Строительство и
архитектура/4.Современные строительные материалы
К.т.н. Фанина
Е.А., аспирант Гузеева О.Н.
Белгородский
государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия
Функциональные лакокрасочные покрытия специального назначения на основе
дисперсий углерода
Тенденции развития
современного мирового рынка лакокрасочных материалов создают необходимость разработки
новых эффективных составов, обладающих
улучшенными характеристиками по сравнению с известными аналогами [1]. Одним из
крупнейших потребителей лакокрасочной продукции является строительная отрасль,
для которой важными показателями качества покрытий является высокая прочность,
стойкость к воздействию агрессивных сред, технологичность при нанесении на
металлическую подложку и долговечность в эксплуатации.
Целью данной работы
является разработка функциональных лакокрасочных покрытий специального
назначения на основе дисперсий углерода и определение физико-химических и
электрохимических свойств полученных материалов. Предлагаемый состав решает
задачу увеличения сырьевой базы лакокрасочной промышленности с широким
диапазоном технологических свойств: увеличение длительности протекторной защиты
обрабатываемой поверхности металлоконструкций в условиях умеренного климата.
Состав разработанного
покрытия многокомпонентен: в качестве полимерного пленкообразующего связующего
использована кремнийорганическая основа, модифицированная углеродными
наполнителями и регулирующими добавками. Наполнителем является графит марки
ПСМ-2.
Кремнийорганические
высокомолекулярные соединения обеспечивают способность при нанесении на
поверхность тонким слоем образовывать в результате физических и химических процессов
покрытие, имеющее необходимое сцепление с поверхностью и высокую
термостойкость.
Наполнители на основе
дисперсий углерода – высокодисперсные неорганические вещества, регулирующие
вязкость, твердость, блеск, наполняемость покрытия. В отличие от пигментов
наполнители обладают низкой себестоимостью, что позволяет сократить затраты на
сам лакокрасочный материал [2]. Наполнители введены для улучшения эксплуатационных
характеристик покрытия. Регулирующие добавки ингибируют процесс коррозионной
деструкции металлической поверхности, способствуют повышению стабильности и
долговечности лакокрасочного материала.
Надежность,
долговечность и декоративный вид покрытия определяются целым рядом факторов:
свойствами лакокрасочного материала, схемой построения системы защитного
покрытия, условиями и режимом формирования каждого слоя. Каждый в отдельности
фактор и все они вместе играют важную роль в процессе получения качественного
покрытия [3].
В зависимости от
назначения и условий эксплуатации лакокрасочных покрытий к ним предъявляются
различные требования:
- низкая влагокислородопроницаемость;
- высокие механические характеристики;
- стойкость к
воздействию агрессивных сред;
- высокая и стабильная
во времени адгезия покрытия к стали;
- стойкость к катодному
отслаиванию;
- устойчивость покрытия
к тепловому старению.
Тем не менее, существуют
обязательные свойства, которыми должно обладать покрытие. Это адгезия, влагопоглощение,
твердость, химическая стойкость.
На начальном этапе работы был проведен анализ современного рынка лакокрасочных материалов, путем проведения патентного поиска и отбора эффективных составов. Полимерную матрицу получили синтезированием кремнийорганической композиции и мелкодисперсных частиц алюминия. Такая матрица обладает широким спектром ценных свойств: защита от воздействий солнечного света, тепловых излучений, влаги, коррозийных разрушений и др. Полимерную композицию модифицировали активным наполнителем на основе дисперсий углерода, который расширяет диапазон протекторных характеристик покрытия, повышая химическую и термическую стойкость. Гранулометрический состав наполнителя представлен на рис. 1.
Оптимальное процентное
соотношение компонентов в наполненной композиции вызывает синергический эффект,
повышающий эффективность общего состава. Сочетание наполнителей с полимерной
матрицей позволяет получать материалы с заданными физико-механическими и
эксплуатационными свойствами, превосходящими известные аналоги.
Экспериментальная часть
Следующий этап в
разработке эффективного лакокрасочного материала – исследование эксплуатационных
свойств подобранных рецептур. После стандартной подготовки поверхности стальных
образцов (травление, обезжиривание) их окрашивали, сушили, затем испытывали по
методикам, изложенным в нормативных документах.
Первичным показателем
качества покрытий считаем адгезию, которая выражается интенсивностью межмолекулярного,
молекулярного и химического взаимодействия на поверхности раздела. Степень адгезии определили
согласно требованиям ГОСТ 15140-78 «Материалы лакокрасочные. Методы определения
адгезии», использовали метод решетчатых надрезов.
Сущность метода
заключается в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов и
визуальной оценке состояния покрытия по четырехбальной системе [4]. В
результате эксперимента выявили оптимальное соотношение компонентов покрытия,
которое обеспечивает прочное сцепление с металлом, соответствующее высшему балу
– 1 (края надрезов полностью гладкие, нет признаков отслаивания ни в одном
квадрате решетки). Микрофотография надрезов образцов с высшей степенью адгезии
представлена на рис. 2.
100 мкм
Рис.2. Микрофотография
надрезов образцов пленочных покрытий
Одной из важнейших задач
при разработке систем покрытий для строительства является защита от
влаги, которая характеризуется диффузионной проницаемостью и водопоглощением
пленки покрытия [5]. Насыщение водой снижает прочность и атмосфероустойчивость
материалов.
