Основные подходы к выбору технологии окрашивания промышленных изделий

В настоящее время многие изготовители промышленной продукции для защиты от контрафактной подделки используют фирменные цвета для окрашивания своих изделий. При выборе цвета следует учитывать условия эксплуатации изделий. Так, в открытой атмосфере с повышенной влажностью такие расцветки ЛКП, как голубой, синий, красный, зеленый, образованные органическими пигментами, склонны к выцветанию и образованию белесых пятен. На крупногабаритных металлоконструкциях, окрашенных в красно-коричневый цвет, трудно оценить размер коррозионных разрушений. Такие изделия, как снегоходы, а также дорожную технику для условий холодного климата, необходимо окрашивать в яркие цвета, которые выделялись бы на фоне снежного покрова.

Блеск и фактура ЛКП определяются главным образом пленкообразующим веществом покрывной эмали (табл. 2).

Табл. 2. Блеск и фактура лакокрасочного покрытия

При этом следует учесть, что высокоглянцевые и глянцевые ЛКП требуют высокой степени обработки окрашиваемой поверхности (4<Rz<6,3 мкм), промежуточных выравнивающих промежуточных слоев. Если шероховатость поверхности Rz>10 мкм, рекомендуется использовать полуглянцевые, полуматовые и матовые ЛКП, так как они скрывают неровности поверхности. При шероховатости неокрашенной поверхности 20<Rz<80 мкм применяют рисунчатые и рельефные ЛКП. При шероховатости поверхности 80<Rz<500 мкм повысить класс покрытия можно путем шпатлевания.

Далее выбор ЛКП определяется условиями эксплуатации в зависимости от климатического исполнения изделия, категории его размещения и коррозионной агрессивности атмосферы.

Различают 10 категорий исполнения изделий (табл. 3).

Табл. 3. Климатические исполнения по ГОСТ 15150

В зависимости от рабочих и предельных значений температуры и среднегодовых и верхних значений влажности различают 5 укрупненных категорий:

•    на открытом воздухе;

•    под навесом;

•    в закрытых неотапливаемых помещениях;

•    в закрытых отапливаемых помещениях;

•    в условиях с повышенной влажностью.

Коррозионная агрессивность атмосферы зависит

от содержания в атмосфере таких коррозионных загрязнений, как сернистый газ и хлориды.

Группы условий эксплуатации ЛКП приведены в таблице 4.

Табл. 4. Группы условий эксплуатации по ГОСТ 9.104

В настоящее время классификацию коррозионной активности атмосферы часто проводят по ИСО 12944-2:1998. Соответствие типов атмосферы по ГОСТ 15150, условий эксплуатации по ГОСТ 9.104 и категории атмосфер по международной классификации показано в таблице 5.

В общем виде механизм электрохимической коррозии металла, имеющей место в атмосферных условиях, можно представить схемой (рис. 1).

Рис. 1. Электрохимическая коррозия черных металлов

Характерными особенностями коррозии являются пространственное разделение катодных (выход отрицательно заряженных электронов) и анодных (выход положительно заряженных ионов металла) процессов на поверхности металла, образование продукта через последовательность реакций, зависимость реакции от электродного потенциала. Главное условие реализации всех этих особенностей — наличие на поверхности металла фазовой пленки электролита. Большинство металлов стремится перейти из металлического состояния в ионное. Металл диссоциирует на положительный ион и электрон: Ме ^ Ме²⁺ + 2ё. Металлы, обладая низкой величиной работы выхода электронов, легко отдают электроны в фазу электролита, где последние связываются молекулами воды и кислорода с образованием гидроксильных ионов: ё + 2Н₂О + О₂ ^ 4ОН^-. Эти участки поверхности ведут себя как катоды. На других участках поверхности металла (аноды) положительный заряд, возникший в металле из-за выхода электронов, выталкивает ионы металла во внешнюю среду для восстановления равновесия (электронейтральности) металла. Ионы металла, встретившись в среде (жидкой фазе) с гидроксильными ионами, образуют электронейтральный продукт коррозии (собственно ржавчину): Ме²+ + 2ОН^- ^ Ме(ОН)₂, который оседает на поверхности металла или рассеивается в электролите. В результате выхода ионов металла в анодной области образуется язва (питинг), т.е. происходит локальное разрушение поверхности.

