Современные ЛКМ (преимущества и недостатки)
При производстве и последующем применении такой стратегически важной группы товаров, какой являются лакокрасочные материалы, в различных отраслях промышленного производства в мире ежегодно применяется до 10 миллионов тонн летучих органических соединений. Большая их часть при выполнении отделочных работ улетучивается и практически безвозвратно пропадает, т. к. улавливание и рекуперация во многих случаях представляют собой сложные, а главное дорогостоящие процессы. Пары растворителей, попадая в атмосферу, оказывают губительное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.Широко применяемые в настоящее время нитроцеллюлозные, карбамидо- и меламиноалкидные, полиуретановые материалы содержат до 80 % растворителей и поэтому являются экологически неполноценными. Одновременно происходит постоянное и не стабильное изменение цен на нефть, которая используется для производства этих лакокрасочных материалов, что делает их использование невыгодным и с экономической точки зрения. Таким образом, сегодня производители ЛКМ вынуждены считаться с двумя важными факторами: ужесточением требований по охране окружающей среды и экономической целесообразностью.
В связи с этим современные технологии создания современных лакокрасочных покрытий развиваются в направлении сокращения использования растворителей. Обозначившиеся тенденции нашли свое выражение в изменении ассортимента выпускаемой лакокрасочной продукции.
В настоящее время акцент делается на производство и применение материалов с высоким сухим остатком (более 60 %) или практически не содержащих растворителей (менее 5 %), композиций на водной основе, порошковых лакокрасочных материалов.
Лакокрасочная продукция описанных выше видов имеет свои достоинства и недостатки, поэтому при их создании и использовании очень важно найти компромисс, удовлетворяющий всем, иногда противоречивым, требованиям современности.
Порошковые материалы
Важным преимуществом порошковых составов является полное отсутствие загрязнения окружающей среды при их нанесении.
Порошковые материалы высокоэффективны и характеризуются малыми потерями, в т. ч. при отделке непрофильных поверхностей. Однако для их производства и нанесения необходимо специальное оборудование, кроме того, процесс окрашивания взрыво- и пожароопасен. К тому же, затраты электроэнергии на отделочные работы довольно велики. Еще один минус: порошковые материалы нельзя использовать в быту.
Для получения порошковых материалов используют термореактивные и термопластичные пленкообразователи.
Термопластичные порошковые композиции можно изготовить на основе нейлона, поливинилхлорида, ацетона и бутирата целлюлозы, полиэтилена. Такие порошки перед нанесением диспергируются в воде. Примером являются суспензионные лакокрасочные материалы или водные порошковые суспензии, наносимые методом электроосаждения.
Термореактивными пленкообразователями могут служить эпоксидные, полиакриловые, полиуретановые олигомеры и полиэфиры.
Полиэфирные порошковые материалы создаются на основе гидроксилсодержащих полиэфиров и отверждаются меламиноформальдегидными или блокированными изоцианатами. Известны также материалы на основе кислых полиэфиров, отверждаемых эпоксидными смолами. Разработаны также акриловые композиции, но они имеют умеренные эксплуатационные свойства и нестабильны при хранении.
Широкое применение получили эпоксидные порошковые материалы на основе диановых смол, отверждаемых аминами. На их долю приходится 80 % объема выпуска термореактивных порошковых материалов. Эти краски представляют собой одноупаковочную систему, отверждающуюся при температуре 150–200 °С. Применяются в радиотехнической и электронной промышленности.
Из-за высоких температур отверждения порошковые материалы используют для окраски металлических и стеклянных подложек. Ими можно отделывать металлические мебельные каркасы, трубы, кровельные материалы, радиаторы, бытовые приборы, торговое оборудование. Покрытия из порошковых материалов характеризуются износостойкостью, ударопрочностью, хорошими антикоррозионными и электроизоляционными свойствами.
Порошковые краски необходимо наносить толстым слоем для того, чтобы получить соответствующий внешний вид, а перед этим довольно тщательно выполнять шпатлевание (пленки больших, чем обычно, толщин обладают еще и хорошими антикоррозионными свойствами). Однако на их основе трудно получить покрытия с металлическим блеском (не просвечивают металлические пигменты).
Отечественной промышленностью выпускаются следующие порошковые краски: П-ЭП-45, П-ЭП-лакс-2, П-ЭП-219, П-ЭП-534, П-ЭП-ПЛ-102.
Импортные порошковые материалы на отечественном рынке представлены продукцией концерна Akzo Nobel.
