Материаловедение и технология конструкционных материалов

Сотовые и панельные конструкции применяют для изготовле­ ния несущих элементов и конструкций самолетов, ракет, вертоле­ тов, подводных лодок, морских судов, космической техники, авто­ мобилей, корпусов телевизоров, конструкций домостроения и т.д.

10.6. Лакокрасочные материалы

Лакокрасочные материалы представляют собой композиции, состоящие из пленкообразующего вещества, растворителей, на­ полнителей, пигментов и других компонентов, которые после нанесения и сушки образуют на поверхности изделия твердое покрытие.

Лакокрасочные покрытия предназначены для защиты метал­ лических поверхностей от коррозии, а неметаллических мате­ риалов (древесины, пластмасс и др.) от увлажнения и гниения, а также для придания им декоративного вида и специальных свойств (электроизоляционных, светоотражательных, теплоизлучательных и др.).

По составу лакокрасочные материалы подразделяются на лаки, эмали, грунтовки и шпатлевки.

Лаками называются растворы природных или синтетических пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме пленкообразующего вещества, они содержат пластификаторы, стабилизаторы и другие функциональные добавки. После нане­ сения на поверхность тонким слоем и высыхания лаки образуют прозрачные покрытия.

Эмали представляют собой суспензии пленкообразующего вещества с пигментами, наполнителями и функциональными добавками. После нанесения на поверхность и высыхания они образуют непрозрачные покрытия.

Грунтовки, являются основой, которую наносят на окрашивае­ мую поверхность с целью защиты ее от коррозии, создания хоро­ шей сцепляемости с подложкой и последующими слоями лако­ красочного покрытия. Грунтовка содержит пленкообразующие вещества (смолы, масла, клеи и т.д.), пигменты, ускорители вы­ сыхания и различные добавки, определяющие ее антикоррозион­ ные свойства.

Ш патлевки представляют собой композиции пастообразной консистенции, состоящие из пленкообразующего вещества, пиг­

ментов и наполнителей, причем последние составляют до 200 % от массы пленкообразующего. Шпатлевки применяются для вы­ равнивания окрашиваемых поверхностей и исправления мелких дефектов.

Основой лакокрасочных материалов являются пленкообра­ зующие вещества, способные образовывать тонкие прочные мо­ нолитные полимерные пленки. В качестве пленкообразующих применяют различные растительные масла, смолы, эфиры цел­ люлозы. Для получения лака их растворяют в соответствующих растворителях — летучих органических жидкостях. Так, на­ пример, феноло-формальдегидные смолы растворяют в спиртах, а высыхающие масла, битумы — в бензине, скипидаре, уайт-спи­ рите и т.д. Растворителями служат органические жидкости, кото­ рые не вызывают химических превращений пленкообразующего и испаряются в процессе пленкообразования. Многие лакокра­ сочные материалы содержат смеси нескольких растворителей.

Пигменты придают эмалям цвет и укрывистость, т.е. способ­ ность перекрывать цвет подложки. В качестве пигментов исполь­ зуются главным образом неорганические оксиды T i02, ZnO, Fe20 3 и т.д.; применяются также органические пигменты (на­ пример, голубой и зеленый фталоцианиновый).

Наполнители вводятся в состав эмалей для улучшения их малярно-технических свойств, повышения прочности, влаго-, свето-, термостойкости и др., а также с целью экономии пигмен­ тов. В качестве наполнителей используются неорганические дисперсные порошки: мел, тальк, синтетические продукты (А1г0 3).

Пластификаторы улучшают технологические свойства ла­ кокрасочного материала, расширяя область его высокоэласти­ ческого состояния. Довольно часто для этих целей используют дибутилфталат (ДБФ).

Стабилизаторы замедляют окисление, деструкцию и дру­ гие процессы, ухудшающие физико-механические свойства по­ крытий.

10.6.1.Виды лакокрасочных материалов

Взависимости от пленкообразующего вещества лакокрасоч­ ные материалы делятся на маслосодержащие, смоляные, эфиро­ целлюлозные, канифольные и др.

К маслосодержащим относятся масляные (МА), масляно-би­ тумные (БТ), масляно-глифталевые (ГФ), водоэмульсионные

242 Раздел I. Материаловедение

и другие материалы. В них пленкообразующими веществами яв­ ляются растительные масла (льняное, тунговое, подсолнечное, ореховое), чаще всего совмещенные со смолами и битумами.

Масляные лакокрасочные покрытия не размягчаются при нагревании, не растворяются в воде, стойки к воздействию трансформаторного масла даже при нагревании, однако набухают в воде при длительном контакте с ней. Используются они в чис­ том виде в основном для пропитки тканей, лакобумаг и обмоток трансформаторов. Поскольку растительные масла — дорогое пи­ щевое сырье, их заменяют на смеси масел с битумами и смолами.

