Принципы выбора лакокрасочных материалов для различных условий эксплуатации

Основным фактором, влияющим на выбор лакокрасочных материалов для окрашивания конкретных конструкций и изделий, является характер и параметры окружающей среды.

По условиям эксплуатации лакокрасочные материалы обычно разделяют на атмосферостойкие, водостойкие и стойкие в особых средах. Под особыми средами понимают нефтепродукты, различные химикаты, биоактивные среды, среды с повышенными температурами, излучениями и др.

Однако недостаточно при выборе лакокрасочного материала ориентироваться только на тип окружающей среды, необходимо учитывать ряд эксплуатационных, технологических и экономических факторов, в том числе:

-          материал окрашиваемой конструкции;

-          требуемая долговечность покрытия;

-          ремонтопригодность;

-          совместимость с другими методами защиты (например, с катодной защитой);

-          технологичность нанесения материала;

-          требования декоративности;

-          необходимая степень подготовки поверхности;

-          требования взрыво- и пожаробезопасности;

-          санитарно-гигиенические требования;

-          экономическая целесообразность.

Рассматривается, как правило, несколько вариантов покрытия и по совокупности преимуществ и недостатков выбирается оптимальный вариант.

Ниже рассматриваются основные типы лакокрасочных материалов: их свойства, предпочтительные области применения, достоинства и недостатки.

Эпоксидные материалы

Эпоксидные лакокрасочные материалы практически всегда двухупаковочные. Основой эпоксидных лакокрасочных материалов служат эпоксидные смолы, которые представляют собой линейные простые полиэфиры, молекулярные цепи которых имеют реакционноспособные эпоксидные группы на обоих концах и вторичные гидроксильные группы, расположенные вдоль всей цепи.

Образование пространственных полимеров (отверждение смол) происходит в результате сшивки линейных молекул при взаимодействии их с органическими азотсодержащими соединениями (отвердителями). В процессе реакции происходит отверждение смолы и превращение ее в нерастворимое неплавкое соединение трехмерного строения без выделения побочных продуктов реакции, поэтому почти не происходит усадки покрытия.

Одним из наиболее перспективных лакокрасочных материалов являются материалы, не содержащие растворителей. Их получают на основе жидких эпоксидных смол. Для снижения вязкости в них вводят активные разбавители, которые придают лакокрасочному материалу малярные свойства без использования летучих растворителей. Особенно важно использовать лакокрасочные материалы без растворителей при окрашивании различных цистерн и других замкнутых объемов. Это позволяет резко снизить токсичность, пожаро- и взрывоопасность окрашивания.

Покрытия на основе эпоксидных смол обладают хорошей адгезией к металлу, дереву и другим материалам, высокой твердостью и химической стойкостью, отличной водостойкостью; они устойчивы к воздействию нефти и нефтепродуктов и многих растворителей.

К недостаткам чистых эпоксидных лакокрасочных материалов можно отнести ограничение по нижнему температурному пределу нанесения (не ниже 10^ОС), необходимость тщательной подготовки поверхности (Sa2½ - Sa3), двухкомпонентность, ограниченная жизнеспособность после смешения компонентов (для некоторых материалов менее 1 часа), склонность к мелению под воздействием солнечного излучения, необходимость шерохования в случае нанесения последующих слоев после некоторого промежутка времени.

Для снижения стоимости эпоксидные материалы иногда совмещают с различными битумами, получая эпоксидно-каменноугольные материалы.

Для расширения температурного предела применения эпоксидных материалов их модифицируют другими, например, сополимерно-винилхлоридными или хлорвиниловыми смолами. У модифицированных эпоксидных материалов нижний температурный предел снижается до минус 5°С и ниже. В них при необходимости вводят также специальные добавки, которые позволяют снизить требования по подготовке поверхности до степени St2 - St3.

Полиуретановые материалы

Полиуретановые материалы, так же как эпоксидные, являются чаще всего двухупаковочными. Это продукты взаимодействия полиспиртов с полиизоцианатами.

Одноупаковочные полиуретаны, отверждаемые влагой воздуха, не нашли широкого применения из-за высокой стоимости, связанной с трудностями изготовления.

По стойкости к различным агрессивным воздействиям (газы, кислоты, щелочи, растворители, в том числе ароматические) полиуретаны превосходят все остальные лакокрасочные материалы. Покрытия на основе полиуретанов обладают превосходным блеском, очень высокой устойчивостью к истиранию и атмосферостойкостью, включая воздействие ультрафиолетового излучения. Полиуретановые лакокрасочные материалы могут наноситься при более низкой температуре, чем эпоксидные.