Согласно ГОСТ 21513-76 «Методы определения
водо- и влагопоглощения лакокрасочной пленкой» определили водопоглощение покрытия
на окрашиваемой поверхности. Метод заключается в определении массы воды,
поглощенной лакокрасочной пленкой на окрашиваемой поверхности, погруженной в
воду при определенных температуре и времени испытания. Водопоглощение (Wп) в
процентах вычисляют по формуле (1):
где m0 - масса
чистой пластинки, г; m1- масса пластинки с покрытием до
испытания, г; m2 - масса с покрытием после испытания,
определяемая разностью массы пластинки со стаканчиком и массы стаканчика, г [6].
За
результат приняли среднее арифметическое трех определений, отличающихся не
более чем на 10 % от вычисленного Wп. Исследования по водопоглощению
полимерных пленок образцов с эффективной адгезией, показали, что разработанные
составы обладают допустимым влагопоглощением Wп
= 1,5 %, указанным в ГОСТ Р 51691-2008 «Материалы лакокрасочные. Общие
технические условия».
Критериями
оценки износоустойчивости лакокрасочного покрытия являются ее эластичность и
твердость. Способность пленки выдерживать деформацию вследствие изменения
линейных размеров подложки при перепадах температур или относительной влажности
окружающей среды, называется эластичностью. Данный показатель определили по
методике, изложенной в ГОСТ 6806-73 «Материалы лакокрасочные. Метод определения
эластичности пленки при изгибе».
Метод
заключается в определении минимального диаметра металлического цилиндрического
стержня, изгибание на котором окрашенной металлической пластинки не вызывает
механического разрушения или отслаивания однослойной или многослойной
лакокрасочной пленки [7]. Исследование показало, что разработанный состав
обладает эластичностью равной 1 мм.
Твердость лакокрасочного
покрытия является важной физико-механической характеристикой, показателем когезионной
прочности, степени высыхания и возможности применения в различных условиях.
Определение
твердости покрытия динамическим методом по маятниковому прибору типа ТМЛ со
сменным маятником типа А проводили согласно ГОСТ 5233-89 «Материалы
лакокрасочные. Метод определения твердости покрытий по маятниковому прибору».
Сущность
метода заключается в определении времени (числа колебаний), в течение которого
амплитуда затухающих колебаний маятника, помещенного на лакокрасочное покрытие,
уменьшается на заданную величину. Твердость
лакокрасочного покрытия (Н) в относительных единицах вычисляют по формуле (2):
где t0 – время затухания колебаний
маятника на испытуемом образце, с; tк – время затухания колебаний маятника на контрольной пластинке, с; t – средний период колебаний маятника, с (t = 1,4
с для маятника A); N0 – число
колебаний маятника на испытуемом образце; Nк – число колебаний маятника на
контрольной пластинке. [8].
Исследование
показало, разработанное покрытие обладает высокой степенью твердости (не менее 0,3 отн.ед.), которое обеспечивает
необходимое сопротивление пластической деформации или разрушению при местном
силовом воздействии.
Стойкость покрытия к
статическому воздействию жидких сред определена по ГОСТ 9.403 «Единая система защиты от
коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Методы испытаний на стойкость к
статическому воздействию жидкостей» согласно методу А. Эксикатор с образцами
исследуемых покрытий, погруженными в раствор аммиака и серной кислоты,
поместили в вытяжной шкаф, нагретый до температуры 60 °С и выдержали в течение
8 часов. После проведенных испытаний провели визуальный осмотр образцов,
изменений покрытия не выявлено, пленка устойчива к воздействию агрессивных
сред.
В результате испытания
на термостойкость определили способность пленки выдерживать воздействие высокой
температуры в интервале до 600 °С без заметного ухудшения физико-механических
свойств и внешнего вида.
Выводы
С учетом проведенных
испытаний выявили следующие эксплуатационные преимущества модифицированных покрытий
на основе дисперсий углерода: высокая степень адгезии к металлу и заводским
покрытиям; возможность эксплуатации в агрессивных средах и под воздействием
высоких температур; высокие протекторные свойства в тонкой пленке; проникновение
в микрозазоры, микротрещины; тиксотропность; легкость нанесения пульверизацией,
погружением, кистью и др.
Библиографический
список
1. Ковалюк Е.Н. Разработка и исследование свойств новых
лакокрасочных покрытий / Е.Н. Ковалюк,
Г.П. Замыслова, И.В. Мурашева и др. // Вестник Ангарской государственной
технической академии. 2009 – № 1 (том
3)
2. Яковлев, А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий / А.Д.
Яковлев – Л.: Химия, 1981. – 352 с.
3. Карякина, М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий / М.И.
Карякина – М.: Химия, 1988. – 272 с.
4. ГОСТ 15140-78
«Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии»
5. Ламбурн Р. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика /
Р. Ламбурн. – СПб.: Химия, 1991. – 512
с.
6. ГОСТ 21513-76 «Методы
определения водо- и влагопоглощения лакокрасочной пленкой»
7. ГОСТ 6806-73
«Материалы лакокрасочные. Метод определения эластичности пленки при изгибе»
8. ГОСТ 5233-89
«Материалы лакокрасочные. Метод определения твердости покрытий по маятниковому
прибору»