Материалы с высоким сухим остатком
Преимуществами материалов с высоким сухим остатком (ВСО) считаются в первую очередь экологичность, а также то обстоятельство, что они позволяют применять ту же технологию окрашивания, что и для материалов обычного типа. Параметры процесса в этом случае остаются одинаковыми, поэтому возможно использование уже имеющегося оборудования.
Недостатки обусловлены тем, что в составе этих материалов содержатся смолы с меньшей массой и вязкостью, в связи с чем увеличивается вероятность образования потеков при нанесении. Поэтому для получения качественного покрытия в процессе работы необходим контроль реологических свойств материала. Кроме того, в состав материалов с ВСО нужно вводить более реакционноспособные смолы. Только в этом случае покрытия будут обладать требуемыми физико-химическими свойствами.
Изменять и регулировать свойства материала можно, используя в композициях с ВСО микрогели, способные образовывать сшитые структуры.
Олигоэфирные лакокрасочные материалы
Из олигоэфиров наибольшее применение находят модифицированные (алкидные) олигомеры и ненасыщенные полиэфирные олигомеры.
Исходными продуктами для получения алкидных олигомеров являются пентафтали и глифтали, модифицированные растительными маслами и канифолью. На основе глифталевых алкидов выпускаются грунтовки и шпатлевки, в основном предназначенные для подготовки металлических поверхностей под окраску. Пентафталевые алкиды входят в состав лаков и эмалей, применяющихся для отделки древесины (паркета, оконных блоков) и получения атмосферостойких покрытий. Такие алкиды отверждаются быстрее глифталевых. Пентафталевые покрытия превосходят глифталевые по твердости, механическим характеристикам, атмосферостойкости.
Алкидные материалы недорогие, отверждаются в естественных условиях и при горячей сушке, имеют различные области применения.
Алкидные материалы с высоким сухим остатком
Полиэфирные материалы отличаются высоким содержанием пленкообразующих веществ (70–97%). Основная часть их компонентов при отверждении вступает в химическое соединение. Тем самым создается высокий сухой остаток покрытия.
Основными компонентами полиэфирных материалов являются: ненасыщенная полиэфирная смола, растворенная в мономере (который при отверждении не испаряется, а вступает в реакцию со смолой); инициатор–вещество, вызывающее химическое взаимодействие между смолой и мономером (вводится перед употреблением); ускоритель, интенсифицирующий процесс отверждения.
Олигоэфирмаленаты образуют покрытия с высокой твердостью, светостойкостью к химическим реагентам.
На их основе выпускают материалы двух типов: парафиносодержащие и беспарафиновые.
Парафиносодержащие применяются в мебельном производстве для получения высокоглянцевых закрытопористых покрытий, в т. ч. при отделке ДСП. Это двухупаковочные материалы. Так как содержание нелетучих в них составляет 95–97 %, за одно нанесение можно получить достаточно толстый слой покрытия.
Недостатком этих материалов является то, что их можно наносить только на горизонтальные поверхности. Кроме того, они имеют пониженную адгезию к подложке, плохо отверждаются на сильносмолистой древесине.
Беспарафиновые материалы являются одноупаковочными. Их можно наносить на горизонтальные и вертикальные поверхности. Получаемые покрытия имеют высокую эластичность и хорошую адгезию к различным подложкам.
Полиэфирные материалы могут отверждаться при комнатной температуре, при конвективном и терморадиационном нагреве, УФ-облучением, электронным облучением в атмосфере инертного газа.
Применение олигоэфираминоформальдегидных систем с ВСО позволяет не только снизить вредные выбросы растворителей на 65 %, но и уменьшить трудозатраты на их нанесение, снизить энергозатраты, транспортные и складские расходы. Их используют в автомобильной промышленности в качестве промежуточных покрытий. Низковязкие композиции такого типа применяются для окраски сельскохозяйственной техники, металлической мебели, бытовых приборов. Составы на основе полиэфирно-меламиновых композиций с ВСО (80 %) хорошо зарекомендовали себя в качестве автоэмалей. Совмещение их с акриловыми сополимерами позволяет получить грунт-эмали для защиты металлических строительных конструкций.
Олигоэфирмеламиновую основу с ВСО содержит отечественная грунтовка ПЛ-0213 горячего отверждения. Низковязкие композиции такого типа выпускаются германской фирмой HR (марки Vesturit 914 и 1211).
Акриловые лакокрасочные материалы
К лакокрасочным системам с ВСО (до 65%) относятся термореактивные полиакрилаты — продукты совмещения мономеров, имеющих реакционноспособную группу (гидроксильную, карбоксильную, эпоксидную и др.) с алкидными, карбамидо- и меламиноформальдегидными, эпоксидными олигомерами.
