (рис. 8.13). Первоначальный акт – погружение изделия в жидкий материал, т.е. установление адгезионного контакта. В зависимости от вязкости материала и характера поверхности длительность этого процесса может составлять секунды или минуты. Одновременно с установлением контакта происходит адсорбционное взаимодействие жидкости с твердой поверхностью.
1614170615951397061595
Рис. 8.13. Схема сил, действующих на жидкость при извлечении из нее изделия
Рис. 8.14. Распределение скоростей в слое жидкости при извлечении из нее изделия
При извлечении изделия, например со скоростью w0, будет увлекаться не только слой адсорбированной жидкости; вследствие адгезии и внутреннего трения F движение будет передаваться параллельным слоям жидкости, но со скоростью wп. Кроме силы F эти слои будут испытывать силы тяжести P, вызывающей опускание (стекание) жидкого материала со скоростью wр . суммарная скорость движения каждого элементарного слоя wх , находящегося на расстоянии х от поверхности изделий, т.о. будет равна:
wх = wп wр. (8.10)
При условии ламинарного движения и исключении силы тяжести скорость отдельных слоев изменяется равномерно по мере удаления от изделия на расстояние, и становится равной нулю. При этом зависимость wп =f(x) прямолинейна (рис. 8.14), а градиент скорости dwn /dx = const.
В реальных условиях, когда воздействует сила тяжести Р, характер зависимости изменяется, объем жидкости, извлеченной изделием, всегда меньше (на рис. 8.14 он показан в виде заштрихованной области).
Если принять ширину слоя за единицу, а толщину – за dx, то dV составит: dV= wхdx, а объем всей жидкости, увлеченной таким изделием в единицу времени, будет равен:
V=wхdx. (8.11)
После извлечения изделия из жидкости часть ее стекает, и, если это нелетучая жидкость, то независимо от скорости извлечения на поверхности остается слой, толщина которого определяется вязкостью, плотностью и энергетическими факторами, взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела.
При окунании в лакокрасочные материалы процесс усложняется непрерывным изменением вязкости нанесенного на изделия слоя, вследствие чего стекание его замедляется, а затем и совсем прекращается.
Нетрудно убедиться, что толщина и степень неравномерности пленки будут тем больше, чем выше скорость извлечения изделия (рис. 8.15), вязкость лакокрасочного материала и скорость ее нарастания в момент стекания. Из низковязких материалов (20с по ВЗ4 и менее) формируются относительно тонкие покрытия с небольшим разбросом толщин по высоте изделия. Тот же эффект достигается при малых скоростях извлечения изделий из лакокрасочного материала – 0,1м/мин и менее (рис. 8.16). Однако на практике это приводит к снижению эффективности окрашивания: с уменьшением вязкости материалов повышается расход растворителей и в ряде случаев появляется необходимость нанесения нескольких слоев покрытия. Уменьшение скорости извлечения изделий снижает производительность работы установок.
-100330-87630
149987024130
Рис. 8.15. Зависимость толщины покрытий из масляной краски от скорости извлечения изделий из ванны при различной вязкости краски (по ВЗ4) при 20СРис. 8.16. Изменение толщины покрытий из нитратцеллюлозного лака по длине изделия при различных скоростях извлечения его из ванны
При нанесении лакокрасочных материалов способом облива закономерности, свойственные окунанию сохраняются. Слой жидкости, подаваемой на единицу поверхности при обливе, в отличие от распыления, превосходит предельную толщину, при которой жидкость может удерживаться на вертикальных поверхностях за счет сил адгезии и внутреннего трения. Поэтому ее избыток обязательно стекает, оставляя на подложке неравномерный по толщине слой, а на нисходящей ее кромке – натеки в виде капель. Продолжительность стекания в основном определяется вязкостью лакокрасочного материала и скоростью испарения входящих в его состав растворителей и для разных типов лаков и красок составляет 515мин.
Испарение растворителей можно замедлить или исключить, поместив изделие с нанесенным слоем лакокрасочного материала в атмосферу, содержащую пары растворителей в относительно высокой концентрации. В результате этого замедляется или прекращается нарастание вязкости и поверхностного натяжения лакокрасочного материала и создаются условия для его растекания и удаления избытка с поверхности (рис. 8.17). Изменяя вязкость исходного материала, концентрацию паров растворителя, продолжительность выдержки в нем окрашенных изделий, можно в широких пределах регулировать толщину получаемых покрытий, одновременно улучшая их равномерность (рис. 8.18).
24257026670
Рис. 8.17. Схема выравнивания слоя лакокрасочного материала при воздействии паров растворителя: 1 профиль покрытия при обычном окунании; 2 профиль покрытия при окунании с выдержкой в парах растворителя

а б
58547068580
Рис. 8.18. Зависимость толщины алкидных покрытий от продолжительности выдержки в парах растворителей при вязкости лакокрасочного материала 20с по ВЗ4 и разной концентрации паров (а), концентрации паров растворителей 18г/м 3 и разной вязкости лакокрасочного материала
Как видно из рис. 8.18, толщина покрытия уменьшается тем интенсивнее, чем выше концентрация паров растворителей в паровой камере. Естественно, материалы с меньшей вязкостью формируют более тонкие покрытия. Опытным путем установлено оптимальное время выдержки покрытий в парах растворителей, при котором сохраняется достаточная толщина и одновременно обеспечивается удовлетворительная равномерность покрытий по высоте изделий.
При вязкости лакокрасочных материалов 2040с по ВЗ4 и концентрации паров растворителей 1525г/м3 это время составляет 814мин.
Нанесение лакокрасочных материалов окунанием. Варианты окрашивания окунанием весьма разнообразны по аппаратурному и технологическому оформлению.
а б в
1397013970
Рис. 8.19. Схемы установок для окрашивания окунанием:
а с ручным погружением изделий; б с погружением изделий на пульсирующем конвейере с помощью опускного механизма; в с погружением изделий на конвейере непрерывного действия; 1 ванна; 2 насос; 3 карман; 4 сточный лоток; 5 изделие
В условиях мелкосерийного производства применяют стационарные ванны; изделия погружают в них с помощью подъемников, тельферов или вручную (рис. 8.19, а). Для предотвращения испарения растворителей в окружающую среду такие ванны, как правило, оборудуются бортовым отсосом. При массовом производстве изделия в ванну подают конвейером периодического или непрерывного действия (рис. 8.19, б, в), ванну же (стационарную или поднимающуюся) помещают в камеру, оборудованную вытяжной вентиляцией. Ванна непрерывного действия имеет сточный лоток для сбора стекающего с изделий лакокрасочного материала и насосов для перемешивания ( в случае пигментированных составов). Перемешивание красок осуществляется их отбором из верхней части ванны или из кармана и подачи через трубу с отверстиями в нижнюю часть; кратность циркуляции материала 35об/ч. Перемешивать краску в ванне можно также с помощью мешалок или сжатого воздуха; последний способ не распространен.
Окунание с выдержкой в парах растворителей проводится в ваннах, оборудованных паровым туннелем. В зависимости от габаритов окрашиваемых изделий объем ванн колеблется от нескольких литров до нескольких десятков кубических метров. Особенно большие по размеру ванны используют для окрашивания сварных конструкций, мачт электропередач, пола кузовов и кабин автомобилей, щитовых изделий. Ванны для окунания, имеющие объем 0,5м3 и более снабжены аварийным сливом – трубой и подземным баком для эвакуации огнеопасного лакокрасочного материала в случае аварийной ситуации. Скорость движения конвейеров непрерывного действия при окрашивании окунанием обычно не превышает 2,5м/мин.
Способом окунания можно наносить любые стабильные при хранении лакокрасочные материалы: битумные, глифталевые, пентафталевые, мочевино- и меламиноформальдегидные, эпоксидные и др. При окрашивании мелких изделий часто применяют нитратцеллюлозные лаки и эмали. Более удобными для нанесения окунанием являются непигментированные лакокрасочные материалы.
Окрашивание плоских изделий способом налива. Налив представляет собой разновидность способа облива, при котором лакокрасочный материал подается на плоские (или слегка изогнутые) горизонтально уложенные изделия в строго дозированном количестве. Дозирование предусматривает подачу на единицу поверхности одинакового количества материала, именно такого, при котором исключается его стекание и одновременно достигается хорошее разравнивание (растекание) на горизонтальной поверхности. С этой целью лак или краску наносят на поверхность в виде плоской струи (завесы), перекрывающей всю ширину изделия. Такую завесу можно получить, сливая жидкость через горизонтальный порог (плотину), или узкую щель в стенке или дне сосуда. Если завесу равномерно, с определенной скоростью пронести над изделием или изделие пропустить через завесу (что технически более удобно), то поверхность будет покрыта равномерным слоем лакокрасочного материала. На этом принципе основано лакирование и окрашивание многих видов изделий: щитовой мебели, древесностружечных и древесноволокнистых плит, картона, фанеры, дверных полотен, лыж, брусковых материалов и пр.
Отличительные особенности способа налива – высокая производительность, малые потери лакокрасочных материалов, возможность нанесения за один слой разных по толщине покрытий (до 300 мкм) – позволяют отнести его к наиболее перспективным способам окрашивания.
Для нанесения наливом применяют разные по конструкции лаконаливные машины. Принцип их работы понятен из рис. 8.20.
-21463026670
Рис. 8.20. Схема работы лакона наливной машины:
1 наливочная головка;
2 покрываемое изделие; 3 транспортирующие устройства; 4 приемный лоток; 5 отстойный бак; 6 насос; 7 фильтр

Лакокрасочный материал подается на изделие из наливочной головки. Не попавший на изделие материал (протяженность завесы обычно больше ширины изделия) стекает через приемный лоток в отстойный бак, откуда, освободившись от пузырьков увлеченного им воздуха, вновь возвращается в цикл. Процесс осуществляется непрерывно. Окрашиваемые изделия перемещаются автоматически с помощью транспортирующих устройств. Наиболее ответственная деталь лаконаливных машин – наливочная головка. Она определяет профиль вытекающей струи и расход лакокрасочного материала. Нашли применение наливочные головки с донной щелью (наиболее распространенный тип), со сливной плотиной, со сливной плотиной и экраном; оптимальное расстояние от наливочной головки до изделия составляет 50100 мм.
Регулирование подачи красок на изделия в лаконаливных машинах осуществляется путем изменения ширины щели, давления или объема поступающего в наливочную головку материала.
Толщину покрытий также можно изменять, меняя скорость движения транспортирующих изделие устройств. При окрашивании и лакировании мебельных изделий широко применяется лаконаливная машина ЛМ3. Она имеет две наливочные головки и позволяет окрашивать как плоские части, так и кромки изделий шириной до 2,2 м скорость движения изделий можно варьировать в пределах 10170 м/мин.
Лаконаливные машины (ЛМ3, ЛМ1401, ЛМК1 и др.) – весьма производительный и экономичный вид окрасочного оборудования. При автоматизированных подаче и съеме изделий с транспортера производительность по окрашиваемой поверхности может достигать десятков тысяч квадратных метров в час.При нанесении способом налива принципиально нет ограничений в применении любых жидких материалов. Так как способ налива применяется в основном для отделки изделий из древесины, освоено нанесение в первую очередь мебельных лаков и эмалей нитратцеллюлозных (I) и полиэфирных (II). Ниже приводятся основные технологические параметры их нанесения:
I II
Рабочая вязкость по ВЗ4, с 80 55100
Скорость движения изделия, м/мин 6090 5080
Средний расход материалов, г/м2 120200 400500
Толщина однослойных покрытий, мкм 2540 200300
Компоненты полиэфирных лаков смешивают непосредственно перед нанесением (в случае машин с одной головкой) или в процессе нанесения (при использовании машин с двумя наливочными головками). Способом налива можно наносить однослойные и многослойные, однородные и разнородные покрытия. При нанесении окрашивается только одна сторона изделия – верхняя. Если необходимо окрасить обратную сторону или торцы (кромки) изделий, их переворачивают и процесс повторяют. Наиболее часто встречающийся дефект покрытий – газонаполнение. Он возникает в результате попадания воздуха в струю краски или ее микродиспергирования при соприкосновении с быстродвижущейся поверхностью. Устранение этого и других дефектов достигается изменением параметров лакокрасочного материала (вязкости, поверхностного натяжения) и режимов работы машин. В процессе налива или при последующем транспортировании изделий до сушилки происходит испарение растворителей или мономеров. Поэтому в конструкциях лаконаливочных машин предусматривают местный отсос, и помещения, где проводится окрашивание, оборудуют общей вентиляцией.
Окрашивание длинномерных изделий способом протягивания. Длинномерные изделия, имеющие постоянное поперечное сечение по длине (карандаши, плинтусы, карнизы, проволока, отрезки труб небольшого диаметра), удобно окрашивать путем их протягивания через ванну с лакокрасочными материалом (рис.8.21).

Рис. 8.21. Схема окрашивания карандашей способом протягивания:
1 подающие валки; 2 карандаш; 3 ванна с лакокрасочным материалом;
4 ограничительные шайбы; 5 сушильный транспортер
Излишки материала при этом удаляются ограничительными кольцами (шайбами из резины) перекрывающими вход и выход изделий из ванны. Роль ванны может пористый материал (поролон, фетр, тканевый пакет), плотно обжимающий покрываемую поверхность. Дозирование лака или краски на пористый материал осуществляют через трубку или фитильным способом. При протягивании изделий через пористый материал, пропитанный лаком, последний откладывается тонким слоем на поверхности изделия. Этим способом проводят, в частности, лакирование проводов на предприятиях электротехнической промышленности.
Для лакирования и окрашивания способом протягивания применяют как быстро-, так и медленносохнущие лакокрасочные материалы: нитратцеллюлозные, масляные, алкидные, полиэфирные, эпоксидные (одноупаковочные) и др.
Так, карандаши покрывают нитратцеллюлозными лаками и эмалями с относительно высокой вязкостью и содержанием сухого остатка 5060%. Вытолкнутый у ванны карандаш поступает на приемный (сушильный) транспортер.
Для покрытия проволоки в основном применяют лаки с низколетучими растворителями (керосин, уайт-спирит, крезолы и др.); покрытия отверждают в сушилках конвективного или индукционного типа при высоких температурах. Толщина однослойных покрытий при протягивании небольшая 25 мкм, поэтому предусматривается нанесение нескольких слоев – от 2 до 12.
Способ протягивания производителен, достаточно экономичен, позволяет механизировать и автоматизировать окрасочный процесс, однако имеет большие ограничения по форме покрываемых изделий.
Нанесение лакокрасочных материалов в барабанах. Наиболее простым и экономически выгодным для мелких изделий массового изготовления (пистоны для обуви, крючки, петли, пряжки, болты, гайки, рукоятки для инструмента, детали пишущих машин и др.) является способ окрашивания в барабанах. Применяют барабаны с механическим приводом. Они обеспечивают слив лакокрасочного материала и нередко высушивание изделий при вращении. В последнем случае предусмотрена подача в барабан теплого воздуха и отвод из него паров растворителей. Изделия загружают в барабан обычно на 1/22/3 объема. Лакокрасочный материал заливают с таким расчетом, чтобы полностью смочить изделия. Время вращения барабана 57 мин, частота вращения 75120 об/мин. Если покрытия высушивают вне барабана, то изделия выгружают на сетки и после стекания избытка краски направляют в сушилку.
Имеются конструкции барабанов, в которых окрашивание изделий осуществляются не погружением в лакокрасочный материал, а его распылением. При этом, в случае термореактивных лаков и красок, возможно их многослойное нанесение с сушкой каждого слоя непосредственно в барабане при его вращении. Вместо барабанов могут быть использованы центрифуги. Изделия загружают в перфорированную корзину центрифуги, опускают в емкость с краской и после изъятия из нее центрифугу приводят во вращение для удаления избытка краски и высушивания изделий.
Для нанесения в барабанах и центрифугах применяют преимущественно быстросохнущие лакокрасочные материалы – битумные и нитратцеллюлозные лаки и эмали, в каждом конкретном случае подбирают опытным путем. Покрытия имеют невысокий класс отделки (не выше III), встречаются дефекты в местах соприкосновения изделий, возможны потеки.
8.6. Валковый способ
Плоские изделия можно окрашивать не только способом налива или распыления, но и с помощью валков. Валковый способ издавна применяется при нанесении печатных красок, лакировании продукции полиграфической промышленности, отделке мебельных изделий. Традиционным является его использование для покрытия таких материалов как бумага, картон, полимерные пленки, металлическая фольга, жесть и др. его используют для окрашивания листового и рулонного проката.
Валковый способ, в отличие от других, высокопроизводителен, с большим коэффициентом использования лакокрасочных материалов, относительно хорошим качеством покрытий (равномерность толщины, отсутствие шагрени). Это автоматизированный процесс, осуществляемый на специальных машинах валкового типа. Наиболее распространены машины, имеющие три окрасочных валка – наносящий, регулирующий и питающий. Наносящий валок имеет обрезиненную поверхность (применяется резина, стойкая к растворителям), остальные валки – стальные, хромированные (рис. 8.22).
Рис. 8.22. Схема нанесения лакокрасочных материалов на валковых машинах прямой (а) и обратной (б) ротации: 1, 3, 4, 5 направляющий, наносящий, регулирующий и питающий валки; 2 подложка (лента); 6 ванна с лакокрасочным материалом
-100330121920 а б
Различают машины прямой и обратной ротации. Принципиальное их различие – в направлении вращения наносящего валка относительно движения подложки. У машины прямой ротации эти направления совпадают. Такие машины применяют для нанесения печатных красок, лаков и грунтовок с целью получения тонких покрытий. В машинах обратной ротации направление вращения наносящего валка противоположно направлению движения подложки. Происходит как бы проскальзывание валка относительно поверхности подложки. Эти машины применяют для нанесения более вязких материалов, соответственно могут быть получены более толстые покрытия.
Валковые машины различаются и способом подачи лакокрасочного материала. Материал может захватываться питающим валком из ванны, подаваться (дозироваться) на регулирующий валок, поступать непосредственно в зазор между валками.
Имеются машины для одностороннего и двухстороннего окрашивания изделий.
Валковый способ позволяет получать покрытия разной толщины – от единиц до сотен микрометров. Толщина наносимого слоя определяется многими параметрами: зазором между валками, соотношением окружных скоростей вращения валков и перемещения покрываемой поверхности, распределением л/к материала между поверхностями после прохождения зазоров.
Если обозначить толщину слоя в конце зазора питающего и регулирующего валков (непосредственно перед делением слоя) через h, то количество краски Q, проходящей в единицу времени через зазор и приходящейся на единицу ширины валка, равно:
Q=hVср, (8.12)
где Vср – полусумма окружных скоростей контактирующих валков.
От значения Q в основном зависит конечная толщина слоя краски на изделии. Так как h является функцией зазора, то наиболее простой способ регулирования толщины покрытий при валковом нанесении – изменение расстояния между питающим и регулирующим валками.Валковые машины устанавливают в хорошо вентилированных камерах. Во избежание попадания пыли на покрытие в камерах поддерживается избыточное давление воздуха; привод и пульт управления устанавливают вне камеры. Валковые машины – только часть больших и сложных агрегатов (линий), предназначенных для окрашивания листов и полосового проката (ленты).
Листовые агрегаты применяют при относительно небольших объемах окрасочных работ и широком ассортименте выпускаемой продукции. Они используются при лакировании жести для консервной тары и окрашивании листового металла разной толщины. В их комплект наряду с валковой машиной входит оборудование по подготовке поверхности, отверждению (сушке) покрытий и транспортные устройства.
Линии по нанесению лакокрасочных материалов на полосовой прокат более сложны и производительны. Они включают оборудование для разматывания ленты из рулонов и сматывания ее, транспортирования ленты, подготовки поверхности, нанесения лакокрасочного материала, сушки и охлаждения покрытия. Существующие конструкции линий обеспечивают автоматическое окрашивание металлической ленты шириной до 2мм при скорости движения ее 180 м/мин и более. При этом последовательно наносится до 23 слоев покрытия. Протяженность таких линий достигает 175200 м.
Эффективность работы валковых машин во многом зависит от правильного выбора лакокрасочного материала. Большинство лаков и красок, наносимых распылением, окунанием, обливом, непригодно для нанесения валковым способом. Поэтому были разработаны специальные материалы, легко передаваемые валками, быстро отверждающиеся, образующие механически и адгезионнопрочные покрытия. К ним относятся эмали на виниловой (ОДХВ714, ОДХВ221) и акрилатной (АК0138, АС1171, АС5122) основе, алкидные (ГФ296, ГФ2107), эпоксидные (ЭП0200) и другие лаки, грунтовки и эмали. Рабочая вязкость грунтовок по ВЗ4 при 20С 4060с, эмалей 60120с.
В промышленности бывшего СССР освоены крупные автоматизированные линии по окрашиванию ленты из алюминия, черной и оцинкованной стали, луженой жести.
8.7. Электроосаждение
Электроосаждение – один из перспективных способов нанесения лакокрасочных материалов. Он заключается в осаждении (отложении) лакокрасочного материала в виде концентрированного осадка на поверхности изделий под воздействием постоянного электрического тока. Осаждение осуществляется в результате приобретения частицами лакокрасочного материала, находящимися в электропроводящей жидкой среде, электрического заряда, противоположного по знаку заряду покрываемого изделия. Если лакокрасочный материал способен в данной среде переходить в ионное состояние, то его перенос осуществляется за счет заряда ионов – катионов или анионов.
Впервые явление электроосаждения наблюдал профессор МГУ Ф.Ф.Рейс в 1808 году, изучая действие электрического тока на дисперсии твердых неорганических веществ в воде. Это явление было использовано в дальнейшем для разработки технологии электрофоретического осаждения различных материалов. Он нашел применение в технике, медицине, биологии и т.д. Т.к. ассортимент дисперсионных красок был мал, способ имел ограниченное применение в технологии лакокрасочных покрытий.
В настоящее время электроосаждение (анодное и катодное) имеет доминирующее значение в автомобилестроении (более 75% выпускаемых в мире автомобилей окрашивается с применением этого способа), сельскохозяйственном машиностроении, приборостроении и других отраслях, характеризующихся массовым (поточным) производством изделий.
Способ электроосаждения позволяет механизировать и автоматизировать окрасочный процесс, покрывать изделия достаточно сложной конфигурации, получать плотные покрытия равномерной толщины по всей поверхности. Способ производителен и экономически выгоден, особенно при больших объемах окрасочных работ. Так, стоимость окрашивания электроосаждением 1м2 поверхности приблизительно на 25% меньше, чем электростатическим распылением.
Ограничения способа заключаются в специфике применяемых лакокрасочных материалов, сложности и большой стоимости оборудования, возможности получения только однослойных покрытий, причем на изделиях из токопроводящих материалов.
8.7.1. Электрофоретическое нанесение дисперсий
Основы способа. Электроосаждение из дисперсий связано с переносом частиц в неподвижной жидкой среде к одному из электродов – аноду или катоду. В зависимости от того, чем служит окрашиваемое изделие – анодом или катодом, различают анодное осаждение (анофорез) или катодное (катофорез). Необходимым условием для электроосаждения является наличие электропроводящей среды. Поэтому данным способом наносят водные и органодисперсии полимеров и олигомеров: в случае органодисперсий дисперсионной средой служат жидкости с высокой диэлектрической проницаемостью (спирты, кетоны, амиды, смеси гидрофильных растворителей с водой).
Электрофорез – типичный гальванический процесс, однако он отличается от электроосаждения металлов тем, что происходит не в растворах.
Заряд, возникающий при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности полного диффузионного двойного электрического слоя в результате адсорбции из жидкой среды ионов, ПАВ, молекул растворителя, воды и других веществ или ионизации поверхностных молекул пленкообразующего вещества. Свойства и особенности образующихся адсорбционных слоев определяют их поляризуемость, направление, скорость переноса, коагуляции дисперсных частиц и, соответственно, выход и качество образующегося электрофоретического осадка. Так, если применить в вводно-спиртовых дисперсиях анионоактивные ПАВ, например, натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, то при получении покрытий осадок будет образовываться на аноде, в случае катионоактивных ПАВ, например, диметилдиоктадециламмонийхлорида [(СН3)2N(С18Н37)]*НСl, осаждение происходит на катоде.
Роль зарядчика могут выполнять также водорастворимые олигомерные пленкообразователи анионо- и катионоактивного типа.
При отсутствии ПАВ в средах с большой диэлектрической постоянной (вода, спирты) частицы, как правило, приобретают отрицательный заряд и осаждаются на аноде.
Анодное осаждение наиболее распространено на практике, однако этот процесс связан с анодным растворением металла. Катодное осаждение в этом отношении имеет преимущество перед анодным.
Особенность катофореза заключается и в том, что он позволяет одновременно проводить электролиз солей металлов, растворенных в дисперсионной среде, и тем самым обеспечить соосаждение металлов с полимерами, т.е. получать металлополимерные покрытия. При катофорестическом осаждении полимеров происходит выделение на катоде водорода, который, препятствуя окислению полимеров, в то же время отрицательно влияет на сплошность покрытий.
Способом электрофореза можно наносить не только индивидуальные полимеры и олигомеры, но и лакокрасочные композиции, которые должны быть тщательно гомогенизированы, чтобы не происходило избирательного осаждения компонентов. Важное требование к дисперсионным составам – их стабильность, т.е. высокая кинетическая и агрегативная устойчивость в момент нанесения.
Технология получения покрытий. Способом электрофоретического осаждения получают покрытия из водных и органических дисперсий самых разных пленкообразователей: фторопластов, полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, поликапроамида, полиакрилонитрила, каучуков, битумов и т.д. Для их нанесения применяют установки периодического или непрерывного действия (рис. 8.23). Противоэлектродом в установках служат пластины из стали, меди или металлический корпус ванны.

