9.2.2 Защитные покрытия на органической основе

К этой группе покрытий относятся прежде всего (наиболее распространенные) лакокрасочные, гуммировочные и пластмассовые.

Лакокрасочные покрытия. В состав лакокрасочных материалов входят следующие компоненты: пленкообразователи, растворители, пигменты, наполнители, пластификаторы.

Пленкообразователи являются основными компонентами всех лакокрасочных материалов. К ним относится ряд органических веществ, способных образовывать пленку при нанесении на металлическую поверхность. Пленки должны быть влаго- и газонепроницаемыми, обладать хорошей адгезией к поверхности и быть стойкими к воздействию окружающей среды.

Растворители используются для растворения пленкообразующих веществ. После окрашивания растворитель должен быть полностью удален из покрытия. Применяя различные растворители, можно получить различную толщину пленки.

Пигменты применяют для придания покрытию необходимой окраски и для повышения его защитных свойств. В качестве пигментов используются различные оксиды: ZnО, ТiO₂, Fe₂O₃, РbСгO₄ и др.

Наполнители — вещества, которые вводятся для улучшения прочностных свойств и уменьшения количества дорогостоящих пигментов. В качестве наполнителей применяются мел, тальк, каолин и др.

Пластификаторы вводят для повышения пластичности покрытий и их устойчивости при механических воздействиях в процессе эксплуатации.

По химическому составу лакокрасочные покрытия делятся на следующие группы:

краски — материалы, основу которых составляют определенные пленкообразующие вещества, содержащие высокий процент пигментов и наполнителей;

лаки — пленкообразующие вещества, не содержат твердых диспергированных частиц (пигментов, наполнителей и др.) после высыхания образуют прозрачную твердую пленку;

эмали — суспензия пигментов и наполнителей в лаке, образуют непрозрачную пленку.

По назначению лакокрасочные материалы делятся на грунтовые, промежуточные (шпатлевочные) и покровные. Грунтовые краски предназначены для нанесения на предварительно подготовленную поверхность с целью получения хорошего сцепления слоя краски с металлом. Промежуточные слои (шпатлевка) наносятся на загрунтованную поверхность с целью увеличения непроницаемости слоя и устранения неровностей металла. Покровные краски и эмали предназначены для заключительного окрашивания поверхности и придания ей необходимых свойств и декоративного вида.

В зависимости от разрушающего действия окружающей среды выпускаются лакокрасочные покрытия следующих видов: атмосферостойкие, водостойкие, маслостойкие, бензостойкие, термостойкие, химически стойкие, специальные. Для каждой агрессивной среды подбирают соответствующие покрытия. Основным компонентом, определяющим свойства лакокрасочных материалов и покрытий, является пленкообразователь. Поэтому все лакокрасочные материалы разделяются на группы в зависимости от типа пленкообразователя: МА — масляные, ЭП — эпоксидные, ГФ — глифталевые, ХВ— перхлорвиниловые и др.

Технологический процесс окраски включает подготовку поверхности, нанесение покрытия и сушку. Защитная способность и срок службы лакокрасочных покрытий в значительной степени зависит от качества подготовки поверхности под окраску. Поверхность должна быть очищена от продуктов коррозии, окалины, жировых загрязнений, промыта и высушена.

Лакокрасочные материалы наносятся следующими способами:

- кистевая окраска. Из-за простоты выполнения и независимости от источников энергии получила широкое распространение. К недостаткам способа следует отнести низкую производительность и тяжелые условия работы;

• окраска с помощью краскораспылителей. Характеризуется высокой производительностью труда. Недостаток способа — значительные потери краски при окрашивании небольших и ажурных предметов;

• окраска окунанием и обливом. Применяется в серийном и массовом производстве деталей простых форм;

- электростатическое распыление. Основано на том, что частицы краски в распылителе получают электрический заряд и поэтому притягиваются к заземленному окрашиваемому предмету. Это способствует уменьшению потерь краски.

Сушка лакокрасочных покрытий может быть естественной (при температуре окружающего воздуха) и искусственной — в специальных сушильных устройствах.

Выбор лакокрасочного покрытия определяется условиями эксплуатации защищаемого объекта. Для правильного выбора лакокрасочного покрытия необходимо знать при каком контроле протекает коррозия защищаемого устройства в данной коррозионной среде. В морской воде или в морском климате, где коррозия стали протекает с катодным контролем, следует использовать покрытия, пигментированные цинковой или алюминиевой пылью.

В окислительной среде коррозия стали проходит с анодным контролем, поэтому целесообразно применять покрытия с пассивирующими пигментами. Не следует допускать, чтобы на одной поверхности создавались покрытия с разными пигментами.

Основными недостатками лакокрасочных материалов являются: паро-, газо-, влагопроницаемость и низкая теплостойкость. Так как лакокрасочная пленка состоит из участков различной плотности с многочисленными микропорами, то при соприкосновении с агрессивной средой вследствие диффузии начинается проникновение среды через пленку к поверхности материала, а также наблюдается адсорбция влаги активными центрами пленкообразующего (набухание). Критерием оценки изолирующей способности лакокрасочных пленок является высокое омическое сопротивление пленки (незначительная проницаемость), низкая емкость (небольшая набухаемость) и медленное изменение этих свойств во времени.

