Химия и технология лакокрасочных покрытий

ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Для защиты металлов в разных странах потребляется в среднем от 40 до 55 % производимых лакокрасочных материалов. Окрашива­нию подлежат объекты и сооружения, металлоконструкции, транс­порт, трубы, бытовые приборы, различные изделия. Применяемые технологии весьма разнообразны. Их выбор определяется многими факторами: размером и формой изделия, природой металла, объе­мом производства, требованиями к внешнему виду, условиями экс­плуатации. При разработке технологии окрашивания в первую оче­редь руководствуются экономическими и экологическими сообра­жениями, установленным сроком службы покрытий.

Ниже приводятся примеры технологических решений, исполь­зуемых при окрашивании металлических изделий и объектов в раз­ных отраслях промышленности и строительства.

Защита изделий машиностроения

Окрашивание автомобилей. Автомобильная промышленность яв­ляется крупным потребителем лакокрасочных материалов (их мировое потребление в этой отрасли в 2004 году составило более 800 тыс. т).

Окрашиванию подлежат кузова легковых автомобилей, кабины грузовых автомобилей, комплектующие их части - шасси, рамы, дви­гатели, бензобаки, платформы, диски колес и другие детали. К по­крытиям предъявляются высокие требования по защите и декора­тивному внешнему виду, материалы должны отвечать требованиям массового производства.

Основными конструкционными материалами для изготовления автомобилей являются кузовная и частично оцинкованная сталь, сплавы алюминия (детали двигателя, диски колес и др.).

Находят применение все группы лакокрасочных материалов: грун­товки, шпатлевки, эмали, лаки. Грунтование поверхности почти на всех автомобильных фирмах производится методом электроосажде­ния (преимущественно катодного) с применением водоразбавляемых грунтовок. Материалом верхнего покрытия преимущественно слу­жат жидкие составы, реже порошковые или комбинации жидких составов с порошковыми.

Технологические принципы окрашивания кузовов на разных предприятиях неидентичны. Они различаются типом применяемых лакокрасочных материалов (наиболее широко применяются полиак - рилатные, меламиноалкидные, полиуретановые, полиэфиракрилат - ные и другие составы), способом их нанесения (применение роботов и других автоматических средств), использованием разных видов теплового и УФ-отверждения, организацией работы в целом. Неод­нозначны и способы подготовки поверхности. В ряде европейских стран широко применяется операция "холодного цинкования" кузо­вов составом "Zinga" протекторного действия, что значительно по­вышает защитные свойства покрытий.

На отечественных автомобильных заводах материалом верхнего покрытия для легковых автомобилей преимущественно служат жид­кие меламиноалкидные (МЛ-1110) и полиакрилатные (ПЛ-1348) эма­ли. Для получения покрытий с металлическим или перламутровым эффектом применяют полиакрилатный лак (АС-1105Т). Окрашива­ние кабин грузовых автомобилей производят в основном с приме­нением меламиноформальдегидной эмали МЛ-197.

Технологический процесс окрашивания кузовов легкового авто­мобиля включает следующие основные операции:

- подготовка поверхности, включая обезжиривание и кристалли­ческое фосфатирование (осуществляется в струйном агрегате);

-нанесение грунтовочного слоя способом электроосаждения с последующим отверждением при 150-160 °С;

-нанесение базисной эмали автоматическим (или полуавтома­тическим) распылением, отверждение при 130-140 °С.

В случае получения покрытия типа "металлик" последовательно наносят слой базисной эмали и слой лака с одновременным отвер­ждением покрытия при 130 °С (рис. 9.6).

Комплектующие детали ав­томобилей окрашивают по не­сколько упрощенной технологии. На рис. 9.7 указана последова­тельность операций окрашива­ния шасси автомобилей ВАЗ.

Изделия на подвесном кон­вейере поступают в 7-зонный агрегат подготовки поверхности, где подвергаются обезжириванию

Рис. 9.6. Система автомобильного покрытия типа ’’металлик”

,□ П Д Д. Д.Д Д

Рис. 9.7. Технологическая схема окрашивания шасси автомобилей ВАЗ:

1 - агрегат струйной подготовки поверхности; 2 - площадка для размещения вспомогательного оборудования агрегата; 3, 8 - сушилка; 4,9- камера охлажде­ния; 5, 6 - камера окрашивания с ванной для окунания и зоной стекания; 7 - ка­мера предварительного нагрева; 10- конвейер

(состав КМ-17), двухкратной промывке питьевой и деминерализован­ной водой. Далее изделия высушивают от влаги при температуре 70- 80 °С, после чего охлаждают обдувкой воздухом. Окрашивание про­водят водоразбавляемой грунтовкой В-МЛ-0275 методом окунания, избыток грунтовки стекает и возвращается в ванну окунания. Сушка грунтовочного слоя производится ступенчато, сначала при 60 °С в течение 5 мин, затем при 155-160 °С. Перед съемом с конвейе­ра изделие охлаждают.