Рис. 8.23. Принципиальная схема установки для электрофоретического нанесения лакокрасочных материалов:
1 – источник постоянного тока; 2 – гальванометр; 3 – изделие;
4 – противоэлектрод; 5 – ванна с лакокрасочным материалом
Возможны два способа нанесения материалов: при постоянном напряжении и при постоянном токе. В первом случае получаются более тонкие покрытия, чем во втором.
Процесс электроосаждения характеризуется: условным выходом по току (отношение массы покрытия к количеству электричества, пошедшего на его образование), выходом осадка, приходящегося на единицу поверхности, толщиной и равномерностью покрытия по толщине.
Выход осадка обычно увеличивается с ростом концентрации диспергированных частиц и продолжительности осаждения. Особенно большое влияние на выход осадка оказывает электрокинетический потенциал частиц дисперсии и приложенное напряжение. Электрофоретическая подвижность частиц U связана с их электрокинетическим потенциалом ξ следующей зависимостью:
U=εξ∆Е/(4πη) (8.13)
где ε – диэлектрическая проницаемость среды;
∆Е – градиент потенциала внешнего поля;
η – вязкость среды.
13970566420Большое значение имеет природа поверхности покрываемого металла и способ ее подготовки. Например, крупнокристаллические фосфатные покрытия на стали, в отличие от мелкокристаллических, резко ухудшают осаждение (рис. 8.24).
Рис. 8.24. Зависимость выхода электрофоретического осадка органодисперсии поливинилхлорида от продолжительности осаждения на поверхности стали, механически обработанной (1), покрытой слоем мелкокристаллических (2) и крупнокристаллических (3) фосфатов

Опытным путем определены условия электрофоретического нанесения дисперсионных материалов:
концентрация материала, %1050
вязкость по ВЗ4, с1540
рН среды 6.58.5
плотность тока, А/м21040
напряжение, В50300
температура, С2040
продолжительность осаждения, с 30300
толщина покрытий, мкм10200
Полученный при осаждении осадок представляет собой слой нескоалесцировавших и скоалесцировавших частиц, содержащий до 80% и более твердого вещества. Окончательное формирование покрытия происходит в результате удаления остатков дисперсионной среды и аутогезии частиц; это может быть осуществлено при нормальной температуре или лучше при нагревании.
Низкое содержание растворителей в осадке и соответственно малые их потери – главное достоинство способа электрофоретического нанесения материала.
8.7.2. Электроосаждение лакокрасочных материалов
из водных растворов
Основы способа. Процесс электроосаждения лакокрасочных материалов на основе водорастворимых пленкообразователей имеет ряд особенностей: он протекает в водных средах, не связан с электрохимическим разрядом (в отличие от гальванических процессов), сопровождается химическими превращениями пленкообразователя на электроде или в приэлектродном пространстве (в отличие от электрофоретического осаждения). Для нанесения пригодны пленкообразующиеся вещества, способные в водной среде диссоциировать на ионы с образованием полианионов:
R(COOK)n ↔ R(COO)n + nK+,
или поликатионов:
R(NHA)n ↔ R(NH+)n + nA,
где К+ катион (NH4+, RNH3+, Me+); А – анион (Наl и др.).
До недавних пор определяющим было анодное осаждение, проводимое с использованием карбоксилсодержащих пленкообразователей. В настоящее время анодное осаждение все больше уступает катодному, разработаны и соответствующие поликатионные пленкообразователи.
Основные электрохимические процессы, протекающие при анодном осаждении в водной среде:
электролиз воды: Н2О → 0,5О2 + 2Н2 + 2е;
анодное растворение металла: Ме → Меа+ + ае.
Помимо этих процессов могут протекать и другие – анодное окисление металла (например, при окрашивании алюминия), декарбоксилирование и окисление пленкообразователя (при больших потенциалах анода).
В прианодном пространстве в результате электролиза воды рН раствора резко понижается. Благодаря накоплению ионов водорода и металла создаются благоприятные условия для образования кислотной и солевой форм пленкообразующего вещества:
R(COO)n + nН+ ↔ R(COOН)n↓,
R(COO)n + n/аМеа+ ↔ R(COO)nМеn/а↓.
Поскольку степень ионизации образующихся продуктов мала, они осаждаются в виде нерастворимых осадков на поверхности анода, которым служит покрываемое изделие.
Образование кислотной или солевой формы определяется многими факторами, важнейшими из которых являются природа покрываемого металла и характер его поверхности. Различают три группы металлов в зависимости от того, по какому механизму происходит на них осаждение пленкообразователей.
К первой группе относят нерастворимые и пассивирующиеся в процессе электроосаждения металлы (Рt, Al, пассивированное Fе). Главным электрохимическим процессом в этом случае является электролиз воды; осадок формируется в основном из кислотной формы пленкообразующего вещества (поликислот).
Во вторую группу входят металлы, характеризующиеся повышенной склонностью к анодному растворению при используемых потенциалах (Zn, Ni, Ag, Fe). В этом случае кроме разложения воды электричество расходуется на растворение металла, но концентрация образующихся ионов недостаточно велика, поэтому осаждение пленкообразователя осуществляется в кислотной и солевой формах с преобладанием первой из них.
Третью группу составляют медь и ее сплавы. Для них характерно сильное анодное растворение, отсутствие пассивации и образование осадка в виде средних и основных солей.
Различные по природе катионы обладают неодинаковой коагулирующей способностью, это проявляется в структуре и свойствах осадков и образующихся из них пленок. Структура осадков имеет обычно глобулярную природу, причем размеры глобул лежат в интервале 0,0110 мкм.
Выход осадка зависит от продолжительности электроосаждения и от количества поглощенного электричества и лимитируется электрическим сопротивлением полученного слоя.
Изоляция анода приводит к резкому уменьшению плотности тока и снижению скорости электроосаждения. Таким образом, электроосаждение можно рассматривать как процесс с саморегулирующимися значениями толщины и сплошности покрытий.
При анодном осаждении покрытия, сформированные из кислотной формы пленкообразователя, имеют более высокие механические и защитные свойства, чем покрытия, полученные из солевой формы.
При катодном электроосаждении используют водорастворимые пленкообразователи, образующие при диссоциации поликатионы. В процессе осаждения протекают следующие реакции в прикатодном пространстве:
Н2О + е → 0,5Н2 + ОН,
СНNHR2+ + OH → CHNR2 + H2O.
Последняя реакция, связанная с превращением пленкообразователя, обусловлена повышением содержания ионов ОН в прикатодном пространстве (рН достигает 910). Образующиеся при этом олигомерные основания нерастворимы в воде и отлагаются на катоде в виде осадка.
Наряду с указанными процессами возможно катодное восстановление оксидов металлов за счет присутствующих в растворе ионов гидроксония:
МеО + 2Н3О+ + 2е ↔ Ме + 3Н2О.
Восстановлению подвержены, в частности, оксиды железа, алюминия, меди, никеля.
Таким образом, в отличие от анодного процесса при катодном не происходит растворения металла и его фосфатов (если поверхность предварительно отфосфатирована); также исключается окисление пленкообразователей.
В этом главные достоинства катодного осаждения перед анодным. Однако восстановительные процессы, приводящие к разрушению оксидных пленок на поверхности металлов, не всегда благоприятно сказывается на защитных свойствах покрытий. Так, катодные покрытия из алюминия не имеют существенных преимуществ перед анодными, тогда как на стали солестойкость катодных покрытий в 2 и более раз выше, чем анодных.
8.7.3. Лакокрасочные материалы при электроосаждении
В зависимости от того, проводят электроосаждение анодное или катодное, применяют соответствующие лакокрасочные материалы. Они должны обладать соответствующей необходимой рассеивающей способностью, электрической проводимостью и другими свойствами.
Рассеивающая способность – это свойство лакокрасочного материала осаждаться равномерным слоем на поверхности изделий сложной конфигурации, в том числе и в труднодоступных местах. У разных материалов рассеивающая способность, определяемая по методу фирмы «Фиат» (глубина проникновения в экранированной ячейке) колеблется от 7 до 15 см. При низкой рассеивающей способности лакокрасочного материала возникают затруднения при окраске сложных по форме изделий и требуется установка дополнительных электродов. Особенно это относится к материалам анодного осаждения. Существуют оптимальные значения концентрации с рабочих растворов и рН:
С, % рН
Анодное осаждение8157.08.5
Катодное осаждение10205.88.0
Удельная объемная электрическая проводимость применяемых для электроосаждения лакокрасочных материалов обычно составляет 0,10.5 Ом/мП. Повышение электрической проводимости ванны – признак загрязнения посторонними электролитами.
Для нанесения способом анодного электроосаждения разработано и применяется большое число грунтовок и эмалей различных цветов: масляно-фенольные (ВФл093, ВФл149Э, ВФл1199Э), масляно-стирольные (ВМС278, ВМА5194), меламино-алкидные (МЛ28), эпоксидные (ВЭП0117, ВЭП2100), полиакрилатные (ВАС1162), алкидно-уретановые (АУ0118, ВАУ0150, ВАУ5185), на основе малеинизированного каучука (ВКЧ0207). Эти материалы выпускаются в виде нейтрализованных концентратов и кислых водонерастворимых паст с содержанием сухого остатка (до стадии разведения) 4075%. Нейтрализующими агентами для них служат алифатические амины (триэтиламин, триэтаноламин и др.), а также аммиак.
В стадии разработки и освоения находятся материалы для катодного осаждения – эпоксидные, полиэфирные, полиакрилатные, полиуретановые, содержащие четвертичные аммониевые группы или аминогруппы. Их нейтрализуют кислотами – соляной, фосфорной, муравьиной, уксусной.
В последние годы разработаны олигомерно-полимерные составы для электроосаждения. Введение в олигомеры полимерных модификаторов – фторопластов, полиамидов, полистирола и др. – приводит к повышению рассеивающей способности и направленному изменению многих свойств покрытий.
8.7.4. Технология получения покрытий
Подлежащие окрашиванию изделия тщательно обезжиривают и при необходимости фосфатируют. Для промывки изделий при подготовительных операциях применяют умягченную воду; при окончательной промывке используется обессоленная вода из расчета 210л на 1м2 обрабатываемой поверхности.

Рис. 8.25. Схема установки электроосаждения с применением ультрафильтрации:
1 входной и выходной тамбуры; 2 конвейер; 3 изделие; 4 ванна; 5 сливной карман; 6 контур промывки ультрафильтратом; 7 контур промывки обессоленной водой; 8 контур обдувки сжатым воздухом; 9 бак для промывной воды; 10 бак для ультрафильтрата; 11 установка ультрафильтрования;
12 фильтр; 13 теплообменник
Нанесение покрытий осуществляется на установках периодического и непрерывного действия; последние получили наибольшее применение. На рис. 8.25 показана схема установки непрерывного действия для окрашивания изделий анодным электроосаждением с последующей их промывкой. Ванна соединена с отрицательным полюсом источника постоянного тока и является катодом; окрашиваемое изделие служит анодом; электрический ток подводится к нему через токосъемную шину, расположенную над ванной электроосаждения. Ванну обычно изготавливают из нержавеющей стали.
Перемешивание л/к материала в ванне осуществляют циркуляционным насосом; в случае больших по объему ванн (более 2м3) дополнительно устанавливают мешалки. Пену с поверхности ванны смывают в расположенный смежно с ванной переливной карман путем подачи части лакокрасочного материала вдоль зеркала ванны.
Изделия поступают в ванну на токопроводящих покрытых гидрофобной смазкой подвесках. Расстояние от поверхности изделий до стенок, днища и верхнего уровня краски в крупногабаритных ваннах не менее 300 мм, в ваннах объемом до 1,5 м3–50200мм. Окрашивание проводится при соблюдении следующих режимов:
Температура раствора, С2025
Напряжение, В30350
Плотность тока, А/м22050
Продолжительность осаждения, с60120
Толщина покрытий, мкм1530
«Оборачиваемость» ванны (время «выработки» ванны или время полного обновления раствора) составляет обычно 0,51,5 месяца. Заданная температура лакокрасочного материала (при окрашивании 1м2 поверхности выделяется 400800 кДж теплоты) поддерживается с помощью теплообменника. Выходящие из ванны изделия с нанесенным слоем лакокрасочного материала промывают методом распыления деминерализованной (обессоленной) водой с целью удаления из слоя не перешедшего в осадок лакокрасочного материала. Эту операцию проводят при следующих условиях:
Давление при распылении воды, МПа0,160.26
Температура, С 1525
Продолжительность промывки, мин 3090
Промывка осуществляется в промывочных тоннелях или в специальных зонах промывки, оборудованных контурами с форсунками и насосом; промывка бывает двух- и трехсекционной.
Завершающей стадией процесса является обдувка изделий горячим воздухом, которая осуществляется в зоне обдувки, снабженной специальным контуром, под небольшим давлением при 100130С; продолжительность обдувки – 3090 с.
Ванны электроосаждения вместимостью 1м3 и более для обеспечения безопасности работы имеют ограждения в виде стеклянного туннеля и снабжены приточно-вытяжной вентиляцией. Объем удаляемого воздуха определяется из расчета 50м3/ч на 1м2 поверхности ванны электроосаждения, объем подаваемого воздуха составляет приблизительно 75% от объема удаляемого. Управление автоматизированными установками электроосаждения дистанционное, осуществляется с пульта управления.
Важным элементом всех установок является оборудование для очистки сточных вод и приготовления деминерализованной воды. Количество сточных вод составляет 515л на 1м2 окрашиваемой поверхности. Необходимость их очистки обусловлена санитарными и экономическими требованиями (при отсутствии регенерации лакокрасочных материалов из промывных вод их потери достигают 1530%). Наиболее прогрессивный способ очистки сточных вод – ультрафильтрация, при которой осуществляется отделение коллоидных частиц от воды с помощью полимерных полупроницаемых мембран. Применяют установки ультрафильтрации с полимерными фильтрующими элементами трубчатого типа. Их производительность по ультрафильтрату достигает 10м3/ч. Применение установок ультрафильтрации не только сокращает потери лакокрасочных материалов, но и позволяет регулировать состав ванны (повышать концентрацию растворов, уменьшать загрязнения электролитами) и резко уменьшать расход деминерализованной воды на промывку.
Деминерализованная вода служит и для разведения лакокрасочных материалов. Ее удельная объемная электрическая проводимость не должна превышать 2103 См/м такую воду получают на ионообменных установках, где ионообменниками служат катионит КУ28 и анионит АВ172.
8.8. Получение покрытий способом электрополимеризации
По многим признакам процесс получения покрытий способом электрополимеризации приближается к электроосаждению: покрытия наносят в ваннах в электропроводящей среде, под действием электрического тока, на токопроводящих подложках. Но у этих способов есть и принципиальные различия. Если при электроосаждении осадок формируется из присутствующего в растворе готового полимера или олигомера в результате потери им растворимости, то при электрополимеризации осадок образуется вследствие электрохимически инициированной полимеризации (или сополимеризации) находящихся в электролите мономеров.
Процесс получения электрохимических полимерных покрытий включает ряд стадий. Вначале под действием тока происходит перенос реагирующих веществ (мономеров) к поверхности электрода. Затем протекает электрохимическая реакция, в результате которой образуются активные центры (радикалы или ион-радикалы), вызывающие сополимеризацию мономеров на поверхности электрода и в приэлектродном слое. Образуется осадок, который при последующем высушивании или отверждении переходит в пленку. Скорость роста цепи подчиняется общим закономерностям радикальной полимеризации:
, (8.14)
где - константа скорости роста цепи;
[M] – концентрация мономера в приэлектродном слое;
- концентрация растущих полимерных цепей.
Молекулярная масса полимеров может достигать десятков тысяч. Возможно получение покрытий трехмерного строения.
Наиболее широко изучена электрополимеризация акриловых и метакриловых мономеров (эфиров и кислот), акрилонитрила, акриламида, винилацетата. Наряду с мономерами в состав ванны входят растворители (вода, диметилформамид, диметилсульфоксид, ацетонитрил и др.), соли, выполняющие роль электролита (, , ), добавки – инициаторы полимеризации (пероксиды водорода, бензоила и т.д.).
Обычно проводят катодное осаждение (можно покрывать изделия из разных металлов), однако возможно осаждение и на аноде.
Ниже приведены условия получения полиметакрилатных покрытий в среде диметилформамида и электролита :
Концентрация мономера, моль/л 0,5–0,3
Плотность тока, А/м2 10–45
Продолжительность процесса, мин 2–5
Масса полимерного осадка, г/м2 20–60
Способ электрополимеризации позволяет получать покрытия разной толщины, включая и очень тонкие (5–10 мкм), причем непосредственно из мономеров. Однако использование токсичных растворителей и сложность корректировки ванн вызывает многие технологические затруднения, поэтому способ не получил широкого практического применения в технологии покрытий.
8.9. Хемоосаждение
В последние годы значительное внимание уделяется новому способу нанесения дисперсионных лакокрасочных материалов, при котором осаждение (отложение) пленкообразующих веществ на поверхности изделий осуществляется без применения электрического тока. Этот способ получил название хемоосаждение или автофоретическое осаждение. Он основан на пристенной коагуляции водных дисперсий (латексов) пленкообразующих веществ, стабилизированных ионогенными ПАВ, путем создания градиента концентрации электролита на границе поверхность–среда. Принцип осаждения представлен на рис. 8.26.
Если в водную дисперсию полимера, например в латекс СКС–65, ввести кислоту, не нарушая при этом стабильности латекса, а затем в эту среду поместить металлическое (стальное) изделие, то кислота будет взаимодействовать с металлом, вызывая его растворение и создавая высокую концентрацию гидратированных ионов вокруг поверхности. Образующиеся ионы вызовут разрушение адсорбционно-гидратных слоев на частицах латекса, контактирующих с поверхностью, что приведет к отложению полимера на изделии.
а б

