Химия и технология лакокрасочных покрытий

А. А. Яковлев





                V/M/J




            И ТЕХНОЛОГИЯ ЛАГСКРАССЯГЫХ ПОКРЫТИЙ


5-е издание, стереотипное
Рекомендовано Ученым Советом Санкт-Петербургского государственного технологического института (Технического университета) в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Химическая технология высокомолекулярных соединений"






Санкт-Петербург ХИМИЗДАТ 2024

УДК 667.64 (075.8)
    Я 474
ББК 6П7.51



Издание выпущено при поддержке Комитета по печати и взаимодействию со средствами массовой информации Санкт-Петербурга




        Рецензент:
        Кафедра химической технологии органических покрытий Ярославского государственного технического университета (зав. каф. д-р хим. наук, проф. И. В. Голиков)







         Яковлев А. Д.

Я 474 Химия и технология лакокрасочных покрытий: Учебник для вузов. - 6-е изд., стереотип. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024. - 448 с., ил.
         ISBN 978-5-93808—490-2

            Излагаются основы формирования и свойства лакокрасочных покрытий, технология их получения на поверхности разных материалов, вопросы организации труда, экологии и техники безопасности.
            Третье издание учебника (2-е изд. - 1989 г.) переработано с учетом имеющихся достижений в науке и технологии. В четвертое издание внесены необходимые исправления.
            Рекомендуется для студентов химико-технологических вузов. Может быть полезен для специалистов, связанных с производством лакокрасочных покрытий.


Я

2804090000-030
050(01)-24

Без объявл.

ББК 6П7.51

ISBN 978-5-93808—490-2

©Яковлев А. Д., 1981, 2008 ©ХИМИЗДАТ, 2010, 2024

ПРЕДИСЛОВИЕ



    Лакокрасочные покрытия, являясь основным средством защитно-декоративной отделки машин и механизмов, промышленных и бытовых изделий, зданий и сооружений, в большой мере определяют их товарный вид, работоспособность, конкурентную и покупательную способность. Широкомасштабное их использование увеличивает срок жизни указанных объектов, обеспечивает значительную экономию материальных ресурсов.
    Несмотря на то, что история получения и применения лакокрасочных покрытий уходит в глубокую древность, химия и технология лакокрасочных покрытий как научная дисциплина определилась относительно недавно. Этому способствовали резкое расширение научно-исследовательских работ, обусловленное потребностями производства, и накопление в связи с этим значительной научной информации, а также углубление основополагающих разделов науки, в первую очередь физики и химии полимеров, и организация 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 несколько учебных пособий по этой дисциплине. Последнее учебное пособие "Химия и технология лакокрасочных покрытий", написанное автором, вышло в Ленинградском отделении издательства "Химия" в 1989 году. В связи с проводимой в стране перестройкой системы высшего образования и возросшими требованиями к подготовке специалистов возникла необходимость в подготовке учебника, который в сжатой и доступной форме отражал бы последние научно-технические достижения в данной области знаний.
    Книга написана в соответствии с программой и на основе многолетнего опыта чтения курса "Химия и технология лакокрасочных покрытий" в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (Техническом университете). Учитывая ограниченность объема, основное внимание в ней сосредоточено на принципиальных вопросах физикохимии и технологии лакокрасочных покрытий.
    Хотя книга рассчитана в первую очередь на студентов вузов, надеюсь, что она будет полезна и более опытной категории читателей - аспирантам, инженерно-техническим и научным работникам, связанным с получением и применением лакокрасочных покрытий.
    Считаю своим приятным долгом выразить благодарность преподавательскому составу кафедр химической технологии органических покрытий Санкт-Петербургского государственного технологического института (Технического университета) и Ярославского государственного технического университета, первому - за содействие и помощь в подготовке рукописи, второму - за ценные замечания и советы при рецензировании. Особая благодарность - 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 критические замечания будут с благодарностью приняты.


Автор

ВВЕДЕНИЕ



   На протяжении тысячелетий человечество пользуется лаками и красками; их потребительские качества, однако, проявляются в покрытиях. В настоящее время лакокрасочные покрытия - основное средство защиты и отделки объектов, предметов и изделий различного назначения. На их долю приходится около 80 % противокоррозионной защиты изделий машиностроения; свыше 90 % поверхности зданий и строительных конструкций подвергаются окрашиванию. Нанесением лакокрасочных покрытий также заканчивается процесс производства изделий мебельной, полиграфической промышленности, многих изделий из пластмасс. Велика и ответственна роль лакокрасочных покрытий как основного средства электроизоляции, герметизации, защиты от излучения, декоративной отделки в радио-, электротехнической и электронной промышленности, при производстве космических кораблей и летательных аппаратов.
   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 металлов. Убытки, причиняемые коррозией в различных странах, составляют 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 способности покрытий. С развитием потребляющих отраслей промышленности все более возрастают требования к лакокрасочным покрытиям. Сейчас уже нельзя говорить об универсальных покрытиях, как это было несколько десятилетий назад. Все более существенной становится 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 борьбы с кавитацией, обледенением, грязеудержанием, обрастанием в

