Теория и материалы
Типы и особенности формирования лакокрасочных пленок
Если вы оказывались в ситуации, когда окрашенный алкидной краской пол в маленьком закрытом помещении долго не сохнет, или давно нанесенное и казалось бы хорошо высохшее акриловое покрытие стало липким, то данная статья поможет вам найти ответы на эти и некоторые другие вопросы. Как вы уже могли догадаться, причина этих проблем связана с особенностями пленкообразования лакокрасочных материалов.
Сушка и отверждение лакокрасочных покрытий
В повседневной жизни часто можно слышать слова «сушка» и «отверждение», каждое из которых описывает определенный процесс формирования пленки. Под сушкой (высыханием) обычно понимают физический процесс, в ходе которого жидкий лакокрасочный материал переходит в твердое состояние. Термин «отверждение» подразумевает протекание химической реакции и наиболее применим для двухкомпонентных материалов, однако иногда применяется и в отношении (однокомпонентных) алкидных материалов (объяснение этому мы дадим ниже).
Зачастую эти понятия трудно отделить друг от друга, поскольку химическая реакция может протекать одновременно с физическим процессом испарения растворителей. Не менее 97% промышленных покрытий, представленных на сегодняшний день на рынке, содержат растворители в том или ином количестве.
Процесс испарения растворителей можно условно разделить на две фазы:
- Испарение из жидкой пленки. Происходит быстро, скорость испарения пропорциональна разности парциальных давлений насыщенного пара над раствором и в окружающей среде;
- Испарение из сформировавшейся пленки. Скорость испарения зависит от диффузии растворителя в пленке.
Скорость первой фазы возрастает с увеличением температуры и уменьшением относительной влажности, именно поэтому сушка происходит быстрее при более высокой температуре и более низкой влажности.
Скорость второй фазы испарения растворителей также возрастает с увеличением температуры. Кроме того, в обоих случаях испарение происходит быстрее при более мощной вентиляции.
Существует три типа формирования лакокрасочных пленок: физический, кислородный и химический.
Лакокрасочные материалы физического типа высыхания
Физический тип предполагает высыхание покрытия исключительно за счет испарения растворителя. В процессе испарения растворителя расстояние между молекулами связующего уменьшается, на определенном этапе молекулы вступают в контакт друг с другом, между ними происходит реакция и образуется покрытие. К этому типу относятся акриловые, виниловые, нитроцеллюлозные, хлоркаучуковые и некоторые другие покрытия.
Такие покрытия являются однокомпонентными, что означает удобство в применении: вся подготовка к нанесению заключается только в том, чтобы открыть банку и перемешать краску.
Поскольку испарение растворителя может происходить при любой температуре, то данные покрытия можно также наносить при фактически любой температуре, при этом с понижением температуры время высыхания будет увеличиваться, поскольку физический процесс испарения будет протекать медленнее. При очень низких отрицательных температурах скорость высыхания покрытия будет стремиться к нулю; но еще более рискованным при таких температурах будет нанесение лакокрасочного материала: несмотря на возможность нанесения и высыхания, нужно быть внимательным, чтобы не допустить нанесение на поверхность, покрытую инеем, возникновение которого при низкой температуре очень вероятно.
Полученная пленка обратима, т.е. покрытие можно превратить снова в жидкость, если воздействовать на него тем же (и некоторыми другими) растворителем, можно даже удалить покрытие – опять же с помощью растворителя. Это свойство материалов физического типа обеспечивает отличную межслойную адгезию между слоями системы, когда каждый последующий слой за счет обратимости пленки растворяет ранее нанесенный слой, таким образом «сплавляя» все слои в единое покрытие. Кроме того, пленка, сформированная по физическому типу, термопластична, то есть становится мягкой при воздействии на нее тепла. На практике это означает, что если в качества финишного слоя для окраски палубы судна применялось, например, акриловое покрытие, то оказавшись в жарком климате, это покрытие может стать мягким, и экипаж судна будет чувствовать, как обувь прилипает к палубе при хождении. В качестве другого примера можно привести скамейки, на которых можно комфортно проводить время, однако с приходом жары можно обнаружить, как краска пачкает одежду. Для большинства пленок физического типа свойство термопластичности проявляется при температуре 60-700С.