Рис. 8.26. Схема хемоосаждения частиц латексов на нефосфатированной (а) и фосфатированной (б) поверхности стали:
I – металл; II – фосфатный слой; III – гель полимера; IV – латекс
Еще легче этот процесс идет на фосфатированной поверхности металлов вследствие более легкой растворимости фосфатов по сравнению с оксидами в кислых средах. Коагулирующими ионами в этом случае служат преимущественно катионы, входящие в состав фосфатных слоев. Хемоосаждение следует рассматривать как коагуляционный процесс, определяемый скоростями встречной диффузии ионов водорода и ионов-коагулянтов, агрегативной устойчивостью латексной системы, а также скоростью движения частиц латекса под влиянием градиента концентраций электролита.
Для получения покрытий этим способом используют латексы разных пленкообразователей. Электролитами служат неорганические и органические кислоты: фтороводородная, фосфорная, винная и др. Скорость растворения металла и стабильность дисперсий регулируют введением окислителей, ПА, а также применением разных способов подготовки поверхности металла. Хорошие результаты получены при нанесении непигментированных и пигментированных бутадиенстирольных латексов (марки СКС–65ГП, БС–66 и др.) на предварительно фосфатированные поверхности (крупнокристаллический фосфат массой не менее 4 г/м2).
При нанесении латекса на такую поверхность фосфатный слой растворяется не более чем на 25%; его защитные функции в большей степени сохраняются. Количество образующегося осадка (геля) зависит от продолжительности осаждения, pH среды (рис.8.27), содержания полимера в композиции, качества ее стабилизации и скорости перемешивания, типа электролита и других факторов и составляет от нескольких десятков до сотен граммов на квадратный метр; влажность осадков обычно более 50%. При их высушивании образуются равные по толщине, бездефектные однородные покрытия.35687026670
Рис. 8.27. Зависимость массы осадка G от продолжительности хемоосаждения τ композиции на основе латекса БСК–60 при разных значениях pH

Разработана специальная грунтовка (ВД–КЧ0178) и некоторые виды красок, предназначенные для получения покрытий хемоосаждением. Их наносят на предварительно обезжиренную (составы КМ–2 или КМ–3) и фосфатированную (составы КФ–1 или КФ–3) поверхность стали при следующих режимах:
pH среды 2
Температура осаждения, С 20
Продолжительность осаждения, мин 0,5–1,0
Температура отверждения, С 130
Продолжительность отверждения, мин 30
Толщина покрытий, мкм 30–35
Испытания показали, что по противокоррозионным свойствам хемоосажденные грунтовочные покрытия не уступают покрытиям, получаемым способом электроосаждения. Такие покрытия могут быть использованы под различные эмали алкидные, меламиноалкидные, эфироцеллюлозные. Способ хемоосаждения перспективен. Главные его достоинства - равномерность и полная сплошность покрытий. Отсутствие затрат электроэнергии и важность получения покрытий на изделиях любой сложности.
8.10. Ручные способы нанесения жидких лакокрасочных материалов
Способы нанесения лакокрасочных материалов, связанные с использованием ручного инструмента (кистей, шпателей, валиков, тампонов, а также аэрозольных баллонов), являются наиболее старыми. Однако они применяются до сих пор, несмотря на широкое внедрение механизированных способов окрашивания.
Ручное нанесение применяют при небольших объемах окрасочных работ преимущественно в быту, при ремонте помещений, окрашивании единичных надписей, цировок и т. д. Нередко при механизированном нанесении красок возникает необходимость исправления дефектов или покрытия отдельных небольших участков поверхности, например, труднодоступных мест. В этом случае также прибегают к ручным приемам нанесения материалов. Ручные способы позволяют обходиться небольшим количеством лакокрасочного материала, они экономичны (потери материалов незначительны) и в отдельных случаях незаменимы.
Окрашивание кистями. Для различных работ применяют кисти разных размеров и формы (рис. 8.28). Их изготовляют из свиной щетины (с добавлением 15% конского волоса), беличьего, барсучьего, хорькового волоса, верблюжьей шерсти, капрона. Большие по размерам кисти называют маховыми, их применяют при окрашивании больших поверхностей – кровли, пола, стен, потолков. Их укрепляют на удлиненной рукоятке (наконечнике) и работают двумя руками. Более мелкие кисти, предназначенные для работы одной рукой, называют ручниками. Они имеют разные размеры и четные номера от 6 до 30. Ручники бывают круглые и плоские.
Для окрашивания по трафарету применяют специальные кисти – трафаретные, они отличаются от ручников более короткой и жесткой щетиной.

Рис. 8.28. Кисти: а, б – плоский и круглый ручники;
в макловица; г – флейц; д – филеночная кисть; е – щетка-торцовка
Окрашивание ручными валиками. Производительность при окрашивании валиками составляет 35–80 м2/ч. Применяют валики разных размеров и конструкций. В простейшем варианте валик представляет собой укрепленный на рукоятке пластмассовый, деревянный или металлический каток, обтянутый поролоном, губчатой резиной или коротко стриженой цигейкой (рис. 8.29). Более сложные устройства имеют по два валика, а иногда и питающий бачок.
Рис. 8.29. Окрасочный валик
1397011430Валиками, как и кистями, можно наносить лишь медленно высыхающие лакокрасочные материалы. Особенно хорошо зарекомендовал себя этот способ при окрашивании строительных объектов (стен, полов и потолков, дверных полотен, труб, ограждений лестничных клеток и т.д.) воднодисперсными и масляными красками. В промышленности с помощью ручных валиков иногда проводят окрасочные работы при ремонте вагонов, судов, щитовых изделий, емкостей для хранения жидких материалов. Нанесение лакокрасочных материалов валиками ограничивается плоскими поверхностями. В случае более сложных поверхностей его сочетают с кистевой окраской.
Нанесение лакокрасочных материалов шпателями и тампонами. Ручное шпатлевание – наиболее простой способ заделки отдельных дефектов поверхностей – рисок, царапин, вмятин, раковин и др. Эту операцию обычно выполняют с помощью простейшего инструмента – шпателей, металлических, деревянных, резиновых, пластмассовых (рис. 8.30).В зависимости от характера поверхности и объема работ применяют шпатели с длиной рабочей кромки от нескольких десятков до сотен миллиметров.

Рис. 8.30. Шпатели: а – резиновый; б – пластмассовый; в – металлический
Тампоны применяют для нанесения лаков, политур, а также при производстве вспомогательных работ, например при крашении и порозаполнении древесины, протирке металлических и других изделий перед окрашиванием и после шлифования покрытий. Для полирования политурами служат тампоны из вязальной шерсти или обрезков шерстяных тканей, обернутых полотняной тканью. Тампоны для менее ответственных работ часто изготовляют из ваты, оберточным материалом служит марля, бязь или другая мягкая ткань. Тампон равномерно пропитывают жидким лакокрасочным материалом (материал лучше заливать внутрь тампона), затем приступают к лакированию или полированию. Движения тампоном должны быть ровными и плавными без остановок. При скольжении тампона под нажимом руки лакокрасочный материал постепенно выживается и оставляет тонкие следы (ласы) на покрываемой поверхности.
Окрашивание с помощью аэрозольных баллонов. При проведении восстановительных, подкрасочных и ремонтных работ в небольшом объеме нередко применяют аэрозольные баллоны (рис. 8.31).
Они выполняют одновременно две функции: служат тарой (емкостью) для лакокрасочного материала и своеобразным распылителем этого материала. Для того чтобы происходило распыление, баллоны снабжены распыляющим устройством, состоящим из клапана шарикового типа, пружины и стержня с пусковой головкой, а внутрь баллонов при их заполнении наряду с краской введен под давлением пропеллент (сжиженный или сжатый газ). Роль пропеллента или эвакуирующего газа могут выполнять различные вещества: фторорганические соединения (хладоны), насыщенные углеводороды (пропан, бутан), низкокипящие хлорированные углеводороды (метилхлорид, метиленхлорид, винилхлорид), сжатые газы (азот, углекислый газ, оксид азота (I)).Рис. 8.31. Схема устройства аэрозольного баллона: 1 – лакокрасочный материал; 2 – корпус баллона; 3 – сифонная трубка; 4 – распыляющее устройство
12827026670Пропелленты должны растворять лакокрасочный материал, не вступая с ним и с материалом подложки в химическое взаимодействие, обеспечивать постоянство давления в баллоне при распылении, быть неогнеопасными, нетоксичными и не обладать запахом. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают хладоны (Ф11 – фтортрихлорметан, Ф12 – дифтордихлорметан, Ф114 – тетрафтордихлорэтан). Совмещая их в разных соотношениях, получают смеси, которые обеспечивают требуемое для распыления давление насыщенных паров 0,25–0,36 МПа.
В аэрозольной металлической упаковке (вместимость от 0,15 до 1,0 л) выпускают разные лакокрасочные материалы (автомобильные и кожевенные нитроцеллюлозные краски, кремнийорганические и другие эмали). Нанесения красок проводят при температуре не ниже 15°С с расстояния 250–350 мм до окрашиваемой поверхности. Диаметр отпечатка факела материала при этом составляет 30–65 мм.
Одним баллоном вместимостью 0,5 л может быть окрашена поверхность ~2 м2 при толщине покрытия 12–14 мкм.
Нанесение лакокрасочных материалов на мелкие предметы, проведение линий и другие подобные операции осуществляют филеночными кистями, в которых наряду со щетиной применяют мягкий волос белки, хорька, куницы. Для проведения тонких линий применяют так называемые обводочные или цировочные кисти, которые изготовляют из длинного беличьего волоса. Волос белки служит также для изготовления художественных кистей. Кисти из жесткой щетины и грубого волоса оставляют штрихи при окраске. Для их сглаживания используют флейцы – широкие (обычно плоские) мягкие кисти из длинного барсучьего волоса.
При работе низковязкими красками (клеевыми, известковыми) применяют побелочные кисти и кисти-макловицы, а для придания поверхности рельефа – кисти, называемые щетками-торцовками.
Для получения хорошего качества покрытий при окрашивании кистями следует соблюдать определенные правила. Новые кисти желательно накануне работы вымыть и высушить, а выступающие ворсинки ожечь, после чего кисть «выщетить» для очистки обожженных концов. Чтобы избежать деформации волоса маховые, филеночные кисти и круглые кисти-ручники обвязывают на 1/3–2/3 длины. По мере истирания волоса витки шпагата постепенно срезают, освобождая перевязанную часть кисти.
При окрашивании на поверхности сначала делают грубые мазки, затем краску растушевывают кистью, одновременно втирая ее в поры подложки. Направление заключительных штрихов выбирают с учетом окрашиваемых изделий. Штрихи на стенах делают в вертикальном направлении, потолке и полу – в направлении распространения света, т.е. от окон. Изделия из древесины окрашивают и лакируют движениями кисти вдоль волокон. При покрытии сложных по форме изделий применяют набор кистей разных размеров. Кистями можно наносить лишь медленно высыхающие лакокрасочные материалы – масляные, алкидные, масляно-битумные, воднодисперсионные. Их вязкость должна быть порядка 80–100 с по ВЗ4.
При необходимости нанесения быстросохнущих лакокрасочных материалов пользуются растворителями с пониженной летучестью, например, нитратцеллюлозные лаки и эмали разбавляют растворителями №649 и №650. Растушевывание поверхности при этом исключается.
Наносимые краски должны быть хорошо размешаны и профильтрованы. При использовании красок, содержащих растворители, окрасочные работы следует проводить в хорошо вентилируемых помещениях. Удобно пользоваться столами, оборудованными местной вентиляцией и имеющими бортовой (боковой) или нижний отсос. Скорость движения воздуха в месте отсоса должна быть не менее 0,3 м/с. Работа кистями малопроизводительна. Даже при большом навыке удается окрашивать масляными красками не более 10, воднодисперсионными – не более 15 м2/час.
Глава 9. Способы отверждения покрытий
Необходимой операцией после нанесения лакокрасочных материалов на поверхность является их отверждение.
На практике эту операцию обычно называют сушкой. Однако термин «сушка» не вполне отражает физико-химическую сущность происходящих при этом процессов, т.к. формирование покрытий может быть результатом не только испарения растворителей (высыхание), но и протекания других процессов. Мы будем рассматривать отверждение с технологической точки зрения.
Формирование покрытий из лакокрасочных систем может быть проведено:
1) в естественных условиях (на открытой площадке или в помещении) при температуре окружающего воздуха;
2) в искусственно созданных условиях при энергетическом воздействии на материал (тепловом, световом, радиационном и т.д.).
Первый вид отверждения, применяемый ко многим жидким лакокрасочным материалам (воднодисперсионным, перхлорвиниловым, эфироцеллюлозным и др.), не связан с использованием какого-либо оборудования и затратой энергии. Однако, он длителен, неприемлем при поточных способах и приводит к получению покрытий недостаточно высокого качества.
Искусственное отверждение применимо к любым жидким и порошковым лакокрасочным материалам. Оно позволяет существенно ускорить технологический процесс и улучшить качество покрытий, однако требует специального оборудования и затраты энергии. Из-за выигрыша во времени и в качестве покрытий искусственное отверждение получило исключительно большое распространение в промышленности.
С расширением объема применения искусственных способов отверждения сильно возросли энергозатраты на производство покрытий. В настоящее время отверждение покрытий наиболее энергоемкая стадия всего технологического процесса формирования покрытий.
Отверждение пока остается и лимитирующей стадией производственного цикла, несмотря на то, что продолжительность формирования покрытий в промышленности уменьшилась более чем в 2 раза за последние годы.
В зависимости от способа энергетического воздействия на лакокрасочный материал различают: тепловое отверждение под действием УФ-излучения и радиационное отверждение.
При выборе способа и режима отверждения (сушки) покрытий учитывают многие факторы: вид лакокрасочного материала, характер подложки, размеры и степень сложности покрываемого изделия, поточность производства и др. Предпочтение отдают тем способам, которые более экономически выгодны, высокопроизводительны, менее трудо- и энергоемки и обеспечивают лучшее качество покрытий.
9.1. Тепловое отверждение покрытий
Нагревание широко применяется на практике для ускорения формирования покрытий как непревращаемого, так и особенно превращаемого типов. По способу подвода теплоты к покрытию различают следующие способы теплового отверждения: конвективный, терморадиационный, индукционный. Наибольшее применение получили первые два. Они хорошо разработаны технологически и аппаратурно.
9.1.1. Конвективный способ
Основы способа. При конвективном способе нагревание слоя лакокрасочного материала и изделия осуществляется за счет передачи теплоты от окружающего воздуха или топочных газов. Теплота передается поверхности, постепенно распространяясь вглубь пленки, поэтому затвердевание покрытия происходит также с поверхности раздела пленка - газовая среда.
Такой способ отверждения не является оптимальным. При использовании жидких красок образующийся на поверхности слой более высохшего материала замедляет диффузию и отвод растворителя из глубинных слоев пленки; в случае порошковых красок оплавленный с поверхности слой полимера затрудняет выход воздуха из остальной части покрытия.
Из-за низкой теплопроводности газов (для воздуха при 100ºС λ ≈ 0.028 Вт/м·С, т.е. в тысячи раз меньше, чем у металлов) в конвективной передаче теплоты покрытию принимают участие только слои, непосредственно контактирующие с изделием.
Для улучшения теплопередачи используют перемешивание нагретых газов. Это вызывает дополнительную затрату энергии, т.е. конвективный способ отверждения малоэффективен и достаточно энергоемок. Однако его широко применение объясняется рядом достоинств: универсальностью (пригоден для отверждения любых лакокрасочных материалов, нанесенных на различные подложки), мягкостью и равномерностью нагрева (можно нагревать изделия разной степени сложности), простотой конструкции и легкостью эксплуатации сушильных установок.
С теплотехнической точки зрения в процессе отверждения (сушки) можно выделить три стадии (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Температурно-временная характеристика конвективной сушки покрытий:
I подъем температуры, II собственно сушка, III охлаждение покрытия
Стадия I (подъем температуры) характеризуется наличием температурного градиента в пленке Δt=tс–tп, который тем больше, чем выше температура в сушилке tс и ниже нагреваемого изделия (подложки) tп. Большой перепад температур приводит к неравномерному протеканию процесса отверждения: в верхней части пленки возможны деструктивные процессы, тогда как у подложки процесс может быть полностью не завершен.
Стадия I при конвективном способе нагрева обычно длительна и во многом определяет общее время отверждения покрытия; τ1 зависит от массы и теплофизических параметров материалов покрытия и изделия и скорости подвода к ним температуры. Ориентировочно время τ1 (в мин), необходимое для выравнивания tп и tс находят как утроенное произведение толщины покрываемого изделия δ (в мм), т.е. τ1 ≈ 3·δ.
1957070-379730Продолжительность стадии II (собственно сушки) зависит от скорости протекания процессов в пленке и является функцией температуры (рис. 9.2).
Стадия III (охлаждение покрытия) может быть проведена как в пределах сушильной установки, так и вне ее.
20713701017270Рис. 9.2. Зависимость продолжительности отверждения масляных покрытий от температуры
Для определения продолжительности отверждения различных лакокрасочных материалов применяются номограммы и универсальная диаграмма, учитывающие температуру в сушилке (Т,°С) и твердость (Н) по маятнику, полученных покрытий (рис. 9.3).
Номограммы составлены из расчета толщин подложки и покрытия 1мм и 20мкм соответственно. При отклонении от этих толщин пользуются формулами для пересчета. Например, в случае алкидных покрытий на подложке толщиной 110мм такая формула имеет вид:
τ=τ0·δ0.30.5, (9.1)
Рис. 9.3. Номограмма режимов отверждения пентафталевой эмали ПФ115 при конвективном способе нагрева
где τ0 продолжительность отверждения покрытия на подложке с δ = 1мм.
Для пересчета параметров отверждения (температура, продолжительность) с опытных образцов на производственные изделия пользуются ГОСТ 940583 ЕС3КС. Пересчет осуществляется с учетом обобщенного безразмерного коэффициента.
Аппаратурное оформление. Для конвективного отверждения применяют сушилки периодического (тупиковые и камерные) или непрерывного (проходные и коридорные) действия, оборудованные тепловентиляционными агрегатами. По типу теплоносителя сушилки подразделяют на паровые, электрические, пароэлектрические, газовые. Для температур 50110°С наиболее экономичными считаются сушилки с паровым обогревом, выше 110°С с электрическим и газовым.
Применяют сушилки прямого действия, в которых обеспечивается непосредственный контакт теплоносителя (нагретый воздух, топочные газы) с изделием и непрямого действия, в которых теплота передается изделию от теплоносителя (обычно топочные газы) через стенку. Первый тип сушильных камер наиболее распространен. Их применяют не только для отверждения покрытий (грунтовочные, шпатлевочные, верхние слои), но и для сушки изделий от воды при подготовке поверхности, мокром шлифовании и других операциях. Газовые сушилки непрямого действия используют только в тех случаях, когда прямой контакт изделия с топочными газами нежелателен, например, при получении светлых высокодекоративных покрытий.
Тупиковые сушилки изготовляют в виде небольших шкафов, а также в виде одно- и многосекционных камер. Их широко применяют на предприятиях с индивидуальным и мелкосерийным производством. В проходные сушильные камеры изделия поступают непрерывно на конвейере. Камеры такого типа применяют преимущественно на предприятиях с массовым производством при поточной организации окрасочных работ.
Эффективность работы сушилок во многом зависит от характера распределения нагретых газов по сечению камеры, степени омывания ими окрашенных изделий, скорости движения газов. При этом важное значение имеет конструкция камеры и взаимное расположение воздуховодов (рис. 9.4). В случае крупных изделий преимущественно используют схемы а, б, иногда г, в случае мелких изделий, поступающих в сушилку уложенными на этажерки, схему в или г. В проходных сушилках режим отверждения удается осуществлять в полном соответствии с процессами, протекающими при формировании покрытия. Лучшими в этом отношении являются многозональные сушильные камеры.
а б в г
Рис. 9.4. Схема движения газов в сушильных камерах конвективного типа
Сушилку условно делят, например, на 3 зоны, каждая из которых имеет свой тепловентиляционный центр. Первая зона рассчитана на частый воздухообмен, большой приток теплоты и свежего воздуха, так как на этом участке требуется подъем температуры и испаряется до 90% вносимых с лакокрасочным материалом растворителей. Вторая зона не связана с большим расходом теплоты и загрязнениями воздуха растворителями. Третью зону можно рассматривать как зону охлаждения или доотверждения покрытия, происходящего за счет теплоты, аккумулированной изделием.
Кратность обмена воздуха и степень его обновления принимают, исходя из условия поддержания взрывобезопасной концентрации паров растворителя в сушилке. Расход свежего воздуха Vвозд при этом может быть вычислен по следующим формулам.
Для камер периодического действия:
Vвозд=2GК/τа. (9.2)
Для камер непрерывного действия:
Vвозд=2G'К/а, (9.3)
где G и G' масса растворителя, поступающего в сушилку с лакокрасочным материалом единовременно и в единице времени соответственно;
К постоянная, зависящая от температуры, при изменении температуры от 90 до 200°С, К изменяется от 2 до 5;
τ время испарения основной массы растворителя, τ=510мин;
а нижний предел взрываемости паров растворителя.
При формировании покрытий из порошковых красок кратность обмена воздуха в нагревательных установках в несколько раз меньше, поскольку из порошковых красок выделяется летучих компонентов в 2030 раз меньше, чем из жидких.Для обеспечения нормальной работы сушильных камер принимают скорость движения (перемешивания) воздуха 0,82,5м/с, разность температур подаваемого и отсасываемого воздуха 1012°С.
Перспективные пути повышения эффективности конвективной сушки покрытий увеличение скорости движения энергоносителя (воздуха) и введение в него добавок паро- или газообразных веществ, являющихся катализаторами отверждения (для покрытий термореактивного типа). В первом случае используются аэродинамический метод нагрева энергоносителя (нагрев происходит равномерно за счет перехода механической энергии, развиваемой ротором центробежного вентилятора, в тепловую при циркуляции воздуха в замкнутом пространстве со скоростью 9м/с). В такой аэродинамической сушилке скорость отверждения покрытий в 1,52 раза выше, чем в обычной калориферной, потребляемая мощность на 2025% ниже.Второй случай используется на практике при отверждении полиуретановых, эпоксидных и других покрытий. Например, с введением в воздушную среду третичных аминов время отверждения таких покрытий сокращается в десятки раз, составляя 3060с.
9.1.2. Терморадиационный способ
Терморадиационный способ используют в промышленности с 30-х годов. В настоящее время он является одним из основных способов отверждения покрытий. Достоинства: высокая эффективность, простота и компактность оборудования.
Основы способа. Принцип отверждения основан на использовании лучистой энергии, испускаемой нагретыми телами (лампы накаливания, металлические и керамические плиты, спирали, газовые горелки и др.).
По закону смешения Вина длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения λмакс зависит от абсолютной температуры:
λмакс=2998/Т. (9.4)
Общее количество энергии (в МДж/ч), излучаемой нагретым телом, вычисляют по формуле Стефана-Больцмана:
Q=20,6 108·ε F·T4, (9.5)
где ε степень черноты;
F поверхность излучения.В зависимости от природы поверхности и температуры нагрева спектральная характеристика излучения различных тел неодинакова. Так, максимум интенсивности ИК-излучения лампы №С2 (зеркальная для сушки) 1200 нм, а чугунной плиты (Т=650 К) 4500 нм.
Для ламповых (или «светлых») излучателей коротковолновое излучение с λ=7602500 нм считается светлым. В отличие от него, излучение с λ=35004500нм называют темным. Источником его являются тела с температурой нагрева 650720 К («темные» излучатели).
Степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энергии с различной длиной волны неодинакова, соответственно, различен и эффект ее действия при отверждении.
Непигментированные жидкие лакокрасочные материалы, как и твердые покрытия в слоях толщиной до 50 мкм, достаточно проницаемы для ИК-лучей, при этом проницаемость уменьшается с увеличением длины волны. Эта закономерность сохраняется и для порошковых материалов, но относительная прозрачность порошков из-за большой рассеивающей способности во всем диапазоне длин волн намного меньше, чем жидких материалов. По мере формирования покрытий проницаемость порошковых пленкообразователей для ИК-лучей резко возрастает.
Оптические характеристики пигментированных покрытий, особенно отражательная способность, могут изменяться в зависимости от вида пигмента, что сказывается на скорости формирования покрытий при лучистом нагреве. Так как пленка поглощает и отражает только часть лучистой энергии, то остальная ее доля попадает на подложку и, изменяя спектральные характеристики ИК-излучения и оптические свойства лакокрасочного материала и подложки, можно регулировать нагрев пленки, подложки или пленки и подложки одновременно. На практике чаще используется второй и третий варианты.
На рис. 9.5 приведены данные по эффективности светлого и темного излучений при формировании покрытий из жидкой или порошковой красок. В первом случае эффективность оцениваем по скорости нагрева подложки и твердости покрытий, во втором - по светопропусканию слоя порошка. Проникающая способность светлого излучения выше, чем темного, что проявляется в большой скорости формирования покрытия из порошковой краски.
а б

