Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет

Г.Н. Беспалова

ФОРМИРОВАНИЕ И СВОЙСТВА

ЛАКОКРАСОЧНЫХПОКРЫТИЙ

Методическое пособие

Иваново 2010

Беспалова, Г. Н. Формирование и свойства лакокрасочных покрытий: метод. пособие /Г. Н. Беспалова; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2010. – 68 с.

ISBN

Методическое пособие по курсу «Химия и технология лакокрасочных покрытий» включает в себя материалы, посвященные …

Предназначено для студентов дневного и заочного отделений, обучающихся на специальности «Химическая технология высокомолекулярных соединений».

Табл. 5. Ил. 13. Библиогр.: 13 назв.

Электронное издание.

© Беспалова Г.Н., 2010

© Ивановский государственный химико-технологический университет, 2010

Введение

Лакокрасочные покрытия – основное средство защиты и отделки объектов и изделий различного назначения.

Как известно покрытия выполняют три функции: декоративную, защитную и специальную. По мере развития науки и промышленности значение последних двух постоянно возрастает.

Лакокрасочные материалы широко используются в современном народном хозяйстве для придания изделиям декоративных свойств и обеспечения защиты окрашиваемой поверхности. Сформированное покрытие должно удовлетворять разнообразным требованиям по декоративности, цвету, глянцу, шероховатости и т.п., а также защищать от внешних воздействий подложку, которая может представлять собой сталь, пластмассу, бетон, дерево или другой материал.

Важнейшую роль лакокрасочные материалы играют в защите металлических изделий от коррозии. Прямые потери от коррозии в промышленно развитых странах составляет 2-4 % валового национального продукта.

З атраты на предотвращение коррозии в мире достигают в год сотен миллионов долларов, при этом средства, выделенные на защиту от коррозии лакокрасочными покрытиями, составляют около 40 % от всех ассигнований.

Структура затрат на противокоррозионную защиту в России (по данным ВНИИ организации, управления и экономики нефтегазовой промышленности)

Проблема коррозии существует постоянно. Решение этой проблемы основывается на трех составляющих:

1. Синтез качественных, современных лакокрасочных материалов.

2. Разработка и четкое соблюдение технологии их нанесения на

поверхность изделий.

3. Понимание процессов перехода исходных лакокрасочных

материалов в конечное покрытие с выбором для этого наиболее

оптимальных условий перехода, то есть режимов и способов

пленкообразования.

При выпадении любого из трех составляющих этой непрерывной цепочки ждать хорошего результата не приходится.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПЛЕНКООБРАЗОВАНИЯ

Лакокрасочные покрытия – это пленки, связанные адгезионными силами с твердой поверхностью (т.е. с поверхностью окрашиваемого изделия, конструкции).

Под термином пленка понимают состояние вещества в виде сплошного тонкого слоя. Существуют пленки адгезированные и неадгезированные.

Пленкообразование – это процесс перехода материала из жидкого или вязкотекучего состояния в твердое на поверхности подложки, с образованием адгезированной пленки.

Лакокрасочные покрытия имеют толщину 10…300 мкм.

Пленочное состояние покрытий обуславливает своеобразное формирование их свойств: чем тоньше пленка, тем в большей степени проявляется роль ее поверхностей.

Следует отметить, что лакокрасочные покрытия имеют две разные поверхности: одну – с внешней средой (как правило, газообразной, реже жидкой), другую – с твердым телом, или подложкой.

В большей части покрытий, т.е. покрытий, сформированных из растворов или расплавов пленкообразователей, можно выделить как минимум 3 слоя, имеющих между собой непрерывную границу (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема строения покрытия:

1 – внешний, контактирующий с внешней средой, слой;

2 – промежуточный слой; 3 – нижний (адгезионный) слой;

4 – подложка.

Верхний слой, соприкасающийся в процессе формирования пленки с воздухом, в наибольшей степени подвержен его влиянию. Степень окислительной полимеризации, окислительной деструкции и других процессов, протекающих с участием пленкообразователя, кислорода и влаги воздуха наиболее значима именно в этом слое.

Проникновение кислорода в средний, а тем более нижний (адгезионный) слой замедляется.

Подложка, в свою очередь, также участвует в протекании химических реакций: при формировании покрытий, особенно при высоких температурах нередко проявляется ее катализирующая или ингибирующая роль.

Фиксация пленки на подложке и воздействие на нее силового поля твердой поверхности существенно влияют на физические процессы в адгезионном слое: усадку, стеклование, ориентационные эффекты и др.

Все это определенным образом сказывается на структуре пленок.

В адгезионном слое молекулы подвержены плоскостной ориентации, при этом формируется, как правило, менее совершенная структура, чем в остальной массе полимерной пленки.

По мере удаления от подложки степень ориентации и анизотропия пленок резко падают, а степень надмолекулярной организации возрастает.

Структурные различия отдельных слоев проявляются в их свойствах.

Так, нижний адгезионный слой пленок (полученных из аморфных полимеров) обладает повышенной сорбционной способностью и, как правило, более низкой твердостью по сравнению с промежуточными слоями. Нередко отмечается более высокая, чем в объеме температура стеклования из-за ограничения подвижности макромолекул.

