Лакокрасочные материалы для долговременной антикоррозионной защиты металлоконструкций в атмосферных условиях

Для долговременной антикоррозионной защиты металлоконструкций и крупногабаритного оборудования в настоящее время применяются лакокрасочные материалы (ЛКМ) на основе полиуретановых и эпоксидных связующих, интересно применение новых материалов на основе сополимеров фторопласта и силикон-эпоксидных полимеров.

Двухкомпонентные полиуретановые грунтовки и эмали

Полиуретановые ЛКМ в наибольшей степени соответствуют требованиям, предъявляемым к антикоррозионным ЛКМ, обеспечивающим защиту металла в атмосферных условиях. Их применяют уже более 30 лет для окрашивания различного вида техники, мостов, эстакад, химических установок и др. объектов промышленности и строительства. По темпам прироста потребления полиуретановые ЛКМ почти вдвое опережают все другие виды ЛКМ. Согласно прогнозам специалистов, в ближайшем будущем спрос на полиуретановые ЛКМ в среднем будет расти на 4-6% в год [1]. Рост потребления полиуретановых ЛКМ объясняется тем, что покрытия на их основе отличаются высоким качеством. Они характеризуются быстрой сушкой, атмосферо-, водо-, хим-, абразиво-, морозо-и термостойкостью. Полиуретаны обладают превосходной адгезией к различным подложкам, включая металл, древесину, пластмассу, бетон и т.д. Покрытия обеспечивают высокий класс защиты по ГОСТ 9.032. Полиуретановые покрытия дороже большинства наиболее известных ЛКМ, однако, учитывая долговечность покрытий (составляющую в среднем 7,5-13 лет, а в ряде случаев и 15 лет) и уникальные эксплуатационные свойства, полиуретановым ЛКМ нет альтернативы, особенно если речь идет об окрашивании ответственных объектов.

Полиуретановые ЛКМ могут быть одно- и двухкомпонентными, органоразбавляемыми и воднодисперсионными. Среди ЛКМ для металлоконструкций наиболее распространены органоразбавляемые двухкомпонентные эмали и грунтовки, применяемые в системах покрытий, иногда с эпоксидными грунтовочными и промежуточными слоями. Полиуретановые ЛКМ в системе с эпоксидным покрытием используют в качестве покрывного слоя, который обеспечивает долговечность и высокие декоративные свойства, а также их стабильность при эксплуатации.

Один из компонентов полиуретанового ЛКМ представляет собой раствор полиола с пигментами и добавками, второй компонент — это раствор изоцианатного отвердителя. Компоненты смешивают непосредственно перед употреблением, так как жизнеспособность этих ЛКМ ограничивается интервалом от 6-8 до 72 ч. Многие полиуретаны такого типа отверждаются при обычной температуре, некоторые требуют нагревания или введения дополнительных катализаторов. Однако во всех случаях они образуют покрытия высокого качества, отличающиеся абразиво-, хим-, морозо-, водостойкостью и хорошими декоративными свойствами.

В сочетании с эпоксидными антикоррозионными грунтовками полиуретановые лаки и эмали используются для защиты мостов, резервуаров, трубопроводов, а также самолетов, экскаваторов, вагонов, комбайнов и т.п. Мосты, окрашенные четырьмя слоями (цинкобогащенная эпоксидная грунтовка + 2 эпокси-полиамидных промежуточных слоя + двухупаковочная полиуретановая эмаль), более 5 лет выдерживают эксплуатацию в условиях холодного климата. Для защитно-декоративной окраски трубопроводов и резервуаров рекомендуется 3-слойная система, состоящая из эпоксидного грунта толщиной 100-150 мкм, полиуретанового промежуточного слоя и прозрачного покрывного лака (толщина каждого слоя 37-87 мкм). Такое покрытие надежно защищает объекты в условиях повышенной влажности и интенсивного солнечного излучения в течение 10 лет. Высокой долговечностью и химстойкостью характеризуются покрытия на основе полиуретановых ЛКМ с повышенным содержанием антикоррозионных пигментов. Покрытие, состоящее из цинксодержащей полиуретановой грунтовки и полиуретанового покрывного материала, в особо агрессивных средах имеет срок службы 15 лет.