К недостаткам полиуретановых покрытий можно отнести двухкомпонентность, сложность нанесения, токсичность при нанесении, высокую стоимость.

Алкидные материалы

Несмотря на систематическое расширение ассортимента лакокрасочных материалов, алкидные материалы сохраняют ведущую роль в объеме производства и применения.

Алкидными смолами называют полиэфиры разветвленного строения, представляющие собой продукты взаимодействия многоосновных спиртов, многоосновных кислот и жирных масел.

В зависимости от спирта, используемого при изготовлении, различают глифталевые (на основе глицерина), пентафталевые (на основе пентаэритрита) и другие смолы.

Для придания алкидным смолам растворимости, а покрытиям на их основе водостойкости и эластичности их модифицируют растительными маслами или жирными кислотами.

В зависимости от содержания масла в алкидах их разделяют на жирные, средние и тощие, содержащие соответственно 56-70%, 46-55% и 35-45% масла. Для глифталевых смол наименьшая водопроницаемость и наибольшая атмосферостойкость лаковых пленок наблюдается при содержании масла около 50%, для пентафталевых - при 60-65%. Скорость высыхания и водостойкость смол зависят от типа масла и убывает по следующему ряду: тунговое, льняное, дегидрированное касторовое, соевое, подсолнечное. По показателю светостойкости масла располагаются в обратном порядке. Для грунтовочных покрытий, которые не подвергаются ультрафиолетовому облучению, наибольшее применение нашли смолы на основе льняного и тунгового масел.

Алкидные лакокрасочные материалы чаще всего однокомпонентны. Иногда для ускорения сушки и отверждения в них рекомендуется перед применением вводить сиккатив.

Стоимость алкидных материалов значительно ниже полиуретановых и эпоксидных, они также не требуют такой тщательной подготовки поверхности. Для них можно допустить степень Sa2.

Алкидные покрытия обладают достаточно высокой атмосферостойкостью, эластичностью, хорошей адгезией к металлам, дереву, бетону и высокой межслойной адгезией.

К недостаткам алкидов можно отнести низкую стойкость в воде и химически активных средах, сравнительно большой срок высыхания (до 24 ч при 20°С), необходимость сушки при температуре воздуха не ниже 5°С.

Акриловые материалы

Большое распространение в последние годы получили акриловые лакокрасочные материалы. Акриловые смолы получаются в результате полимеризации акриловой и метакриловой кислот или их производных. Их используют в виде растворов, водных и органодисперсий.

Лакокрасочные покрытия на основе акриловых сополимеров отличаются высокой атмосферо- и светостойкостью. Эти покрытия эластичны, стойки к удару, имеют хорошую адгезию к окрашиваемой поверхности. Акрилаты используются обычно в качестве высококачественных декоративных покрытий.

К недостаткам акриловых лакокрасочных материалов можно отнести низкую стойкость к растворителям, низкий сухой остаток (до 50%), небольшую толщину однослойного покрытия (20-30 мкм).

Материалы на основе сополимеров винилхлорида

Большое распространение в судостроении и судоремонте получили лакокрасочные материалы на основе сополимеров винилхлорида с винил ацетатом.

В сополимере, содержащем 85% винилхлорида, примерно на каждые девять молекул хлорида приходится одна молекула винилацетата. Это позволяет улучшить растворимость смолы, так как с увеличением содержания винилацетата растворимость сополимеров возрастает.

Покрытия, получаемые на основе сополимера винилхлорида с винилацетатом (А-15), обладают водостойкостью, химической стойкостью и высокой эластичностью. При частичном омылении (гидролизе) сополимера образуется сополимер А-15-0, имеющий некоторое количество гидроксильных групп, способствующих увеличению адгезии. Это материалы физического отверждения, поэтому их можно наносить при отрицательных температурах.

Лакокрасочные покрытия на основе сополимера А-15-0 обладают водостойкостью, атмосферостойкостью, механической прочностью.

К положительным их качествам можно отнести также быстрое высыхание (1-3 ч) и однокомпонентность.

Для придания большей химстойкости лакокрасочные материалы на основе сополимеров винилхлорида модифицируют эпоксидной смолой. Эти покрытия стойки в воде, щелочах и кислотах, в условиях промышленной и морской атмосферы. Температура их нанесения от минус 10°С до плюс 35°С.