В масляно-битумных покрытиях используют битум, который представляет собой смесь углеводородов различной консистен­ ции (густоты). Они обладают высокой влагостойкостью, стойко­ стью к действию кислот, их теплостойкость составляет 130 °С. Однако такие покрытия не обладают маслостойкостью. Как пра­ вило, их применяют для электроизоляции, пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов, катушек, изготовле­ ния лакотканей, защитных покрытий.

Масляно-глифталевые (в лакокрасочной промышленности их называют глифталевыми) покрытия более теплостойки (до 155 °С), эластичны, стойки к тепловому старению и имеют более высо­ кую адгезию, чем масляные. Их применяют для пропитки об­ моток электрических машин, трансформаторов, склейки слюды малогабаритных статоров и якорей, изготовления защитных покрытий приборов и машин, работающих в помещении и на от­ крытом воздухе в умеренном поясе и в тропиках.

Водоэмульсионные лаки и краски (аквалиты) представляют собой эмульсию из диспергированных в воде масляных и дру­ гих лакокрасочных композиций. Их преимущество — исключе­ ние из состава огнеопасных и токсичных растворителей. Сушка ведется при повышенных температурах. Эти материалы приме­ няются для окраски автомобилей, пропитки обмоток электри­ ческих машин и трансформаторов

К смоляным лакокрасочным материалам относятся полихлорвиниловые смолы (ПХВ), кремнийорганические лаки, органосиликатнЫе, эпоксидные, полиуретановые и др.

Полихлорвиниловые смолы негорючи, стойки к действию кислот и щелочей, хлору и аммиаку, однако имеют низкую ад­ гезию к металлам, невысокие теплостойкость (до 80 °С) и элек­ троизоляционные свойства, плохую растворимость. Применяют

эти смолы для покраски приборов, работающих в условиях агрес­ сивных сред и тропиков. В авиации для окраски алюминиевых

имагниевых сплавов широко используют лаки КС-77, КС-76, эмали ХВ-1100, ХВ-110, ХС-710.

Кремнийорганические лаки длительно сохраняют свои свой­ ства при температурах до 200 °С, наполненные диоксидом тита­ на, оксидом сурьмы — до 260 °С, оксидом алюминия (пудрой) — до 550 °С; химически инертны, обладают очень высокой водо-, масло- и бензостойкостью, а также стойки к действию растворов солей. Они нашли применение в качестве электроизоляционных материалов для изделий с повышенной температурой эксплуа­ тации (до 500 °С). Для улучшения адгезии кремнийорганиче­ ские лаки модифицируют полиэфирами.

Эпоксидные лаки и эмали обладают высокой адгезией, малой пористостью, хорошей атмосферо-, влаго- и термостойкостью (от -60 до +200 °С), устойчивы к действию щелочей и кислот средней концентрации. Выпускаются обычно в виде двухком­ понентных композиций: собственно лак (эмаль) и отвердитель, вводимый непосредственно перед употреблением (полиамины, фенолы и др.). Применяются эти материалы для электроизоля­ ции проводов, окраски металлических поверхностей приборов

иэлектроаппаратуры, эксплуатируемых в различных климати­ ческих условиях.

Полиуретановые лаки отличаются хорошей адгезией к ме­ таллам, высокой атмосферостойкостью. Благодаря хорошим электроизоляционным свойствам, водо- и теплостойкости они получили широкое применение для эмалирования проводов, пропитки хлопчатобумажной и стекловолокнистой изоляции.

Покрытия на основе акриловых смол (АК, АС) эластичны, стойки к ударным нагрузкам, обладают хорошей адгезией к ме­ таллам, сохраняют свои свойства при работе в условиях 98...

100%-ной влажности при температуре 55...60 °С.

Кэф ироцеллю лозным материалам относятся нитроцеллюлозные и полиэфирные.

Нитроцеллюлозные лаки и эмали получили широкое приме­

нение благодаря быстрому высыханию, что способствует созда­ нию поточных методов окрашивания массовых изделий с обра­ зованием пленки с хорошими диэлектрическими свойствами, высокими твердостью, бензо- и маслостойкостью и удовлетво­

Твердость — способность материала сопротивляться проник­ новению в него другого твердого тела. Твердость покрытия обес­ печивает его целостность при механических воздействиях (уда­ ре, царапании, давлении).

Эластичность — это способность материала испытывать зна­ чительные упругие деформации без разрушения.

Атмосферостойкость — способность покрытия противосто­ ять действию атмосферных влияний (влаги, кислорода воздуха, солнечной радиации), а также промышленных газов и выбросов.

Под термостойкостью понимается способность покрытий сохранять свой внешний вид и не разрушаться под действием высоких и низких температур.

Бензо- и маслостойкостъ подразумевает способность покры­ тия противостоять разрушающему действию бензинов и масел.

10.6.3. Технология нанесения лакокрасочных

материалов

Лакокрасочное покрытие образуется в результате последова­ тельного нанесения на предварительно подготовленную поверх­ ность грунтовки, шпатлевки, а затем одного или нескольких слоев лакокрасочной пленки (рис. 10.15).