Рис. 9.5. Сравнительная эффективность светлого () и темного ( ) излучений при формировании покрытий из мочевино-формальдегидной эмали МЧ13 (а) и порошковой поливинилхлоридной краски ПХВ716 (б)
Скорость теплопередачи и, соответственно, скорость сушки возрастают при введении в состав пленки теплопроводных пигментов и наполнителей, особенно порошков металлов цинка и др. (покрытия «Цинкромет»), при любых видах излучения.
С технической точки зрения (более низкие температуры, удобство эксплуатации) для отверждения покрытий предпочтительнее темные излучатели.
На ИК-отверждение покрытий оказывают влияние масса и теплофизические свойства материала подложки, мощность излучателя, его рассеяние от окрашенной поверхности и т.д. Следует отметить, что на толстостенных массивных подложках с большой теплопроводностью покрытия формируются медленнее, чем на тонкостенных с малой теплопроводностью (рис. 9.6).13970-36830
Рис. 9.6. Зависимость продолжительности отверждения покрытия из пентафталевой эмали ПФ133 (1) и температуры подложки (2) от толщины металлической подложки

С увеличением мощности излучателя N длительность отверждения τ сокращается, а с увеличением расстояния от него до изделия l растет. Это показано на примере пентафталевой эмали ПФ115:
l, м 100 200 300 500
τ, мин 3 6 10 36
В современных установках для отверждения покрытий принимают N =18 кВт/м2, а l =150300 нм.
Отличия терморадиационного способа отверждения покрытий от конвективного:
1) при терморадиации существенно ускоряется подвод теплоты к изделию, в результате резко сокращается стадия подъема температуры окрашенного изделия;
2) нагревание слоя лакокрасочного материала происходит не снаружи, а изнутри, от подложки. Это благоприятствует выходу летучих продуктов из пленки.
В результате существенно (в 210 раз) ускоряется процесс формирования покрытий при конвективном нагреве по сравнению с терморадиационным.
Несмотря на то что ИК-лучи не инициируют химических реакций отверждения, наибольший эффект от их использования достигается при получении покрытий из термопревращаемых пленкообразователей; ИК-нагрев, как правило, не применяется в случае быстросохнущих лакокрасочных материалов (эфироцеллюлозных, виниловых, полиакрилатных и др.).
Продолжительность формирования покрытий τ при терморадиационном способе определяют с помощью номограмм или по следующей формуле с учетом температуры t и твердости покрытия Н:
τ=10а Нbtc,
где а, b и c постоянные, зависящие от природы лакокрасочного материала.Аппаратурное оформление. Для отверждения покрытий под действием ИК-излучения используются сушильные камеры непрерывного и периодического действия и щитовые передвижные или стационарные установки. Термоноситель в них электроэнергия или природный газ. Используют также терморадиационные и терморадиационно-конвективные камеры. Последние более применимы для изделий сложной конфигурации.Источники ИК-излучения: панельный и рефлекторный (трубчатый) генераторы, например типа НВСЖ, с температурой нагрева 350400ºС (темные излучатели) и кварцевоиодные лампы КИ, НИК и др. (светлые излучатели). В газовых сушильных камерах излучающим элементом являются стальные панели. Они нагреваются топочными газами до 350400ºС.
Типовая сушильная камера непрерывного действия это сварной туннель, состоящий из входного и выходного тамбуров, нескольких излучающих (рабочих) секций и вентиляционного центра (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Схема электротерморадиационной камеры:
1 вентилятор; 2 воздушная завеса; 3 корпус камеры;
4 рабочая зона; 5 излучатель; 6 тамбуры;
7 конвейер; 8 изделие
Температура в электротерморадиационных камерах поддерживается путем изменения мощности нагревательных панелей, в камерах с газовым нагревом - изменением объема газа, подаваемого к горелкам. Расход электроэнергии на 1м2 поверхности готового покрытия составляет 1,85,4 МДж, газа 0,070,12 м3.
Пути интенсификации процесса ИК-отверждения покрытий и снижения энергозатрат:
1) применение установок с более высокой удельной мощностью (повышение мощности в 2 раза приводит к снижению удельного энергопотребления в 68 раз);
2) сочетание излучения с разной длиной волны и конвективным энергоподводом;
3) использование когерентного (лазерного) излучения с длиной волны, находящейся в резонансе с колебаниями групп пленкообразователя.
9.1.3. Индукционный способ
Этот способ сушки основан на нагреве окрашенного изделия в переменном электромагнитном поле токов промышленной, повышенной или высокой частоты. Нагрев происходит вихревыми токами, индуцируемыми в подложке из ферромагнитных материалов. Для отверждения покрытий применяют сушильные установки в виде металлических щитов и камер, в которых смонтированы кассеты с набором нагревательных элементов индукторов. Индукторы состоят из магнитопровода (набор изолированных друг от друга пластин листовой стали) и обмотки из медной проволоки. При прохождении через обмотку переменного тока с частотой 50800 Гц создается электромагнитное поле. Если на расстоянии 1015 мм от индукторов поместить окрашенное изделие, то оно будет нагреваться, передавая теплоту покрытию. Нагрев можно поводить с большой скоростью и практически до любой температуры.
Обычно отверждение покрытий проводят при 100300ºС. В этих условиях продолжительность отверждения алкидных покрытий составляет 530 мин.
По эффективности индукционный способ отверждения сравним с терморадиационным, однако он применим ограниченно из-за: невозможности обработки изделий сложной формы, проблем в выборе материала подложки и недостаточно высоким КПД работы достаточно сложных установок. Способ применяется для отверждения покрытий на вагонах, контейнерах, стальной ленте, проволоке, обмотках электрических машин и других изделиях.
9.2. Отверждение покрытий под действием УФ излучения
Способ отверждения покрытий УФ излучением («УФсушка») в настоящее время считается одним из наиболее перспективных. Достоинства способа: относительно высокая производительность, малые затраты энергии, несложность оборудования. Однако, отверждение под действием УФ излучения применимо к ограниченному числу лакокрасочных материалов: лакам, эмалям, шпатлевкам на основе ненасыщенных полиэфиров и полиакрилатов. Покрытия получают на древесине, картоне, бумаге, нередко на металлах и других материалах. Принцип отверждения основан на способности УФ-лучей инициировать реакцию полимеризации олигомерных материалов. Энергия УФ излучения 312 эВ. Это в 24 раза выше энергии лучей видимого света, что позволяет проводить отверждение покрытий с удовлетворительной скоростью при нормальной температуре.
Процесс отверждения эффективно протекает при введении в лакокрасочные материалы фотоинициаторов полимеризации. Для полиэфирных пленкообразователей ими служат бензофенон и его производные, простые эфиры, ацетофенон, бензальдегид. Оптимальная дозировка фотоинициаторов в зависимости от их активности и толщины наносимого слоя лакокрасочного материала составляет от 0,2 до 1,0%.
Отверждение полиэфирных покрытий ускоряется присутствием окислительно-восстановительной системы, состоящей, например, из алифатического амина (триэтиламин, триэтаноламин) и пероксида (бензоилпероксид и др.). Однако в этом случае резко (до 68 ч) сокращается жизнеспособность композиций.
С максимальной скоростью формируются непигментированные покрытия; введение пигментов замедляет процесс. Это связано с тем, что большинство широко применяемых неорганических и органических пигментов поглощает УФ-лучи в той же спектральной области (200400 нм), что и фотоинициаторы. Их коэффициент отражения К10%. Только при применении специальных пигментов (метатитанат магния, оксиды циркония, ванадия, сурьмы, сульфид и селенид кадмия) с К30% были разработаны эмали (специальные) фотохимического отверждения.
Фотоинициирование полимеризации, учитывая области максимальной адсорбции УФ-излучения, происходит в диапазоне длин волн до 700 нм. Соответственно этому выбирают источники УФ-излучения: ртутные, люминесцентные и ксеноновые лампы и кварцевые излучатели. Предпочтительны источники с высокой эмиссией в диапазоне длин волн 300400 нм и максимумом излучения в области 360370 нм. Полиэфирные лаки в большинстве случаев отверждают излучением от ламп двух типов: люминесцентных низкого давления и ртутных высокого давления.
Перспективным источником УФ-излучения является излучение плазмы аргона, образующейся при дуговом разряде. Такие излучатели способны создавать поток излучения с поверхностной плотностью до 75 кВт/м2 (для ртутных ламп она примерно равна 12кВт/м2).
Отверждение покрытий при УФ-излучении проводят на установках непрерывного и периодического действия. Например, при поточной отделке щитовой мебели. В типовом варианте установка непрерывного действия включает: камеру отверждения с ртутными УФ-лампами и рефлекторами (применяются лампы низкого ЛЭР30, ЛЭР40 и высокого ДРТ10000, ДПТ12000 давления), охладитель (предусматривается изделий или ламп холодным воздухом), напольный конвейер, систему вентиляции.
Отверждают лаки, эмали и шпатлевки. Продолжительности отверждения лаков (ПЭ2106) 12 мин, эмалей и шпатлевок при толщине слоя до 150 мкм 25 мин. Более тонкие покрытия отверждаются быстрее. В промышленности отверждение покрытий проводят при скоростях конвейера 1050м/мин. Эксплуатационные расходы на установках УФ-сушки в 1,52,0 раза меньше, чем на установках терморадиационного отверждения.
9.3. Радиационное отверждение покрытий
Радиационный способ считается одним из самых быстрых способов отверждения лакокрасочных покрытий: от долей секунды до нескольких секунд.
Наибольшее применение получило отверждение ускоренными электронами. Их получают с помощью низкоэнергетичных ускорителей прямого действия: «Электрон», «Аврора», «Ион», КГЭ2,5, ЭОЛ и другие мощностью от 1 до 25 кВт и с энергией электронов 0,050,2 пДж. Генерируемые этими ускорителями электроны обладают низкой проникающей способностью, поэтому их используют для отверждения покрытий толщиной не более 500мкм; остаточной радиации при этом не наблюдается.
Радиационное отверждение применимо для пленкообразователей, способных к химическим превращениям за счет реакции полимеризации при отверждении лакокрасочных материалов на основе ненасыщенных полиэфиров (лаков ПЭ284, ПЭ2120, ПЭ2125, грунтовки ПЭ086, эмали ПЭ2124), полиуретанов (лак УР2117, грунтовка УР0171), полиакрилатов, эпоксиакрилатов.
Предпочтительны материалы без растворителей. На радиационное отверждение покрытий влияют: поглощенная доза излучения и ее мощность (рис. 9.8), природа подложки, характер окружающей газовой среды и др.
35687029845
Рис. 9.8. Зависимость параметров отверждения полиэфирного покрытия на основе лака ПФ232 от поглощенной дозы излучения:
Н твердость; G содержание трехмерного полимера

Большинство покрытий удовлетворительно отверждается при дозах 80140 кГр и энергии электронов 0,060,08 пДж. Более высокие дозы излучения могут приводить к деструктивным процессам как покрытия, так и материала подложки (древесина, бумага, пластмассы). При этом возможно изменение цвета и ухудшение механических свойств.
Прямолинейная зависимость (в логарифмических координатах) между скоростью отверждения и мощностью поглощенной дозы D наблюдается примерно до D=3 кГр/с, при больших значениях D интенсивность облучения оказывает меньшее влияние на скорость процесса. При радиационном отверждении, как и при химическом, проявляется ингибирующее действие озона и кислорода воздуха. Поверхностный слой имеет более низкую степень отверждения, характеризуется меньшей твердостью, а иногда дает отлип, что допустимо в грунтовочных слоях, но неприемлемо для верхних покрытий. Применение пленкообразователей, не подверженных ингибированию, проведение процесса в инертной среде (азот, аргон, лишенные кислорода топочные газы) или в вакууме, а также использование пленочной защиты (лавсан) в значительной степени позволяет устранить отмеченные недостатки. При этом необходимая доза излучения уменьшается в 23 раза по сравнению с отверждением на воздухе. Однако проблема устранения ингибирования полимеризации (и соответственно, липкости покрытий) при радиационно-химическом отверждении полностью не решена. Главное внимание следует уделять выбору пленкообразователей, двойная связь которых не подвержена озонному и кислородному ингибированию, и осуществлению процессов доотверждения поверхностного слоя по механизму ионной полимеризации. При радиационном воздействии покрытия на металлических подложках отверждаются, как правило, быстрее и при меньших дозах излучения, чем, например, на древесине, картоне или пластмассе. Это объясняют большей отражательной способностью металлов, чем других материалов.
Технологические линии для получения покрытий с применением электронного облучения включают оборудование для нанесения лакокрасочного материала и отверждения покрытия, а также скоростной конвейер (рис. 9.9). Более применимы для получения покрытий плоские изделия - рулонные и листовые материалы. Максимальное расстояние между покрытием и окном прожектора (источник электронов) не должно превышать 1015 см, что затрудняет отверждение покрытий на изделиях сложной формы. В промышленных условиях радиационное отверждение применяют при отделке щитовой мебели, печатных плат, облицовочных строительных плит, листового и рулонного металла, картона, плоских изделий из пластмасс, при скоростях движения конвейера (или ленты) 1060 м/мин.

Рис. 9.9. Технологическая линия для получения покрытий на щитовых деталях мебели:
1 деталь мебели; 2 лаконаливная машина; 3 радиационно-химическая установка с ускорителями электронов
Энергозатраты при использовании радиационного отверждения при отделке мебельных щитов (по сравнению с терморадиационным отверждением) сокращаются в 69 раз, затраты труда - в 614 раз, стоимость покрытий в целом снижается примерно в 2 раза. Следует отметить, что электронное отверждение рентабельно только при объемах производства покрытий более 20 тыс. м2/год.