При окрашивании дисков ко лес в основном используются по­рошковые краски. В случае алюминиевых дисков применяется сле­дующая технология:

-подготовка поверхности, включающая обезжиривание и хро- матирование (проводится в струйном агрегате) с последующей про­мывкой и сушкой от воды при 120-130 °С;

- нанесение порошковой грунтовки способом электростатиче­ского распыления с последующим отверждением при 180 °С в тече­ние 15 мин;

-нанесение порошковой краски и отверждение аналогичным образом;

- нанесение порошкового лака и последующее его отверждение.

При окрашивании стальных дисков колес вместо хроматирова-

Ния применяют фосфатирование, а грунтование поверхности прово­дят жидкой водоразбавляемой грунтовкой способом электроосаж­дения.

Разрабатываются новые технологии получения защитных по­крытий на автомобилях. В частности, большого внимания заслужи­вает процесс изготовления кузовов или его элементов из листового

Металла (сталь, сплавы алюминия), предварительно окрашенного способом койл-коатинга. Например, фирма БАББ уже внедрила про­изводство дверных конструкций в автомобилях из листа, окрашен­ного этим способом. Такая технология сокращает технологический процесс производства покрытий и делает защиту более надежной.

Окрашивание мотоциклов, мопедов, велосипедов. По условиям эксплуатации требования в отношении противокоррозионной за­щиты этих видов транспортных средств несколько меньше, чем ав­томобилей. Однако их внешний вид, цвет, декоративное оформление также имеют важное значение.

До недавнего времени эти изделия окрашивали исключительно жидкими лакокрасочными материалами, главным образом мелами - ноформальдегидными и мочевиноформальдегидными с применением соответствующих грунтовок. В настоящее время преобладает исполь­зование порошковых красок, и только в случае особенно дорогих моделей мотоциклов некоторые производители применяют жидкие полиакрилатные или двухупаковочные акрилуретановые эмали.

Типовая схема окрашивания мотоциклов включает следующие операции: подготовка поверхности, нанесение на металлические де­тали порошковой краски, нанесение декоративных рисунков и над­писей.

Подготовка поверхности предусматривает обезжиривание и кри­сталлическое фосфатирование. Нередко для улучшения защитных свойств покрытий применяют грунтование - нанесение водоразбав­ляемой грунтовки, например, способом электроосаждения. Наиболее зрительно важную часть мотоцикла - бензобак, требующую особен­но высокого класса отделки, зачастую окрашивают жидкими лако­красочными материалами, применяя для выравнивания поверхности полиэфирную или эпоксидную шпатлевки. Пластмассовые детали грунтуют токопроводящей грунтовкой и окрашивают порошковой краской способом электростатического распыления.

Примерно аналогичным способом производится окрашивание мопедов, мотороллеров, велосипедов. Учитывая массовое производст­во изделий, окрашивание производится поточным способом на кон­вейерных линиях с полной механизацией и автоматизацией процесса.

Окрашивание вагонов. Железнодорожные и трамвайные ваго­ны - объекты, постоянно эксплуатируемые в атмосферных условиях. Многие десятилетия для их защиты традиционно применяли алкид - ную систему: пентафталевые грунтовки, шпатлевки и эмали (ПФ-115) в основном естественной сушки. В настоящее время находят приме­нение более экологически чистые, ускоренно высыхающие лакокра­сочные материалы, образующие более долговечные покрытия.

Наиболее высокое качество покрытий (до 8 лет эксплуатации) достигается при использовании двухслойных и трехслойных систем покрытий на полиуретановой основе: 1) грунт-шпатлевка - верхнее покрытие и 2) грунтовка - промежуточный слой - верхнее покрытие. При этом находят применение как двухупаковочные, так и одноупа­ковочные (отверждаемые влагой воздуха) полиуретановые составы. Такие системы покрытий применяют в вагоностроении и ремонте во многих европейских странах.

В отечественной промышленности преимущественное примене­ние все еще имеют органорастворимые быстровысыхающие алкид - но-модифицированные материалы (грунтовки ПФ-0244, "Экспресс - Амор", шпатлевки "Кронос-Спринт", эмали "Кронос-ЖД", "Экспресс"), время отверждения которых в естественных условиях не превышает 6 ч. Одновременно все больший интерес с экологической точки зре­ния приобретают воднодисперсионные составы (грунтовки "Уникор - ЖД", "Уретал-шпат", противошумная мастика "Изомаст" и др.). Для нанесения составов применяют способы безвоздушного и комбини­рованного распыления.