Однокомпонентные полиуретановые лакокрасочные материалы

Однокомпонентные полиуретановые ЛКМ — это грунтовки и грунт-эмали, отверждаемые влагой воздуха. Нанесение покрытия в природных условиях осложняется тем, что на поверхности металла при температуре окружающего воздуха ниже точки росы образуется пленка конденсационной влаги. В результате покрытие имеет слабую адгезию, которая в дальнейшем негативно влияет на долговечность покрытия. Полиуретановые ЛКМ, отверждаемые влагой воздуха, можно наносить при температурах от 0 до 50 °С и высокой (до 98%!) относительной влажности воздуха, и это не влияет на качество покрытия. В результате значительно увеличивается окрасочный сезон при окрашивании объектов в полевых условиях.

Однокомпонентные полиуретановые покрытия, как и двухкомпонентные, обладают следующими преимуществами:

-   высокой атмосферостойкостью во всех климатических зонах, включая районы с агрессивной промышленной атмосферой;

-  однокомпонентные полиуретановые покрытия просты в применении, так как исключают возможные ошибки и технологический брак при приготовлении рабочих составов в отличие от двухкомпонентных полиуретановых или эпоксидных композиций;

-    возможностью проведения окрасочных работ по влажной, но не мокрой металлической поверхности;

-    тиксотропные высоковязкие полиуретановые материалы позволяют получать толщину сухой пленки до 80 мкм за один слой, что дает возможность сократить количество слоев, а следовательно, и трудозатраты при выполнении окрасочных работ в полевых условиях;

-    полиуретановые материалы совместимы с эпоксидными, хлоркаучуковыми, виниловыми, специальными алкидными материалами, что дает возможность получать ремонтоспособные системы покрытий.

Свойство этих материалов полимеризоваться за счет влаги воздуха позволяет в наименьшей степени зависеть от погодных условий и проводить окрасочные работы практически круглосуточно, включая утреннее и вечернее время, когда в результате суточных колебаний температур возникает точка росы.

Для защиты от коррозии объектов морского портового строительства используют отверждаемые влагой воздуха полиуретановые покрытия.

Применение однокомпонентных полиуретановых материалов — приемлемый и экономически целесообразный способ антикоррозионной защиты со сроком службы покрытий до 12-15 лет; он идеально подходит для мостовых конструкций, портовых сооружений, нефтедобывающих платформ.

Полимочевинуретановые лакокрасочные материалы

Основное отличие полиуретанмочевины от полиуретана заключается в применении в реакции полиамина вместо полиола, что позволяет получить полимер с иными функциональными группами, нежели полиуретан, а следовательно, и с новыми ценными свойствами:

1)    Полиол + Полиизоцианат = Полиуретан R-OH + R-NCO = Rj-NH-CO-O-R.

2)    Полиамин + Полиизоцианат = Полимочевина

R-NH₂ + R-NCO = Rj-NHCONH-R + R₂-NCO=

=R₂-NH-CO-N(-R₁)-CONH-R +R₃-NCO=

=r₃-nh-co-n(-r₂)-co-n(-r₁)-conh-r,

где R= - (CH2)_n-NH-(CH2)_n-.

Полимочевинуретановые лакокрасочные покрытия имеют следующие возможности:

-    получение толстослойного покрытия толщиной до 2,5 мм за один проход;

-    высокая скорость отверждения в течение ~15 с;

-    в реакции с изоцианатами полиамины реагируют быстрее полиолов, поэтому отверждение полимо-чевиновых покрытий может происходить при пониженных температурах (значительно ниже 0 °С);

-    образование эластичного покрытия с относительным удлинением до 800%;

-    высокие антикоррозионные свойства в условиях воздействия агрессивных агентов (воды, кислорода, УФ-излучения, кислых сред).

Высокая реакционная способность компонентов полимочевины обеспечивает формирование покрытий в отсутствие отвердителей или катализаторов. Материалы однокомпонентные, следовательно, более технологичные при нанесении. Повышению надежности технологического процесса получения покрытий способствует относительно низкая чувствительность полимочевины к влажности и температуре в сравнении с полиуретановыми покрытиями аналогичного назначения. Полиуретаны значительно более склонны к образованию дефектных пористых пленок вследствие реакции с влагой, всегда присутствующей в исходных сырьевых компонентах, на окрашиваемой поверхности и в атмосферном воздухе.

Полимочевиновые покрытия идеальны для антикоррозионной защиты металлоконструкций, эксплуатирующихся в прибрежных зонах. Полимочевину-ретановые изоляционные покрытия применяют для антикоррозионной защиты объектов инфраструктуры морских нефтегазовых платформ.