Глава 10. Технология окрашивания металлов
Металлы наиболее распространенный вид материалов, защищаемых лакокрасочными покрытиями. В зависимости от вида металла, габаритов, условий их эксплуатации применяют соответствующие ЛКМ и технологии формирования покрытий.
Технологический процесс состоит из двух основных стадий:
подготовка поверхности;
собственно окрашивание.
Качество проведения этих стадий во многом определяет надежность и долговечность покрытий.
10.1. Подготовка поверхности перед окрашиванием
Срок службы лакокрасочных покрытий на металлах в значительной мере зависит от качества подготовки поверхности. Цель подготовки удаление с поверхности любых загрязнений и наслоений, препятствующих непосредственному контакту покрытия с металлом. К ним относятся оксиды (окалина, ржавчина), масляные, жировые и механические загрязнения, присутствующие на поверхности старые покрытия.
Оксиды типичный вид загрязнений большинства металлов. Наиболее опасна с точки зрения коррозии окалина (смесь оксидных соединений железа: вюстита FеО, магнетита Fе3О4 и гематита Fе2О3). Окалина, в отличие от основного металла обладает повышенной хрупкостью и более высоким значением электродного потенциала. Ржавчина - гидратированные оксиды железа, ее присутствие приводит к уменьшению адгезии покрытий и может вызвать изменение цвета белых покрытий.
Загрязнения в виде жиров, консервационных смазок, остатков полировочных паст, образивов, охлаждающих эмульсий ухудшают условия смачивания поверхности лакокрасочными материалами и ухудшают пленкообразование и свойства покрытий.
Старые (непрочные, ветхие) покрытия являются плохой основой для вновь наносимых покрытий, их также необходимо удалять с поверхности.
При подготовке поверхности наряду с очисткой одновременно проводят ее выравнивание снятие заусенцев, удаление облоя и литников, сглаживание сварных швов и острых кромок и т.д. Часто выполняют операции по изменению природы поверхности металла (гидрофобизация или гидрофилизация), снижению ее шероховатости, по дополнительной защите, например, путем нанесения конверсионных покрытий (фосфатирование, оксидирование, сульфохромирование и др.).
Число подготовительных операций, способы и условия их проведения определяются требованиями ГОСТ 9.40280 ЕСЗКС. Они зависят от вида металла, состояния его поверхности, требований к эксплуатационным свойствам покрытий, их назначения. Любая подготовка поверхности связана с удорожанием покрытий, поэтому при выборе способа наряду с качеством очистки следует учитывать и затраты на ее проведение.
10.1.1. Механические способы очистки
Применяются: шлифование, крацевание, галтовка, пневмо- и гидроабразивная обработка. Механически можно удалять любые загрязнения, но наиболее часто этим способом очищают поверхность от ржавчины, окалины и старых покрытий.
Из механических способов подготовки поверхности наиболее распространена струйная абразивная и гидроабразивная обработка: пескоструйная, гидропескоструйная, дробеструйная, дробеметная.
Такая очистка основана на воздействии частиц абразивов, поступающих с большой скоростью и обладающих в момент соударения с металлом значительной кинетической энергией. Поверхность металла при этом становится шероховатой (углубления достигают 0,040,1мм). Это улучшает адгезию покрытий. Однако струйная абразивная обработка приемлема только в случае толстостенных изделий (δ ≥ 3мм). Изделия с более тонкими стенками могут при этом деформироваться.
При пескоструйной и гидропескоструйной очистке применяют безглинистый кварцевый песок с размером частиц 0,52,5мм, карбид кремния, плавленый оксид алюминия. Абразив при дробеструйном и дробеметном способах обработки металл или колотая чугунная или стальная дробь с размером частиц 0,22,0мм или дробь, рубленная из стальной проволоки диаметром 0,31,2мм. Для очистки поверхности черных металлов применяют колотую дробь (№082) с размером частиц не более 0,8мм. Эффективность очистки при этом в 1,52,5 раза выше по сравнению с очисткой литой дробью; стальная рубленая дробь обходится в 34 раза дороже колотой. Легкие металлы (алюминий, магниевые сплавы и др.) обрабатывают мягкими абразивамипорошками из сплавов алюминия (иногда с добавлением 56% чугунного песка), крошкой фруктовых косточек или скорлупы орехов.
Кварцевый песок наиболее дешевый абразив. Но он быстро изнашивается (дробится), образуется мелкая пыль, вредно действующая на здоровье работающих. Поэтому ее применяют исключительно в автоматизированных установках с хорошей герметизацией и вентиляцией, предотвращающей распространение пыли в помещения. Очищают чугунные и стальные отливки и другие толстостенные изделия от окалины и нагара. При этом песок подается из сопел, отстающих приблизительно на 200мм от обрабатываемой поверхности под давлением 0,30,8 МПа.
Металлический песок, в отличие от кварцевого, почти не образует пыли, расход его значительно меньше, а эффективность механического воздействия также достаточно высока. Очистка с помощью металлического песка (дроби) осуществляется в закрытых камерах или кабинах, снабженных приточно-вытяжной вентиляцией. Применяют различные типы аппаратов для дробеструйной очистки: одно- и двухкамерные периодического и непрерывного действия типов Г93А, Г146, АД1, АД2, АД5, БДЭ, ПД1. Их производительность по очищаемой поверхности от 1 до 8 м2/ч, дробь распыляется под давлением 0,50,7МПа.
Дробеметная очистка отличается от дробеструйной тем, что поток дроби создается не сжатым воздухом, а в результате центробежной силы от вращающегося с высокой частотой (25003000 об/мин) ротора (турбинного колеса с лопатками).Дробеметный способ в 510 раз производительнее дробеструйного и в несколько раз дешевле. Он обеспечивает минимальную запыленность помещений, однако не пригоден для обработки изделий сложной формы.
Недостатком дробеметного способа является также быстрый износ лопаток (срок службы литых чугунных лопаток не превышает 80 ч).
При гидроабразивной очистке используется суспензия или взвесь абразива в жидкой среде. Абразив в этом случае кварцевый песок, гранит, электрокорунд, стекло, молотый шлак и другие твердые порошковые вещества дисперсностью 0,150,50мм, а жидкая среда вода с добавлением ПАВ и ингибитора коррозии. Так, для обработки изделий из черных металлов применяют суспензию следующего состава (в г/л):
Кварцевый песок или электрокорунд 380420
Нитрит натрия 1822
Кальцинированная сода 4,6
Гидроабразивную обработку проводят с помощью аппаратов нагнетательного или всасывающего типов различных конструкций: ГПА3, ТО266, ГК2, ТВ210. Они подают пульпу под давлением 0,50,6МПа. В аппаратах обычно обрабатывают изделия небольших размеров.
Для очистки поверхности в случае крупных объектов (суда, гидротехничекие сооружения) часто используют забортную воду с песком (пульпу); образующуюся при сушке вторичную ржавчину удаляют механическим способом.
10.1.2. Термические способы очистки
Удаление окалины, старой краски, ржавчины, масел и других загрязнений с поверхности можно проводить термическим способом. Например, путем нагревания изделия пламенем газокислородной горелки (огневая зачистка), электрической дуги (воздушно- электродуговая зачистка) или отжига в печах при наличии окислительной (воздушной) или восстановительной среды.
При огневой и воздушно-электродуговой зачистке металл (стальные слитки, слябы, блюмы) быстро нагревают до 1300–1400С, при этом загрязненный поверхностный слой сгорает и частично оплавляется. Его механически удаляют, а металл охлаждают.
Отжиг в восстановительной (защитной) атмосфере применяют при подготовке поверхности рулонного металла. Стальной прокат нагревают в атмосфере азото-водородной смеси, содержащей, например 93% N2 и 7% Н2 до 650700С . Присутствующие на поверхности следы смазки возгоняются, а оксиды железа восстанавливаются до металлического железа.
Термическое удаление органических загрязнений (старые покрытия, жировые и масляные отложения) проводят в окислительной (воздушной) среде. Большинство органических веществ возгоняется, разлагается или горит при нагревании до 450500С. Но, во избежание образования кокса, изделия отжигают при более высоких температурах (600800С). Отжиг ведут в огневых конвективных или терморадиационных (открытых или муфельных) печах, снабженных вентиляцией; применяют и газовые или керосиново-кислородные горелки. Эти способы очистки (термические) экономичны и производительны, но во избежание коробления и деформации металла они применяются, в основном, для изделий с толщиной стенки не менее 5 мм. Обычно термическая обработка требует последующей дополнительной механической или химической очистки.
10.1.3. Химические способы очистки
Химические способы очистки металлов наиболее распространены в промышленности. Они доступны, универсальны, экономичны. Их используют при обезжиривании поверхности, удалении оксидов металлов (травлении) и снятии старых покрытий.
Обезжиривание. На поверхности металлов могут присутствовать омыляемые (компоненты смазок, полировочных паст, следы от кожи рук) и неомыляемые (консервационные смазки, эмульсионные составы и др.) «жировые» загрязнения.
Различают три степени загрязнения в зависимости от количества примесей на единице поверхности: слабую – не более 1, среднюю – не более 5 и сильную – более 5г/м2.
Химическое обезжиривание основано на растворении, эмульгировании и разрушении (омылении) жиров и масел. В качестве обезжиривающих веществ применяют: органические растворители, водные моющие растворы и эмульсии растворителей в воде (эмульсионные составы).
Наиболее дешевый, пожаробезопасный и менее токсичный способ обезжиривание водными моющими растворами. Оно основано на химическом разрушении омыляемых жиров и масел и солюбилизации и эмульгировании неомыляемых загрязнений. Последний процесс схематически можно представить в виде последовательных стадий (рис. 10.1).
35687055245
Рис. 10.1. Схема процесса удаления (эмульгирования) масляного слоя щелочным раствором:
Р – раствор;
М – масло;
Э – эмульсия;
П – подложка

Вода обладает слабым моющим действием по отношению к масляным загрязнениям. Из-за большого поверхностного натяжения и несовместимости с маслами она плохо смачивает зажиренные поверхности и не образует стабильных эмульсий.
Обезжиривание ускоряется при повышении температуры, механическом воздействии, использовании электролитов, повышении рН среды, применении ПАВ. На принципе сочетания температурного и механического воздействий разработан и применяется способ пароструйной очистки. Поверхность обрабатывают водяным паром под давлением 0,6–4,0 МПа или теплой водой, выходящей из насадок под давлением 16–18 МПа.
Особенно эффективно использование водных растворов щелочных электролитов и ПАВ: едкого натра (каустическая сода) NaOH, карбонат натрия (кальцинированная сода) Na2CO3, силикат натрия (жидкое стекло) Na2SiO3, тринатрийфосфат Na3PO4, пирофосфат натрия Na4P2O7, гексаметафосфат натрия (NaPO3)6, триполифосфат натрия Na3PO42NaPO3. Эмульгирующее действие возрастает при введении ионогенных (мыла, алкил- , и арилсульфонаты) и неионогенных (оксиэтиленовые эфиры алкилированных фенолов и др.) ПАВ. Часто используют добавки водорастворимых полимеров, например, Na–карбоксиметилцеллюлозы. Это предотвращает оседание загрязнений на очищаемой поверхности. Для обезжиривания черных металлов обычно применяют растворы с общей концентрацией щелочи и щелочных солей 30–100г/л (рН=10–13).
Составы для обезжиривания цветных металлов часто отличаются от составов, применяемых для очистки черных металлов. Как правило, они имеют более низкие значения рН среды. В промышленности применяют:
готовые составы, выпускаемые в виде концентратов;
составы, приготовляемые на месте потребления.
Широко используют моющие композиции КМ–1, КМИ–1, КМА–1 и КМА–2. Это порошковые смеси солей фосфорной, борной, и других кислот с соответствующими ПАВ. Для получения растворов рабочей концентрации (0,5–2,0%) композиции растворяют в воде. Обезжиривание проводят распылением растворов при следующих условиях:
Температура, С 5565
Продолжительность, мин 1,53
Расход композиции, г/м2 не более 10.
При обезжиривании стали распылением также эффективны моющие средства: МС–5, МС–6, МС–8, СМ–2, МЛ–51, МЛ–52, З–14, лабомид–203, и др.; цинка и алюминия – состав КМ–5. Перечисленные составы образуют растворы с рН=9,8–12,0; степень очистки ими поверхности стали составляет 94–98%.
Рецептуры некоторых составов (в г/л), приготовляемых на месте потребления и применяемых для обезжиривания черных и цветных металлов способом окунания приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1. Рецептуры некоторых составов для обработки металлических поверхностей
Состав Cталь Алюминий и сплавы Магниевые сплавы Цинк и олово
1 2 3 4 5
Едкий натр
810 1025 Окончание табл. 10.1
1 2 3 4 5
Тринатрий-
фосфат 2030 510 4060 13
Силикат
натрия 13 34 2030 13
Карбонат
натрия 1520 1015 Триполифосфат
натрия 23 Эмульгатор
(синтанол ДС10сульфонол
ОП7 или ОП10)13 35 13 0,20,5
Обезжиривание проводят при температуре рабочего раствора 5080С, продолжительность 520 мин. Обезжиривание органическими растворителями, в отличие от щелочного, основано на растворении масляных и жировых загрязнений. Этим способом удается достичь хорошей степени очистки поверхности за короткое время.
Применяются растворители, обладающие высокой активностью (растворяющей способностью) по отношению к загрязнениям, стабильностью (стойкостью к разложению), низким поверхностным натяжением, умеренной летучестью. В первую очередь используют алифатические и хлорированные углеводороды:
Ткип СМетиленхлорид 71
Тетрахлорметан
(четыреххлористый углерод) 77
Дихлорэтан 83
Трихлорэтилен 87
Перхлорэтилен 121
Пентахлорэтан 159
Уайт-спирит. 155-195.
Хлорированные углеводороды, в отличие от алифатических, негорючи, однако они более токсичны (предельно допустимая концентрация паров трихлорэтилена и пентахлорэтана составляет 10 мг/м3, уайт-спирита 300мг/м3). Хлорсодержащие растворители, кроме того, склонны к гидролизу при действии воды. Особенно подвержен гидролизу трихлорэтилен, наиболее широко применяемый для обезжиривания растворитель. Образующийся при гидролизе хлороводород может вызвать коррозию изделий и аппаратуры (ванн). Для локализации его действия в состав растворителей вводят ингибиторы коррозии и вещества, нейтрализующие хлороводород, например аммиак, триэтаноламин, уротропин (0,001 г/л) и др.
Обработку растворителями проводят как в жидкой, так и паровой фазах. Особенно часто сочетают оба способа воздействия.
Обезжиривать растворителями можно практически любые металлы. Не рекомендуется применять триэтаноламин, не содержащий ингибиторов, для обезжиривания алюминия, магния и их сплавов во избежание нежелательных реакций с металлической поверхностью.
Эмульсионное обезжиривание комбинированный способ, сочетающий многие достоинства очистки органическими растворителями и водными щелочными растворами.
Эмульсионное обезжиривание особенно эффективно при большом количестве механических загрязнений на поверхности. Из-за пониженной токсичности и пожаробезопасности эмульсионные составы оправдали себя и при ручной очистке изделий взамен органических растворителей. Применяют составы, представляющие собой эмульсии органических растворителей в воде, стабилизированные ионогенными или неионогенными ПАВ.
Растворители – алифатические, ароматические или хлорированные углеводороды. Их массовая доля в готовых для применения эмульсиях колеблется от 5 до50%. Для стабилизации вводят небольшое количество смешивающихся с водой растворителей (спиртов, эфиров). Моющие составы, в которых массовая доля растворителя не превышает 10%, считаются не огнеопасными при применении.
Рецептура одного из составов на основе трихлорэтилена, %:Трихлорэтилен 20
Пирофосфат натрия 0,5
Ингибитор (амин) 0,5
Эмульгаторы (ОП–10, сульфонол) 2,0
Вода 77
Технологический процесс обезжиривания включает следующие операции: обработка поверхности моющим составом, последующая промывка (в случае водно-щелочных и эмульсионных составов) и сушка. Обработку водными растворами и эмульсиями проводят либо способом погружения, либо распылением (струйный способ). Струйное обезжиривание более эффективно (процесс ускоряется в 3–4 раза). Это объясняется тем, что к химическому воздействию добавляется механическое действие струи жидкости, кроме того, при распылении достигается лучшее перемешивание раствора.
Обезжиривание погружением проводят в стационарных ваннах, снабженных паровым, газовым или электрическим обогревом. Агрегаты струйной очистки работают в непрерывном и периодическом режимах. Наиболее распространены агрегаты непрерывного действия. Изделия в них проходят на подвесных конвейерах последовательно три зоны: обезжиривания, первой и второй промывок. Промывка осуществляется водой Т=20–70С. Вода, как и обезжиривающий состав, подается на изделие через специальные насадки под давлением 0,15–0,20 МПа; продолжительность обезжиривания 2–3 мин., промывки – 1–2 мин.
Обезжиривание растворителями проводят в закрытых камерах или установках непрерывного действия. Загрязненные изделия на конвейере последовательно проходят через ванну с растворителем, зону облива и зону выдержки в пазах. Общее время обезжиривания 2–5 мин. Загрязненный растворитель регенерируют перегонкой.
Ультразвуковое обезжиривание – ускоряет процесс, улучшает качество очистки поверхности. Процесс ведут в акустическом (ультразвуковом) поле. Используют этот прием для очистки изделий небольших размеров и сложной формы, от которых требуется высокая степень чистоты поверхности (детали часов и приборов, инструмент и т.д.). Крупные изделия требуют больших по размерам ванн. Входная мощность преобразователя при этом резко возрастает (на 4,5 л жидкости входная мощность составляет приблизительно 100 Вт), что экономически не выгодно.
Ультразвуковую очистку проводят в специальных установках – ваннах (УЗВ–15м, УЗВ–16м, УЗВ–18м), снабженных магнитострикционными, пьезокерамическими или ферритовыми преобразователями. Полезный объем ванны 15–150 л. Очистку проводят при следующем режиме:
Частота, кГц 20–40
Удельная мощность, кВт/м2 10–30
Температура водно-
щелочных и эмульсионных составов, С 4050
Продолжительность очистки, мин 0,5–2,0
Температура растворителей, С 20–40
Электрохимическое обезжиривание. Водные растворы для электрохимического обезжиривания содержат, в основном те же компоненты, что и растворы, применяемые при химической очистке. Учитывая активную роль, которую играют в электрохимическом процессе выделяющиеся на электроде пузыри газов, концентрация компонентов (как и в случае ультразвукового обезжиривания) может быть значительно понижена. Электрохимическим способом можно обезжиривать как черные, так и цветные металлы. Типовой состав электролита (г/л):
Кальцинированная сода 40–50
Тринатрийфосфат 50–60
Метасиликат натрия 3–5
Синтанол 1–2
Условия проведения процесса:
Плотность тока, кА/м2 0,5–1,0
Температура, С 60–80
Продолжительность очистки, мин 1–2.
10.1.4. Травление
Окалину, ржавчину и другие оксиды преимущественно удаляют с поверхности металлов травлением в растворах кислот, кислых солей или щелочей. Очистка поверхности этим способом заключается в растворении оксидов и поверхностного слоя металла, восстановлении оксидных соединений и их отрыве, выделяющимся в процессе травления водородом. Перед травлением поверхности изделие предварительно очищают от механических и жировых загрязнений.
Травление черных металлов. Травильные растворы для черных металлов: растворы серной, соляной и ортофосфорной кислоты с различными добавками и присадками.
Серная кислота более активно взаимодействует с железом, чем с безводными ее оксидами (при травлении растворяется не более 20% окалины). Проникая в поры и трещины окалины, кислота растворяет поверхностный слой металла и тем самым нарушает его связь с окалиной. Следовательно, травление в серной кислоте сопровождается образованием значительных количеств шлама, наводораживанием стали, ее охрупчиванием. Поверхность металла в результате «растравливания» приобретает высокоразвитый рельеф. Чаще используют кислоту с концентрацией 150–200г/л, процесс травления ведут при 50–80С.
В соляной кислоте удаление окалины осуществляется преимущественно в результате ее растворения (снижение массы окалины достигает 50%и более). В итоге поверхность металла после травления в соляной кислоте более гладкая, чем в серной: снижается и степень шламообразования.
В соляной кислоте процесс травления удовлетворительно протекает при температурах 20–60С, оптимальная концентрация кислоты 100–150г/л. Применение соляной кислоты, однако, менее удобно, чем серной, поэтому для травления чаще используют серную кислоту, а также смеси серной кислоты с соляной и хлоридом натрия. Присутствие NaCl не влияет на скорость растворения оксидов, но снижает скорость коррозии железа.
Еще более эффективным в этом отношении является введение в состав травильных растворов ингибиторов коррозии (присадок), например, ЧМ, БА6, БА12, ПКУ, И1А, И1В, уротропин и др.
Травление металлов фосфорной кислотой проводят значительно реже, чем серной и соляной, из-за ее меньшей активности и более высокой стоимости. Ее используют для удаления ржавчины при небольших степенях загрязнения металла. В этом случае пригодны разбавленные (12%-е) растворы Н3РО4. Эти растворы наряду с растворением оксидов вызывают одновременное пассивирование металла (образование на поверхности нерастворимых фосфатов железа). Достоинством фосфорной кислоты является и то, что она не требует такой тщательной промывки металла после обработки, как в случае серной и особенно соляной кислот.
Составы для травления в зависимости от вида металла, степени его загрязнения оксидами и способа очистки различны. Ниже приведены составы (в г/л) для травления черных металлов (13 углеродистой стали и чугуна), (4, 5 — легированной стали).
Таблица 10.2. Составы для травления (г/л) черных металлов 13 углеродистой стали и чугуна, 45 легированной стали
Состав 1 2 3 4 5
Серная кислота (плотность, 1,84) 150200
70100
100150
400450

Соляная кислота (плотность 1,19)
100150

250300
350380
Азотная кислота (плотность1,38) 8090
Хлорид натрия 75100
Присадка (катапин, ингибитор БА6, уротропин) 35 46 35 35
Для очистки изделий после ковки, горячей прокатки, обжига и термообработки при необходимости применяют гидридное травление. Изделия погружают в расплавленный едкий натр, в который из специального генератора подают гидрид натрия (продукт взаимодействия натрия и водорода). Очистка сопровождается восстановлением оксидов:

Кислотное травление изделий небольших размеров, как правило, осуществляют в ваннах или в струйных камерах. При струйной обработке продолжительность травления обычно не более 5 мин, в ваннах 30 мин. Затем изделия промывают последовательно горячей и холодной водой, нейтрализуют остаточную кислоту 12%-м раствором кальцинированной соды или обрабатывают поверхность 2%-м раствором фосфорной или хромовой кислоты или смеси этих кислот (1/1) при 6570°С. Хорошие результаты также дает применение раствора, содержащего К2СrО4 (20 г/л) и NaOH (5 г/л); температура раствора 8590°С, продолжительность обработки 12 мин.
По конструкции установки для травления аналогичны установкам для щелочного обезжиривания. В связи с высокой агрессивностью сред, необходимо большое внимание уделять выбору конструкционных материалов и обеспечению необходимых мер пожаро- и взрывобезопасности (при травлении выделяется значительное количество водорода).
Для удаления продуктов коррозии с поверхности крупногабаритных изделий применяют специальные жидкие или вязкие составы (пасты). Их изготовляют путем введения в жидкие травильные растворы наполнителей (инфузорной земли, андезитовой муки, асбеста, каолина) и полимеров (карбоксиметил-целлюлозы и др.). Пасты наносят на поверхность шпателем, штукатурными лопатками или пастопультом и выдерживают 16 ч. После этого поверхность промывают водой, наносят пассивирующую пасту (с Н3РО4 или Н2СrО4) и через 0,51 ч снова промывают и высушивают.
При подготовке поверхности стали, особенно легированных марок, часто применяют электрохимическое (анодное) травление, которое проводят при следующих режимах:
Состав раствора, г/л:
H2SO4 5060
HCl 3040
NaCl 2030
Плотность тока, кА/м2 0,51,0
Температура,С 2040
Продолжительность травления, мин 30
Травление цветных металлов. При травлении цветных металлов достигается: удаление оксидов с поверхности и создание активного слоя для повышения адгезии покрытий.
Алюминий и его сплавы подвергают травлению в 510%-м растворе каустической соды с добавлением сульфонола (~0,5 г/л) при 6070°С. После травления в течение 310 мин и промывки изделия обрабатывают (осветляют) 1520%-й азотной кислотой при 1525°С в течение 23 мин. Обработку деталей из меди и медных сплавов проводят в две стадии: сначала травление в азотной кислоте (700800 г/л) или ее смесях с серной, затем поверхность осветляют кратковременным воздействием смеси серной, азотной и соляной кислот.
Термическую окалину с поверхности титана и его сплавов снимают погружением изделия в расплав смеси едкого натра и нитрата натрия (4/1 по массе) при 420440°С; при травлении магниевых сплавов используют разбавленные растворы азотной кислоты (30–90 г/л). Травление цветных металлов, как и черных, можно сочетать с их обезжириванием. Для этого в состав травильных растворов вводят ПАВ (ОП–7, ОП–10 и др.) и противопенные добавки (жидкость ПМС–20 А, уайт–спирит). Применяют также составы:
эмульсии органических растворителей (алифатических и хлорированных углеводородов) в кислотах;
водные растворы смесей фосфорной кислоты с ее солями (Na3PO4).
Обязательные операции при травлении цветных металлов: промывка и пассивация. Последнее осуществляется кратковременной (1–2 мин) обработкой изделий растворами бихромата калия или хромовой кислоты с концентрацией 1–3 г/л при 60–65С. Травление черных и цветных металлов кислотами – наиболее дешевый способ очистки их поверхности от оксидов. Ниже приведены примерные данные по стоимости обработки 100м2 поверхности разными способами (в руб.), цены на 1990г:
Пламенная очистка 77–154
Струйная очистка абразивами 77–96
Травление в фосфорной кислоте 28,8–48
Травление в серной кислоте 9,6–28,8
Очистка механизированным инструментом 19,848
Что касается срока службы покрытий, то наилучшей является обработка поверхности сухими абразивами.
10.1.5. Удаление старых покрытий
Химический способ удаления старых покрытий по сравнению с другими способами (выжигание, механическая очистка) считается наиболее эффективным. Этот способ основан на растворении, набухании или химическом разрушении материала пленки, т. е. превращение пленки в состояние при котором ее легко снять с поверхности механическим путем.
Применяют органические и неорганические смывки – жидкие и пастообразные составы на основе щелочей, кислот и смеси органических растворителей.
Неорганические щелочные составы готовят на основе едкого натра (100–300 г/л) с добавлением щелочных солей (карбоната, силиката или глюконата натрия); для получения густых составов в водные растворы вводят также мел и оксид кальция. Эти составы пригодны для удаления масляных, алкидных и других покрытий, содержащих гидролизующиеся компоненты. Щелочными составами можно удалять покрытия с поверхности любых металлов, кроме алюминия и его сплавов. Мелкие изделия погружаются в ванну со щелочным раствором, нагретым до 7095С; на поверхность крупногабаритных изделий составы наносят кистью. Поверхность после удаления покрытия тщательно промывают теплой водой.
Органические смывки – это сложная смесь растворителей с добавлением замедлителей испарения (парафина, воска, стеаратов металлов, флотирующихся пигментов), загустителей (эфиров целлюлозы, перхлорвинила, древесной муки, аэросила), «разрыхлителей» (уксусной, муравьиной, фосфорной кислот, аммиака), ПАВ и ингибиторов коррозии (при наличии кислот).Простейшая смывка – это смесь, состоящая из 60% ацетона, 30% бензола и 10% парафина. Однако она малоактивна и непригодна для удаления многих химически стойких покрытий. Более эффективны смывки, изготовляемые с применением высокоактивных растворителей: метиленхлорида, трихлорэтилена, формальгликоля, метилдиоксана, диметилформамида, тетрагидрофурана и их смесей со спиртами, кетонами, ароматическими углеводородами, аминами и другими соединениями.
Лучше использовать негорючие смывки, которые изготовляют на основе галогенсодержащих углеводородов или в виде водных эмульсий.
В промышленности выпускаются готовые к применению органические смывки марок СД (СП), АФТ1, СМ1, СП6, СП7, СНБ9, СПС1, СПС2, АС1, СУЭ1, последние три негорючи.
Таблица 10.3. Состав некоторых промышленно выпускаемых, готовых к применению органических смывок, в %
Состав СД (СП) АФТ1 СП8
Формальгликоль 50 47,5 9,2
Метиленхлорид 70,6
Этиловый спирт 10
Ацетон 10 19
Бензол 30
Толуол 28
Ксилол 5,6
Уксусная кислота 2,3
Перхлорвинил 11,2
Коллоксилин 5
Парафин 0,5 1,1
Алкидные, масляные, виниловые покрытия удаляются смывками относительно легко; труднее разрушаются эпоксидные и полиуретановые покрытия. Для них применяют смывки (АС1, СП7) с метиленхлоридом, который обладает наиболее высоким коэффициентом диффузии в покрытия по сравнению с другими растворителями.
Органические смывки наносят на поверхность шпателем или кистью слоем 12 мм; продолжительность действия зависит от типа смывки и покрытия.
Так, для набухания покрытия, состоящего из слоя грунтовки ФЛ03К и трех слоев эмали ПФ218, требуется: при использовании смывки АТФ1 – 30 мин.; СП7 – 13 мин.; СПС1 – 10мин. Набухшие покрытия удаляют механически скребком или смывают струей воды.
Затруднительно удаление покрытий, полученных из порошковых красок. Например, эпоксидные снимают применением расплавов NaОН или щелочных солей при 400оС; полиэфирные – с помощью 20%-ного раствора фенола; полиэтиленовые и пентапластовые – воздействием горячим декалином.
Этими методами, наряду с обжигом, удаляют, покрытия с подвесок.
10.2. Нанесение конверсионных покрытий
Конверсионные покрытия используют для повышения противокоррозионной стойкость металла, улучшения адгезии лакокрасочных покрытий, увеличения срока службы. Конверсионные покрытия наносят перед окрашиванием преимущественно на те изделия, которые подвергаются эксплуатации в жестких условиях. Наиболее широко применяются покрытия, получаемые методами фосфатирования, оксидирования, хроматирования.
Фосфатирование. С химической точки зрения фосфатирование процесс образования на поверхности слоя из нерастворимых в воде фосфатов металлов.
Фосфатируют обычно черные металлы (кроме чугуна и стального литья), несколько реже – цветные: алюминий, цинк и другие. Процесс фосфатирования заключается в обработке поверхности металлов водными растворами фосфорнокислых солей. В зависимости от характера образующихся фосфатов различают кристаллическое и аморфное фосфатирование, а по условиям проведения процесса обычное (или нормальное), ускоренное или холодное.
Кристаллическое фосфатирование наиболее часто применяют в промышленности. Для его проведения используют соли двухвалентных металлов, преимущественно, монофосфат цинка Zn(H2PO4)2H20 и марганцево-железный фосфат (соль «Мажеф») – смесь однозамещенных фосфатов марганца и железа (9/1).
Из растворов этих солей с рН=3,03,6 образуются нерастворимые фосфаты в виде кристаллогидратов с толщиной слоя от 2 до 25 мкм и массой 1 м2 110 г. В состав цинк-фосфатных слоев, получаемых на стальной поверхности, входят гопеит Zn3(PO4)24H2O и фосфофиллит Zn2Fe(PO4)24H2O; марганцево-железных – гуреолит (Mn,Fe)5H2(PO4)44H2O; эти соединения образуют неразрывное целое с металлом, изменяя природу поверхности и делая ее пассивной в коррозионном отношении.
Фосфатированные металлы хорошо смачиваются жидкими ЛКМ. Благодаря этому и развитой поверхности достигается высокая адгезия покрытий, в том числе и тех, которые в обычных условиях плохо адгезируют. Фосфатные покрытия в зависимости от состава имеют термостойкость 150220oС. Они обладают хорошими диэлектрическими свойствами; цвет покрытий – от светло-серого, до темно-серого.
Фосфатирование – лучший способ грунтования поверхности при нанесении лакокрасочных покрытий.
Фосфатирование – типичный электрохимический процесс, характеризующийся следующими реакциями:
В растворе:
Me(H2PO4)2 = Me2+ + 2H2PO44-,
H2PO44- = H+ + HPO42-.
На анодных участках поверхности:
Me = Me2+ + 2e,
2Me2+ + 2H2PO4- = Me3(PO4)2 + 4H+,
3Me2+ + 2HPO42- = Me3(PO4)2 + 2H+.
На катодных участках поверхности:
2H+ + 2e = H2.
Обычное, или нормальное, фосфатирование проводят погружением изделий в раствор соли «Мажеф» с концентрацией 35г/л. Общая кислотность раствора Ко=3040 точек, свободная кислотность Кс=3,03,5 точки (точка – число миллилитров 0,1н раствора NaОН, идущее на титрование10мл раствора).
Температура раствора должна быть 9699С. В этих условиях продолжительность процесса фосфатирования составляет 5060 мин.
Из-за высокой температуры и длительности процесса обычное фосфатирование, несмотря на отличное качество получаемых покрытий, уступило место ускоренному.
Ускоренное фосфатирование. Ускоренное фосфатирование обработка поверхности металла растворами монофосфатов цинка, содержащими окислители (нитрат и нитрит натрия) или соединения металлов (например, меди), которые имеют более положительный электронный потенциал, чем железо. Добавки окислителей и меди ускоряют фосфатирование до 210 мин.
Выпускаются готовые к применению жидкие фосфатирующие концентраты КФ1, КФЭ3, КФА5, КФ12 и др. Концентрат КФ1 имеет следующий состав, %:Оксид цинка 13,7;
Ортофосфорная кислота, 87%-я 31,9;
Азотная кислота, 57%-я 14,3;
Вода 40,1.
Он служит исходным материалом для приготовления готовых фосфатирующих растворов. С этой целью концентрат КФ1 разбавляют водой и раствор доводят до требуемой кислотности (Ко=1020 точек, Кс=0,53,5 точек) с помощью едкого натра или фосфорной кислоты; дополнительно перед началом и в процессе фосфатирования вводят нитрит натрия (0,10,15 г/л).
Ускоренное фосфатирование проводят при 5090С струйным методом или погружением изделий в ванны. Продолжительность процесса при струйной обработке 1,52 мин., в ваннах 810 мин. Поверхность металла предварительно промывают раствором активатора АФ1 или АФ4 с концентрацией 0,51,0 г/л. Это ускоряет процесс и способствует более направленной кристаллизации фосфатов.
Лучшими являются плотные мелкокристаллические фосфатные покрытия с массой 1м2 2,53,5 г. Такие покрытия, в частности, образуются при использовании концентрата КФ12. Они удобны для последующего нанесения лакокрасочных материалов способом электроосаждения. Вследствие пористости фосфатных слоев поверхность после фосфатирования пассивируют растворами хроматоров или состава КП2А.
Холодное фосфатирование. Холодное фосфатирование применяют при подготовке поверхности крупногабаритных изделий. Для обработки используют растворы или пасты (растворы, загущенные наполнителями, например, тальком). Растворы для холодного фосфатирования отличаются повышенным содержанием солей (концентрация Zn(H2PO4)2 достигает 100 г/л) и соответственно более высокой кислотностью (Ко=7078 точек). При 2025С продолжительность фосфатирования составляет 2040мин.
Аморфное фосфатирование. Аморфное фосфатирование в отличие от кристаллического, связано с использованием в качестве фосфатирующих агентов фосфорных кислот и их кислых натриевых или аммониевых солей, например, NaH2PO4, (NH4)2HPO4, Na2H2P2O7. Применяют растворы с концентрацией 215 г/л и рН=56. При 6080С время обработки составляет несколько минут.
Аморфный фосфатный слой образуется в результате растворения металла по реакции:
3Fe + 4NaH2PO4 = Fe3(PO4)2 + 2Na2HPO4 + 3H2.
Толщина фосфатного слоя обычно не превышает 1мкм. По защитной способности аморфные покрытия уступают кристаллическим. Однако по сравнению с нефосфатированным металлом их пассивность выше и лучше смачиваемость лакокрасочными материалами. Аморфное фосфатирование применяют для изделий, к которым не предъявляются высокие требования в отношении коррозионной защиты.
Фосфатировать можно не только черные, но и цветные металлы. Например, для алюминия и его сплавов применяют цинк–фосфатные растворы и ортофосфорную кислоту. В их состав вводят соединения фтора (NaF, Na2SiF6, NH4F), выполняющие роль комплексообразователей для ионов А13+. Технологический процесс фосфатирования в этом случае аналогичен процессу фосфатирования стали.
Более перспективным является интенсифицированный процесс подготовки поверхности металлов использованием материалов, позволяющих совмещать различные технологические операции в одной. Примером может служить состав КФА8, обеспечивающий одновременное обезжиривание и аморфное фосфатирование черных и цветных металлов, температура обработки 5070С, продолжительность 2,55,0 мин.
Применение растворов полифосфатов в органических растворителях позволило совместить проведение процессов обезжиривания и фосфатирования металлов в одной операции, осуществляя их при комнатной температуре. Этот способ обработки называют – плафоризация. Для фосфатирования рулонного металла разработан быстродействующий состав КФ6; время обработки 1020 с.
Оксидирование – процесс создания на поверхности металла искусственной защитной пленки.
Для этого применяют следующие методы:
1) термический – окисление металла кислородом воздуха при умеренно высоких температурах; метод имеет ограниченное применение;
2) химический – окисление металла в жидких средах;
3) электрохимический – окисление кислородом воздуха, образующимся на поверхности металла в результате электрохимического процесса.
Оксидируют как черные (сталь), так и цветные металлы. Цель оксидирования – улучшить декоративные и защитные свойства металлов. Оксидные покрытия применяют в комбинации с лакокрасочными покрытиями и самостоятельно. Будучи подслоем, они улучшают адгезию покрытий, повышают их срок службы.
По защитной (противокоррозионной) способности оксидные покрытия, однако, уступают фосфатным. Поэтому оксидирование чаще применяют при окрашивании цветных металлов, черные металлы преимущественно фосфатируют.
Химическое оксидирование черных металлов проводят в щелочных средах. Окислителями служат нитраты, нитриты, хроматы и перманганаты щелочных металлов. Рецептуры составов для оксидирования крайне разнообразны. В качестве примера можно привести состав для получения блестящих покрытий:
г/1л воды
едкий натр 750;
нитрит натрия 100;
нитрат натрия 100.
В этом растворе изделия нагревают до 138145С. Продолжительность обработки стальных изделий составляет 12 ч. Щелочному оксидированию подвергают детали оптических приборов, фотоаппаратов, ружей, слесарный инструмент и т. д. Вместо лакокрасочных покрытий на поверхность с целью улучшения защитных свойств нередко наносят пушечную или другую смазку.
Из цветных металлов химическому оксидированию чаще всего подвергают алюминий, магний, медь, цинк и их сплавы. В качестве окислителей применяют хромовую кислоту и ее соли, нитраты и персульфаты щелочных металлов. Оксидирование проводят в кислой или щелочной среде.
Разновидностью оксидирования является хроматирование. Оно широко применяется для получения лакокрасочных покрытий. Так, для предварительной обработки листовой стали, ленты и стальных труб, подвергаемых окрашиванию, применяют хроматирующий состав «Сухром», оцинкованного стального проката – хроматирующие концентраты КХЦ1А, КХЦ1В, КХС1С, ленцы из алюминия и его сплавов – концентраты «Алькон1» и «Алькон1К».
Состав «Сухром» водный концентрат, содержит Cr6+, Cr3+ органические кислоты и их соединения с хромом. Рабочий раствор имеет рН=2,52,7. Его наносят на поверхность окунанием, распылением, щетками при температуре 2030С; продолжительность обработки 510с. Значительное повышение адгезии и защитных свойств лакокрасочных покрытий к поверхности алюминия и его сплавов (Амг, АМц) достигается при хроматно-фосфатной обработке. С этой целью используются растворы, содержащие хромовую, ортофосфорную и фтористоводородную кислоты, с общей концентрацией 70г/л. Обработку проводят при 3040С в течение 1030 с.
Оксидные покрытия получают не только химическим, но и электрохимическим способом. В частности, анодное оксидирование алюминия и его сплавов (АВ, АМг, Д1, Д6) проводят в сернокислотном, хромовокислом или щавелевокислом электролите.
В сернокислом электролите (20%-я H2SO4) процесс ведут при плотности тока 100200А/м2 и напряжении 1016В. Продолжительность обработки при нормальной температуре составляет 1850 мин. Образующиеся покрытия толщиной 46мкм обладают высоким электрическим сопротивлением и теплостойкостью до 1500С. Они пористы, легко сорбируют красители из водных растворов и впитывают жидкие лакокрасочные материалы, что способствует улучшению адгезии покрытий. Способность сорбировать красящие вещества широко используется для имитации под золото алюминия.
Независимо от типа металла и способа оксидирования изделия предварительно тщательно очищают от загрязнений, а по окончании процесса оксидирования промывают теплой водой и нередко пассивируют в растворах хромовой кислоты или бихроматов щелочных металлов.
10.3. Стадии технологического процесса получения покрытий
При получении покрытий на металлах после подготовки поверхности проводят грунтование, шпатлевание и нанесение верхних слоев покрытия; иногда предусматривают облагораживание поверхности (шлифование и полирование). Число перечисленных операций определяется требованиями к внешнему виду и условиями эксплуатации покрытий.
10.3.1. Грунтование
Грунтование – операция нанесения грунтовки, т.е. получения слоя лакокрасочного покрытия, непосредственно контактирующего с подложкой. Цель грунтования – улучшить сцепляемость основного покрытия с подложкой и придать ему дополнительную защиту. В соответствии с этим к грунтовочным материалам предъявляются следующие основные требования:
высокая адгезия к металлу;
хорошее сцепление с вышележащими слоями;
высокие противокоррозионные свойства.
Частные требования:
реактивность (способность взаимодействовать с подложкой);
возможность шлифования;
отличие по цвету от последующих слоев покрытия и другие.
Толщина и укрывистость грунтовочных слоев не лимитируются. Обычно стараются получать покрытия толщиной не более 20 мкм, однако допустимы и более тонкие слои (порядка 1,00,1мкм), получаемые, например, при полимеризации из газовой фазы.
Для получения грунтовочных покрытий применяют грунтовки преимущественно на основе олигомерных пленкообразователей; в состав грунтовок непременно вводят противокоррозионные пигменты или другие ингибиторы коррозии.
По типу пленкообразующего вещества грунтовки подразделяются на масляноалкидные; маслянофенолоформальдегидные; эпоксидные; полиуретановые; мочевиноформальдегидные; полиакрилатные; нитратцеллюлозные; виниловые; каучуковые и некоторые другие.
Они могут быть жидкими и порошковыми, водными и неводными. По характеру пигментов грунтовки делят на пассивирующие с пигментами, тормозящими анодную реакцию; ингибирующие с пигментами, замедляющими катодную реакцию; изолирующие с инертными пигментами.
По способности взаимодействовать с оксидами металлов различают грунтовки обычные (нереактивные) и грунтовки- преобразователи ржавчины (реактивные).
Обычные грунтовки наносят на предварительно подготовленную (освобожденную от ржавчины и окалины, обезжиренную и в ряде случаев фосфатированную или оксидированную) поверхность металлов. Предпочтительны способы нанесения и отверждения, при которых достигается хорошее смачивание и затекание материала в поры металла и его высокая степень взаимодействия с поверхностью.
Промышленно - выпускается большой ассортимент грунтовок различных марок. С экологической точки зрения наибольший интерес представляют водные грунтовочные составы, ассортимент которых быстро расширяется. Некоторые грунтовки приготавливают на месте потребления, например, свинцово-суриковую грунтовку получают, смешивая свинцовый сурик с натуральной олифой в соотношении 83/17 (по массе). Протекторную цинксодержащую грунтовку можно получать, введя цинковую пыль в 10%й раствор полистирола в ксилол из расчета 1,5ч (мас.) цинковой пыли на 1ч (мас.) раствора.
При изготовлении покрытия грунтовку выбирают с учетом природы покрываемого материала и материала верхнего покрытия. Например, при окрашивании легких металлов и сплавов применяют грунтовки, содержащие цинковый или стронциевый крон (ФЛ – 03 КС, ЭП – 076, АК – 070 и др.) при окрашивании черных металлов – оксид цинка, фосфат цинка и другие противокоррозионные пигменты (ГФ – 021; ФЛ – 03К; МС – 067; В – КЧ – 0207 и т.д.)
Грунтовки на основе сополимеров винилхлорида (ХС – 010, ХС – 059, ХС – 068 и др.) используют преимущественно под химически стойкие перхлорвиниловые покрытия, быстроотверждающиеся нитратцеллюлозные грунтовки (НЦ – 081, НЦ – 097) из – за их пониженной адгезии к металлам – лишь для местного грунтования оголенных при шлифовании участков поверхности. Большинство грунтовок наносят на поверхность способами распыления, окунания, валковым; водоразбавляемымые грунтовки (В– ФЛ – 093, В – КЧ – 0207, В – ЭП – 0117, В – АУ – 0150 и др.) – преимущественно электроосаждением.
Грунтовки – преобразователи ржавчины – относительно новый вид грунтовочных составов. Они способны взаимодействовать с гидратированными оксидами (γ-FeOOH), находящимися на поверхности металла с образованием нерастворимых и неактивных в коррозионном отношении соединений. Это обеспечивается введением в состав грунтовок реакционноспособных компонентов – кислот (ортофосфорной, щавелевой), танина, комплексообразующих веществ (например, фосфоновых кислот) и др.При нормальной температуре ортофосфорная кислота достаточно хорошо растворяет ржавчину, превращая ее в нерастворимый фосфат железа по реакции:
FeOOH + H3PO4 → FePO4 + 2H2O
Негидратированные оксиды (магнетит, гематит и др.) при этом практически не разрушаются.
Танин – дигалловая кислота
74739555245
при взаимодействии с оксидами железа образует хелатные комплексы, прочно связывающие частицы ржавчины между собой и с металлами. Танин, кроме того, сам по себе обладает способностью ингибировать коррозию металлов. Разработаны водные грунтовки на основе дисперсий поливинилацетата (ВД–ВА–01ГНСН, ВД–ВА–0112, ВД–ВА–013ЖТ), бутадиенстирольного сополимера (ВД–КЧ–0184) и сополимера метилвинилпиридина со стиролом и бутадиеном (ФПР–2), грунтовки на алкидном (СПГ–1), крезолоформальдегидном (ГСК–1), эпоксидном (ЭП–0180) пленкообразователях, а также на сополимере стирола с малеиновым ангидридом (МС–0152) и др. Содержание кислоты в грунтовках обычно не превышает 30%, танина 6–8%. Одновременно применяют преобразователи ржавчины, не содержащие пленкообразующих веществ (преобразователи №3 и №444 П–1ТФ и др.). Это водные, спиртовые, водноспиртовые или водно-ацетоновые растворы кислот (ортофосфорная, салициловая, щавелевая), танина, ингибитора коррозии, ПАВ и др. веществ (гидрохинон, цинк, оксид цинка, глицерин и т.д.).Преобразователи ржавчины наносят на поверхность распылением или кистью в 1–2 слоя. Через 3–24 часа поверхность готова для нанесения последующих слоев покрытия. Максимальная толщина слоя ржавчины, по которому можно наносить грунтовки, 50–100 мкм; грунтовки обычно непригодны для нанесения на поверхность, содержащую окалину и частично неудаленные старые покрытия.
Эффективность действия преобразователей ржавчины зависит от равномерности распределения продуктов коррозии, однородности их природы и фазового состава. В основном покрытия, полученные на изделиях без предварительного удаления продуктов коррозии (посредством их преобразования), по защитным свойствам уступают покрытиям, нанесенным на очищенную от оксидов поверхность.
10.3.2. Шпатлевание
Шпатлевание – процесс нанесения шпатлевочных составов с целью выравнивания поверхности. Только одними грунтовочными слоями этого достичь не удается из-за их малой толщины.
Шпатлевание предусматривают не всегда, а лишь в тех случаях, когда к покрытию предъявляются повышенные требования по внешнему виду, а поверхность металла имеет дефекты. Для шпатлевания применяют шпатлевки – густые тестообразные или жидкие подвижные составы из пленкообразователей, наполнителей и пигментов.
К шпатлевкам предъявляются следующие требования:
минимальная усадка при высыхании;
способность к шлифованию;
необходимая механическая прочность и хорошая сцепляемость с грунтом и вышележащими слоями.
Усадка зависит от природы пленкообразователя. Ниже указаны примерные значения усадки (в %) для разных видов шпатлевок:
Эпоксидная 0–1
Алкидная 2–4
Перхлорвиниловая 4–6
Нитратцеллюлозная 10–15
Чем больше усадка, тем больше склонность шпатлевки к растрескиванию из-за внутренних напряжений и тем более тонким слоем ее следует наносить. Не рекомендуется наносить более трех слоев любой шпатлевки. Толщина каждого слоя не должна превышать 0,1мм для нитратцеллюлозных шпатлевок, 0,5мм – для алкидных и перхлорвиниловых, 5,0мм – для эпоксидных.
Шпатлевки – высоконаполненные системы. Содержание наполнителя в них в 4–10 раз выше содержания пленкообразующего вещества. Наполнители мел, тальк, литопон, железооксидные пигменты, иногда асбест, порошки металлов.
Разновидность шпатлевок это грунт-шпатлевки. В отличие от обычных шпатлевок, которые наносят на загрунтованную поверхность, грунт-шпатлевки пригодны для нанесения непосредственно на металл. Это достигается благодаря применению в грунт-шпатлевках пленкообразователей с повышенной адгезией (эпоксидных, алкидных) и введению в их состав противокоррозионных пигментов.
Разработаны воднодисперсионные шпатлевки. Например, магнезиальная шпатлевка это дисперсия пентафталевого лака в воде с добавлением хлорида и карбоната магния и асбеста. Ее можно наносить толстыми слоями (до 2 мм). Продолжительность отверждения при 20С составляет 2–3 суток, при 100–120С – 2–2.5 ч.
Выпускаются также шпатлевки на основе поливинилацетатных дисперсий, бутадиенстирольного и других латексов.
Густые шпатлевки предназначены для нанесения шпателем. При их разбавлении могут быть получены составы, которые наносят специальным шпатлевочным краскораспылителем. Промышленность выпускает шпатлевки алкидные и масляно-алкидные (ПФ–002, КФ–003, ГФ–0075), грунт-шпатлевки (ГФ–0182), перхлорвиниловые (ХВ–004, ХВ–005), алкидно-стирольную (МС–006), нитратцеллюлозные (НЦ–007, НЦ–008, НЦ–009), эпоксидные (ЭП–0010, ЭП–0020), полиэфирные (ПЭ–0044) и др.При выборе шпатлевки прежде всего учитывают материал верхнего покрытия. Например, при окрашивании виниловыми эмалями применяют шпатлевки ХВ – 004, ХВ – 005, алкидными и меламино-алкидными – ПФ–002, ГФ–0075, ПФ–006 и др. Быстросохнущие нитратцеллюлозные шпатлевки применяют преимущественно для заделки мелких дефектов поверхности.
Различают местное шпатлевание и общее. В первом случае шпатлевочный состав наносится только на дефектные места поверхности, во втором – шпатлевкой покрывают всю поверхность. Каждый последующий слой шпатлевки наносят на хорошо высушенный, а иногда и выровненный шлифованием предыдущий слой. Шпатлевочные слои, как правило, не повышают защитных свойств покрытий. Из-за большой толщины и недостаточно высокой прочности они подвержены растрескиванию и отслаиванию, в результате этого нарушается целостность всего покрытия. Поэтому следует стремиться устранять дефекты поверхности не шпатлеванием, а в процессе ее подготовки, в первую очередь, путем механической обработки (сглаживания).
10.3.3. Нанесение верхних слоев покрытия
После грунтования и шпатлевания, если последнее предусмотрено, наносятся последующие слои покрытия. В совокупности все слои (грунтовочный, шпатлевочный и верхние) представляют собой систему покрытия. Системы покрытий различного назначения приведены в справочной литературе. Они определены отраслевой технической документацией. Материал верхнего (покрывного) слоя выбирают в зависимости от условий эксплуатации и внешнего вида изделия, при этом учитывается природа материала нижнего слоя. Число наносимых слоев в зависимости от вида материала, способа окрашивания и назначения покрытия колеблется от 1 до 6. наиболее сложны по построению и числу слоев те покрытия, от которых требуются надежная защита и нередко красивый внешний вид (окрашивание кузовов автомобилей, корпусов судов, приборов).
В соответствии с назначением покрытий, применяют разные по типу и химической природе лакокрасочные материалы - органорастворимые (с низким и высоким сухим остатком), водорастворимые, вододисперсионные, порошковые (табл. 10.4).
Таблица 10.4. Групповой ассортимент лакокрасочных покрытий (в %)
Лакокрасочные материалы 1975г. 1987г. 1995г.
Лаки и эмали на конденсационных пленкообразователях 34.2 35.4 44.5
Лаки и эмали на полимеризационных пленкообразователях 3.8 4.5 14.2
Лаки и эмали на эфирах целлюлозы 14.1 10.1 7.5
Воднодисперсионные краски 2.7 5.8 10.8
Порошковые краски 0.1 0.6
Масляные краски 25.2 23.5 5.1
Олифы 19.9 6.1 0.9
Прочие материалы 0.1 14.5 16.4
Итого: 100 100 100
Выпуск красок с высоким сухим остатком (до 70% и более) у традиционных – 40%, порошковых и водоразбавляемых более перспективен с точки зрения экологии, экономии материалов и электроэнергии, повышения качества продукции. Применение порошковых красок и материалов с высоким сухим остатком приводит к изменению технологии получения покрытий (по сравнению с использованием традиционных материалов): уменьшается число наносимых слоев, сокращаются или полностью устраняются выбросы растворителей в атмосферу, снижаются затраты на вентиляцию, улучшается экологическая обстановка в целом. Так, при окрашивании 1м2 поверхности краской с сухим остатком 50% выделяется примерно 125г растворителей, краской с сухим остатком 80% 30г (толщина пленки в обоих случаях 50 мкм).
Для различных материалов в зависимости от условий эксплуатации изделий определены соответствующие системы покрытий. В табл. 10.5. приведены примеры допустимых сочетаний некоторых эмалей с грунтовками и шпатлевками (при эксплуатации покрытий в атмосферных условиях).
Таблица 10.5. Системы атмосферостойких покрытий
Эмали Грунтовки Шпатлевки
1 2 3
Глифталевые и пентафталевые Алкидные (ГФ–021, ГФ–031, ПФ–033 и др.)
Масляно-фенольные (ФЛ–03К, ФЛ–03Ж, В–ФЛ–093)
Поливинилбутиральные (ВП–02, ВП–023) Пентафталевая (ПФ–002)
Алкидно-стирольная (МС–006)
Меламиноалкидные Те же, а также полиакрилатные (АК–069, АК–070)
Меламиноалкидные (МЛ–029, В–МЛ–0143)Те же, а также полиэфирная (ПЭ–0050)
Перхлорвиниловые и на сополимерах винилхлорида
Нитратцеллюлозные
Алкидные
(ГФ–021 и др.)
Масляно-фенольные (ФЛ–03К и др.)
Поливинилбутиральные (ВЛ–02 и др.)
Алкидные
(ГФ–021 и др.)
Полиакрилатные
(АК–070 и др.) Перхлорвиниловые (ХВ–004, ХВ–005, ХВ–0015)
Нитратцеллюлозные (НЦ–007, НЦ–008 и др.)
Окончание табл. 10.5
1 2 3
Эпоксидные Эпоксидные (ЭП–09, ЭП–076 и др.)
Полиакрилатные
(АК–070 и др.) Эпоксидные (ЭП0010)
Порошковые краски обычно наносят одним – двумя слоями непосредственно на металлическую поверхность, не подвергая ее грунтованию и шпатлеванию.
Роль грунтовок чаще всего выполняют конверсионные покрытия: фосфатные, хроматные, оксидные (на цветных металлах). Покрытия, эксплуатируемые в агрессивных средах, как правило, многослойные: обычно наносят 1–2 слоя грунтовки, затем 3–6 слоев химически стойкой эмали; шпатлевание не проводят. При получении декоративных покрытий, напротив, нередко прибегают к многократному шпатлеванию. При последующем нанесении тонкого слоя эмали отчетливо проявляются все дефекты зашпатлеванной поверхности. Поэтому первый слой, наносимый по шпатлевке, нередко называют выявительным.
Каждый последующий слой обычно наносят на хорошо отвержденный (высушенный) предыдущий слой. Однако нередко используют принцип «мокрый по мокрому», т.е. на неотвержденный (слегка подсохший от растворителей) слой грунтовки или эмали, наносят последующие слои. Такой прием сокращает производственный цикл и обеспечивает лучшую межслойную адгезию. Им пользуются, в частности, при нанесении виниловых эмалей по алкидным грунтам и при получении многослойных мочевиноформальдегидных и меламиноалкидных покрытий.
10.3.4. Шлифование и полирование
Шлифование проводят для придания поверхности шероховатости и, следовательно, для увеличения межслойной адгезии, а также для выравнивания отдельных слоев покрытий (снятие неровностей, и наслоений шпатлевки, устранение шагрени и других дефектов с очищенных покрытий). Таким образом, шлифование возможно как при нанесении отдельных слоев, особенно шпатлевочных, (межслойное шлифование), так и на заключительной стадии процесса получения покрытий (шлифование верхних покрытий).
Полирование – операция по наведению блеска покрытия путем сглаживания мельчайших неровностей на пленке. После выравнивания поверхности шлифованием остаются неровности размером 1–2 мкм. Зеркальное же отражение света возможно, если неровности поверхности не превышают половины длины волны видимого света, т.е. менее 0.2 мкм. Оно достигается полированием покрытий.
Операцию по шлифованию и полированию верхних покрытий нередко называют облагораживанием. Для ее проведения применяют абразивные материалы – порошки, шкурки, пасты. Наиболее распространенные абразивы – корунд, карборунд, наждак, пемза, стекло, крокус, молотые кремнекварцевые и известковые породы. Твердость абразивов оценивается по шкале Мооса относительно твердости алмаза, равной 10:
Алмаз10 Наждак7
Карборунд9,5 Пемза6 5
Корунд9 – 8 Стекло6 5
Гранит8 – 7 Кварц6 – 4
По степени зернистости абразивные материалы подразделяют на шлифовальные зерна (более 150 мкм), шлифовальные порошки (20–150 мкм) и микропорошки (менее 20 мкм).
Шлифовальные шкурки (абразив, укрепленный на тканевой или бумажной основе) особенно широко применяются в технологии покрытий. Они бывают водостойкие и неводостойкие и различаются по номерам в соответствии с зернистостью абразива. Для шлифования шпатлевок применяют грубые шкурки с абразивами № 16–4, верхних покрытий – более тонкие с абразивами №4–3; окончательную доводку покрытий перед полированием проводят самыми тонкими (микронными) шкурками с абразивом М–14.
Абразивные пасты подразделяются на шлифовочные и полировочные. Они содержат микропорошки – отмученные абразивы (глинозем, алунд, крокус и др.) и жидкую связку (раствор или эмульсию масел и восков в растворителях или воде). Распространение в промышленности получили пасты и составы для шлифования № 4, 13, 289, для полирования – ВАЗ-2, ВАЗ-3, № 291, «Автополироль» (абразивосодержащие), «Автополироль-П», «Автобальзам НП» и полировочная вода (безабразивные). Ниже приведен состав некоторых паст для шлифования и полирования, %:Паста для шлифования Паста для полирования
Оксид алюминия55 Глинозем 57,5
Вазелиновое масло17 Пемза 65
Касторовое масло8 Стекло 65
Сольвент–нафта5 Кварц 64
Вода15 Уайт-спирит12,0
Шлифованию и полированию подвергают высушенные и хорошо отвержденные покрытия. Предусматривают сухое и мокрое шлифование с применением охлаждающих примесей – воды и неактивных растворителей (Уайт-спирит и др.).
Обработку покрытий проводят вручную, с использованием механизированного инструмента и на ленточных, плоскополировальных и барабанных станках. Большое распространение в машиностроении получили пневматические и электрические машинки вращательного и возвратно-поступательного действия (УПМ1, УПМ2, ОПМ4, ППМ2, РД1, ЗИЛ и др.). При шлифовании на диск или подвижную платформу машинки надевают шлифовальный материал, например шкурку (рис. 9.4, а); при полировании же диск обертывают цигейкой, фетром или другим мягким материалом. В барабанных станках (рис. 9.4, б) рабочим инструментом служат собранные в пакет и зажатые между двумя дисками круги из тканей (тика и др.), окружная скорость вращения барабана 10–16 м/с. Ленточные станки (ШлНС2, ШлПС5М) и плоскополировальные станки (ПП3, ППА2, ППС) применяют для обработки покрытий на плоских изделиях.Следует иметь в виду, что не все покрытия шлифуются, а тем более полируются. Образующаяся при шлифовании пыль огне- и взрывоопасна, поэтому участки шлифования должны хорошо вентилироваться. Сухое шлифование целесообразно заменять мокрым.
Шлифовочно-полировочные работы даже при использовании станков и ручного инструмента трудоемки и малопроизводительны. Нередко они являются узким местом производства покрытий. Так, производительность обработки поверхности шлифованием с применением ручного инструмента не > 4 м2/ч. Поэтому сокращение объема шлифовочно-полировочных работ – одна из важных задач в производстве покрытий. Решить ее можно путем усовершенствования рецептур лакокрасочных материалов, устранения или сведения к минимуму числа операций шпатлевания, повышения требований к чистоте поверхности изделий. Например, замена нитратцеллюлозных эмалей на меламиноалкидные в автомобилестроении привела к значительному снижению трудоемкости окрашивания вследствие устранения операций шлифования и полирования верхних покрытий.