Защита металлических изделий строительного назначения

Технологические процессы окрашивания существенно упрощают­ся, переводятся в автоматическое русло, когда защите подвергаются однотипные изделия относительно небольших размеров. На рис. 9.8 приведена схема линии окрашивания таких изделий на примере ра­диаторов из алюминия.

Камера Пор[ошк Овои _ * І Окраски Трехходовая печь полимеризации

Туннель элсктроосаждения

О О О Сч1

Трасса подвесного конвейера

Участок разгрузки окрашенных изделий

Участок навески

60000

Рис. 9.8. Схема окрашивания радиаторов

Технологический процесс включает операции: 1) подготовка по­верхности; 2) грунтование способом электроосаждения; 3) нанесение верхнего покрытия путем электростатического распыления порош­ковой краски.

Подготовка поверхности производится водными составами в струйном шестизонном агрегате (зоны 1-2 - одновременное обезжи­ривание и фосфатирование (Г = 30-40 °С), 3-4 - промывки теплой водой, 5-6 - промывка обессоленной водой). Процесс электроосаж­дения производится в ванне, снабженной системами перемешивания раствора, термостатирования, ультрафильтрации. Изделия после промывки осадка направляются в нагревательное устройство кон­вективного типа, где покрытие отверждается при 150 °С в течение 20 мин. Далее конвейер переносит их в распылительную камеру для нанесения порошковой краски. Ее отверждение производится в той же камере, что и отверждение грунтовки. Промывные воды из агре­гата подготовки поверхности подвергаются очистке, отходы произ­водства - утилизации.

Защита труб

Промышленностью производится большое количество металли­ческих труб разного сортамента. Они различаются размерами (диа­метром, длиной, толщиной стенки), типом металла, назначением. Находят применение трубы для транспортирования газа, нефти, нефтепродуктов, буровые, обсадные, трубы систем орошения, паро­силового хозяйства, холодного и горячего водоснабжения и др. Большинство из них нуждается в соответствующей защите от корро­зии и разрушения.

Особенно надежной должна быть защита труб нефтегазового комплекса, укладываемых в землю, по дну водоемов и морей. Маги­стральные трубопроводы - крайне дорогие сооружения, рассчитан­ные на срок эксплуатации до 30 лет. Поэтому они требуют особенно надежной защиты. Для таких труб комплексно применяют два вида защитных мероприятий: 1) нанесение соответствующих систем ор­ганических или неорганических покрытий и 2) электрохимическую (катодную) защиту. Защитные покрытия, как правило, наносятся не только на наружную, но и на внутреннюю поверхность труб. Для наружной изоляции труб находят применение различные материалы и системы покрытий, а именно, битумные мастики, полимерные ленты (из полиэтилена или поливинилхлорида), жидкие и порошко­вые эпоксидные материалы, полимеры (сэвилен, полиэтилен), нано­симые методами экструзии, а также стеклоэмали.

Для противоррозионной защиты наружной поверхности сталь­ных нефтегазовых труб большого диаметра (610-1420 мм) в завод­ских условиях, как правило, применяют многослойные покрытия.

В США для защиты труб наиболее распространены двухслойные эпоксидные покрытия. При этом на горячую поверхность частично отвержденного эпоксидного грунта наносится слой более эластичной эпоксидной порошковой краски. Общая толщина двухслойного эпок­сидного покрытия - до 0,8-2 мм.

Технологический процесс получения покрытий на отечествен­ных предприятиях включает операции подготовки поверхности и нанесения покрытий.

Подготовка поверхности производится посредством дробемет - ной очистки труб. Применяют два последовательно расположенных дробемета - первый для снятия окалины и ржавчины (круглая дробь), второй - для создания шероховатости поверхности (колотая дробь). Степень очистки поверхности по 1БО 8501-1 не ниже Ба 21/г, шерохо­ватость поверхности = 30-60 мкм.

Нанесение антикоррозионных покрытий производится не позд­нее чем через 2 ч после подготовки поверхности. На нагретую до 190- 220 °С поверхность последовательно наносят способом электроста­тического распыления слой порошковой эпоксидной грунтовки, за­тем экструзионно слой адгезива (привитой сополимер полиэтилена и малеинового ангидрида) и слой верхнего покрытия из полиэтилена или полипропилена. Суммарная толщина трехслойного покрытия 3-5 мм.

Для получения покрытий используются как отечественные (П-ЭП-0305, П-ЭП-0130, П-ЭП-7120У, ОХТЭК-3 трубная), так и им­портные (И^соа! 11-7261, 8а^сЬсоа1е, Согго-Соа!:) порошковые эпок­сидные материалы.

