Яковлев АД 2020

УДК 667.64 (075.8) Я 474

ББК 6П7.51

Издание выпущено при поддержке Комитета по печати и взаимодействию со средствами

массовой информации Санкт­Петербурга

Р е ц е н з е н т :

К а ф е д р а х и м и ч е с к о й т е х н о л о г и и о р г а н и ч е с к и х п о к р ы т и й Я р о с л а в с к о г о г о с у д а р с т в е н н о г о т е х н и ч е с к о г о у н и в е р с и т е т а

( з а в . к а ф . д ­ р х и м . н а у к , п р о ф . И. В. Голиков)

ПРЕД ИС ЛО ВИЕ

Лакокрасочные покрытия, являясь основным средством защитно­деко¬ ративной отделки м а ш и н и механизмов, п р о м ы ш л е н н ы х и бытовых изде­ лий, зданий и сооружений, в б о л ь ш о й мере определяют их товарный вид, работоспособность, конкурентную и покупательную способность. Широко ­ масштабное их использование увеличивает срок ж и з н и указанных объектов, обеспечивает значительную э к о н о м и ю материальных ресурсов.

Несмотря на то, что история получения и применения лакокрасочных покрытий уходит в глубокую древность, химия и технология лакокрасочных п о к р ы т и й как научная д и с ц и п л и н а определилась о т н о с и т е л ь н о недавно . Этому способствовали резкое расширение научно­исследовательских работ, обусловленное потребностями производства, и накопление в связи с этим значительной научной и н ф о р м а ц и и , а также углубление основополагающих разделов науки, в первую очередь ф и з и к и и х и м и и полимеров, и организа¬ ция в стране специализированных кафедр для подготовки инженерных и технических кадров по технологии лакокрасочных материалов и покрытий .

За последние три четверти века разными авторами было написано не¬ сколько учебных пособий по этой дисциплине. Последнее учебное пособие "Химия и технология лакокрасочных покрытий", написанное автором, вы ­ ш л о в Ленинградском отделении издательства "Химия" в 1989 году. В связи с проводимой в стране перестройкой системы высшего образования и воз¬ росшими требованиями к подготовке специалистов возникла необходимость в подготовке учебника, который в сжатой и доступной форме отражал бы по¬ следние научно­технические достижения в данной области знаний.

Санкт­Петербургском государственном технологическом институте (Техни¬ ческом университете). Учитывая ограниченность объема, основное внима¬ ние в ней сосредоточено на п р и н ц и п и а л ь н ы х вопросах ф и з и к о х и м и и и тех¬ нологии лакокрасочных покрытий .

Хотя книга рассчитана в первую очередь на студентов вузов, надеюсь, что она будет полезна и более опытной категории читателей ­ аспирантам, инженерно­техническим и научным работникам, связанным с получением и применением лакокрасочных покрытий .

Считаю своим п р и я т н ы м долгом выразить благодарность преподава¬ тельскому составу кафедр химической технологии органических покрытий Санкт­Петербургского государственного технологического института (Техни¬ ческого университета) и Ярославского государственного технического уни¬ верситета, первому ­ за содействие и п о м о щ ь в подготовке рукописи, вто¬ рому ­ за ценные замечания и советы п р и рецензировании. Особая благо¬ дарность ­ к.т.н. С. А. Яковлеву, без огромного напряженного труда которого невозможно было бы увидеть это издание.

Возможно, читатели найдут те или иные недостатки книги; все критиче¬ ские замечания будут с благодарностью приняты .

Автор

ВВЕД ЕНИЕ

На протяжении тысячелетий человечество пользуется лаками и красками; их потребительские качества, однако, проявляются в по­ крытиях. В настоящее время лакокрасочные покрытия ­ основное средство защиты и отделки объектов, предметов и изделий различ¬ ного назначения. На их долю приходится около 80 % противокор­ розионной защиты изделий машиностроения; свыше 90 % поверх¬ ности зданий и строительных конструкций подвергаются окраши¬ ванию. Нанесением лакокрасочных покрытий также заканчивается процесс производства изделий мебельной, полиграфической про¬ мышленности, многих изделий из пластмасс. Велика и ответственна роль лакокрасочных покрытий как основного средства электро¬ изоляции, герметизации, защиты от излучения, декоративной от¬ делки в радио­, электротехнической и электронной промышлен¬ ности, при производстве космических кораблей и летательных ап¬ паратов.

Три основные функции выполняют лакокрасочные покрытия: декоративную, защитную и специальную. По мере развития науки и промышленности удельное значение второй и третьей функций все более возрастает.