Глава 11. Технология окрашивания неметаллических материалов
Число неметаллических материалов – объектов защиты и декоративной отделки лаками и красками очень велико. Значительное место занимают покрытия по древесине, штукатурке, камню и бетону, коже, тканям и резине, пластмассам. Специфика этих материалов и особенности эксплуатации изделий определяют индивидуальный подход к технологии их окрашивания.
11.1 Окрашивание и лакирование древесины. Покрытия древесины: прозрачные и непрозрачные
Покрытия на древесине служат для защиты ее от гниения и других видов разрушения; придания изделиям нужного цвета и красивого внешнего вида.
Отделка древесины имеет свои особенности, связанные свысокой пористостью;
низкой термостойкостью;
гидрофильностью.
Древесина не стандартна, как подложка. Ее свойства зависят от породы, возраста, условий произрастания дерева: влажности и температуры окружающей среды. Наблюдается анизотропия свойств и в разных направлениях (средах). Поэтому технология и применяемые лакокрасочные материалы, особенно грунтовочные, различны при отделке разных пород.
Для получения покрытий необходимо, чтобы влажность древесины не превышала 10–12%. Такая влажность допустима при использовании в мебельном производстве. Термическое разложение древесины начинается около 140С, но учитывая наличие клеевых соединений в изделиях, возможность коробления и высокую пористость древесины, температуру отверждения покрытий не поднимают выше 60–70С.
Прозрачные покрытия при т.н. столярной отделке (лакирование и полирование) не закрывают, а подчеркивают текстуру древесины. Такие покрытия применяются в основном для отделки ценных пород: красное дерево, орех, клен, ясень, палисандр, карельская береза, бук, дуб и др. Они служат для изготовления мебели, струнных и клавишных музыкальных инструментов, футляров телевизоров, часов, некоторых строительных изделий.По внешнему виду прозрачные покрытия подразделяют на три категории. Первая категория (самая высокая) – отделка гарнитурной мебели из ценных пород дерева.
Непрозрачные (кроющие) покрытия закрывают текстуру древесины. Кроющие покрытия могут быть высококачественными и рядовыми (лишь защитные функции) – несущие конструкции зданий, деревянные опоры.
Основные операции при отделке древесины:
подготовка поверхности;
собственно отделка (окрашивание, лакирование, полирование).
Подготовка поверхности. Различают столярную и отделочную подготовку древесины.
Столярная подготовка – устранение порогов древесины, обеспечение ровной и гладкой поверхности. Предусматривается:
заделка сучков, трещин и др. дефектов;
циклевание;
шлифование;
проклейка торцов.
При отделке мебели эти операции проводятся в станочном и сборочном отделениях цеха. При рядовой окраске столярная подготовка может быть упрощена или исключена совсем.
Отделочная подготовка предшествует непосредственно окрашиванию и лакированию. Для прозрачных покрытий она включает следующие операции:
обессмоливание;
отбеливание;
удаление ворса;
крашение;
грунтование.
При укрывистой отделке обычно ограничиваются обессмоливанием и грунтованием поверхности. Обессмоливание необходимо только для хвойных пород, а отбеливание – для светлых лиственных. Обессмоливают древесину с помощью растворителей (ацетона, скипидара, уайт-спирита) или щелочных растворов (5–6%-го раствора карбоната натрия или 4–5%-го раствора едкого натра). Отбеливающими средствами служат пероксид водорода (15%-й раствор), белильная известь, иногда щавелевая кислота (6–10%-е растворы). Ворс удаляют шлифованием поверхности, предварительно увлажненной или смоченной 5%-ым раствором клея и хорошо высушенной.
Важными подготовительными операциями являются крашение и грунтование или порозаполнение поверхности.
Крашение древесины проводят с целью имитации ценных пород, затемнения, усиления или выравнивания тона. Применяют в основном поверхностное крашение (глубина не более 0.2 мм) водными растворами органических красителей или протрав. Так, 1–2%-ые растворы красителей прямого коричневого ЖК и 2СХ окрашивают древесину в коричневый цвет, кислотного темно-красного – в красный, напоминающий цвет красного дерева. Перманганат калия (1%-ый раствор) имитирует цвет орехового дерева при нанесении на березу, а ацетат железа (1%-й раствор) придает буку серую окраску. Удобно применять готовые составы для крашения разных цветов, выпускаемые в форме порошков под соответствующими номерами (от 1 до 17). Их применяют в виде 0,1–3%-х растворов в умягченной воде. Крашение производят вручную путем протирания поверхности тампоном, смоченным раствором красителя, распылением, окунанием или на вальцах.
Грунтование или порозаполнение – операции по нанесению соответствующих составов – грунтовок и порозаполнителей.
Столярные грунтовки используются в основном при отделке древесины мелкопористых пород, порозаполнители – крупнопористых. Столярные грунтовки (марки НК, БНК, ПМ-1, ПВА и др.), как правило, не содержат минеральных наполнителей; они представляют собой растворы или эмульсии пленкообразователей. При их нанесении увеличивается поверхностная твердость древесины, повышается адгезия покрытий.
Порозаполнители выполняют в основном те же функции, что и грунтовки, но в отличие от них содержат значительное количество лессирующего наполнителя (тяжелый шпат, каолин, мел, тальк, измельченная пемза и др.), который способствует лучшему заполнению пор, не закрывая и не вералируя при этом текстуру древесины.
Применяют столярные грунтовки и порозаполнители (масляные, нитратцеллюлозные, карбамидные, казеиновые) как выпускаемые промышленностью (марки КФ1, КФ2, КФ3, КФ4, ЛК3, ЛК4, ЛК5, ТБМ1, НЦ48 и др.), так и изготовляемые на месте применения.
Состав порозаполнителя (масляного), %:
лак масляный – 86;
тяжелый шпат – 6;
уайт-спирит – 8.
При изготовлении кроющих покрытий грунтовками обычно служат пигментированные составы, применяемые для грунтования металлов.
11.1.1. Получение прозрачных покрытий
Из прозрачных покрытий наиболее распространены полиэфирные, нитратцеллюлозные, масляные, мочевиноформальдегидные, покрытия на основе полиуретанов и спирторастворимых олигомеров.
Полиэфирные покрытия хорошо зарекомендовали себя при отделке мебели. Они обладают высокой твердостью, свето -, водо- и теплостойкостью, стойкостью к истиранию, хорошим устойчивым блеском. Их отверждают УФ- и радиационным облучением.
Для получения покрытий используют полиэфирмалеинатные и полиэфиракрилатные лаки (ПЭ246, ПЭ247, ПЭ250М, ПЭ251, ПЭ265, ПЭ2106 и др.) применяют как парафинсодержащие, так и беспарафиновые лаки. Они представляют собой многокомпонентные системы. Наряду с полиэфиром, растворенном в мономере (стироле, триэтиленгликолевом эфире метакриловой кислоты и др.), в их состав входят модифицирующие добавки, инициатор и ускоритель полимеризации. В качестве примера можно привести состав лака ПЭ246, % (мас.):
Основа (полуфабрикат ПЭ246)100
Всплывающая добавка (3%-й растворпарафина в стироле)1
Инициатор полимеризации (пероксидциклогексанона)3Ускоритель (стирольный растворнафтената кобальта)1
Полиэфирные лаки наносят на поверхность способами налива и распыления. Хорошо очищенную и отшлифованную поверхность древесины обычно не грунтуют. Лаки наносят толстыми слоями в два приема с интервалом во времени, определяемым продолжительностью желатинизации лака. Отверждение покрытий проводят в естественных условиях в течение 3– 18ч, при нагревании (температура 60–80С, продолжительность 1,5–3 ч) или при воздействии УФ-лучей и ускоренных электронов (время отверждения 0,5–5 мин). Получаемые при этом относительно толстые покрытия (300–600 мкм) шлифуют на ленточных станках сначала крупной, затем более тонкой (микронной) шкуркой, после чего полируют пастами на барабанных или других станках.
Отделанные полиэфирными лаками мебель, пианино, корпуса телевизоров выглядят изящно и красиво. Недостатком этих покрытий являются повышенная хрупкость, возможность скалывания при ударе и растрескивания на морозе из-за высоких внутренних напряжений.
Нитратцеллюлозные покрытия. С появлением полиэфирных лаков потребление нитратцеллюлозных покрытий снизилось. Но ранее они были самыми распространенным видом покрытий по древесине.
Мебельные нитратцеллюлозные лаки – это растворы низковязкого нитрата целлюлозы в летучих растворителях с добавлением олигомерных пленкообразователей (алкидных, мочевиноформальдегидных, эфиров и аддуктов канифоли и др.). Промышленно выпускаются мебельные нитратцеллюлозные лаки холодного и горячего нанесения НЦ–24, НЦ–27, НЦ–218, НЦ–221, НЦ–222, НЦ–223, НЦ–224, НЦ–228, НЦ–241, НЦ–241М, НЦ–2105 и др. Их наносят на поверхность распылением, с помощью ручного инструмента.
Пользуясь нитратцеллюлозными лаками можно получать покрытия любой категории, включая первую. Технологически процесс отделки мебели по I категории включает следующие операции: подготовку поверхности, в том числе и грунтование или порозаполнение (грунтовка ПМ–1, порозаполнитель КФ–1); четырехкратное лакирование нитратцеллюлозным лаком (НЦ–218, НЦ–228 или др.) с промежуточной сушкой каждого слоя при 45–50С в течение 15–35 мин и окончательной сушкой при 50–60ºС в течение 55 мин, мокрое шлифование и полирование.
Нередко предусматривают промежуточное шлифование, например, после нанесения первого или второго слоя лака.
Высокоглянцевая полированная поверхность может быть получена не только действием абразивных материалов, но и обработкой покрытия разравнивающими жидкостями (НЦ – 313, РМ/Е и др.), они представляют собой смеси растворителей разной степени активности (иногда с добавлением 1–3% пленкообразователей).
Правильно изготовленные нитратцеллюлозные покрытия имеют красивый внешний вид, устойчивый блеск; они тверды и достаточно водостойки, но горючи и неатмосферостойки.
Существенный недостаток отделки нитратцеллюлозными лаками – высокий расход растворителей (сухой остаток готовых к применению лаков холодного нанесения не превышает 25%). Необходимость нанесения большого числа слоев лака, повышенная пожаро- и взрывоопасность производства.
Мочевино-формальдегидные покрытия. Для получения мочевино-формальдегидных покрытий применяют лаки «холодного» отверждения (МЧ–22, МЧ–52 и др.), являющиеся растворами мочевиноформальдегидного и алкидного олигомеров в растворителях (бутиловый спирт, этиловый спирт, сольвент, уайт-спирит); содержание сухого остатка 48–50%.
Перед применением в лаки вводят отвердитель, обычно соляную кислоту, например, на 93 г (мас.) лака МЧ–52 добавляют 7г (мас.) 4%го раствора соляной кислоты в растворителе РКБ–2 (смесь бутилового спирта и ксилола 95/5). Лаки наносят на поверхность пневматическим или электростатическим распылением, валковым способом или кистью, как правило, двумя слоями с промежуточной сушкой в течение 50–60 мин при 40–50ºС. Окончательное отверждение покрытия проводят при 18–20ºС в течение 12ч или при 60–80ºС в течение 20–30 мин. Во избежание неблагоприятного воздействия НСl на древесину и уменьшения впитывания лаков поверхность предварительно грунтуют, применяя нитроцеллюлозные, масляные или другие грунтовки и порозаполнители (КФ–1, НЦ–48 и т.д.). Мочевино-формальдегидные покрытия водостойки, тепло- и морозостойки (пригодны для эксплуатации от 30 до 100ºС), устойчивы к истиранию и абразивному износу. Лаки этого типа хорошо зарекомендовали себя при отделке лыж, музыкальных (струйных инструментов), паркета; их также применяют для лакирования мебели (ΙΙ и ΙΙΙ категории отделки).
Прочие виды покрытий. Для получения прозрачных покрытий на древесине применяют также алкидные (ПФ–231, ПФ–283 и др.), алкидно-стирольные (МС–25) и полиуретановые (УР–19, УР–277, УР–277М, УР–293) лаки, а также лаки и политуры на основе спирторастворимых олигомеров (шеллачные, идитольные) и различные восковые составы. Первые три группы лаков образуют водостойкие, механически прочные, устойчивые к истиранию покрытия. Их применяют для лакирования паркетных полов (лак ПФ–231, УР–19), отделки конторской, гостиничной и школьной мебели, салонов самолетов (лаки ПФ–283, УР–277М), деревянных конструкций и тары для химикатов (лак УР–293).
Шеллачные и идитольные лаки и политуры, ранее пользовавшиеся большой популярностью при отделке мебели, в настоящее время утратили свое значение из-за низких показателей водо- и теплостойкости покрытий. Шеллак, кроме того, дефицитен, а идитольные покрытия несветостойки. Они применяются только при реставрационных работах и в быту.
11.1.2. Получение непрозрачных покрытий
Непрозрачные (кроющие) покрытия на древесине выполняют примерно те же функции, что и на металлах, а именно защищают поверхность от разрушения и придают ей необходимые декоративные качества.
Кроющими материалами (красками и эмалями) окрашивают многие строительные и промышленные объекты (щитовые дома, дверные коробки, оконные переплеты, деревянные ограждения, дощатые полы, плинтусы, борта и платформы грузовых автомашин и др.). Они применяются при отделке кухонной, медицинской, школьной, садовой и другой мебели.
Ассортимент применяемых для отделки лакокрасочных материалов весьма разнообразен: масляные, алкидные, нитратцеллюлозные, перхлорвиниловые, мочевиноформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и другие краски и эмали. Могут быть использованы практически любые лакокрасочные материалы, служащие для защиты металлов, температура отверждения которых не превышает 60ºС.
Широко применяют при окрашивании строительных изделий воднодисперсионные и масляные краски. Воднодисперсионные лакокрасочные материалы (поливинилацетатные, полиакрилатные, бутадиенстирольные и др.) хорошо смачивают древесину и образуют покрытия, стойкие к колебаниям влажности и температуры. Особенно свето- и атмосферостойкими являются полиакрилатные покрытия, которые получили наибольшее применение во многих странах. Для защиты покрытий от поражения грибками и микроорганизмами в состав воднодисперсионных красок вводят биоциды:бис(трибутилолово)оксид,3–йод,2–пропилнитробутил-карбамид и др.
Разработана серия водоразбавляемых материалов (алкидных, эпоксидных, эфирцеллюлозных и др.), типа эмульсии «масло в воде», которые также используют для отделки древесины. Их недостатки: повышенный расход из-за большого впитывания в древесину; пониженная водостойкость покрытий.
При повышенных требованиях по водо- и атмосферостойкости применяют алкидные и перхлорвиниловые эмали или мочевиноформальдегидные эмали, отверждаемые при нагревании или в присутствии кислотных отвердителей. Высокодекоративные покрытия на древесине получают с применением полиэфирных (ПЭ–225, ПЭ–276) и нитратцеллюлозных (НЦ–11, НЦ–25 и др.) эмалей.
Технологический процесс отделки кухонной мебели полиэфирной эмалью ПЭ–225 по Ι категории отделки включает следующие операции:
зачистка поверхности шлифованием;
выравнивание поверхности шпатлеванием (шпатлевка ПЭ–0024, ПЭ–0025) с последующим отверждением и шлифованием покрытия;
нанесение двух слоев эмали с промежуточной выдержкой 20–30 мин при комнатной температуре и окончательным отверждением покрытия при 60–70ºС в течение 2–3 ч;
шлифование и полирование покрытия абразивными материалами и пастами;
глянцевание покрытия (удаление следов пасты с помощью воскового состава).
При отделке нитратцеллюлозными эмалями на предварительно подготовленную, загрунтованную и выровненную нитратцеллюлозной шпатлевкой поверхность наносят 3–6 слоев эмали. При необходимости предусматривают промежуточное (межслойное) и окончательное шлифование и полирование поверхности до получения зеркального блеска.
Для окрашивания строительных объектов применяют водно-дисперсионные краски разных марок: поливинилацетатные (ВД–ВА–27А, ВД–ВА–222, ВД–ВС–17, ВД–ВС–19, ВД–ВС–114, ВД–ВС–125ПГ), бутадиен-стирольные (ВД–КЧ–26, ВД–КЧ–112), полиакрилатные (ВД–АК–11), поливинилхлоридные (ВД–ХВ–28).
Главные достоинства: нетоксичность, относительно высокое высыхание, пригодность для окраски различных поверхностей. Покрытия отличаются хорошим внешним видом и стойкостью в эксплуатации.
Водно-дисперсионные краски постепенно вытесняют традиционные виды красок, особенно при отделочных работах внутри помещений. Технологический процесс получения покрытия с применением водно-дисперсионных красок включает операции грунтования, шпатлевания и нанесения 1–3 слоев краски. Грунтование обычно проводят той же краской, разбавленной водой до вязкости 18–25с по ВЗ–4 при 18–20ºС, шпатлевание – масляно-клеевыми и водно-дисперсионными шпатлевками, предназначенными специально для этих красок. При комнатной температуре продолжительность формирования покрытий из водно-дисперсионных красок не превышает 2–3 ч. Как и в случае других водных красок, окрасочные работы рекомендуется проводить при температурах не ниже 5ºС; окрасочным инструментом служат распылители, валики, кисти.
Окрашивание перхлорвиниловыми красками. Эти краски применяют при отделке фасадов зданий из-за хорошей водо- и атмосферостойкости покрытий. Окрасочные работы выполняются фасадными красками ХВ–161, изготовляемыми на основе перхлорвинила. Они имеют широкую цветовую гамму, продолжительность формирования покрытий при комнатной температуре не более 4 ч.
Краски наносят на сухую, предварительно подготовленную поверхность штукатурки. Для улучшения адгезии поверхность грунтуют перхлорвиниловым лаком ХВ–147. Дефекты поверхности выравнивают шпатлевкой ХВ–0018. Краску наносят двумя слоями способом пневматического распыления при вязкости 35–42с, по ВЗ–4 при 18–20ºС. Окраску можно проводить и при минусовых температурах.
Недостаток перхлорвиниловых красок – токсичность, пожароопасность и большой расход растворителей, которыми служат ароматические углеводороды – сольвент и ксилол.
Окрашивание масляными и алкидными красками. Их широко применяют в строительстве и при ремонте жилых и производственных зданий и сооружений. Покрытия гидрофобны, допускают мокрую протирку и дезинфекцию помещений и нередко используются в санитарно-гигиенических целях. Окрашивают помещения больниц, столовых школ, детских учреждений, вокзалов, магазинов и др. объектов. В жилых помещениях допускается окрашивание панелей коридоров, лестничных клеток, иногда кухонь.
При нанесении красок на штукатурку предусматривают следующие операции: грунтование олифой; шпатлевание масляной, масляно-клеевой или гипсово-клеевой шпатлевкой, двухкратное окрашивание масляной или масляно-эмалевой краской. Длительность отверждения масляных покрытий (при 18–20ºС 16–24 ч, а при более низких температурах еще дольше) и низкая воздухопроницаемость покрытий существенно ограничивают их использование. В строительстве масляные краски заменяют на другие более технологичные виды красок, в первую очередь водно-дисперсионные.
Экономическая оценка применения покрытий. Различные строительные краски образуют покрытия неравнозначные не только по свойствам, но и по стоимости. Ниже приведены некоторые экономические показатели окрашивания 100 м2 поверхности фасадов зданий разными красками.
Наименование краски
Затраты на окрашивание Срок службы покрытий, год
Перхлорвиниловые краски 27 5–8
Силикатные краски 12–13 15–20
Известковые краски 11 2–3
Важно отметить, что применение дорогих, но долговечных покрытий нередко оказывается экономически более выгодным, чем применение дешевых покрытий с небольшим сроком службы. Так, эксплуатационные расходы на содержание 1м2 фасада, окрашенного дешевой известковой краской, составляет 0,41 руб/год, а более дорогой перхлорвиниловой – 0,28руб/год.
В последнее время окрасочные и облицовочные работы все более переносятся со строительной площадки в цеха домостроительных комбинатов и заводов. В частности, имеется опыт покрытия кирпича, домостроительных панелей и других заготовок порошковыми поливинилбутиральными красками, жидкими органосиликатными и другими полимерными красками. Окрашивание в цеховых условиях экономичнее и обеспечивает получение более надежных и долговечных покрытий.
11.2. Окрашивание и лакирование кожи
Технология отделки кожи имеет свои особенности, связанные с ее характерными свойствами как подложки и своеобразными условиями эксплуатации кожаных изделий.
Различные сорта кожи достаточно разнообразны по происхождению и способу выделки. Независимо от сорта кожа является пористым и в обезжиренном состоянии гидрофильным материалом.
Назначение способов отделки кожи – крашения органическими красителями и поверхностного окрашивания лакокрасочными материалами – выравнивание поверхности кожи и придание ей требуемого цвета; лакокрасочные покрытия, кроме того, имитируют естественную мирея («лицо») кожи, повышают глянец, улучшают водостойкость и механическую прочность, сглаживают дефекты поверхности, устраняют ее неоднородность.
Кожа подвергается сложным видам механического воздействия как в процессе обработки на кожевенных, обувных и других предприятиях, так и при эксплуатации (носке) изделий. Учитывая это, а также то обстоятельство, что кожу окрашивают преимущественно в заготовках (шкурках), к покрытиям предъявляются крайне жесткие требования по механическим свойствам (гибкости, удлинению, стойкости к истиранию и др.). покрытия также должны быть водо-, свето- и атмосферостойкими, иметь хорошую адгезию, быть паро- и воздухопроницаемыми для обеспечения гигиенических свойств кожи. Этим требованиям удовлетворяют лишь немногие материалы. Наибольшее применение для отделки кожи нашли казеиновые, нитратцеллюлозные, полиакрилатные и полиуретановые лакокрасочные материалы.
Различают два вида отделки кожи: покрывные крашения и лакирование. Покрывному крашению подвергают кожу, имеющую и не имеющую естественную лицевую поверхность, лакируют же кожу только с естественной лицевой поверхностью. Краски на кожу особенно с неудаленной лицевой поверхностью наносят тонкими слоями, в несколько мкм. Для обеспечения непрозрачности краски приготавливают с использованием наиболее укрывистых и высокодисперсных неорганических и органических пигментов. Укрывистость кожевенных красок темных тонов не должна превышать 20, а светлых 80 г/м2.
11.2.1. Покрывное крашение
Отделка казеиновыми красками. Казеиновые краски широко применяют для отделки кожи, служащей для изготовления обуви. Покрытия из них имеют хорошую адгезию, высокую износостойкость и достаточную морозостойкость. В состав красок наряду с казеином и пигментами вводят пластификаторы (амезариновое масло, эмульсии восков, глицерин), модифицирующие добавки (кровяной альбумин, молоко, шеллак, яичный альбумин), вещества, улучшающие смачивание поверхности (водный отвар льняного семени), загустители (трагант) и др.Процесс получения покрытий включает операции обезжиривания (промывки кожи), грунтования, нанесения последовательно нескольких слоев краски, аппретуры и закрепления, лощения и прессования. Обезжиривают кожу путем промывки поверхности 5%–м водным или водноспиртовым (1/5) раствором аммиака, водноацетоновыми смесями или водными растворами ПАВ.
Грунтовку (краска, разбавленная аммиачной водой) наносят обычно на влажную после крашения или обезжиривания кожу плющевой щеткой, последующие слои – на предварительно высушенную поверхность распылением. Кожу перед окрашиванием натягивают на раму. Сушку покрытий проводят при 30–40ºС. Аппретура служит верхним слоем покрытия. Она отличается от краски повышенным содержанием компонентов, придающих блеск и гидрофобность покрытию.
Для того чтобы сделать покрытие водостойким, предусматривается операция закрепления – нанесения раствора дубящих казеин веществ, которыми служат, как правило, 13%–й раствор формальдегида или 6%–й раствор гликсаля. Закрепители наносят не только поверх аппретуры, но и в качестве промежуточных слоев после краски или грунтовки. Диффундируя в слой лакокрасочного материала, закрепитель взаимодействует с казеином, превращая его в нерастворимые соединения по реакциям:

Для выравнивания и окончательного отверждения покрытия подвергают лощению (обработке на лощильных станках) и глажению на гидравлическом прессе при 70–90ºС и давлении 10–20 МПа.
Отделка водно-дисперсионными полиакрилатными красками. Краски представляют собой суспензию пигментов в стабилизированной дисперсии полиакрилата или сополимеров алкилакрилатов с другими мономерами. Их приготавливают смешением полиакрилатной дисперсии с пигментными концентратами (пигменты, перетертые на казеиновом клее) и эмульсией воска монтана. В состав красок могут входить и другие добавки: шеллак, кровяной альбумин, ализариновое масло и др.
Полиакрилатные покрытия получают примерно по той же технологии, что и казеиновые: поверхность грунтуют, наносят 1–2 слоя краски и аппретуру.
11.3. Окрашивание пластмасс и резины
Широкое применение пластмасс и резины в промышленности, строительстве и в быту потребовало разработки специальных лакокрасочных материалов и технологии получения покрытий с учетом особенностей полимерной подложки.
Поверхностное окрашивание пластмасс и резины проводится с целью:
придание изделиям необходимого цвета и декоративного цвета;
уменьшение проницаемости и сорбционной способности (для стеклопластиков и поропластов), придание негорючести, антистатических, противообледенительных и других свойств изделиям;
защиты от механического, химического, светового, радиационного и других видов разрушения, при условии, если окрашиваемый материал недостаточно устойчив;
маркировки изделий, нанесение на них надписей и знаков.
Кроме того, лакокрасочные покрытия применяют в качестве грунтов при металлизации пластмасс.
Пластмассы и резины в зависимости от химического строения и состава полимеров крайне разнообразны по свойствам, поэтому нет единой универсальной технологии их окрашивания. Трудности создания надежных покрытий на пластмассе и резине заключаются прежде всего, в низкой адгезионной прочности большинства покрытий к этому виду подложек. Особенно плохо удерживаются покрытия на основе кристаллических полимеров ( полифторолефинов, полиолефинов, поликарбонатов, полиарилатов), а также на изделиях с гладкой поверхностью, приготовленных из реактопластов, некоторых стеклопластов (фено- и аминопластов).
Получение покрытий на пластмассах осложняется возможным присутствием на их поверхности адсорбированной воды, а также пластификаторов, стабилизаторов, мономеров и других низкомолекулярных продуктов и восков, которые вытесняются в поверхностном слое пластмасс, экстрагируются растворителями лакокрасочного материала.
К тому же пластмассы и резины относятся к числу нетермостойких подложек. При высоких температурах возможно разложение полимеров или деформация изделий; последнее существенно усиливается в присутствии растворителей. Опытным путем установлены предельные температуры отверждения (сушки) на различных видах пластмасс.
Адгезия покрытий к полимерным подложкам зависит от степени взаимной совместимости полимеров, набухания (растворимости) пластмасс в растворителях лакокрасочного материала и шероховатости поверхности пластмассы.
Пленкообразователи, в какой-либо мере совместимые с полимером подложки, как правило, имеют хорошую адгезию. Например, покрытия на основе алкидов и поливинилацетата на изделиях из нитрата целлюлозы, хорошей адгезией обладают также покрытия, пленкообразователем в которых служит материал окрашиваемой пластмассы или резины (полиакрилатные покрытия по полиакрилатным поверхностям, покрытия из каучуков по резине и т. д.).
Активные (по отношению к пластмассе) растворители, введенные в состав лаков и красок, улучшают адгезию, но вызывают набухание пластмассы, способствует ее короблению, ухудшают фактуру поверхности и нередко вызывают поверхностные растрескивание изделий. Поэтому в большинстве случаев (за исключением отдельных видов пластмасс) активные раствори