К недостаткам сополимерно-винилхлоридных материалов можно отнести низкий сухой остаток (30-45%), небольшую толщину однослойного покрытия (40-50 мкм), низкую стойкость к воздействию растворителей, необходимость тщательной подготовки поверхности (Sa2½).

Материалы на основе хлоркаучуков

Эти материалы чаще всего представляют собой продукты хлорирования натурального и синтетического каучуков газообразным хлором. В результате хлорирования каучуки теряют свою эластичность и приобретают растворимость в ароматических растворителях. Для получения сплошных эластичных покрытий их пластифицируют. Для получения эластичных покрытий необходимо вводить от одной до двух частей пластификатора на одну часть хлоркаучука. В качестве пластификаторов чаще всего применяют хлорпарафины. Хлоркаучуки -материалы физического отверждения.

Хлоркаучуковые покрытия являются водо-, кислото- и щелочестойкими. Благодаря высокому содержанию хлора, они обладают пониженной горючестью. К их достоинствам также можно отнести однокомпонентность, возможность нанесения при отрицательных температурах (до минус 15^ОС) и относительно непродолжительное время межслойной сушки.

Недостатком хлоркаучуковых материалов являются ухудшение физико-механических свойств под воздействием солнечного света, низкая стойкость к воздействию растворителей и нефтепродуктов, невысокий сухой остаток (не более 50%), небольшая толщина однослойного покрытия (50-70-мкм), необходимость тщательной подготовки поверхности (до степени Sa2½).

В табл. приведены усредненные данные по стойкости наиболее широко применяемых типов лакокрасочных материалов в различных средах.

Таблица.  Стойкость различных типов лакокрасочных материалов

Примечание:

1 - отличная стойкость; 2 - хорошая; 3 - средняя; 4 - плохая; 5 - применять нельзя

ПРОТИВООБРАСТАЮЩИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основную массу обрастателей, отрицательно влияющих на мореходные качества судов, составляют водоросли (зеленые, бурые, красные) и зоообрастатели (балянусы, мидии, мшанки, гидроиды, трубчатые черви).

Величина обрастания в некоторых районах Черного моря составляет около 100 кг/м² за год. Толщина слоя обрастания обычно порядка 5 см, максимальная толщина - 15-30 см.

На величину обрастания в значительной мере влияют факторы окружающей среды, важнейшими из которых являются: географическое положение, температура воды, сезонные колебания температуры, глубина, скорость течения, наличие загрязнений и их состав.

Выделяют три основные зоны обрастания: тропическую, субтропическую и умеренную. Тропическая зона характеризуется максимальной интенсивностью обрастания, максимальным разнообразием видов и размеров обрастателей. Субтропическая зона по видовому составу почти не отличается от тропической, лишь несколько уменьшаются размеры обрастателей. В умеренной зоне размеры обрастания во много раз меньше, чем в тропической и субтропической. Такое распределение достаточно условно, так как существуют значительные различия в обрастании между отдельными районами в пределах одной зоны.

Распределение обрастания по глубине определяется образом жизни обрастателей, их потребностью в солнечном свете, растворенном в воде кислороде, в определенном виде жизни, а также температурными условиями. Поэтому обрастание водорослями происходит в основном в верхних слоях воды, а животные организмы поселяются на большей глубине. Максимальная глубина, на которой отмечалось обрастание, достигает 1000-1500 м, однако, чем больше глубина, тем меньше размеры и число организмов данного вида.

Обрастание происходит также в зоне переменного смачивания. Наиболее устойчивыми видами, выдерживающими периодическое осушение, являются балянусы и зеленые водоросли.

Установлено, что прикрепление обрастателей происходит при скорости воды, не превышающей 1 м/с. Возникающие на первоначальной стадии силы сцепления обрастателей с твердой поверхностью недостаточно велики, чтобы противостоять обтеканию водой при скорости, превышающей 1 м/с. Однако сила сцепления постепенно увеличивается, и взрослые формы обрастателей выдерживают обтекание водой даже при высокой скорости.

Таким образом скорость обрастания судна зависит от района эксплуатации и еще в большей степени от длительности стоянок судна.

Обрастание ухудшает эксплуатационные характеристики объектов (судов, морских сооружений), а также разрушает конструкционные материалы в результате действия продуктов жизнедеятельности обрастателей.