Лакокрасочные материалы физического отверждения имеют низкий сухой остаток и не являются толстослойными. Эти материалы неэкологичны в силу того, что содержат большое количество растворителя, а в некоторых случаях и в силу природы связующего: так, например, битумные краски могут быть опасны для здоровья человека и окружающей среды.
Следует также отметить, что эти материалы не применяются в качестве самостоятельных систем в сильноагрессивных средах.
Таблица 1. Свойства лакокрасочных материалов с пленкообразованием физического типа
Преимущества | Недостатки |
1. Удобство работы | 1. Низкий сухой остаток |
2. Возможность нанесения при низких температурах | 2. Неэкологичность |
3. Отличная межслойная адгезия за счет "сплавления" слоев | 3. Невозможность применения в агрессивных средах |
4. Не являются толстослойными | |
5. Ограниченная термостойкость | |
6. Термопластичность |
Лакокрасочные материалы кислородного типа отверждения
В лакокрасочных материалах с кислородным типом пленкообразования полимеризация происходит за счет кислорода воздуха. К таким материалам относятся алкидные и масляные краски, а также составы на основе эфиров. Наиболее распространенными на рынке лакокрасочных материалов являются алкидные краски.
Как и в случае с материалами физического отверждения, кислородный тип предполагает физическое испарение растворителя, которое происходит одновременно с окислительной (кислородной) полимеризацией.
На процесс полимеризации влияют несколько факторов:
а) температура. Материалы кислородного отверждения можно наносить при отрицательной температуре, при этом с понижением температуры скорость отверждения снижается;
б) присутствие кислорода в окружающей среде. Для надлежащего высыхания на месте производства малярных работ должна быть установлена приточно-вытяжная вентиляция, обеспечивающая достаточный воздухообмен.
Отсутствие достаточного количества кислорода в воздухе (например, в небольших закрытых помещениях без вентиляции), а также недостаточная вентиляция могут привести к тому, что высыхание покрытия будет очень длительным, в некоторых случаях покрытие может остаться невысохшим. Но даже при достаточном воздухообмене необходимо следить за толщиной покрытия, поскольку верхняя часть пленки всегда более насыщена кислородом, чем нижняя, и при большой толщине может случиться так, что нижняя часть останется неотвержденной – в этом случае покрытие не прослужит долго. Особенно актуально это может быть для быстросохнущих покрытий, у которых нижняя часть пленки может остаться неотвержденной с большей вероятностью. Схожий эффект можно наблюдать, если оставить тару с алкидным материалом неплотно закрытой: через некоторое время на поверхности жидкости образуется твердая пленка (продукт взаимодействия с кислородом), которую необходимо удалить и продолжить работу с материалом, сохранившимся под ней.
Алкидные материалы имеют молекулы относительно небольшого размера, что позволяет им легко проникать в неровности поверхности. Эти материалы можно наносить на поверхности с различной степенью подготовки, в т.ч. на поверхности, подготовленные механическим способом.
Многие алкидные материалы остаются неэкологичными, так как имеют низкий сухой остаток и при нанесении выделяют большое количество растворителя.
Таблица 2. Свойства алкидных лакокрасочных материалов (пленкообразование кислородного типа)
Преимущества | Недостатки |
1. Удобство работы | 1. Низкий сухой остаток |
2. Возможность нанесения при низких температурах | 2. Неэкологичность |
3. Различные степени подготовки поверхности | 3. Невозможность применения в агрессивных средах |
4. Не являются толстослойными |
Лакокрасочные материалы химического типа отверждения
Наиболее распространенными в настоящее время являются материалы химического типа пленкообразования, популярность которых обусловлена главным образом длительными сроками службы таких покрытий и их стойкостью в различных условиях эксплуатации. К ним относятся эпоксидные, полиуретановые, цинкнаполненные, цинксиликатные и некоторые другие составы.
Эти материалы состоят из двух (а иногда и более) компонентов: основа и отвердитель. Процесс отверждения состоит из двух фаз: испарение растворителя и химическая реакция между основой и отвердителем. Встречаются также однокомпонентные материалы, отверждаемые за счет химической реакции связующего с влагой воздуха.
