Экологические аспекты применения лакокрасочных материалов
Наиболее универсальный, доступный и эффективный способ зашиты металлов от коррозии в различных отраслях промышленности — нанесение лакокрасочных материалов (ЛКМ). Более 80% продукции в машиностроении, металлообработке и строительстве окрашиваются ЛКМ.
ЛКМ — сложные многокомпонентные системы, содержащие пленкообразователи, пигменты, наполнители и др. Значительной составляющей большинства ЛКМ являются органические растворители. В качестве пигментов, как правило, используют неорганические соединения: оксиды, соли тяжелых металлов.
При нанесении ЛКМ в окрасочных камерах образуются твердые, пастообразные и жидкие отходы, пары растворителей и вода, насыщенная растворителями.
Наибольшую опасность для организма человека представляют летучие органические соединения, выделяющиеся в атмосферу при нанесении и сушке лакокрасочного покрытия; тяжелые металлы, содержащиеся в аэрозоле, образующемся при нанесении ЛКМ; изоцианаты, фталевый и малеиновый ангидриды, формальдегид, жирные кислоты и другие соединения, выделяющиеся при сушке ЛКМ (особенно при высокой температуре).
Согласно существующим нормативным документам (ГОСТы, ТУ и паспорта безопасности), концентрации летучих веществ и тяжелых металлов в воздухе при нанесении и сушке ЛКМ не должны превышать
предельно допустимых (ПДК) в воздухе рабочей зоны, а при эксплуатации покрытий — предельно допустимых в атмосферном воздухе.
Летучие органические соединения (кетоны, спирты, эфиры) вызывают различные аллергические реакции и отравления, а стирол, хлорбензол и этилбензол являются канцерогенами.
Результаты количественного анализа методом газовой хроматографии органических соединений, выделяющихся из покрытий, свидетельствуют о превышении предельно допустимых концентраций некоторых веществ в десятки раз. Методом атомной абсорбции определено, что при нанесении и сушке ЛКМ в воздухе рабочей зоны наблюдается значительное превышение ПДК тяжелых металлов (свинец, хром, цинк, кадмий и др.). Значительную часть орга-норазбавляемых ЛКМ относят к категории опасных.
Для очистки отходящих газовых выбросов применяют различные способы: окисление атмосферным кислородом на катализаторах, непосредственное сжигание вредных примесей, а также сорбционные способы, с помощью которых удается выделить вещества для повторного использования в производстве.
В настоящее время особое внимание уделяется требованиям к безопасности и охране окружающей среды. Сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу при изготовлении лакокрасочной продукции можно достичь с помощью инженерно-технических решений (оптимизация процесса окраски, автоматизация оборудования, модернизация систем рециркуляции и очистки отходов) или внедрением новых ЛКМ, отвечающих современным требованиям (с высоким сухим остатком, водоразбавляемых, порошковых и радиационно-отверждаемых).
В промышленно развитых странах начиная с 1980-х гг. в законодательно были введены ограничения на выброс промышленными предприятиями паров органических растворителей. ЛКМ, удовлетворяющие этим требованиям, не должны содержать более 0,3 кг растворителя в 1 л ЛКМ при рабочей вязкости. Это стимулировало работы по созданию новых ЛКМ с ограниченным содержанием органических растворителей и привело к существенному изменению ассортимента лакокрасочной продукции: органораз-бавляемые — 46%; порошковые — 18%, водоразбавля-емые — 17%, с высоким сухим остатком — 14%, радиационного отверждения — 5%.
На рынке стран СНГ основу ассортимента все же составляют традиционные органоразбавляемые лаки и эмали, на производство которых ежегодно расходуется более 3 млн т органических растворителей. Столь высокое потребление дорогих и токсичных растворителей резко ухудшает экономические показатели производителей и потребителей ЛКМ и крайне отрицательно влияет на экологическую обстановку.
ЛКМ с высоким сухим остатком позволяют на 2030% сократить потребление органических растворителей, снизить расход ЛКМ при нанесении, а также в 1,5-2 раза увеличить срок службы покрытий. Благодаря этому покрытия обладают улучшенными декоративными и защитными свойствами. Содержание в них нелетучих веществ составляет 65-75%. Однако эти материалы дороже традиционных и отверждают-ся медленнее.
Перспективными материалами с экологической, технологической и экономической точек зрения являются водоразбавляемые, в том числе водно-дисперсионные ЛКМ. Основное их преимущество — использование воды вместо дорогих горючих токсичных и безвозвратно теряемых органических растворителей. Также они не имеют запаха, быстро высыхают, легко наносятся на поверхность, имеют хороший декоративный вид и широкий спектр цветовой гаммы.