Покрытия на основе полиакрилатов отличаются хорошими физико-химическими свойствами: атмосферо- и светостойкостью, прочностью, декоративностью, а также хорошей адгезией к различным материалам. Материалы на их основе используют для антикоррозионной окраски автомобильных кузовов, бытовых приборов, алюминиевых конструкций. Недостатком их является относительно высокая стоимость.
Особый интерес представляют водные дисперсии полиакрилатов, получаемые эмульсионной полимеризацией акриловых полимеров и сополимеров. Их используют в водоразбавляемых композициях, образующих твердые, атмосферостойкие и блестящие покрытия. Эти материалы применяют в строительстве для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений, а также для отделки древесины.
Полиуретановые лакокрасочные материалы
В качестве пленкообразователя в полиуретановых материалах с ВСО используют олигомеры с наличием гидроксильных групп. В одноупаковочных материалах олигомеры комбинируются с блокированными изоцианатами, в двухупаковочных — с изоцианатами.
Одноупаковочные системы более удобны в применении, однако они отверждаются при достаточно большой температуре.
Двухупаковочные системы перед употреблением необходимо смешивать, при этом жизнеспособность приготовленных материалов невелика, однако их преимуществом является гибкость параметров процесса отверждения.
Полиуретановые покрытия характеризуются высокими механическими показателями. Например, их твердость приближается к твердости стекла. Они атмосферо- и водостойкие, устойчивы к воздействию кислот, щелочей, растворителей, имеют хорошую адгезию к древесине, металлам, пластикам, покрытиям на основе других пленкообразователей.
Полиуретановые лакокрасочные материалы токсичны и сравнительно дороги, но высокая стоимость окупается долговечностью защитных покрытий на их основе. Такие материалы используют для окраски морских судов, металлических и бетонных конструкций, в авиастроении, мебельной промышленности и строительстве.
Кремнийорганические эмали
Особый интерес представляют кремнийорганические материалы олигоэфирного типа с ВСО. Силиконовые олигомеры хорошо совместимы с алкидными, акриловыми, олигоэфирными пленкообразователями. Такие материалы образуют атмосферо- и теплостойкие покрытия с хорошей износостойкостью. Их используют для окраски рулонных металлов, различных металлических поверхностей .
Эпоксидные лакокрасочные материалы
К новинкам олигомерных композиций без использования растворителей относятся низковязкие алифатические эфиры с высоким содержанием эпоксидных групп, отверждающиеся циклоалифатическими полиаминами.
Эти низковязкие составы обладают высокой стойкостью к растворителям и агрессивным средам. Кроме того, эпоксидные материалы имеют хорошую адгезию к подложке, высокие антикоррозионные и электроизоляционные показатели. Они образуют толстослойные покрытия при одноразовом нанесении. Их используют в тех случаях, когда к защитным свойствам покрытий предъявляют повышенные требования.
В нашей стране создан ряд эпоксидных материалов с ограниченным содержанием растворителей и без них.
Это эмали ЭП-793, ЭП-1155, ЭП-5116, ЭП-7100, Б-ЭП-421, Б-ЭП-433, Б-ЭП-0237, грунтовки Б-ЭП-0126, Б-ЭП-0124 и др. Эти материалы предназначены для антикоррозионной защиты трубопроводов, стальных строительных конструкций, полов производственных помещений, градирен, нефтегазопромышленного оборудования и оборудования химической промышленности.
Перечисленные выше грунтовки наряду с эмалями Б-ЭП-68 и Б-ЭП-421 широко используются в промышленном масштабе.
Материалы с высоким сухим остатком
Преимуществами материалов с высоким сухим остатком (ВСО) считаются в первую очередь экологичность, а также то обстоятельство, что они позволяют применять ту же технологию окрашивания, что и для материалов обычного типа. Параметры процесса в этом случае остаются одинаковыми, поэтому возможно использование уже имеющегося оборудования.
Недостатки обусловлены тем, что в составе этих материалов содержатся смолы с меньшей массой и вязкостью, в связи с чем увеличивается вероятность образования потеков при нанесении. Поэтому для получения качественного покрытия в процессе работы необходим контроль реологических свойств материала. Кроме того, в состав материалов с ВСО нужно вводить более реакционноспособные смолы. Только в этом случае покрытия будут обладать требуемыми физико-химическими свойствами.
Изменять и регулировать свойства материала можно, используя в композициях с ВСО микрогели, способные образовывать сшитые структуры.
Олигоэфирные лакокрасочные материалы
Из олигоэфиров наибольшее применение находят модифицированные (алкидные) олигомеры и ненасыщенные полиэфирные олигомеры.