Защитное действие ЛКП при электрохимической коррозии в общем случае можно представить как совокупность двух составляющих механизмов:

-    диффузионно-адгезионное сопротивление или барьерный механизм, заключается в торможении транспорта агрессивного компонента по толщине покрытия и задержке накопления агрессивного компонента на границе раздела покрытие-металл. Действует вплоть до образования фазы агрессивной среды на поверхности металла под покрытием;

- электрохимическое    сопротивление заключается в сдвиге электрохимического потенциала поверхности металла к менее активным значениям и понижении величины тока коррозии. Действует с момента образования фазы агрессивной среды на поверхности металла.

Табл. 5. Отечественная и международная классификации условий эксплуатации

Факторами внешней среды, влияющими на сохранность декоративных и противокоррозионных свойств ЛКП, являются:

-    солнечная радиация (световая энергия);

-    температура (повышенная, пониженная, перепады температур);

-    влага (осадки, туман);

-    загрязнения и пыль (ветер, бури);

-    коррозионно-активные загрязнения (морские соли, сернистый газ).

Солнечная радиация вызывает фотоокислительную деструкцию полимера, в результате которой происходят потеря блеска, изменение цвета, бронзировка, меление ЛКП.

Повышенная температура вызывает увеличение подвижности молекул, интенсификацию их подвижности, приводящих к усилению окислительных процессов и фотохимических реакций и деструкции полимера.

Низкие температуры приводят к стеклообразному хрупкому состоянию пленкообразователя, снижению его эластичности, в результате чего снижается адгезия ЛКП и происходит его растрескивание.

Резкие колебания температуры приводят к увеличению внутренних напряжений в ЛКП, микро- и макрорастрескиванию и отслаиванию от окрашиваемой поверхности.

Повышенная влажность вызывает набухание и размягчение пленкообразователя и его гидролиз, приводя к снижению блеска, образованию пузырей, отслаиванию и коррозии.

Загрязнения и пыль оказывают истирающее воздействие, приводящее к потере блеска, механическому вымеливанию пигментов и эрозии покрытия, появлению гря-зеудержания.

Морская соль в виде хлоридов и сернистый газ в виде серной кислоты вызывают интенсивные коррозионные процессы.

В общем случае технология получения ЛКП определяется:

-    климатическим исполнением изделия;

-требуемым сроком службы; -типом окрашиваемой поверхности;

-состоянием поверхности перед окрашиванием;

-    технологическим оборудованием для получения ЛКП;

-    производственными площадями; -энегоресурсами.

Поверхности черных и цветных металлов перед окрашиванием должны соответствовать требованиям ГОСТ 9.402, ГОСТ 9.301 и ИСО 8501-1.

В зависимости от типа окрашиваемой поверхности, наличия на ее поверхности продуктов коррозии (ржавчины, окалины), загрязнений (пыли, масла, солей, влаги) и рельефа поверхности выбирают способ подготовки поверхности. При этом следует отметить, что если поверхность стали под слоем ЛКП не защищена фосфатной пленкой, то процесс коррозии протекает практически беспрепятственно. При наличии фосфатных слоев (рис. 2) электрическая цепь за счет электроизоляционных свойств фосфатной пленки обрывается, и процесс коррозии сильно затормаживается и может протекать лишь в порах фосфатной пленки.

Рис. 2. Механизм защитного действия фосфатной пленки

В случае невозможности проведения фосфатирова-ния или струйной очистки поверхности, например, в полевых условиях, используют модификаторы ржавчины.