Отсутствие в составе водных материалов органических растворителей значительно снижает количество вредных выбросов в атмосферу, уменьшает пожароопасность, токсичность и создает благоприятные условия труда при проведении окрасочных работ.
Из-за сложного состава и большого числа добавок водоразбавляемые материалы несколько дороже органоразбавляемых. Однако с учетом экономии на очистном и рециркуляционном оборудовании, отсут-
ствия расходов на вентиляцию окраска водоразбав-ляемыми ЛКМ обходится не дороже, а иногда даже дешевле, чем обычными составами.
Перечисленные достоинства водоразбавляемых ЛКМ способствовали тому, что в некоторых секторах потребления они потеснили органоразбавляе-мые. Это относится прежде всего к строительству, где доля используемых водоразбавляемых ЛКМ достигает 70-80% в общем ассортименте лакокрасочной продукции. Водно-дисперсионные материалы находят широкое применение в антикоррозионной защите металлов.
К основным недостаткам, сдерживающим их применение, можно отнести низкую морозостойкость и более легкую подверженность микробиологическому разрушению.
Покрытия из водно-дисперсионных ЛКМ по своим характеристикам не уступают покрытиям из традиционных материалов на органических растворителях, а по отдельным — значительно превосходят их. Такие покрытия сохраняют в процессе старения высокие физико-механические свойства, обладают стойкостью к воздействию кислых и щелочных моющих средств. Двухслойное покрытие из водно-дисперсионных ЛКМ на загрунтованной поверхности сохраняет защитную способность в течение 5 лет, что выше, чем у покрытия, выполненного по традиционной схеме алкидными материалами.
Технический прогресс в области органических покрытий, связанный с решением экологических и экономических проблем и повышением качества зашиты изделий, привел к появлению принципиально нового вида ЛКМ — порошковых красок. Эти материалы за сравнительно короткий промежуток времени получили широкое применение. Рост их производства в мире за последние 20 лет составил 10-15% в год, в то время как жидких (органораство-римых) ЛКМ — не превысил 5%. Стимулирующие факторы такого роста — необходимость решения экологических проблем (отсутствие органических растворителей и других летучих веществ), малоотходная технология покрытий (практически полная утилизация красок при нанесении и возвращение в производственный цикл), относительная простота и экономичность технологического процесса получения покрытий (как правило, наносят один слой вместо двух-трех), высокое качество покрытий (нередко превосходит по эксплуатационным свойствам покрытия на основе жидких красок). Долговечность порошковых покрытий значительно выше покрытий на основе жидких красок.
Сегодня большая часть производителей выбирает порошковые ЛКМ для защитно-декоративной отделки изделий, несмотря на то что эта технология может быть использована только в производственных условиях, требует специального технологического оборудования и не может конкурировать с применением жидких ЛКМ в быту, строительстве, антикоррозионной защите крупных объектов.
Порошковые ЛКМ существенно потеснили жидкие во многих сферах промышленного потребления, но далеко не во всех. Ими окрашивают холодильники, газовые и электрические плиты, СВЧ-печи и др. Однако все еще отсутствуют материалы низкотемпературного отверждения (до 100 °С), составы для высокодекоративных (1-2-й класс), термостойких, электроизоляционных (с высоким температурным индексом), негорючих и других покрытий. Актуальна разработка порошковых ЛКМ низкотемпературного и ускоренного отверждения. В настоящее время разработаны материалы, позволяющие получать покрытия на термочувствительных поверхностях (древесина, пластмассы).
Окрашивают порошковыми материалами изделия небольших и средних размеров, но не исключена возможность окраски и крупногабаритных объектов — вагонов, автомобилей, судов и др.
Лакокрасочные покрытия защищают металл от коррозии по электрохимическому механизму благодаря действию антикоррозионных пигментов, пассивирующих поверхность металла, либо по барьерному механизму, основанному на затруднении доступа агрессивных агентов к металлу за счет образования на подложке стабильных, плотно прилегающих слоев. На практике оба механизма действуют параллельно и их роль в защите от коррозии зависит главным образом от типов применяемых пленкообразователя и пигмента.
Наиболее эффективные антикоррозионные пигменты, такие как соединения хрома, свинца, цинка, исключают из рецептур ЛКМ из-за их токсичности. В перспективе защитные покрытия практически не будут содержать антикоррозионных пигментов и ингибиторов коррозии, используемых в настоящее время.
Исследования в области антикоррозионных ЛКМ направлены на улучшение барьерных свойств покрытий, снижение загрязнения окружающей среды за счет использования водно-дисперсионных и порошковых красок, а также высококачественных пленкообразователей нового поколения, например полимочевинных или гибридных, применения наноматериалов и нанотехнологий.
По материалам журнала "Промышленная окраска"