Нанесение полиэтилена в качестве поверхностного слоя по жест­кому эпоксидному слою усиливает демпфирование, повышает стой­кость покрытия к ударным воздействиям и создает дополнительную противокоррозионную защиту.

Нанесение покрытий на внутреннюю поверхность труб пресле­дует две цели:

1) обеспечить защиту металла от коррозионного воздействия ат­мосферы (при транспортировке и укладке труб) и влияния сырых нефтей, особенно сернистых (при эксплуатации);

2) сделать поверхность труб более гладкой, что позволяет умень­шить гидравлическое сопротивление движению транспортируемых веществ и снизить отложение парафина в случае парафинистых нефтей.

В зависимости от требований применяют разные варианты за­щиты внутренней поверхности труб: 1) однослойные покрытия на основе жидких эпоксидных смол (типовой вариант) и 2) двухслой­ные покрытия: жидкий грунтовочный состав - порошковая (или жидкая) эпоксидная краска (усиленный вариант).

Как и наружная поверхность труб, внутренняя подвергается тща­тельной очистке, что достигается дробеметной обработкой. Нанесе­ние жидких материалов осуществляется способом пневмораспыле­ния; порошковую краску наносят на разогретую поверхность струй­ным способом. Грунтовочный состав (преимущественно на основе эпоксидных или фенольных смол), наносимый тонким слоем (20-40 мкм), обеспечивает повышение адгезии и защитных свойств покры­тий в целом.

В зависимости от назначения труб варианты их защиты разнооб­разны. Например, защита наружной и внутренней поверхности труб для транспортирования воды эффективно обеспечивается примене­нием порошков полиамидов (Рильсан и др.), для жидкого топлива - полиуретановых составов, для межоперационной защиты (на период хранения и транспортирования) - воднодисперсионных красок.

Окрашивание мостовых металлоконструкций

Металлоконструкции мостов, путепроводов, пролетных строе­ний - стационарные долговременные сооружения - эксплуатируют­ся в особо неблагоприятных условиях при воздействии атмосферы, постоянной высокой влажности, наличии конденсата, знакоперемен­ных механических нагрузок, что обусловливает необходимость их надежной защиты. Наиболее распространенный вид защиты - при­менение лакокрасочных покрытий. Его эффективность напрямую связана с качеством лакокрасочных материалов и соблюдением тех­нологии окрашивания.

Технологический процесс получения защитных покрытий на ме­таллоконструкциях включает следующие операции: 1) подготовка поверхности; 2) грунтование; 3) нанесение промежуточного и по­крывного слоев покрытий. Промежуточный слой иногда заменяют нанесением дополнительного слоя верхнего покрытия.

Подготовка поверхности осуществляется абразивоструйными ме­тодами. Очищают как исходный металлопрокат, так и готовые ме­таллоконструкции, применяя дробеструйные и дробеметные уста­новки. Степень очистки Ба 2 V2 по 1БО 8501-1. Острые кромки округ­ляют радиусом не менее 2 мм. Очищенные заготовки сразу же грунтуют. Эти операции обычно выполняются в заводских условиях по месту изготовления металлоконструкций.

На строительной площадке собранные конструкции окрашива­ют, предварительно зачищая места сварки и болтовые соединения абразивоструйными методами, а труднодоступные места - ручными.

Для окрашивания применяют различные лакокрасочные мате­риалы естественной сушки отечественного и зарубежного производ­ства: полиуретановые, виниловые, эпоксидные, эпоксидно-винило­вые. Они могут быть одно-, двух - и трехупаковочными. Особенно популярны одноупаковочные составы полиуретанового типа, отвер­ждаемые влагой воздуха. Для усиления противокоррозионного дей­ствия применяют грунтовки, содержащие порошок цинка.

Ниже в качестве примера указаны некоторые системы для окра­шивания мостовых металлических конструкций со сроком службы 15 лет и более.

Система I:

1) эпоксидная грунтовка ЭП-057 "Виникор-цинк" - двухупако­вочная протекторного действия с аминным отвердителем;

2) эпоксидно-виниловая эмаль "Виникор-62" - двухупаковочная с аминным отвердителем.

Система II:

1) полиуретановая грунтовка ’^е^рат^Ри^пк" - цинкнапол - ненная, одноупаковочная, отверждаемая влагой воздуха;

2) полиуретановый состав "1п1егеиге 200Н8" с наполнителем слю­дой, двухупаковочный - промежуточный слой;

3) полиуретановая эмаль "1п1егПпе 990" - материал верхнего по­крытия - двухупаковочный.

Для нанесения материалов преимущественно используют без­воздушное и комбинированное распыление. Общая толщина покры­тий 240-280 мм.