Гуммировочные защитные покрытия. Гуммирование — защита металлических изделий от коррозии резиновыми покрытиями. Гуммирование нашло широкое применение для защиты металлических деталей аппаратов, емкостей и насосов, поверхности которых находятся в контакте с агрессивными жидкостями. Для гуммирования используют резиновые листы, изготовленные на основе натурального (НК) или синтетического каучука (СК).

Каучуки обладают высокой эластичностью, что объясняется свернутым строением молекул полимера, которые при растяжении расправляются, а при снятии нагрузки вновь свертываются. В резине, кроме каучуков, имеются вулканизирующие вещества, главным образом сера, наполнители, красители и др. В зависимости от содержания серы можно получить:

- мягкую резину, содержащую 0,8—4% S;

- полутвердую резину (полуэбонит), содержащую 12—20% S;

- твердую резину (эбонит), содержащую 30—50% S.

Мягкая резина обладает высокой эластичностью и применяется для покрытия деталей, подверженных вибрации, ударам, колебаниям температуры или деталей, соприкасающихся с жидкостью, с твердыми частицами (насосы, трубопроводы). Подшипники из мягкой резины обладают высоким сопротивлением истиранию и широко применяются в химической аппаратуре. Эбониты характеризуются более высокой химической стойкостью по сравнению с резинами, они более твердые и менее эластичные. Эбониты плохо противостоят абразивному износу, знакопеременным деформациям, ударам и резким температурным перепадам.

По назначению и свойствам резины делятся

- на резины общего назначения, эксплуатируемые при температурах от —50°С до +150°С (шины, обувь, ремни, амортизаторы и др.);

- на теплостойкие, используемые для длительной эксплуатации при температурах выше 150°С;

- на химически стойкие, устойчивые к воздействию кислот, щелочей, растворов солей;

- на маслостойкие, устойчивые к воздействию бензина, керосина, нефти;

- на морозостойкие, устойчивые при работе в условиях низких температур;

- на диэлектрические, применяемые для изоляции электропроводов.

Гуммирование химического оборудования может быть осуществлено двумя способами:

1) обкладкой защищаемой поверхности листами сырой резины с последующей вулканизацией;

2) приклеиванием листов резины к защищаемой поверхности или вставкой заранее вулканизированного вклада или оболочки.

Первый способ получил наибольшее распространение. Сырую резину в виде пластин или листов наносят на промазанную клеем горячего отверждения металлическую поверхность, прокатывают роликами для устранения неплотностей между резиной и металлом и удаления воздуха, а затем вулканизируют. Вулканизация проводится при температуре 120 - 150°С под давлением 3 - 4 атм или при атмосферном давлении. Длительность выдержки при вулканизации зависит от состава и толщины резинового покрытия. При вулканизации сера присоединяется к молекулам каучука и резина получает определенные свойства (прочность, твердость, эластичность).

Резина обладает меньшей химической стойкостью при повышенных температурах по сравнению со стойкостью полуэбонитов и эбонитов. Поэтому для химического оборудования, работающего в агрессивных средах при повышенных, температурах, применяют противокоррозионную защиту полуэбонитами и эбонитами. Если детали химической аппаратуры, подвергаются воздействию резких колебаний температуры и знакопеременных нагрузок, они покрываются слоем резины, а затем слоем эбонита. Резина в этом случае выполняет роль эластичного подслоя для компенсации разницы в значениях температурного коэффициента расширения металла и эбонита.

Пластмассовые покрытия. Пластические массы имеют ряд ценных свойств. Они характеризуются низкой плотностью (900 - 1600 кг/м3), устойчивы к. атмосферной коррозии, к действию многих кислот, растворов солей, являются теплоизоляционными и диэлектрическими материалами, а некоторые из них по удельной прочности, превосходят углеродистые стали и сплавы цветных металлов. Недостатки пластмасс заключаются в том, что они имеют низкую теплопроводность, низкую теплостойкость (70 - 250°С), низкую твердость и подвержены старению. Они отличаются резко выраженной зависимостью механических свойств от температуры и продолжительности действия нагрузки. Пластмассовые покрытия могут быть на основе термопластичных (термопласты) и термореактивных (реактопласты) полимеров.

К термопластам относятся полимеры, способные размягчаться и плавиться при нагревании, вновь затвердевать (повторяется многократно) и сохранять при этом свои первоначальные свойства. Для защитных покрытий термопласты применяются в виде листовых и пленочных материалов, в виде порошков, дисперсий и концентрированных растворов.

Для противокоррозионных покрытий в основном используют поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, фторопласты.

Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации винилхлорида. Благодаря низкой стоимости сырья, высоким физико-механическим свойствам и высокой химической стойкости ПВХ нашел широкое применение в противокоррозионной защите. Пленка ПВХ толщиною 0,2—0,8 мм используется для защиты стальных конструкций, бетонных и металлических емкостей. На основе ПВХ выпускают винипласт, который используется как конструкционный материал и в качестве защитных покрытий. Винипласт отличается хорошей стойкостью к действию кислот, щелочей, бензина, масел, спиртов.

