Есть мнение Лакокрасочные материалы Отверждение покрытий

Отверждение покрытий

Отверждение является последней стадией получения лакокрасочных покрытий (Пк). Механизм отверждения ЛКМ может быть довольно сложным и состоять из нескольких процессов, протекающих последовательно или параллельно. В технической литературе и нормативной документации для описания этих процессов используют термины «высыхание» или «сушка». Однако правильно было бы говорить о процессе формирования Пк из исходных ЛКМ, химии и технологии этого процесса. Под термином «формирование» понимают протекание всех перечисленных процессов, начиная с момента нанесения ЛКМ и кончая приобретением Пк полного комплекса эксплуатационных свойств. Для краткости будем называть этот процесс распространенным термином «отверждение». Об этом ведущий рубрики расскажет сам, сохраняя обычную форму вопросов и ответов.

Как отверждаются различные ЛКМ?

Механизм отверждения определяется главным образом типом основного пленкообразователя, в соответствии с которым они разделяются на термопластичные и термореактивные. Если первые сразу после физического высыхания образуют Пк с необходимыми свойствами, то вторые отверждаются за счет протекания определенных химических реакций. Среди них можно выделить процессы полимеризации, поликонденсации и полиприсоединения. Но поскольку термореактивные ЛКМ, как правило, содержат растворители, то параллельно с химическими реакциями также проходит процесс физического высыхания. Отметим, что отверждение может протекать как при нормальной (~20°С), так и при высокой температуре.

Определенные особенности отверждения имеют водно-дисперсионные и порошковые ЛКМ.

Далее надо упомянуть и о различных технологиях отверждения, особенно высокотемпературного. В зависимости от способа нагрева Пк различают конвекционную и терморадиационную (с помощью ИК-облучения) сушки. Существует и радиационное отверждение (УФ-облучение, ускоренные электроны).

Каковы особенности процесса физического высыхания?

Процесс улетучивания растворителей в значительной степени влияет на формирование Пк, особенно на его внешний вид и другие декоративные свойства. Это характерно для термопластичных и термореактивных пленкообразователей. Известно, какой проблемой для потребителей ЛКМ являются дефекты Пк, например пузыри, проколы, кратеры, шагрень и др. Чаще всего появление таких дефектов прямо связано с процессом физического высыхания Пк: либо неправильным выбором композиции летучей части ЛКМ, либо неверным температурным режимом сушки. Если, например, температура сушки близка к температуре кипения растворителя, входящего в состав ЛКМ, то вероятность появления дефектов велика.

Конечно, причиной возникновения дефектов является не только данный фактор. Существует большой ассортимент специальных добавок, устраняющий их. Но это — тема отдельной беседы.

Какие ЛКМ отверждаются путем физического высыхания?

ЛКМ, для которых процесс отверждения — только физическое высыхание, изготавливают на основе высокомолекулярных пленкообразователей, растворимых в органических растворителях. Самые распространенные из них — нитраты целлюлозы (НЦ), поливинилхлорид (ХВ), сополимеры винилхлорида и других мономеров (ХС), поливинилацетали (ВЛ), хлорированный и хлорсульфированный полиэтилен (ХП) и ряд других. Разумеется, рецептуры ЛКМ, буквенное обозначение которых приведено в скобках, содержат и другие компоненты.

Перечисленные материалы имеют разное назначение и свойства. Но у них есть общие достоинства и недостатки.

К достоинствам можно отнести удобство работы с ними. Они однокомпонентные, технологичны при нанесении, быстро высыхают на воздухе. После отверждения они образуют Пк с достаточно хорошими декоративными и физико-механическими свойствами.

Но поскольку в основе этих ЛКМ содержатся высокомолекулярные термопластичные пленкообразователи, они имеют невысокое содержание нелетучих. А это значит, что толщина однослойного Пк невелика, и для получения Пк с хорошими эксплуатационными свойствами требуется наносить много слоев. ЛКМ, отверждаемые за счет физического высыхания, обладают, как правило, неудовлетворительными защитными свойствами и атмосферостойкостью. Срок службы таких Пк невелик.

Какие ЛКМ отверждаются за счет протекания химических реакций?

Есть несколько разновидностей термореактивных пленкообразователей. Рассмотрим их последовательно. Но сначала отметим их общие свойства.

Образование в Пк сшитой полимерной структуры в результате химических реакций способствует улучшению эксплуатационных свойств. Но у этих ЛКМ есть одна общая проблема: химические реакции должны протекать именно в Пк, а не в объеме ЛКМ. Иначе при хранении ЛКМ сначала будет значительно возрастать вязкость, затем они могут превратиться в гель, и нанести их станет невозможно. Эту задачу для конкретных видов ЛКМ решают по-разному.

Широко распространены ЛКМ на основе пленкообразователей с ненасыщенными (двойными) связями. Они отверждаются за счет реакции окислительной полимеризации, причем в качестве катализатора применяют специальные вещества — сиккативы. Это алкидные ЛКМ: глифталевые (ГФ), пентафталевые (ПФ) и другие; уралкидные (АУ), алкидно-акриловые (АС), алкидно-стирольные (АС), а также некоторые другие, в частности олифы. Общим для них является то, что они, как правило, однокомпонентные, а значит, с ними легко работать. Чаще всего, в качестве разбавителя этих материалов применяют малотоксичный уайт-спирит. После отверждения они образуют Пк с довольно хорошими декоративными и защитными свойствами. Благодаря повышенной атмосферостойкости срок службы этих Пк выше, чем Пк на основе термопластичных ЛКМ (типа НЦ). Стоимость таких ЛКМ невысока.