Рис. 10.15. Лакокрасочные покрытия:

1 — слои лакокрасочного покрытия; 2 — шпатлевка;

3 — грунтовки; 4 — покрываемая поверхность

Для обеспечения качества наносимого покрытия необходима тщательная подготовка поверхности изделия, включающая ее выравнивание, очистку от ржавчины, старой краски и заусен­ цев, обезжиривание и фосфатирование с целью повышения ад­ гезии покрытия.

Для обеспечения надежной защиты окрашиваемой поверх­ ности покрытие должно быть сплошным, толщиной не менее 100... 150 мкм. С увеличением толщины покрытия повышаются

246 Раздел I. Материаловедение

защитные свойства, но возрастают внутренние напряжения, снижается адгезия, увеличивается усадка. Поэтому при необхо­ димости получения более толстого покрытия наносят несколько слоев. Для придания покрытию универсальных свойств могут использоваться слои различного состава.

Нанесение лакокрасочных материалов может осуществляться кистью, распылением, окунанием, обливанием и другими мето­ дами в зависимости от геометрических размеров поверхности, ее формы и состояния, состава лакокрасочного материала и тре­ бований, предъявляемых к внешнему виду изделия.

Метод нанесения лакокрасочных материалов кистью или ва­ ликом наиболее прост, не требует специального оборудования, но малопроизводителен и неудобен при окраске быстросохнущи­ ми эмалями. Применяется в основном для окраски пористых по­ верхностей (деревянных, тканевых и т.д.), отдельных участков поверхности, внутренних поверхностей, труднодоступных при других методах окраски, и различных пазов.

Нанесение лакокрасочных покрытий распылением в 5. ..10 раз повышает производительность процесса по сравнению с нанесе­ нием кистью или валиком, позволяет использовать материалы как на масляной основе, так и на быстролетучих растворителях (нитролаки, нитроэмали).

Метод окунания применяют при нанесении покрытия на не­ большие, хорошо обтекаемые детали в серийном производстве. Окраска производится на специальных конвейерах, где детали крепятся на кронштейнах и поочередно опускаются в ванну с лакокрасочным материалом, затем выдерживаются для стока избытка краски и отправляются на сушку.

Окраска обливанием применяется для крупногабаритных поверхностей с хорошей обтекаемостью. При этом детали пере­ мещаются по конвейеру, а обливание производится из специ­ альных гидрофорсунок.

Сушку лакокрасочных покрытий производят с подогревом или без него (в зависимости от типа пленкообразующего). Сушка без подогрева (естественная) используется дли нитроэмалей и про­ текает в течение 0,5...2 ч путем испарения растворителя при температуре не ниже 12 °С и относительной влажности воздуха не выше 70 % в хорошо вентилируемом помещении. Горячую сушку применяют для масляных и смоляных лакокрасочных материалов. Температуру сушки определяют исходя из приро­

ды используемых пленкообразующих и пигментов. Она может составлять от 40 °С для эфироцеллюлозных лаков до 200 °С для черных масляных лаков.

10.7. Склеивающие материалы

Клеи представляют собой коллоидные растворы органических или неорганических соединений, способные при затвердевании образовывать прочные клеевые соединения, которые обладают хорошей адгезией, когезионной прочностью, достаточной эла­ стичностью и долговечностью. Они применяются для получения неразъемных соединений как однородных, так и различных по природе материалов без ослабления их сечения.

Преимуществами склеивания являются: сохранение исход­ ных свойств склеиваемых материалов, герметичность клеевого шва, равномерное распределение нагрузок по площади клеевого шва, экономичность технологии. К недостаткам склеивания относят пониженную по сравнению с другими способами соеди­ нения прочность и теплостойкость, необходимость изменения кон­ струкции деталей для оптимального размещения клеевых швов.

В состав клеев входят следующие компоненты: пленкообра­ зующее вещество, которое определяет адгезионные, когезионные и основные механические свойства клеевого соединения, раство­ рители, пластификаторы, отвердители и катализаторы, напол­ нители. В качестве пленкообразующих материалов наибольшее применение получили синтетические полимеры и каучуки.

Классифицировать клеи можно по разным признакам: пленко­ образующему веществу, назначению, теплостойкости,- химической стойкости, условиям отверждения, агрегатному состоянию и т.д. В основном используется классификация по первому из перечис­ ленных признаков: на смоляные, резиновые и неорганические.

Смоляные клеи бывают термореактивными и термопластич­ ными. Термореактивные клеи при нагревании или в присутствии специальных отвердителей образуют тугоплавкое клеевое соеди­ нение, причем данный процесс необратим. Термопластичные клеи под действием тепла теряют когезию, приобретая пластиче­ скую консистенцию, а при охлаждении вновь застывают. Данный процесс является обратимым.

Термореактивные клеи обладают высокими прочностными свойствами и теплостойкостью, обычно являются основой конст­ рукционных клеев. Термопластичные клеи используют, как правило, для склеивания неметаллических материалов и при­ клеивания их к металлам в изделиях несилового назначения. Типы клеев и области их применения приведены в табл. 10.1.