Обрастание корпусов морских судов резко снижает их эксплуатационные характеристики: уменьшается скорость судна, увеличивается расход топлива, снижается доля эксплуатационного времени, увеличиваются ремонтные расходы. При средней интенсивности обрастания сопротивление трению корпуса возрастает на 30-50% от первоначальной величины. При наличии 400 балянусов средней величины на 1 м2 подводной поверхности корпуса скорость судна снижается на 18%. Отсюда актуальность качественного нанесения противообрастающих покрытий.

Современный ассортимент лакокрасочных противообрастающих материалов включает эмали, отличающиеся типом связующего, степенью эффективности, сроком службы и стоимостью. В настоящее время на первый план выступают экологические характеристики, обусловленные наличием в противообрастающих покрытиях биоцидных добавок, которые выделяются в окружающую среду и влияют на жизнедеятельность морских организмов.

Применяемые в настоящее время лакокрасочные материалы по механизму защитного действия можно разделить на материалы контактного типа, растворимые материалы и самополирующиеся лакокрасочные материалы.

Механизм защитного действия традиционных эмалей контактного типа основан на выщелачивании биоцида приблизительно пропорционально его содержанию в лакокрасочной пленке. Увеличение содержания биоцида в пленке приводит к увеличению эффективного действия покрытия, но при этом возрастает и скорость расходования биоцидов. Поэтому увеличение срока службы не связано линейно с количеством биоцида. Кроме того, постепенное увеличение толщины выщелоченного слоя приводит к снижению скорости выщелачивания биоцида из остальной массы покрытия. При толщине выщелоченного слоя около 50-70 мкм скорость выщелачивания снижается до значений, при которых становится возможным прикрепление обрастателей. Таким образом, оставшийся в пленке биоцид уже не обеспечивает защиту от обрастания. Поэтому очевидно, что простое увеличение толщины традиционного покрытия не позволяет увеличить срок его службы.

Традиционные противообрастающие лакокрасочные материалы в настоящее время выпускаются в основном на виниловой и хлоркаучуковой основах. В качестве биоцидов в них используется закись меди и оловоорганические производные. Срок службы таких покрытий не превышает 2-2,5 лет. Эти эмали рекомендуется применять для судов, район плавания которых ограничен северными и умеренными широтами.

Как виниловые, так и хлоркаучуковые эмали являются материалами физического отверждения, поэтому могут наноситься при отрицательных температурах, однако выполнять окрасочные работы при температуре ниже минус 10^ОС не рекомендуется, так как при этом на поверхности корпуса судна может образоваться корка льда. Хлоркаучуковые эмали считаются менее чувствительными к качеству поверхности и к метеорологическим условиям при нанесении покрытий и поэтому для судоремонта они предпочтительнее.

Противообрастающие краски растворимого типа изготовляются обычно на основе канифоли и в качестве биоцидов в них используются соединения меди. Эти материалы обычно используются для защиты от обрастания судна на период достройки. Срок службы их невелик и составляет примерно 6-12 мес. Увеличение срока службы этих покрытий за счет увеличения толщины практически невозможно из-за увеличения при этом внутренних напряжений, приводящих к растрескиванию и отслаиванию.

Хорошие результаты получены при использовании комплексной системы покрытий, включающей эмаль контактного типа и растворимую эмаль. Принцип действия такой системы заключается в том, что на первой стадии защиту от обрастания обеспечивает верхний слой покрытия (растворимое покрытие), и после полного его растворения вступает п действие нижерасположенный слой покрытия контактного типа. Срок службы таких комплексных систем может составлять 3-4 года.

Самополирующиеся лакокрасочные материалы обычно выпускаются на основе растворимых оловоорганических полимеров, представляющих собой продукты полимеризации акрилового или малеинового рядов. Механизм защитного действия самополирующихся покрытий заключается в следующем: происходит диффузия молекул воды в покрытие, гидролиз связей полимерной цепи, а затем растворение и эрозия материала под действием потока воды. Параллельно идет растворение и диффузия биоцидов. Для того, чтобы поддерживался необходимый уровень биоцидов на границе покрытие - вода, необходимо постоянное обновление поверхности, что и происходит при движении судна. Кроме этого, поверхность самополирующегося противообрастающего покрытия при движении судна становиться более гладкой, за счет чего снижается сопротивление движению судна. При выборе самополирующихся покрытий необходимо учитывать скорость движения судна, частоту и продолжительность стоянок, необходимый срок службы покрытия. Самополирующиеся покрытия целесообразнее всего применять для судов с непродолжительными стоянками. В зависимости от скорости судна и необходимого срока защиты рассчитывается толщина покрытия. Срок службы покрытия может достигать 5 лет.