Исходными продуктами для получения алкидных олигомеров являются пентафтали и глифтали, модифицированные растительными маслами и канифолью. На основе глифталевых алкидов выпускаются грунтовки и шпатлевки, в основном предназначенные для подготовки металлических поверхностей под окраску. Пентафталевые алкиды входят в состав лаков и эмалей, применяющихся для отделки древесины (паркета, оконных блоков) и получения атмосферостойких покрытий. Такие алкиды отверждаются быстрее глифталевых. Пентафталевые покрытия превосходят глифталевые по твердости, механическим характеристикам, атмосферостойкости.
Алкидные материалы недорогие, отверждаются в естественных условиях и при горячей сушке, имеют различные области применения.
Алкидные материалы с высоким сухим остатком
Полиэфирные материалы отличаются высоким содержанием пленкообразующих веществ (70–97%). Основная часть их компонентов при отверждении вступает в химическое соединение. Тем самым создается высокий сухой остаток покрытия.
Основными компонентами полиэфирных материалов являются: ненасыщенная полиэфирная смола, растворенная в мономере (который при отверждении не испаряется, а вступает в реакцию со смолой); инициатор–вещество, вызывающее химическое взаимодействие между смолой и мономером (вводится перед употреблением); ускоритель, интенсифицирующий процесс отверждения.
Олигоэфирмаленаты образуют покрытия с высокой твердостью, светостойкостью к химическим реагентам.
На их основе выпускают материалы двух типов: парафиносодержащие и беспарафиновые.
Парафиносодержащие применяются в мебельном производстве для получения высокоглянцевых закрытопористых покрытий, в т. ч. при отделке ДСП. Это двухупаковочные материалы. Так как содержание нелетучих в них составляет 95–97 %, за одно нанесение можно получить достаточно толстый слой покрытия.
Недостатком этих материалов является то, что их можно наносить только на горизонтальные поверхности. Кроме того, они имеют пониженную адгезию к подложке, плохо отверждаются на сильносмолистой древесине.
Беспарафиновые материалы являются одноупаковочными. Их можно наносить на горизонтальные и вертикальные поверхности. Получаемые покрытия имеют высокую эластичность и хорошую адгезию к различным подложкам.
Полиэфирные материалы могут отверждаться при комнатной температуре, при конвективном и терморадиационном нагреве, УФ-облучением, электронным облучением в атмосфере инертного газа.
Применение олигоэфираминоформальдегидных систем с ВСО позволяет не только снизить вредные выбросы растворителей на 65 %, но и уменьшить трудозатраты на их нанесение, снизить энергозатраты, транспортные и складские расходы. Их используют в автомобильной промышленности в качестве промежуточных покрытий. Низковязкие композиции такого типа применяются для окраски сельскохозяйственной техники, металлической мебели, бытовых приборов. Составы на основе полиэфирно-меламиновых композиций с ВСО (80 %) хорошо зарекомендовали себя в качестве автоэмалей. Совмещение их с акриловыми сополимерами позволяет получить грунт-эмали для защиты металлических строительных конструкций.
Олигоэфирмеламиновую основу с ВСО содержит отечественная грунтовка ПЛ-0213 горячего отверждения. Низковязкие композиции такого типа выпускаются германской фирмой HR (марки Vesturit 914 и 1211).
Акриловые лакокрасочные материалы
К лакокрасочным системам с ВСО (до 65%) относятся термореактивные полиакрилаты — продукты совмещения мономеров, имеющих реакционноспособную группу (гидроксильную, карбоксильную, эпоксидную и др.) с алкидными, карбамидо- и меламиноформальдегидными, эпоксидными олигомерами.
Покрытия на основе полиакрилатов отличаются хорошими физико-химическими свойствами: атмосферо- и светостойкостью, прочностью, декоративностью, а также хорошей адгезией к различным материалам. Материалы на их основе используют для антикоррозионной окраски автомобильных кузовов, бытовых приборов, алюминиевых конструкций. Недостатком их является относительно высокая стоимость.
Особый интерес представляют водные дисперсии полиакрилатов, получаемые эмульсионной полимеризацией акриловых полимеров и сополимеров. Их используют в водоразбавляемых композициях, образующих твердые, атмосферостойкие и блестящие покрытия. Эти материалы применяют в строительстве для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений, а также для отделки древесины.
Полиуретановые лакокрасочные материалы
В качестве пленкообразователя в полиуретановых материалах с ВСО используют олигомеры с наличием гидроксильных групп. В одноупаковочных материалах олигомеры комбинируются с блокированными изоцианатами, в двухупаковочных — с изоцианатами.