Роль покрытий как средства защиты материалов от разрушения особенно проявилась с ростом производства и потребления метал¬ лов. Убытки, причиняемые коррозией в различных странах, состав¬ ляют значительную долю национального дохода; они, как правило, тем выше, чем больше производится и находится в эксплуатации металла. Усиление борьбы с коррозией предусматривает не только увеличение доли потребления лакокрасочных материалов, но и, в первую очередь, резкое улучшение качества и защитной способно¬ сти покрытий. С развитием потребляющих отраслей промышлен¬ ности все более возрастают требования к лакокрасочным покрыти¬ ям. Сейчас уже нельзя говорить об универсальных покрытиях, как это было несколько десятилетий назад. Все более существенной ста¬ новится роль покрытий целевого назначения: химически­, термо­, морозо­, огне­, радиационностойких, антифрикционных, антиадге¬ зионных, демпфирующих, фотоактивных и оптически прозрачных, камуфляжных, криофобных и т. д. Такие покрытия нужны для борь¬ бы с кавитацией, обледенением, грязеудержанием, обрастанием в

4

морских условиях, разрушением микроорганизмами, для целей зву¬ коизоляции, светомаскировки и создания источников света, изме¬ рения температуры, регулирования физиологической и оптической активности материалов, решения ряда санитарно­гигиенических задач. Покрытия, предназначенные для решения специальных (це¬ левых) задач, нередко называют "умными" покрытиями. Они при¬ влекают особое внимание.

Рост материального производства находит отражение и в мас¬ штабах использования лакокрасочных покрытий. В настоящее время мировое производство лакокрасочных материалов составляет более 27 млн. т. В России при потреблении лаков и красок порядка 1 млн. т ежегодно окрашивается до 10 млрд. м 2 различных поверхностей. Большие объемы окрасочных работ при еще значительном исполь¬ зовании органорастворимых лакокрасочных материалов вынужда¬ ют обращать самое пристальное внимание на вопросы экологии и защиты окружающей среды.

Особенность технологии лакокрасочных покрытий состоит в том, что она касается разнообразных по назначению, форме и габа¬ ритам объектов, начиная от тончайших (до 1 мкм) изделий элек¬ троники, кончая гигантскими танкерами и огромными строитель¬ ными сооружениями, которые изготовлены из самых разных ме¬ таллов (черных, цветных, благородных), дерева, бумаги, тканей, пластмасс, силикатов и их многочисленных сочетаний. Это находит отражение в ассортиментном составе применяемых материалов, который включает тысячи наименований, оборудовании и своеоб¬ разных технологических приемах производства покрытий. Самые крупные потребители лакокрасочных материалов ­ строительная индустрия и машиностроение, значительным является их потреб¬ ление в быту.

Большие масштабы использования лакокрасочных покрытий неслучайны, они связаны со многими их достоинствами: много­ цветностью, разнообразием свойств и фактуры поверхности, удоб¬ ством нанесения и реставрации, возможностью сочетания с други¬ ми, в первую очередь неорганическими покрытиями, относительно невысокой стоимостью, многоцелевым назначением. Лакокрасоч¬ ные покрытия получили практическое применение раньше других покрытий и в настоящее время являются доминирующими.

Современная технология покрытий ­ высокоорганизованное механизированное производство, базирующееся на последних на­

5

Г Л А В А 1

ОБЩИЕ С ВЕД ЕНИЯ

ОЛА КО КРА С О ЧНЫХ ПО КРЫТИЯХ

ИМАТЕРИАЛАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ

ДЛЯ ИХ ПО ЛУЧЕНИЯ

ля получения покрытий используются разные по химической природе лакокрасочные материалы. Их ассортимент достаточ­ но широк, разнообразен, постоянно растет и обновляется. На смену

органорастворимым материалам приходят безрастворительные, уве­ личивается доля лаков и красок на основе синтетических пленкооб­ разующих веществ.

Условия получения и качество покрытий во многом зависит от химической природы и свойств исходных материалов. Чем шире их ассортимент, тем больше возможностей у потребителей для варьи­ рования свойствами покрытий. Качество покрытий, однако, во мно­ гом зависит от выбранной технологии их получения.

1.1.ХА РА КТЕРИС ТИКА И КЛА С С ИФИКА ЦИЯ ЛА КО КРА С О ЧНЫХ ПО КРЫТИЙ

1.1.1. О С О БЕННО С ТИ ПО КРЫТИЙ

Основу лакокрасочных покрытий составляют полимерные плен­ ки преимущественно органической природы, поэтому нередко лако­ красочные покрытия называют органическими.

Под термином пленка понимают состояние вещества в виде сплошного тонкого слоя. Различают пленки свободные и адгезиро­ ванные. Лакокрасочные покрытия ­ это пленки, связанные адгези­ онными силами с твердой поверхностью (субстратом). Такое со­ стояние обеспечивается спецификой лакокрасочной технологии: связь с субстратом создается не посредством наложения готовой пленки, а в процессе ее формирования (пленкообразования).

