Химия и технология лакокрасочных покрытий

СМАЧИВАНИЕ УВЛАЖНЕННЫХ И ПОГРУЖЕННЫХ В ВОДУ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Замена воздушной среды жидкой существенно изменяет условия смачивания поверхности лакокрасочными материалами. В этом слу­чае для описания смачивания справедливо уравнение Юнга в изме­ненной форме:

^Ж(Ж2 " СОБ 0 Фти<2 — ^ТЖ|>

Где Ж] и ж2 - соответственно жидкий лакокрасочный материал и вода, для которой А = 72,7 мДж/м2.

В практических условиях чаще всего встречаются два типичных случая:

1) когда вода в ограниченном количестве контактирует с поверх­ностью (окрашивание влажных и мокрых поверхностей);

2) когда имеется неограниченное количество воды (окрашивание объектов и сооружений под водой).

Окрашивание влажных поверхностей. Необходимость окраши­вания таких поверхностей продиктована условиями эксплуатации изделий и объектов (нефтепромысловые и портовые сооружения, строительные конструкции метро, объекты, подвергающиеся брыз - говому обводнению, и т. д.).

По степени обводнения поверхности разделяют на слабо увлаж­ненные, сильно увлажненные, мокрые и капельно мокрые. Окраши­вание поверхностей с малым содержанием воды может быть основа­но на принципе ее связывания или эмульгирования, с большим - на принципе водовытеснения.

В первом случае для связывания воды в состав красок вводят та­кие водопоглощающие вещества, как цемент, неблокированные или частично блокированные изоцианаты, отверждаемые водой поли­уретаны, во втором - ПАВ преимущественно ионогенного типа.

В простейшем варианте для нанесения на влажные поверхности удобно применять водоразбавляемые лакокрасочные материалы (вод­нодисперсионные, цементные, силикатные, клеевые и другие крас­ки). Присутствующая на окрашиваемой поверхности вода входит в состав лакокрасочного материала в качестве растворителя и испаря­ется или связывается с компонентами краски в процессе пленкообра - зования.

Краски, приготовленные на гидрофобных пленкообразователях, обычно не смачивают или плохо смачивают увлажненные поверхно­сти. При интенсивном растирании они снова собираются в капли. Условием для смачивания в этом случае является снижение межфаз - ного натяжения на границе адгезив - субстрат. Оно легко достигается применением ПАВ. В зависимости от тина пленкообразователя на­шли применение разные виды поверхностно-активных веществ: соли аминов и различных кислот, четвертичные аммониевые основания, бетаины, имидазолины, силаны и аминосиланы, жирные кислоты, фторированные спирты, титанорганические, фосфониевые и суль­фоновые соединения, металлические мыла и др. При окрашивании металлических поверхностей в качестве ПАВ нередко используют ингибиторы коррозии (ИКБ-2, ИКБ-4, КСК и др.).

Возможны два варианта применения ПАВ:

1) обработка ими влажной поверхности (гидрофобизация);

2) введение в состав лакокрасочного материала.

Второй вариант более распространен. Адсорбируясь на поверх­ности, ПАВ сближает ее по знаку полярности с лакокрасочным мате­риалом. Подбирая соответствующие ПАВ, представляется возмож­ным сделать практически любой лакокрасочный материал пригод­ным для нанесения по влажной поверхности.

Промышленно выпускаются готовые к применению составы для окрашивания влажных поверхностей, например грунтовка "Влагокор" (фирма НПО "Пигмент"), алкидные эмали (фирма "ДИА") и др. В слу­чае изготовления на месте потребления в обычный лакокрасочный материал (эпоксидный, виниловый, масляно-битумный и другой) вводят предварительно подобранный ПАВ-модификатор обычно в количестве 0,5-2,0 %. Такие материалы, как правило, служат первым слоем покрытия. Последующее нанесение слоев на свежеокрашен­ную увлажненную поверхность возможно при использовании немо - дифицированных материалов.

