5.1. Екологічні аспекти застосування лакофарбових матеріалів

Найбільш універсальний, доступний і ефективний спосіб захисту металів від корозії в різних галузях промисловості це нанесення лакофарбових матеріалів (ЛФМ). Більше 80% продукції в машинобудуванні, металообробці та будівництві піддаються фарбуванню ЛФМ. ЛФМ - складні багатокомпонентні системи, що містять плівкоутворювачі, пігменти, наповнювачі та ін. домішки. Значною складовою більшості ЛКМ є органічні розчинники. В якості пігментів, як правило, використовують неорганічні сполуки: оксиди, солі важких металів.

При нанесенні ЛФМ у фарбувальних камерах утворюються тверді, пастоподібні і рідкі відходи, пари розчинників і вода, насичена розчинниками.

Найбільшу небезпеку для організму людини представляють леткі органічні сполуки, що входять до складу розчинника, що виділяються в атмосферу при нанесенні і сушці лакофарбового покриття; важкі метали, що містяться в аерозолі, що утворюється при нанесенні ЛФМ; ізоціанати, фталевий і малеїновий ангідриди, формальдегід, жирні кислоти та інші сполуки, що виділяються при сушці ЛФМ (особливо при високій температурі).

Згідно існуючим нормативним документам (ГОСТи, ТУ та паспорти безпеки) концентрації летких речовин і важких металів в повітрі при нанесенні і сушці ЛФМ не повинні перевищувати гранично допустимих в повітрі робочої зони, а при експлуатації покриттів - гранично допустимих в атмосферному повітрі.

Леткі органічні сполуки (кетони, спирти, ефіри) викликають різні алергічні реакції і отруєння, а стирол, хлорбензол і етилбензол є канцерогенами.

Результати кількісного аналізу методом газової хроматографії органічних сполук, що виділяються з покриттів, свідчать про перевищення гранично допустимих концентрацій деяких речовин у десятки разів. Методом атомної абсорбції визначено, що при нанесенні і сушці ЛФМ в повітрі робочої зони спостерігається значне перевищення ГДК важких металів (свинець, хром, цинк, кадмій та ін.) Значну частину органорозчинних ЛФМ відносять до категорії небезпечних.

Для очищення газових викидів застосовують різні способи: окислення атмосферним киснем на каталізаторах, безпосереднє спалювання шкідливих домішок, а також сорбційні способи, за допомогою яких вдається виділити речовини для повторного використання у виробництві.

Слід враховувати, що на ринку ЛФМ переважають матеріали на основі органічних розчинників. Вони мають ряд переваг: - затвердіння при низькій температурі і високій вологості;

- утворюють покриття високої якості на складних підкладках (погано забарвлених або запорошених поверхнях);

- прості в нанесенні.

В даний час особлива увага приділяється вимогам до безпеки та охорони навколишнього середовища. Скорочення викидів шкідливих речовин в атмосферу при виготовленні лакофарбової продукції можна досягти за допомогою інженерно-технічних рішень (оптимізація процесу забарвлення, автоматизація обладнання, модернізація систем рециркуляції та очищення відходів) або впровадженням нових ЛФМ, що відповідають сучасним вимогам (з високим сухим залишком, водорозчинні, порошкові та радіаційного затвердіння).

У промислово розвинених країнах, починаючи з 80-х рр.. XX в законодавчо були введені обмеження на викид промисловими підприємствами парів органічних розчинників. ЛФМ, що відповідають вимогам, не повинні містити більше 0,3 кг розчинника в 1 л ЛФМ при робочій в'язкості. Це стимулювало роботи по створенню нових ЛФМ з обмеженим вмістом органічних розчинників і призвело до істотної зміни асортименту лакофарбової продукції: органорозчинні - 46%; порошкові – 18%; водорозчинні – 17%; з високим сухим залишком – 14%; радіаційного затвердіння - 5% [38].

На ринку країн СНД основу асортименту все ж складають традиційні органорозчинні лаки та емалі, на виробництво яких щорічно витрачається понад 3 млн. т органічних розчинників. Настільки високе споживання дорогих і токсичних розчинників різко погіршує економічні показники виробників і споживачів ЛФМ і вкрай негативно впливає на екологічну ситуацію.

Рішення проблеми охорони навколишнього середовища (повітряного і водного басейнів) від забруднень передбачає збільшення випуску екологічно безпечних ЛФМ.

ЛФМ з високим сухим залишком дозволяють на 20 - 30% скоротити споживання органічних розчинників, знизити витрату ЛФМ при нанесенні, а також в 1,5 - 2 рази збільшити термін служби покриттів [39]. Завдяки цьому покриття володіють поліпшеними декоративними і захисними властивостями. До таких матеріалів відносяться алкідна емаль ПФ-1250, епоксихлорвінілова емаль ЕП-1236 та ін. Вміст у них нелетких речовин 65 - 75%. Однак ці матеріали дорожче традиційних і висихають повільніше.

