Лакокрасочные покрытия (разделение на классы и методы нанесения)

Само определение «лакокрасочные покрытия» — это сформировавшаяся пленка лакокрасочного материала нанесенного на какую-либо поверхность. 

Лакокрасочные покрытия на различных поверхностях образуются в процессе пленкообразования лакокрасочных материалов нанесенных на эти поверхности. Сам химический процесс пленкообразования включает в себя сначала высыхание, а затем окончательное отверждение нанесенного покрывного материала.

Главное назначение (основная цель) лакокрасочных покрытий — защита поверхности материала от разрушений (металлических изделий — от коррозии, древесины — от гниения и разрушения) и для придания поверхностям декоративного вида, цвета и фактуры.

По своим эксплуатационным свойствам существуют лакокрасочные покрытия (ЛКП): атмосферостойкие, водостойкие, маслобензостойкие, химстойкие, термическистойкие, электроизоляционные, консервационные и ЛКП специального назначения.

Лакокрасочные покрытия спецназначения, это:

• Противообрастающие лакокрасочные покрытия, которые образуют судовые лакокрасочные материалы. Данные ЛКП препятствуют обрастанию подводных частей (ниже ватерлинии)  судов и гидротехнических сооружений водными микроорганизмами, водорослями, ракушками и т. п.;
• Светоотражающие лакокрасочные покрытия (светящиеся ЛКП) — способные к люминесценции в видимой области спектра при воздействии света, облучения, радиоактивного излучения и т. п.;
• Термоиндикаторные лакокрасочные покрытия. Данные ЛКП изменяют цвет или яркость свечения при воздействии определенной температуры;
• Огнезащитные лакокрасочные покрытия — препятствующие распространению пламени или воздействию высокой температуры на защищаемую поверхность;
• Противошумные (звукоизолирующие) лакокрасочные покрытия. Название этих ЛКП говорит само за себя. По внеш. виду (степень глянца, волнистость поверхности, наличие дефектов) лакокрасочные покрытия принято подразделять на 7 классов. Для получения лакокрасочных покрытий применяют разнообразные лакокрасочные материалы (ЛКМ), различающиеся по составу и хим. природе пленкообразователя.

По своему внешнему виду (по степени глянца или матовости, волнистости поверхности, придания определенных визуальных эффектов, наличия каких-либо дефектов и т. д.) лакокрасочные покрытия подразделяются на различные классы.

Для получения лакокрасочных покрытий применяют различные лакокрасочные материалы (ЛКМ), различающиеся по составу и химическим свойствам пленкообразователей, это ЛКМ:

• на основе термопластичных пленкообразователей (битумные лаки, эфироцеллюлозные лаки);
• на основе термореактивных пленкообразователей (полиэфирные лаки, полиуретановые лаки);
• на основе растительных масел (олифы, масляные лаки, масляные краски);
• на основе модифицированных масел (алкидные лаки на основе алкидных смол).

Лакокрасочные покрытия широко применяются во всех отраслях народного хозяйства, а также в быту.

Мировое производство ЛКМ составляет свыше ста миллионов тонн год. Более 50 % всех лакокрасочных матриалов используется в машиностроении (из них 20 % в автомобилестроении), 25 % — в строительстве и ремонте.

В строительной отрасли народного хозяйства для получения лакокрасочных покрытий (отделочные ЛКМ) применяются упрощенные технологии производства и нанесения лакокрасочных покрытий в основном на основе таких пленкообразователей, как казеин, водные дисперсии поливинилацетата, акрилатов или других аналогичных компонентов, а также на основе жидкого стекла.

Подавляющее большинство лакокрасочных покрытий получают нанесением лакокрасочных материалов в несколько слоев. Это гарантирует лакокрасочным покрытиям наивысшие показатели защиты покрываемой поверхности.

Толщина однослойных лакокрасочных покрытий колеблется в пределах от 3-х до 30 мкм (для тиксотропных ЛКМ - до 200 мкм), многослойных - до 300 мкм.

Для получения многослойных защитных покрытий наносят несколько слоев разнородных ЛКМ (так называемые комплексные лакокрасочные покрытия), при этом каждый слой такого покрытия выполняет определенную функцию: нижний слой — защитный грунт (получают нанесением грунтовки) обеспечивает адгезию комплексного покрытия к подложке, замедление электрохимической коррозии и т. п.

Защитное лакокрасочное покрытие с максимальными защитными характеристиками должно состоять из следующих слоев: фосфатный слой; шпатлевка; грунтовка (1-2 слоя); и 1-3 слоя эмали. В особых случаях, поверхность дополнительно покрывается лаком, который придает декоративные и частично защитные свойства. При получении прозрачных лакокрасочных покрытий лак наносится непосредственно на защищаемую поверхность изделий.