Лакокрасочные покрытия имеют ряд особенностей. Они харак­ теризуются определенными пределами толщины, чаще всего 10¬ 300 мкм. Из­за небольшой толщины покрытия имеют высокую удельную поверхность, которая колеблется от 10 до 1000 см2 /см3 .

Пленочное состояние покрытий обусловливает своеобразное формирование их свойств: чем тоньше пленка, тем в большей мере

7

при формировании покрытий, особенно при высоких температу­ рах, нередко проявляется его катализирующая или ингибирующая роль.

Пленка, фиксированная на твердой поверхности, испытывает воздействие на нее силового поля, что существенно влияет и на фи­ зические процессы в адгезионном слое: усадку, стеклование, ориен­ тационные эффекты и т. д. Все это определенным образом сказыва­ ется на структуре пленок (рис. 1.2). В адгезионном слое молекулы пленкообразователя подвержены плоскостной ориентации, при этом формируется, как правило, менее совершенная структура, чем

вмассе полимерной пленки. По мере удаления от подложки сте­ пень ориентации и анизотропия пленок резко падают, а степень надмолекулярной организации полимера возрастает. Структурная неоднородность особенно заметна у покрытий, изготовленных из кристаллических полимеров. Из­за большого числа центров кри­ сталлизации и малой подвижности макромолекул полимеров, свя­ занной с фиксирующим действием твердой поверхности, возника­ ют затруднения при кристаллизации в адгезионном слое. Этого яв­ ления не наблюдается в промежуточном и верхнем слоях: степень кристалличности там, как правило, больше, чем в адгезионном слое.

Спервичной кристаллизацией определенным образом корре­ лирует и сферолитная. Максимальные по объему сферолиты при­ ходятся на среднюю часть пленки: по мере приближения к перифе­ рии и к подложке они вырождаются или принимают морфологиче­ ские формы. Поскольку сферолиты в адгезионном слое растут только

водном направлении, они приобретают удлиненную (столбчатую) форму. При этом возможно образование так называемого гранич­ ного транскристаллитного слоя. Его протяженность у разных по­ лимеров в зависимости от условий формирования покрытий раз­ лична и может достигать единиц или десятков микрометров.

Структурные различия отдельных слоев проявляются в их свой­ ствах. Так, нижний слой пленок, полученных из растворов аморф­ ных полимеров, обладает повышенной сорбционной способностью, как правило, более низкой твердостью и меньшей плотностью, но более высокой, чем в объеме, температурой стеклования из­за огра­ ниченной подвижности макромолекул.

В многокомпонентных системах, к которым относится большин­ ство покрытий, неоднородность по толщине (и нередко в объеме) может возникать в результате микро­ и макрорасслоения компонен­ тов, выпотевания или кристаллизации пластификаторов, всплывания (флотации) или оседания пигментов в момент пленкообразования, избирательной адсорбции ПАВ на покрываемой поверхности.

9

Образование так называемой послойно­неоднородной структу­ ры покрытий может быть запрограммировано самой рецептурой лакокрасочного материала, например, путем использования смесей взаимонесовместимых пленкообразователей.

Неоднородность состава, структуры и, как следствие этого, ани­ зотропию свойств, присущие лакокрасочным покрытиям, нельзя рассматривать как отрицательные явления. В этом может быть оп­ ределенный положительный эффект, особенно при получении мно­ гослойных покрытий.

Формирование покрытий на подложке сопряжено с усадочными явлениями. При отсутствии полной релаксации усадка приводит к возникновению остаточных напряжений. Таким образом, большин­ ство лакокрасочных покрытий, особенно на основе жесткоцепных аморфных или кристаллических полимеров, представляет собой напряженные системы. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что тонкий слой акварельной краски, нанесенный на бумагу, при высыхании закручивает ее на себя.

Лакокрасочные покрытия, даже самые тонкие, следует отличать от жидкостных или газовых адсорбционных слоев. Если последние существуют лишь при наличии поверхности адсорбента, то лако­ красочные пленки могут сохраняться и вне ее в силу определенной когезионной прочности.

Отмеченные особенности покрытий следует учитывать при их получении и эксплуатации. В первую очередь это относится к тон­ ким пленкам, принимая во внимание общую тенденцию к умень­ шению толщины эксплуатационно­способных покрытий.

1.1.2. КЛАС С ИФИКАЦИЯ ПО КРЫТИЙ

Лакокрасочные покрытия классифицируют преимущественно по химическому и эксплуатационному признакам, а также внешнему виду.

В основу химической классификации положена природа пленко­ образующего вещества лакокрасочного состава, из которого изго­ товлено покрытие. Так, говоря об эпоксидных, полиакрилатных, кремнийорганических, масляных и других покрытиях понимают, что они получены в основном с применением соответствующих лакокрасочных материалов: эпоксидных, полиакрилатных и т. д.

для потребителей она важна, так как нацеливает на области исполь­ зования того или иного покрытия.

10