4

морских условиях, разрушением микроорганизмами, для целей звукоизоляции, светомаскировки и создания источников света, измерения температуры, регулирования физиологической и оптической активности материалов, решения ряда санитарно-гигиенических задач. Покрытия, предназначенные для решения специальных (целевых) задач, нередко называют "умными" покрытиями. Они привлекают особое внимание.
    Рост материального производства находит отражение и в масштабах 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. м² различных поверхностей. Большие объемы окрасочных работ при еще значительном использовании органорастворимых лакокрасочных материалов вынуждают 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 габаритам объектов, начиная от тончайших (до 1 мкм) изделий электроники, кончая гигантскими танкерами и огромными строительными сооружениями, которые изготовлены из самых разных металлов (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 своеобразных технологических приемах производства покрытий. Самые крупные потребители лакокрасочных материалов - строительная индустрия и машиностроение, значительным является их потребление в быту.
    Большие масштабы использования лакокрасочных покрытий неслучайны, они связаны со многими их достоинствами: много-цветностью, разнообразием свойств и фактуры поверхности, удобством нанесения и реставрации, возможностью сочетания с другими, в первую очередь неорганическими покрытиями, относительно невысокой стоимостью, многоцелевым назначением. Лакокрасочные покрытия получили практическое применение раньше других покрытий и в настоящее время являются доминирующими.
    Современная технология покрытий - высокоорганизованное механизированное производство, базирующееся на последних на

5

учно-технических достижениях в области химии, механики, электротехники, электроники. Ее создание - заслуга многих коллективов инженеров, ученых, специалистов разных отраслей страны, результат широкого использования достижений мировой науки и зарубежного опыта.
    При рыночной экономике в условиях жесткой конкуренции в области покрытий определяющими являются следующие факторы:
    -    постоянное повышение качества - обеспечение декоративности, требуемых эксплуатационных свойств, гарантированных сроков службы, что достигается обычно применением более совершенных лакокрасочных материалов и новых технологий;
    -    повышение экономичности производства за счет уменьшения затрат на материалы, расхода энергоресурсов;
    -    внедрение нового прогрессивного оборудования, средств механизации и автоматизации;
    -    резкое повышение экологической полноценности производств путем применения безрастворительных лакокрасочных материалов (водные, порошковые) и материалов с высоким сухим остатком, устранения вредных выбросов и загрязнений, создания безотходных технологий.
    При выполнении указанных и других мероприятий важная роль отводится фундаментальной и прикладной наукам, оригинальным конструкторским и технологическим решениям, маркетинговым и патентным проработкам, а также средствам информации и рекламированию имеющихся достижений. В последнем случае определенную помощь могут оказать специализированные отечественные журналы "Лакокрасочные материалы и их применение", "Промышленная окраска" и "Лакокрасочная промышленность", а также многочисленные зарубежные издания по этой специальности.

Г Л А В А 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЯХ
И МАТЕРИАЛАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ
ДЛЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ



Аля получения покрытий используются разные по химической природе лакокрасочные материалы. Их ассортимент достаточно широк, разнообразен, постоянно растет и обновляется. На смену органорастворимым материалам приходят безрастворительные, увеличивается доля лаков и красок на основе синтетических пленкообразующих 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 варьирования свойствами покрытий. Качество покрытий, однако, во многом зависит от выбранной технологии их получения.

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ
   ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

1.1.1. ОСОБЕННОСТИ ПОКРЫТИЙ

   Основу лакокрасочных покрытий составляют полимерные пленки преимущественно органической природы, поэтому нередко лакокрасочные покрытия называют органическими.
   Под термином пленка понимают состояние вещества в виде сплошного тонкого слоя. Различают пленки свободные и адгезированные . Лакокрасочные покрытия - это пленки, связанные адгезионными силами с твердой поверхностью (субстратом). Такое состояние 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 характеризуются определенными пределами толщины, чаще всего 10300 мкм. Из-за 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

' Рис. 1.1. Схема строения лакокрасочного •. покрытия:
   1 - верхний, контактирующий с внешней средой слой; 2 - промежуточный слой; 3 -нижний (адгезионный) слой; 4 - подложка
4