Технологический процесс получения комплексных лакокрасочных покрытий включает до нескольких десятков операций, связанных с подготовкой поверхности, нанесением лакокрасочного материала, их сушкой (отверждением) и промежуточной обработкой.

Выбор технологического процесса зависит от типа ЛКМ и условий эксплуатации лакокрасочных покрытий, природы подложки (например сталь, алюминий, другие металлы и сплавы, древесина, строительные материалы), формы и габаритов окрашиваемого объекта.

Качество подготовки окрашиваемой поверхности в значительной степени определяет адгезионную прочность лакокрасочного покрытия к подложке и его долговечность.

Подготовка металлической поверхности заключается в очистке ручным или механизированным инструментом, пескоструйной либо дробеструйной обработкой, а также химическими способами (реагенты, абразивы и т. п.).

Последние включают:

1. обезжиривание поверхности, например обработка водными растворами NaOH, а также Na₂CO₃, Na₃PO₄ или их смесей, содержащими ПАВ и другие добавки, органическими растворителями (бензин, уайт-спирит, три- или тетрахлорэтилен и т. п.) либо эмульсиями, состоящими из органического растворителя и воды;
2. травление — удаление окалины, ржавчины и других продуктов коррозии с поверхности (обычно после ее обезжиривания) действием, например в течение 20-30 мин 20 %-ной H₂SO₄ (при 70-80°С) или 18-20 %-ной НСl (при 30-40°С), содержащими 1-3 % ингибитора кислотной коррозии;
3. нанесение конверсионных слоев (изменение природы поверхности; используется при получении долговечных комплексных лакокрасочных покрытий): фосфатирование и оксидирование (чаще всего электрохимическим способом на аноде);
4. получение металлических подслоев — цинкование или кадмирование (обычно электрохимическим способом на катоде). Обработку поверхности химическими методами обычно осуществляют окунанием или обливанием изделия рабочим раствором в условиях механизированной и автоматизированной конвейерной окраски. Химические методы обеспечивают высокое качество подготовки поверхности, но сопряжены с последующей промывкой водой и горячей сушкой поверхностей, а следовательно, с необходимостью очистки сточных вод.

Способы нанесения жидких лакокрасочных покрытий

1. Ручной способ (кистью, шпателем или валиком) — для окраски крупногабаритных изделий (строительных сооружении, некоторых промышленных конструкций), бытового ремонта и исправления дефектов в быту. В таких случаях используется лакокрасочная продукция естественной сушки.

2. Валковый способ — механизированное нанесение ЛКМ с помощью системы валиков обычно на плоские изделия (листовой и рулонный прокат, полимерные пленки, щитовые элементы мебели, бумага, картон, металлическая фольга).

3. Окунание в ванну, заполненную лакокрасочным материалом. Традиционные (органоразбавляемые) ЛКМ удерживаются на поверхности после извлечения изделия из ванны вследствие смачивания. В случае водоразбавляемых ЛКМ обычно применяют окунание с электро-, хемо- и термоосаждением. В соответствии со знаком заряда поверхности окрашиваемого изделия различают ано- и катофоретическое электроосаждение — частицы ЛКМ движутся в результате электрофореза к изделию, которое служит соответственно анодом или катодом. При катодном электроосаждении (не сопровождающемся окислением металла, как при осаждении на аноде) получают лакокрасочные покрытия, обладающие повышенной коррозионной стойкостью. Применение метода электроосаждения позволяет хорошо защитить от коррозии острые углы и кромки изделия, сварные швы, внутренние полости, но нанести можно только один слой ЛКМ, т. к. первый слой, являющийся диэлектриком, препятствует электроосаждению второго. Однако этот метод можно сочетать с предварительным нанесением пористого осадка из суспензии пленкообразователя; через такой слой возможно электроосаждение. При хемоосаждении применяется лакокрасочный материал дисперсионного типа, содержащий окислители — при их взаимодействии с металлической подложкой на ней создается высокая концентрация поливалентных ионов (Ме0:Ме+n), вызывающих коагуляцию приповерхностных слоев лакокрасочного материала. При термоосаждении осадок образуется на нагретой поверхности — в этом случае в воднодисперсионный лакокрасочный материал вводят специальную добавку (ПАВ), теряющего растворимость при нагревании.

4. Струйный облив (налив) — окрашиваемые изделия проходят через "завесу" ЛКМ. Струйный облив применяют для окраски узлов и деталей различных машин и оборудования, налив — для окраски плоских изделий (например листового металла, щитовых элементов мебели, фанеры).