Химическая реакция предполагает, что оба компонента должны иметь возможность вступать в реакцию друг с другом, для этого необходимо тщательное перемешивание смеси компонентов. Правильное смешивание выполняется с помощью механического миксера в течение нескольких минут, после чего смесь можно считать условно гомогенной. Для некоторых лакокрасочных материалов при смешивании важно обращать внимание на скорость вращения миксера: слишком большая скорость может привести к засасыванию воздуха в смесь, что в свою очередь может стать причиной возникновения дефектов. Применение ручного инструмента для смешивания не допускается.
Важно также соблюдать пропорцию компонентов при смешивании – в случае ее несоблюдения покрытие не сформируется полностью или приобретет такие свойства, которые не позволят ему прослужить долго.
Кроме перечисленного выше, химическая реакция в качестве основного механизма получения покрытия означает, что смесь компонентов должна быть использована в течение определенного времени после смешивания. Этот период времени называется жизнеспособностью и указывается в технической документации на материал. После завершения жизнеспособности лакокрасочный материал нельзя использовать, несмотря на распространенное мнение о том, что материал можно реанимировать путем добавления растворителя.
Еще одна особенность, обусловленная химической реакцией – это температура нанесения. В отличие от физического процесса испарения растворителя, в значительной степени определяющего высыхание красок с физическим и кислородным пленкообразованием, который может происходить практически при любой температуре, химическая реакция между связующим и отвердителем может протекать только при определенной температуре. При очень низких отрицательных температурах реакция может остановиться, и покрытие останется невысохшим, поэтому перед нанесением в условиях низких температур необходимо проконсультироваться с производителем покрытия. Важно также, чтобы высыхание нанесенного материала проходило при установленной производителем температуре – в этом случае полимеризация будет полной и качественной.
Ну и наконец последнее, о чем нужно обязательно упомянуть, когда разговор заходит о двухкомпонентных материалах и химической реакции между компонентами – это допустимый временной интервал между нанесением слоев. Дело в том, что химическая реакция между компонентами происходит на протяжении длительного времени и на определенном этапе покрытие может оказаться неспособным образовывать адгезионные связи с последующим слоем, поэтому этот интервал является важной характеристикой покрытия. Наиболее эффективная последовательность выполнения работ будет построена таким образом, чтобы нанести все слои системы в пределах установленных межслойных интервалов, в противном случае может потребоваться дополнительная обработка поверхности.
Двухкомпонентные материалы, отверждаемые химическим способом, имеют более высокий сухой остаток по сравнению с однокомпонентными материалами. Некоторые из таких материалов имеют 100% сухой остаток, то есть не содержат растворитель.
Кроме того, молекулярная структура двухкомпонентных материалов позволяет наносить их толстыми слоями, давая возможность получать технологичные толстослойные системы в короткий промежуток времени.
Защитные покрытия, получаемые с применением двухкомпонентных материалов, обладают хорошими барьерными свойствами, что определяет высокую степень их непроницаемости и напрямую влияет на эффективность антикоррозионной защиты. Хорошие барьерные свойства позволяют применять данные материалы в высокоагрессивных средах при длительных сроках эксплуатации покрытия.
Наиболее распространенными антикоррозионными составами являются эпоксидные материалы. Эти материалы модифицируют для придания им дополнительных свойств: например, углеводородная смола применяется для обеспечения толерантности к поверхности, а фенолы применяются для обеспечения стойкости к химическим веществам.
Таблица 3. Свойства лакокрасочных материалов с химическим типом пленкообразования
Преимущества | Недостатки |
1. Хорошие барьерные свойства (хорошая антикоррозионная защита) | 1. Ограничения по температуре нанесения |
2. Возможность применения в различных средах эксплуатации | 2. Необходимость тщательного смешивания |
3. Хорошие механические свойства | 3. Меление (характерно для эпоксидных ЛКМ) |
4. Толстослойность | 4. Необходимость наличия специального малярного оборудования |
5. Высокий сухой остаток | 5. Интервал перекрытия |
6. Жизнеспособность |
Доброго! Вы говорите,что эпоксидки можно красить в мороз. А до какой температуры ниже нуля?
Конкретную температуру может указать только производитель материала.