Одноупаковочные системы более удобны в применении, однако они отверждаются при достаточно большой температуре.
Двухупаковочные системы перед употреблением необходимо смешивать, при этом жизнеспособность приготовленных материалов невелика, однако их преимуществом является гибкость параметров процесса отверждения.
Полиуретановые покрытия характеризуются высокими механическими показателями. Например, их твердость приближается к твердости стекла. Они атмосферо- и водостойкие, устойчивы к воздействию кислот, щелочей, растворителей, имеют хорошую адгезию к древесине, металлам, пластикам, покрытиям на основе других пленкообразователей.
Полиуретановые лакокрасочные материалы токсичны и сравнительно дороги, но высокая стоимость окупается долговечностью защитных покрытий на их основе. Такие материалы используют для окраски морских судов, металлических и бетонных конструкций, в авиастроении, мебельной промышленности и строительстве.
Кремнийорганические эмали
Особый интерес представляют кремнийорганические материалы олигоэфирного типа с ВСО. Силиконовые олигомеры хорошо совместимы с алкидными, акриловыми, олигоэфирными пленкообразователями. Такие материалы образуют атмосферо- и теплостойкие покрытия с хорошей износостойкостью. Их используют для окраски рулонных металлов, различных металлических поверхностей .
Эпоксидные лакокрасочные материалы
К новинкам олигомерных композиций без использования растворителей относятся низковязкие алифатические эфиры с высоким содержанием эпоксидных групп, отверждающиеся циклоалифатическими полиаминами.
Эти низковязкие составы обладают высокой стойкостью к растворителям и агрессивным средам. Кроме того, эпоксидные материалы имеют хорошую адгезию к подложке, высокие антикоррозионные и электроизоляционные показатели. Они образуют толстослойные покрытия при одноразовом нанесении. Их используют в тех случаях, когда к защитным свойствам покрытий предъявляют повышенные требования.
В нашей стране создан ряд эпоксидных материалов с ограниченным содержанием растворителей и без них.
Это эмали ЭП-793, ЭП-1155, ЭП-5116, ЭП-7100, Б-ЭП-421, Б-ЭП-433, Б-ЭП-0237, грунтовки Б-ЭП-0126, Б-ЭП-0124 и др. Эти материалы предназначены для антикоррозионной защиты трубопроводов, стальных строительных конструкций, полов производственных помещений, градирен, нефтегазопромышленного оборудования и оборудования химической промышленности.
Перечисленные выше грунтовки наряду с эмалями Б-ЭП-68 и Б-ЭП-421 широко используются в промышленном масштабе.
Водорастворимые краски и лаки
Лакокрасочная продукция на современном рынке ЛКМ представлена огромным разнообразием материалов, но пожалуй самыми перспективными и заслуживающими особого внимания и изучения являются лакокрасочные материалы на водной основе.
Основным достоинством водорастворимых красок и лаков является их экологическая безопасность, обусловленная применением воды в качестве растворителя. К тому же такой растворитель дешев и доступен, а выпускаемые на его основе лакокрасочные материалы можно наносить на обычном оборудовании, технология и параметры процесса при этом не изменяются.
Однако широкого промышленного применения эти материалы не нашли из-за следующих технологических особенностей. Использование воды увеличивает время сушки и может вызвать необходимость регуляции влажности в распылительной кабине, а камеры с кондиционированием воздуха стоят дорого и требуют специального обслуживания. Выделяющиеся при сушке пары воды могут вызвать образование кратеров на поверхности покрытия. Из-за высокой температуры испарения воды при горячей сушке требуются большие затраты электроэнергии.
Водорастворимые лаки и краски изготавливают на основе олигомеров поликонденсационного типа: алкидных, эпоксидных, полиуретановых, феноло-, карбомидо- и меламиноформальдегидных.
Часто водорастворимые лакокрасочные материалы представляют собой смеси олигомеров: алкидно-меламиновых, алкидно-эпоксидных, алкидно-уретановых и других.
В виде водных дисперсий используются сополимеры винилацетата и винилхлорида, полиакрилаты, алкиды, модифицированные маслами, эпоксидные олигомеры. Дисперсии получают эмульсионной и дисперсионной полимеризацией. В ходе эмульсионной полимеризации образуются латексы. Формирование пленок из водных дисперсий происходит в результате коагуляции полимерных частиц при испарении воды.
Из водно-дисперсионных лакокрасочных материалов широко применяются дисперсии поливинилацетата и акрилатных сополимеров.