Методы облива и окунания применяют для нанесения ЛКМ на изделия обтекаемой формы с гладкой поверхностью, окрашиваемые в один цвет со всех сторон. Для получения лакокрасочных покрытий равномерной толщины без подтеков и наплывов окрашенные изделия выдерживают в парах растворителя, поступающих из сушильной камеры.

5. Распыление:

     а) пневматическое — с помощью ручных или автоматических пистолетообразных краскораспылителей ЛКМ с температурой от 20°С до 40-85°С подается под высоким давлением (200-600 кПа) очищенного воздуха. Данный метод высокопроизводителен, обеспечивает хорошее качество лакокрасочных покрытий на поверхностях различной формы;

     б) гидравлическое (безвоздушное), осуществляемое под давлением, создаваемым насосом (при 4-10 МПа в случае подогрева ЛКМ, при 10-25 МПа без подогрева);

     в) аэрозольное — из баллончиков, заполненных ЛКМ и пропеллентом. Данный метод применяют при подкраске автомашин, мебели и прочих изделий. Существенный недостаток методов распыления — большие потери ЛКМ (в виде устойчивого аэрозоля, уносимого в вентиляцию, из-за оседания на стенах окрасочной камеры и в гидрофильтрах), достигающие 40 % при пневмораспылении. С целью сокращения потерь (до 1-5 %) используют распыление в электростатическом поле высокого напряжения (50-140 кВ): частицы ЛКМ в результате коронного разряда (от специального электрода) или контактного заряжения (от распылителя) приобретают заряд (обычно отрицательный) и осаждаются на окрашиваемом изделии, служащем электродом противоположного знака. Этим методом наносят многослойные лакокрасочные покрытия на металлы и даже неметаллы, напр. на древесину с влажностью не менее 8%, пластмассы с токопроводящим покрытием.

Методы нанесения порошковых ЛКМ

• насыпание (насеивание);
• напыление (с подогревом подложки и газопламенным или плазменным нагревом порошка, либо в электростатическом поле);
• нанесение в псевдоожиженном слое, например вихревом, вибрационном.

Многие методы нанесения ЛКМ применяют при окраске изделий на конвейерных поточных линиях, что позволяет формировать лакокрасочные покрытия при повышенных температурах, это обеспечивает их высокие технические и потребительские свойства.

Получают также градиентные лакокрасочные покрытия путем одноразового нанесения (обычно распылением) ЛКМ, содержащих смеси дисперсий, порошков или растворов термодинамически несовместимых пленкообразователей. Последние самопроизвольно расслаиваются при испарении общего растворителя или при нагревании выше температур текучести пленкообразователей.

Вследствие избирательного смачивания подложки один пленко-образователь обогащает поверхностные слои лакокрасочных покрытий, второй — нижние (адгезионные). В результате возникает структура многослоевого (комплексного) лакокрасочного покрытия.

Сушку (отверждение) нанесенных ЛКМ осуществляют при 15-25°С (холодная, естественная сушка) и при повышенных температурах (горячая, «печная» сушка).

Естественная сушка возможна при использовании ЛКМ на основе быстровысыхающих термопластичных пленкообразователей (например перхлорвиниловых смол, нитратов целлюлозы) или пленкообразователей, имеющих ненасыщенные связи в молекулах, для которых отвердителями служат кислород воздуха или влага, например алкидные смолы и полиуретаны, а также при применении двухупаковочных ЛКМ (отвердитель в них добавляется перед нанесением). К последним относятся ЛКМ на основе, напр., эпоксидных смол, отверждаемых ди- и полиаминами.

Сушку ЛКМ в промышленности осуществляют обычно при температуре 80-160°С, порошковых и некоторых специальных ЛКМ — при 160-320°С. В этих условиях ускоряется улетучивание растворителя (обычно высококипящего) и происходит термоотверждение реакционноспособных пленкообразователей, например алкидных, меламино-алкидных, феноло-формальдегидных смол.

Наиболее распространенные методы термоотверждения покрытий: конвективный (изделие обогревается циркулирующим горячим воздухом), терморадиационный (источник обогрева — инфракрасное излучение) и индуктивный (изделие помещается в переменное электромагнитное поле).

Для получения лакокрасочных покрытий на основе ненасыщенных олигомеров используют также отверждение под действием ультрафиолетового излучения, ускоренных электронов (электронного пучка).