В многокомпонентных системах, к которым относится большинство покрытий (пленкообразователи, пигменты, наполнители, пластификаторы и др.), неординарность по толщине может возникнуть в результате микро- и макрорасслоения пленкообразователей, выпотевание или кристаллизации пластификаторов, всплывания (флотенции) или оседания пигментов в момент пленкообразования, избирательной адсорбции компонентов на поверхности подложки.

Формирование покрытий на подложке сопряжено с усадочными явлениями. При отсутствии полной релаксации усадка приводит к возникновению остаточных напряжений. Для снижения этого явления, используются пластификаторы, механизм действия которых основан на повышении подвижности макромолекул и как следствие этого снижение температуры стеклования полимера, что способствует формированию равновесных ненапряженных покрытий.

Пленкообразования лакокрасочных материалов может осуществляться в результате:

- физических процессов: испарения растворителей, астабилизации и обезвоживания латексов, охлаждения растворов, коагуляции пленкообразователей из растворов (менее распространено);

- химических процессов полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения;

- одновременного или последовательного протекания химических и физических процессов.

Физические процессы, протекающие при отверждении пленки, могут быть связаны со следующими факторами:

- переносом в пленке тепла и излучений (теплопередача).

- переносом растворителей и продуктов, выделяющихся при отверждении пленки (массопередача).

- изменением формы и подвижности макромолекул пленкообразователя (структурные изменения).

Возможность протекания химических процессов связана с типом используемых пленкообразователей.

По способности к химическому взаимодействию пленкообразователи делятся на термопластичные и термореактивные.

К термопластичным, то есть непревращаемым, обратимым, относятся, как правило, высокомолекулярные пленкообразователи, которые способны изменять свое физическое состояние (стеклообразное, высокоэластическое, вязко-текучее), но не химическое строение, структуру и свойства.

К термореактивным пленкообразователям относятся чаще всего олигомерные или мономерные системы, способные к переходу в трехмерное, пространственно сшитое состояние.

Условия получения и качество лакокрасочных покрытий во многом зависят от свойств исходных материалов, которые должны отвечать следующим главным требованиям:

- допускать возможность тонкослойного распределения по окрашиваемой поверхности;

- быть способными к пленкообразованию;

- образовывать покрытия, обладающие комплексом необходимых технических свойств.

Этим требованиям наиболее полно отвечают материалы, являющиеся: а) жидкостями; б) высокодисперсными порошками.

Жидкое состояние, как никакое другое позволяет легко и многими способами получать разные по толщине слои, причем в широком интервале температур.

Существовавшая до недавнего времени технология лакокрасочных покрытий базировалось исключительно на использовании жидких пленкообразующих систем.

Можно выделить две разновидности таких систем:

1. Составы, не содержащие легколетучих компонентов и изготовляемые на основе жидких мономеров или олигомеров - это, так называемые, 100 %-ные лаки и краски.

2. Составы, содержащие летучие компоненты и представляющие собой растворы, водные дисперсии или органодисперсии твердых полимеров или олигомеров.

Летучие компоненты – вода, органические растворители, выполняющие функции “агентов ожижения”, существенно влияют на технологические приемы получения покрытий и процессы пленкообразования, на свойства покрытий, экологию и экономику производства.

Одним из важных показателей жидких лакокрасочных материалов является их вязкость.

Вязкость любых жидкостей определяется внутренним трением, возникающим между их слоями при перемещении под действием внешних сил. Вязкость является косвенной характеристикой величины молекулярной массы полимера.

С ростом молекулярной массы вязкость увеличивается; следовательно, концентрация пленкообразователя в лакокрасочном материале уменьшается.

При этом доля летучих компонентов увеличивается. Так в алкидных лаках (пленкообразователь – олигомер) доля растворителя составляет, как правило, 30…50 %, т.е. около половины материала, нанесенного на поверхность, вылетает в трубу. О какой экономии или экологии следует говорить? Следует отметить, что до настоящего времени доля органорастворимых материалов в общей массе ЛКМ велика и составляет не менее 80 %. Поэтому перед отраслью стоят огромные задачи.

Пленкообразователем в них служат твердые полимеры и олигомеры, а своеобразным ожижающим агентом – воздух.

При использовании порошковых материалов, в отличие от традиционной технологии покрытий, перевод твердых пленкообразователей в вязкотекучее состояние осуществляется не вне подложки, а непосредственно на ней.

Все порошковые, а также жидкие материалы, не содержащие органических растворителей (водные, 100 %-ные лаки и краски), по экологическим соображениям относятся к числу «перспективных» лакокрасочных материалов.

Независимо от того, какие типы лакокрасочных материалов использованы, и какие химические или физические процессы лежат в основе пленкообразования внешним их проявлением служит постепенное или скачкообразное увеличение вязкости материала.

Если исходный материал был жидким, то на определенной стадии он становится вязко текучим, затем высокоэластическим и, наконец, приобретает свойства твердого тела.

Существенное влияние на структурные характеристики формирующихся покрытий, на их строение и состав оказывают растворители, разбавители, пигменты, различные добавки.

Несмотря на одинаковую направленность процессов, а именно установление и упрочнение внутри- и межмолекулярных взаимодействий в исходном материале, пленкообразование из различных лакокрасочных систем – олигомеров, растворов, дисперсий, расплавов полимеров – имеет свои характерные особенности.