Перспективними матеріалами з екологічної, технологічної та економічної точок зору є водорозчинні, в т. ч. водо-дисперсійні ЛФМ. Основна їх перевага - використання води замість дорогих, горючих і токсичних органічних розчинників. Також вони не мають запаху, швидко висихають, легко наносяться на поверхню, мають гарний декоративний вигляд і широкий спектр колірної гами [40].

Відсутність у складі водних матеріалів органічних розчинників значно знижує кількість шкідливих викидів в атмосферу, зменшує пожежонебезпеку, токсичність і створює сприятливі умови праці при проведенні фарбувальних робіт.

Однак, із-за великої кількості добавок водорозчинні матеріали дещо дорожче органорозчинних. Проте з урахуванням економії на очисному і рециркуляційному обладнанні, відсутності витрат на вентиляцію, водорозчинні ЛФМ обходяться не дорожче, а іноді навіть й дешевше.

Вище наведені переваги водорозчинних ЛФМ сприяли тому, що в деяких секторах споживання вони потіснили органорозчинні. Це стосується насамперед будівництва, де частка використовуваних водорозчинних ЛФМ досягає 70 - 80% в загальному асортименті лакофарбової продукції. Також водо-дисперсійні матеріали знаходять широке застосування в антикорозійному захисті металів.

До основних недоліків, що лімітує їх застосування, можна віднести низьку морозостійкість (до -40 ° С), більш легку схильність до мікробіологічного руйнування.

До водо-дисперсійних матеріалів відносяться: - корозійно-стійкі лакофарбові матеріали на акриловій основі; - епоксиакрилові лакофарбові матеріали.

Покриття з водо-дисперсійних лакофарбових матеріалів за своїми характеристиками не поступаються покриттям з традиційних матеріалів на органічних розчинниках, а іноді й значно перевершують їх. Такі покриття зберігають в процесі старіння високі фізико-механічні властивості, мають стійкість до впливу кислих і лужних миючих засобів. Двошарове покриття з водо-дисперсійних ЛФМ на загрунтованій поверхні зберігає захисну здатність протягом 5 років, що в 2 рази вище, ніж у покриття, виконаного за традиційною схемою алкідними матеріалами.

Технічний прогрес в області органічних покриттів, пов'язаний з вирішенням екологічних та економічних проблем і підвищенням якості зашитих виробів, привів до появи принципово нового виду ЛФМ - порошкових фарб. Ці матеріали, відомі за кордоном під назвою Powder Coatings, за порівняно короткий проміжок часу отримали широке застосування. Зростання їх виробництва у світі за останні 20 років зростає на 10 - 15% в рік, в той час як рідких (органорозчинних) ЛФМ - не перевищив 5%. Стимулюючі чинники такого зростання: необхідність вирішення екологічних проблем (відсутність органічних розчинників та інших летких речовин); безвідходна технологія покриттів (практично повна утилізація фарб при нанесенні і повернення у виробничий цикл); відносна простота і економічність технологічного процесу одержання покриттів (як правило, наносять один шар замість двох-трьох); висока якість покриттів (нерідко перевершує за експлуатаційними властивостями покриття на основі рідких фарб). Довговічність порошкових покриттів значно вище покриттів з рідких фарб.

Забарвлюють порошковими матеріалами вироби невеликих і середніх розмірів, але не виключена можливість забарвлення і великогабаритних об'єктів - вагонів, автомобілів, судів та ін.

Лакофарбові покриття захищають метал від корозії по електрохімічному механізму завдяки дії антикорозійних пігментів, пасивуючих поверхню металу, або по бар'єрного механізму, заснованому на скруті доступу агресивних агентів до металу за рахунок утворення на підкладці стабільних, щільно прилеглих шарів. На практиці обидва механізми діють паралельно і їх роль в захисті від корозії залежить головним чином від типів застосовуваних плівкоутворювачів і пігментів.

Найбільш ефективні антикорозійні пігменти, такі, як сполуки хрому, свинцю, цинку, виключають з рецептур ЛФМ через токсичність. У перспективі захисні покриття практично не будуть містити антикорозійних пігментів інгібіторів корозії, використовуваних в даний час. На структуру покриття, що забезпечує оптимальні бар'єрні властивості, впливають хімічна будова полімерного плівкоутворювача, якість диспергування пігментів і наповнювачів, а також спорідненість поверхні підкладки і полімерної матриці. Поліпшення структури покриття веде до зниження його проникності для води, електролітів, газів, до збільшення адгезії, стійкості до тріщин та інших механічних пошкоджень.

Дослідження в області антикорозійних ЛФМ спрямовані на поліпшення захисних властивостей покриттів, зниження забруднення навколишнього середовища за рахунок використання водо-дисперсійних, порошкових фарб, а також високоякісних плівкоутворювачів нового покоління, наприклад полімочевинних або гібридних, застосування наноматеріалів і нанотехнологій. [41]