В процессе сушки протекают различные физические и химические процессы, приводящие к формированию лакокрасочных покрытий, например смачивание подложки, удаление органического растворителя и воды, полимеризация и (или) поликонденсация в случае реакционноспособных пленкообразователей с образованием сетчатых полимеров.

Формирование лакокрасочных покрытий из порошковых ЛКМ включает оплавление частиц пленкообразователя, слипание возникших капелек и смачивание ими подложки и иногда термоотверждение.

Промежуточная обработка лакокрасочных покрытий:

1) шлифование абразивными шкурками нижних слоев лакокрасочных покрытий для удаления посторонних включений, придания матовости и улучшения адгезии между слоями;

2) полирование верхнего слоя с использованием специальных паст для придания лакокрасочным покрытиям зеркального блеска. Пример технологические схемы окраски кузовов легковых автомобилей (перечислены последовательности операции): обезжиривание и фосфатирование поверхности, сушка и охлаждение, грунтование электрофорезной грунтовкой, отверждение грунтовки (30 минут при 180°С), охлаждение, нанесение шумоизолирующего, герметизирующего и ингибирующего составов, нанесение эпоксидной грунтовки двумя слоями, отверждение (20 минут при 150°С), охлаждение, шлифование грунтовки, протирка кузова и обдув воздухом, нанесение двух слоев алкидно-меламиновой эмали, сушка (30 минут при 130-140°С).

Свойства лакокрасочных покрытий определяются составом ЛКМ (типом пленкообразователя, пигментом и прочими составляющими), а также структурой покрытий.

Наиболее ценные характеристики лакокрасочных покрытий — адгезионная прочность к подложке (адгезия), твердость, прочность при изгибе и ударе. Кроме того, лакокрасочные покрытия оцениваются на влагонепроницаемость, атмосферостойкость, химстойкость и другие защитные свойства, комплекс декоративных свойств, например прозрачность или укрывистость (непрозрачность), интенсивность и чистота цвета, степень блеска.

Укрывистость достигается введением в ЛКМ наполнителей и пигментов. Последние могут выполнять также и иные функции: окрашивать, повышать защитные свойства (например противокоррозионные) и придавать специальные свойства лакокрасочным покрытиям (например электропроводимость, теплоизолирующую способность). Объемное содержание пигментов в эмалях составляет <30 %, в грунтовках — около 35 %, а в шпатлевках — до 80 %.

Предельный «уровень» пигментирования зависит также от типа ЛКМ: в порошковых красках он составляет 15-20 %, а в воднодисперсионных — до 30 %.

Большинство ЛКМ содержат органические растворители, поэтому производство лакокрасочных покрытий является взрыво- и пожароопасным. Кроме того, применяемые растворители, как правило, токсичны (ПДК 5-740 мг/м^з).

После нанесения ЛКМ требуется обезвреживание растворителей термическим или каталитическим окислением (дожиганием) отходов; при больших расходах ЛКМ и использовании дорогостоящих растворителей целесообразна их утилизация. В этом отношении преимущество имеют лакокрасочные материалы не содержащие органических растворителей (водоэмульсионные краски, порошковые краски), и ЛКМ с повышенным (более 70 %) содержанием твердых веществ.

В то же время наилучшими защитными свойствами (на единицу толщины), как правило, обладают лакокрасочные покрытия из ЛКМ используемых в виде растворов.

Для контроля качества и долговечности лакокрасочных покрытий проводят их внешний осмотр и определяют с помощью приборов (на образцах) свойства — физико-механические (адгезия, эластичность, твердость и др.), декоративные и защитные (антикоррозионные свойства, атмосферостойкость, водопоглощение).

Качество лакокрасочных покрытий оценивают по отдельным наиболее важным характеристикам (например атмосферостойкие лакокрасочные покрытия — по потере блеска и мелению) или по квалиметрической системе.

Долговечность лакокрасочных покрытий зависит также от интенсивности внешних разрушающих факторов (для атмосферостойких лакокрасочных покрытий — солнечное излучение, влажность, средняя температура и ее перепады и др.).

Механизм разрушения покрытий существенно зависит также от природы пленкообразователя, каталитической активности пигментов и пр. Так, перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия разрушаются в основном вследствие термо- и фотохимического разложения с выделением НСl, густосетчатые эпоксидные и полиэфирные — из-за возрастания внутренних напряжений, вызывающих ухудшение адгезионной прочности и снижение эластичности (вплоть до появления трещин на поверхности).

Долговечность современных атмосферостойких лакокрасочных покрытий (в умеренном климате) составляет 7-10 лет, водостойких — 3-5 лет, термостойкие выдерживают температуру до 300°С (кратковременно — 600°С и даже более).