Модификаторы ржавчины служат для:

-    преобразования продуктов коррозии железа в комплексные соединения или нерастворимые соли;

-    пропитки продуктов коррозии пенетрационны-ми средствами с целью торможения коррозионного процесса путем изоляции активных гидратов и связывания ионов железа в неактивное состояние;

-    превращения нестабильных модификаций окси-гидратов в более стабильные оксиды, например магнетит Ре₃О₄, обладающие плотной структурой (2):

2 y-FeOOH + Fe²+ ^ Ре₃О₄ (магнетит) + 2Н+.

В агрессивных условиях в присутствии кислорода и железа существуют благоприятные условия для перехода магнетита в a-FeOOH по схеме:

Fе₃O₄ (магнетит) + О₂ + 3Н+ ^ 3 a-FeOOH.

Выбор вида преобразователя ржавчины зависит от условий ее образования (табл. 6).

Табл. 6. Типы модификаторов ржавчины

Выбор грунтовочного покрытия зависит от характера его взаимодействия с окрашиваемой поверхностью и верхними слоями ЛКП, а также от его физикомеханических свойств.

Характер взаимодействия грунтовочного слоя с окрашиваемой поверхностью определяется его адгезионной связью с поверхностью, механизмом противокоррозионной защиты и пористостью поверхности. Прочностные свойства грунтовок, как правило, характеризуются морозостойкостью, а характер взаимодействия с верхними слоями ЛКП определяется их сочетаемостью.

Адгезия к окрашиваемой поверхности металла уменьшается в ряду (рис. 3).

Рис. 3. Механизм взаимодействия с металлической поверхностью

При    грунтовании поверхности эпоксидны

ми грунтовками происходит химическое взаимодействие с поверхностью металла (энергия связи 10-1000    кДж/моль),    полиуретановых образу

ется координационная связь (энергия связи 100-500 кДж/моль), а алкидно-уретановых — ион-ди-польная связь (энергия связи 20-40 кДж/моль).

По механизму защитного действия грунтовки подразделяются на:

-    изолирующие (барьерные);

-    пассивирующие (фосфат цинка);

-    протекторные (цинксодержащие);

-    фосфатирующие;

-    модификаторы ржавчины.

Механизм защитного действия различных типов грунтовок показан на рисунке 4.

Рис. 4. Механизм защитного действия лакокрасочного покрытия

Долговечность ЛКП зависит от типа пленкообра-зователя (рис. 5).

Рис. 5. Долговечность лакокрасочного покрытия в умеренном климате

При выборе ЛКП для условий холодного климата особое внимание необходимо уделять морозостойкости ЛКП. Под морозостойкостью ЛКП понимают их свойствосохранять механические качества при низких температурах. Морозостойкость характеризуется температурой, ниже которой ЛКП самопроизвольно разрушается или разрушается при незначительных механических воздействиях. Обычно эти разрушения проявляются в хрупкости пленки. При пониженных температурах пленки большинства полимеров постоянно теряют свою эластичность. Деформируемость пленки уменьшаться с понижением температуры. При низких температурах наступает состояние так называемого застекловывания эластичного полимера. Температура застекловывания определяет морозостойкость пленки ЛКП. Чем выше механические свойства материала (его прочность, растяжимость и гибкость) при нормальных температурах, тем больше его гибкость и эластичность при пониженных температурах. Удовлетворительной моростойкостью обладают покрытия на основе алкид-но-акриловых, акриловых, акрил-уре-тановых, уретановых, кар б амидных, меламинных, эпоксидных, эпоксиэ-фирных пленкообразователей.

При выборе водостойких покрытий, в том числе для условий морского и тропического климата, следует учитывать, что сорбирование влаги зависит от плотности упаковки молекул, степени сшивки и наличия гидрофильных групп (ОН-, СООН-, -СО), степени насыщенности основной цепи. Материалы с разветвленной структурой, имеющие большие межмолекулярные полости и малую степень сшивки, ненасыщенные полимеры и полимеры, содержащие в своей структуре большое количество гидрофильных групп, обладают повышенной влагопоглощаемостью.