проявляется роль ее поверхности. Высокая удельная поверхность создает неблагоприятные условия для эксплуатации материалов в покрытиях.
   Лакокрасочные покрытия имеют две разные поверхности контакта: одну с внешней средой (как правило, газообразной или жидкой), другую - с твердым телом или подложкой. Это отличает их от клеевых соединений, где клеевой слой с обеих сторон связан лишь с твердыми субстратами. Влияние внешней среды и подложки проявляется в химическом составе и структуре материала контактных слоев пленок. Поэтому лакокрасочные покрытия следует рассматривать как физически и химически неоднородные системы.
   Так, в покрытиях, сформированных из растворов или расплавов пленкообразователей, можно выделить по крайней мере три слоя, имеющих непрерывные границы перехода (рис. 1.1): верхний (или "воздушный"), промежуточный (или средний) и нижний -адгезионный, или "зеркальный". Верхний слой, соприкасающийся в процессе формирования пленки с воздухом или другой средой, в наибольшей степени подвержен их влиянию. Степень окислительной деструкции и нередко других видов химических превращений пленкообразователя, протекающих с участием, например, кислорода и влаги воздуха, как правило, наиболее значительны в этом слое. Проникновение их в средний, а тем более в нижний (адгезионный) слой (в случае безпористых субстратов) замедляется. Субстрат (подложка) также может участвовать в протекании химических реакций:

Рис. 1.2. Структура покрытия, полученного из эпоксидного олигомера ЭД-20 на стекле, в адгезионном (а), среднем (ф и верхнем (в) слоях (по данным П. И. Зубова, и Л. А. Сухаревой)

8

при формировании покрытий, особенно при высоких температурах, нередко проявляется его катализирующая или ингибирующая роль.
    Пленка, фиксированная на твердой поверхности, испытывает воздействие на нее силового поля, что существенно влияет и на физические процессы в адгезионном слое: усадку, стеклование, ориентационные эффекты и т. д. Все это определенным образом сказывается на структуре пленок (рис. 1.2). В адгезионном слое молекулы пленкообразователя подвержены плоскостной ориентации, при этом формируется, как правило, менее совершенная структура, чем в массе полимерной пленки. По мере удаления от подложки степень ориентации и анизотропия пленок резко падают, а степень надмолекулярной организации полимера возрастает. Структурная неоднородность особенно заметна у покрытий, изготовленных из кристаллических полимеров. Из-за большого числа центров кристаллизации и малой подвижности макромолекул полимеров, связанной с фиксирующим действием твердой поверхности, возникают затруднения при кристаллизации в адгезионном слое. Этого явления не наблюдается в промежуточном и верхнем слоях: степень кристалличности там, как правило, больше, чем в адгезионном слое.
    С первичной кристаллизацией определенным образом коррелирует и сферолитная. Максимальные по объему сферолиты приходятся на среднюю часть пленки: по мере приближения к периферии и к подложке они вырождаются или принимают морфологические формы. Поскольку сферолиты в адгезионном слое растут только в одном направлении, они приобретают удлиненную (столбчатую) форму. При этом возможно образование так называемого граничного транскристаллитного слоя. Его протяженность у разных полимеров в зависимости от условий формирования покрытий различна и может достигать единиц или десятков микрометров.
    Структурные различия отдельных слоев проявляются в их свойствах. Так, нижний слой пленок, полученных из растворов аморфных полимеров, обладает повышенной сорбционной способностью, как правило, более низкой твердостью и меньшей плотностью, но более высокой, чем в объеме, температурой стеклования из-за ограниченной подвижности макромолекул.
    В многокомпонентных системах, к которым относится большинство покрытий, неоднородность по толщине (и нередко в объеме) может возникать в результате микро- и макрорасслоения компонентов, выпотевания или кристаллизации пластификаторов, всплывания (флотации) или оседания пигментов в момент пленкообразования, избирательной адсорбции ПАВ на покрываемой поверхности.

9

    Образование так называемой послойно-неоднородной структуры покрытий может быть запрограммировано самой рецептурой лакокрасочного материала, например, путем использования смесей взаимонесовместимых пленкообразователей.
    Неоднородность состава, структуры и, как следствие этого, анизотропию свойств, присущие лакокрасочным покрытиям, нельзя рассматривать как отрицательные явления. В этом может быть определенный положительный эффект, особенно при получении многослойных покрытий.
    Формирование покрытий на подложке сопряжено с усадочными явлениями. При отсутствии полной релаксации усадка приводит к возникновению остаточных напряжений. Таким образом, большинство 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 лакокрасочные 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 тонким пленкам, принимая во внимание общую тенденцию к уменьшению толщины эксплуатационно-способных покрытий.

1.1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЙ

    Лакокрасочные покрытия классифицируют преимущественно по химическому и эксплуатационному признакам, а также внешнему виду.
    В основу химической классификации положена природа пленкообразующего вещества лакокрасочного состава, из которого изготовлено покрытие. Так, говоря об эпоксидных, полиакрилатных, кремний органических, масляных и других покрытиях понимают, что они получены в основном с применением соответствующих лакокрасочных материалов: эпоксидных, полиакрилатных и т. д.
    Классификация покрытий по эксплуатационному признаку или по назначению (например, на атмосферостойкие, химически стойкие, термостойкие и т. д.) также очень распространена. Хотя она и не дает какого-либо представления о природе материала пленки, для потребителей она важна, так как нацеливает на области использования того или иного покрытия.


10