Перспективным является применение ПВХ для плакирования листового проката с получением так называемого металлопласта. В нем удачно сочетаются конструкционная прочность металла, коррозионная стойкость и диэлектрические свойства пластмасс. Из металлопластов изготовляются трубопроводы больших диаметров, емкости для хранения химических реагентов, аппараты, работающие при невысоких температурах и давлениях и др.

Полиэтилен (ПЭ) является одним из самых распространенных и освоенных полимеров. Полиэтилен характеризуется высокой стойкостью к действию воды и агрессивных сред при температуре до 60^оC. Полиэтилен применяют для защиты стальных металлических конструкций и подземных трубопроводов. На защищаемую поверхность полиэтилен наносится в виде пленок, листов и напылением порошков на нагретую металлическую поверхность.

ПЭ обладает рядом недостатков: горюч, подвержен старению под действием солнечного света, имеет недостаточную механическую прочность, в нем развивается ползучесть под действием длительных статических нагрузок.

Полипропилен (ПП) является продуктом полимеризации пропилена. По сравнению с полиэтиленом полипропилен имеет более высокую прочность и ударную вязкость, повышенную теплостойкость, меньше подвержен растрескиванию под воздействием агрессивных сред. ПП пленки применяются для газо-, паро- и гидроизоляции оборудования. Однако низкая его морозостойкость (-30 °С) ограничивает область применения. Листы ПП толщиною от 1 до 2,5 мм применяют для облицовки емкостей для агрессивных жидкостей. Порошковые покрытия ПП используются для защиты насосов, трубопроводов и химической аппаратуры, работающей при повышенных температурах. Благодаря дешевизне исходного сырья ПП является одним из наиболее перспективных защитных пластиков.

Полиизобутилен (ПИБ) получают в результате полимеризации изобутилена. ПИБ является одним из распространенных полимерных материалов, применяемых в химической промышленности для защиты от коррозии оборудования и сооружений. Он обладает высокой химической стойкостью к действию минеральных кислот и концентрированных щелочей. Для противокоррозионной защиты ПИБ применяется в виде пленок и листов. ПИБ хорошо прикрепляется к металлу с помощью клея без подогрева. Температурный интервал применения ПИБ — от -50 до +80°С.

В результате использования ПИБ в качестве защитных покрытий в сернокислотных производствах удалось сэкономить большое количество дефицитного свинца. ПИБ покрытия долговечнее резиновых и дешевле их в три раза. Ограниченность применения ПИБ по температуре связана с его текучестью и является одним из существенных недостатков покрытия.

Фторопласты — пластические массы на основе фторорганических соединений. В области защиты металлов от коррозии представляют интерес фторопласт Ф-4 и фторопласт Ф-3

Фторопласты благодаря своим уникальным свойствам применяются во многих отраслях техники, в том числе и в противокоррозионной защите. По химической стойкости фторопласт Ф-4 превосходит все другие синтетические полимеры, специальные сплавы и благородные металлы. Он является стойким во всех растворителях, кислотах, щелочах. Предел его теплостойкости +250°С. Фторопласт Ф-4 при обычной температуре не растворяется и не набухает ни в одном из известных растворителей, не обладает хрупкостью даже при низких температурах. Используется в качестве покрытий для защиты от коррозии химической аппаратуры, труб и других изделий. Из фторопласта Ф-4 изготавливаются прокладки, кольца, сальники для насосов и другой гидроаппаратуры.

Фторопласт Ф-3 обладает высокой химической стойкостью в серной, соляной, азотной кислотах всех концентраций, в «царской водке», концентрированных растворах щелочей, но по химической стойкости уступает фторопласту Ф-4. Защитные покрытия наносят в виде пленок и порошков с последующей их термообработкой.

К термореактивным (реактопластам) относятся пластмассы, которые при нагревании в результате химической реакции переходят в твердое нерастворимое состояние. При повторном нагревании они, не размягчаясь, разлагаются при достижении определенной температуры. Любая композиция на основе реактопластов включает в себя смолу или смеси смол; пластификаторы для повышения эластичности отвержденных композиций; растворители (ацетон, толуол, ксилол и др.), вводимые для понижения начальной вязкости смолы; наполнители (графит, асбестовое волокно и др.), применяемые для повышения прочности, износостойкости, понижения усадки.

Для защиты от коррозии химического оборудования применяются эпоксидные, фенолформальдегидные, фурановые смолы и их различные сочетания друг с другом.

Химическая стойкость полимерных композиций на основе термореактивных смол, как и другие свойства, определяется природой полимерного связующего, а также типом и содержанием наполнителей и пластификаторов, степенью полимеризации. На защищаемую поверхность наносятся реактопласты в виде растворов, паст и листового материала. Практически универсальной химической стойкостью обладают эпоксидные композиции в кислотных и щелочных средах.