Полимеры, содержащие только группы атомов СН₂, СН₃, С₆Н₅, С^, влагостойки. Это обычно неполярные или слабополярные материалы с плотноупакованной структурой (полиэтилен, фторопласт и др.). Полярные полимеры (поливинилхлорид), имеющие угол смачивания 65-75° и плотную структуру, тоже мало поглощает влагу. Некоторые материалы, например масляные, набухают в воде, но не пропускают ее, другие же, например нитро-целлюлозные, наоборот, практически не набухая, легко пропускают воду. Степень водопоглощения (набухания) повышается с увеличением содержания в пленкообразо-вателе гидроксильных или других полярных групп.

Противокоррозионные свойства ЛКП, применяемых для защиты от воздействия различных химических сред, определяются главным образом природой и химической стойкостью пленкообразующего вещества, его проницаемостью и адгезией к защищаемой поверхности. Существенно сказываются на стойкости покрытия и другие факторы: химическая активность агрессивной среды, ее растворимость в полимере, скорость диффузии и температура.

Повышенной химической стойкостью обладают полимеры, звенья которых не содержат реакционноспособных функциональных групп (непредельных связей, перекисных, омыляющихся, легкоотщепляющихся гидроксильных, галогенных и др.); обладающие регулярной химической и физической структурой (нерегулярность структуры полимеров облегчает их растворимость и проницаемость); не содержащие металлов переменной валентности и других загрязнений. Химически стойкие ЛКП не должны растворяться и набухать в агрессивной среде, должны быть непроницаемыми для нее, не должны химически взаимодействовать с агрессивной средой, должны сохранять неизменную адгезионную связь с подложкой. йднако совокупности этих факторов практически не удается достигнуть. Практика показывает, что химически стойкие системы ЛКП образуют ЛКМ на эпоксидных, уретановых, поливинилхлоридных, сополимеровинилхлоридных, хлорированных полиэтиленовых пленкообразователях.

Повышенная температура эксплуатации может вызвать в ЛКП следующие проблемы: пожелтение нестойких к температуре пигментов или пленкообразо-вателей; разрывы и расслоения лакокрасочного покрытия из-за разности коэффициентов расширения различных слоев в системе ЛКП; разрушение структуры покрытия из-за нарушения химического состава связующего. Наиболее часто используемые на практике ЛКП имеют следующую термостойкость:

-    полиуретановые — 140 °С;

-    полиакриловые — 180 °С;

-    алкидные — 230 °С;

-    эпоксидные — 250 °С

-    фторсодержащие — 290 °С;

-    кремнийорганические — свыше 300 °С.

Станки, двигатели различных приборов, агрегатов,

автомобилей, сельхозтехники и другие в процессе работы соприкасаются с нефтепродуктами (топливом, моторным и трансформаторным маслом, антифрикционными смазками). Практикой установлено, что обычные минеральные масла пропускают водяные пары в количествах, вполне достаточных для интенсивного коррозионного процесса металла. Кислорода содержится в масле больше, чем в воде: коэффициент растворимости кислорода для масел в 4-5 раз выше, чем для воды. При проникновении кислорода к металлической поверхности имеет место химическая коррозия. Засорение масла продуктами коррозии приводит к быстрому износу двигателей. Маслостойкие ЛКМ имеются в ряде групп материалов. Наиболее широкое применение нашли покрытия на основе фенолформальдегидных, карбамидных, меламинных, поливинилацетальных, алкидных и эпоксидных плен-кообразователей.

Выбор ЛКП для различных условий эксплуатации и различных типов окрашиваемой поверхности проводят по ГОСТ 9.401. А логическая модель выбора системы ЛКП в соответствии показана на рис. 6.

Рис. 6. Логическая модель выбора лакокрасочного покрытия

При этом необходимо учитывать технические возможности получения ЛКП: энергоресурсы (газ, электроэнергия, вода), имеющиеся у изготовителя ЛКП, площади, выделенные под производственный процесс, оборудование для проведения окрасочных работ.