Окрашивание под водой. Смачивание поверхности под водой - наиболее сложный случай поверхностного взаимодействия. Боль­шинство красок, хорошо смачивающих поверхности на воздухе, не наносятся под слоем воды. Краевой угол смачивания в воде многих субстратов (металлы, стекло, керамика и др.) превышает 90°, нередко достигая 150-170°.

Энергия связи воды с гидрофильными субстратами достаточно высока, она больше, чем энергия связи с ними лакокрасочных мате­риалов. Водовытеснение и смачивание происходит только тогда, когда работа адгезии наносимого лакокрасочного материала У/л к твер­дой поверхности близка или превышает работу адгезии воды М^2°:

^1КМ><°.

Иначе говоря, вода может быть вытеснена с гидрофильной по­верхности только такими жидкостями, энергия связи которых соиз­мерима с энергией взаимодействия молекул воды. (Краска, однако, не должна растворяться в воде.)

Энергия связи функциональных групп химических соединений с водой увеличивается в ряду:

=СОО - < =с=о < — CONH— < — СН2ОН < - СН2СООН <

Ічн2 <-сн2-ын-, <—сн2ынын2 < =с=шн

Имеются два пути создания материалов подводного нанесения:

1. Применение пленкообразователей (олигомеров) с набором по­лярных функциональных групп, обеспечивающих низкие значения краевого угла смачивания в воде.

2. Введение в состав лакокрасочных материалов веществ, увели­чивающих энергию связи пленкообразователя с водой, т. е. способст­вующих гидрофилизации системы.

Такие модифицирующие вещества одновременно могут выпол­нять функции отвердителя, пластификатора, регулятора вязкости лакокрасочного материала.

Применяя в качестве пленкообразователей или модифицирую­щих компонентов красок соединения, образующие водородные свя­зи с водой (полиуретаны, полиамиды, ненасыщенные полиэфиры, некоторые амины и др.), можно получить значения краевого угла смачивания твердой поверхности в воде 30-80° (рис. 2.7), при кото­рых материал приобретает способность наноситься при любой сте­пени обводнения и непосредственно в воде.

Учитывая высокую энергию связи воды с гидрофильными суб­стратами (она нередко достигает 100 кДж/моль), можно допустить, что формирование жидкой пленки идет с участием мономолекуляр­ного Слоя воды, прочно связанного как с подложкой, так и с поляр­ными компонентами краски по схеме:

М—О-Н—О-Н-ШзК

Способность красок к нанесению обычно оценивают по краевому углу смачивания 0 гидрофильной поверх­ности (стекло, металл) в воде, а также по коэффициенту водовытеснения 5 (степени отторжения свеженанесенной

Рис. 2.7. Зависимость краевого угла сма­чивания поверхности металла 0 эпокси­олигомером от массовой доли в нем мо­дификатора - полиэтиленполиамина на воздухе (1) и в воде (2)

Краски водой). Лучшими являются материалы, у которых значение 0 не превышает 40°, а 5 близко к 100 %).

Смачивание улучшается с повышением температуры; существу­ет оптимум по вязкости (порядка 0,3 Па • с), при котором достигается наилучшее вытеснение воды с поверхности.

Соленость воды не оказывает существенного влияния на нанесе­ние красок. Краски для подводного нанесения должны иметь плот­ность, превышающую плотность воды, и обладать способностью отверждаться в водной среде. Как правило, находят применение краски на основе олигомерных пленкообразователей, не содержащие растворителей.

Разработаны водовытесняющие составы (лаки, краски и клеи) на эпоксидной, полиэфирной и полиакрилатной основе, отверждаемые за счет реакций полиприсоединения и полимеризации. Примером этому могут служить эмаль ЭП-451 "Субкор" (АО "НПФ "Пигмент"), композиция "Эдмок", клеи "Спрут-9М", "ВАК-МБ" и др. Применение этих и других подобных составов позволяет решать разные задачи: осуществлять ремонт подводной части судов без докования, проти­вокоррозионную защиту металлических и железобетонных конст­рукций в подводной зоне и зоне переменного горизонта, ремонтное окрашивание трубопроводов, кабелей, пролегающих по дну водо­емов и морей и др. Особый интерес представляют противообра - стающие составы для подводного окрашивания морских конструк­ций и судов.