Фторсодержащие лакокрасочные материалы

Разработанные в 1960-х гг. фторполимеры отличаются очень высокой стойкостью к действию атмосферных факторов, химстойкостью и высокой коррозионной стойкостью. Их использование в покрывных ЛКМ позволяет сохранять цвет, блеск и коррозионную стойкость при долговременной эксплуатации. Такие свойства объясняются низкой поверхностной энергией фторопластов и их инертностью. Однако другие присущие им свойства ограничивают их широкое применение. Это прежде всего пленкообразова-ние при высоких температурах, слабая адгезия к металлу, а также невозможность ремонтной перекраски вследствие низкой межслойной адгезии.

В связи с этим усилия ученых в ХХ-ХХ1 вв. были направлены на решение вопроса синтеза функциональных фторполимеров для повышения адгезии фторопластовой пленки к металлу.

Усилия ученых увенчались успехом: наличие у фторполимера специальных функциональных групп способствует повышению в 7-8 раз адгезии к подложке.

Так, например, двухупаковочные окрасочные системы в составе основы содержат привитой эластомер с подвижными атомами водорода в молекуле, а в составе отвердителя — полиизоцианатный сшивающий агент. Используемый привитой фторэластомер получают прививкой на матричный фторполимер (СПЛ винилиденфторида с гексафторпропиленом, гидропентафторпропиленом, СПЛ тетрафторэтилена и пропилена и т.п.) аминосоединения с более одним подвижным атомом водорода в молекуле. Такие системы образуют покрытия, которые обладают хорошими адгезионными свойствами и высокой атмосферостой-костью.

Для усиления адгезии фторполимеров к стальной поверхности применяются традиционные системы покрытий с грунтовочным и промежуточным слоем, в которых фторсодержащий полимер выступает в качестве покрывного слоя.

Наиболее подходящей системой для защиты железнодорожных мостов является:

1)    эпоксидная цинксодержащая грунтовка — 75 мкм;

2)    эпоксидная эмаль, содержащая железную слюд-ку, — 2X60 мкм;

3)    фторполимерное покрытие — 40 мкм.

Данная система применима в различных климатических зонах, в том числе тропической и морской атмосфере.

Применение в данной система фторполимерного покрывного слоя обеспечивает большую погодоустойчивость, чем полиуретанового слоя. Разрушение полиуретановых покрытий в природных условиях вызывается разрушением связи в изоцианатных группах под воздействием УФ-излучения, тогда как фторуглерод-ная связь более устойчива к внешним воздействиям.

В 1980 гг. японские исследователи разработали группу модифицированных фторопластов, известных как виниловые эфиры фторэтилена, которые имеют превосходную стойкость к действию атмосферных факторов, характерную для фторполимеров, и одновременно свойства, близкие к обычным полиуретановым покрытиям. Они дороже, чем полиуретаны, однако показывают большую долговечность, что снижает расходы при эксплуатации объектов. Этими покрытиями защищаются мосты в Японии и США. Долговечность системы покрытия оценивается более чем в 60 лет.

Гибридные силикон-полимерные покрытия

C помощью силиконов можно контролировать химическую и топографическую природу поверхности лакокрасочного покрытия, что позволяет разрабатывать материалы с заданными гидро- и олеофильными свойствами. ЛКМ на основе традиционных пленко-образователей (эпоксидов, уретанов, акрилатов), модифицированные силиконами, называются гибридными.

Благодаря уникальной химической природе силиконов стало возможным получение на их основе гибридного полимера, в котором силоксан выступает в роли матрицы, а эпоксидные смолы являются модификаторами его боковых цепей. Сшивание эпоксидной и силок-сановых частей приводит к образованию продукта, обладающего уникальными химическими и физическими характеристиками, которые позволяют использовать его в качестве основы для долговременных защитных покрытий. Такие покрытия получили название гибридных.

Эпоксисилоксановая смола сочетает в себе достоинства эпоксидов с прочностью полисилоксанов. Низкая вязкость силоксанового полимера позволяет сократить количество летучих компонентов в составе материала и значительно увеличить его сухой остаток.

Гибридные композиции используются для получения хим-, водо- и атмосферостойких покрытий. Составы для антикоррозионной защиты металлов на основе силиконов обладают повышенной водостойкостью. Внедрение в эпоксидное покрытие силанового компонента приводит к резкому уменьшению поглощения воды покрытием за счет снижения поверхностной энергии и увеличения гидрофобности покрытия.

Низкая поверхностная энергия покрытия позволяет применять его в судостроении и для гидротехнических сооружений против биообрастания.