Однако скорость отверждения указанных ЛКМ при естественной сушке медленная; для ее повышения необходимо применять горячую сушку. Тем не менее физико-механические свойства Пк, в частности твердость, не вполне удовлетворительны.

Проблема хранения данных ЛКМ сводится к устранению доступа воздуха к материалу, поскольку наличие кислорода ускоряет полимеризацию. Однако в любой таре воздух все-таки есть, и при хранении на поверхности ЛКМ часто образуется корка, препятствующая дальнейшему контакту материала с воздухом и защищающая основной объем ЛКМ. Отметим также, что существуют специальные добавки, предотвращающие образование корки.

Другой тип отверждения — за счет реакции поликонденсации.

К материалам такого типа относятся мочевиноформальдегидные (МЧ), меламиноформальдегидные (МЛ), частично акриловые (АК), эпоксиэфирные (ЭФ), а также некоторые другие. На-1 значение, применение и свойства их весьма разнообразны.

Общим для них является то, что реакция поликонденсации протекает при высоких температурах (от 100°С). Это и достоинство: так как они одноупаковочные, работать с ними удобно, а хранить можно при естественных условиях без опасения. Это и недостаток, потому что для отверждения обязательно потребуется горячая сушка.

Образуемые Пк имеют комплекс высоких эксплуатационных свойств, благодаря чему их срок службы достаточно велик. Для получения Пк с улучшенными декоративными свойствами часто применяют ступенчатую сушку (например, сначала 80, затем 140°С).

Отметим попытки снизить температуру сушки таких ЛКМ до 80°С с помощью катализаторов кислотного типа. При этом физико-механические и декоративные свойства Пк могут оставаться удовлетворительными, но атмосферостойкость резко ухудшается.

Существуют ЛКМ, предусматривающие комбинированное отверждение, в составе которых содержатся термопластичные и термореактивные компоненты.

Наконец, ЛКМ, отверждаемые за счет реакции полиприсоединения.

Наиболее известные из них — полиуретановые (УР) и эпоксидные (ЭП). Они отверждаются при комнатной температуре, что делает невозможным их хранение в одной упаковке. Поэтому их поставляют в виде двух компонентов, как правило, полуфабрикат и отвердитель, которые хранят отдельно. Перед применением их смешивают в нужном соотношении и сразу же используют. Одной из важных характеристик таких ЛКМ является жизнеспособность — время, в течение которого материал после смешения сохраняет технологические свойства.

Это, разумеется, недостаток таких ЛКМ. И тем не менее их широко применяют, так как после отверждения (до 7 сут) Пк приобретают очень хорошие эксплуатационные свойства. Срок их службы велик.

Какие особенности отверждения дисперсионных ЛКМ?

Основная особенность данных ЛКМ заключается в том, что пленкообразователь (чаще всего, полиакрилаты и их сополимеры) представляет дисперсную фазу, а дисперсионной средой является летучая часть композиции, в большинстве случаев вода, содержащая также различные функциональные добавки. Эта особенность существенно усложняет механизм отверждения дисперсионных ЛКМ, протекающего в несколько стадий.

Первая стадия отверждения — физическое высыхание, испарение летучих компонентов ЛКМ. Далее частицы дисперсной фазы сближаются, и начинает протекать процесс коалесценции, слияния частиц пленкообразователя и образования сплошного Пк. Процесс коалесценции также может проходить в несколько стадий. Для его ускорения в рецептуры дисперсионных ЛКМ обычно вводят специальные добавки — коалесценты (уайт-спирит, бутил-целлозольв, сложные эфиры карбоновых кислот и др.), которые также могут снижать температуру пленкообразования.

Отметим, что по свойствам дисперсионные ЛКМ, как правило, уступают органорастворимым материалам. Первые применяют в тех случаях, когда требования к свойствам Пк невысоки, а важны вопросы экологии и экономики (например, фасадные ЛКМ).

Как отверждаются порошковые краски?

Порошковые краски содержат в качестве пленкообразователей твердые частицы сшитого полимера, поэтому в данном случае отсутствует стадия физического высыхания. Основная стадия формирования Пк — получение сплошной пленки из исходных частиц краски. Это достигается «сплавлением» частиц при высокой температуре (иногда до 200°С). Отметим, что этот механизм формирования дает в результате однородные Пк, без сквозных пор, что обеспечивает хорошие эксплуатационные свойства, в частности длительный срок службы Пк. Для получения Пк с высоким блеском применяют двухступенчатый режим сушки с подъемом температуры.

Как контролировать процесс отверждения покрытий?

Существует термин «степень высыхания», который характеризует состояние Пк после его отверждения. В соответствии с ГОСТ 19007 таких степеней 7, но обычно пользуются «степенью 3», которая соответствует «практическому» высыханию. Метод определения этого параметра с помощью бумажного диска и нагрузки — быстрый и удобный, но не характеризует полноту отверждения.

Более надежен, особенно при разработке новых материалов, метод определения степени отверждения по содержанию в Пк гель-золь-фракции, основанный на способности растворимой части Пк (золь-фракции) вымываться растворителем. Но этот метод применим только к термореактивным пленкообразователям, он трудоемок и длителен.

Поскольку цель отверждения — достижение Пк определенных свойств, то на практике степень высыхания часто определяют измерением физико-механических свойств Пк, как правило твердости.

Заключение. Хотелось бы подробнее рассказать об особенностях технологии отверждения. Но поскольку технология всегда связана с аппаратурой, то эта тема требует отдельной публикации.