Защитные покрытия на металлических поверхностях с плотной ржавчиной

Черные металлы, к которым относится железо и некоторые его сплавы, как известно, термодинамически нестабильны и довольно легко окисляются в присутствии воды и кислорода, образуя знакомую всем ржавчину. В условиях загрязненной окружающей среды различные химические соединения, присутствующие в воздушной и водной среде, ускоряют этот процесс. Нередко за год-два, а то и меньше, «новые» металлоконструкции, оборудование, агрегаты машин и механизмов могут покрыться слоем ржавчины. Суммарный ущерб из-за коррозии металлов достигает 5% национального дохода в промышленно развитых странах.

Использование традиционных способов защиты металлов с тщательной очисткой ржавчины, обработкой поверхности специальными пассивирующими составами, грунтованием и последующим нанесением лакокрасочных материалов (ЛКМ) не всегда возможно (по экономическим, экологическим, а иногда просто практическим соображениям). Действительно, далеко не всегда есть возможность осуществить капремонт моста, по которому круглосуточно идет интенсивное движение, поставить «на прикол» автотранспортные средства, отключить на длительное время оборудование, машины, механизмы, постоянно занятые в производственном процессе. Да и стоимость работ по предварительной подготовке поверхности, связанной с удалением плотной ржавчины и окалины, достигает в отдельных случаях до 80% общей стоимости окрасочных работ.

В такой ситуации можно попытаться (а это иной раз и делается) нанести обычную краску непосредственно на ржавую поверхность, без предварительной обработки. Однако, такой «оперативный» способ антикоррозионной защиты металла не эффективен, т.к. традиционные ЛКМ (даже на органической основе) не обеспечивают полной изоляции поверхности. Влага все равно рано или поздно проникнет сквозь пленку краски, и развитие коррозии, особенно при наличии уже имеющейся ржавчины и окалины, будет происходить очень быстро.

В научно-технической литературе описывается достаточно большое количество специальных ЛКМ, которые могут наноситься «прямо» на ржавчину. Наибольшее число таких материалов относится преимущественно к вододисперсионным (водоразбавляемым) грунтам и грунт-краскам, содержащим в своем составе фосфорную кислоту, которая химически связывает (преобразовывает) ржавчину, а образующаяся полимерная пленка изолирует поверхность металла от воздействия среды.

Также известны и органоразбавляемые двухкомпонентные составы (основа + отвердитель), содержащие ингибиторы коррозии и целевые добавки на основе эпоксидных смол (ЭП-0199, грунт-эмаль «Грэмируст») или с добавлением той же эпоксидной смолы в органический раствор сополимера винилхлорида с винилацетатом (ХС-500).

Несмотря на то, что водоразбавляемые составы отличаются большей экологичностью и меньшей стоимостью, применение их в качестве финишных покрытий возможно лишь в тех случаях, когда к ним не предъявляется требований по высокой декоративности или когда они применяются в условиях относительно невысокой агрессивности среды. Покрытия, образуемые специальными вододисперсионными ЛКМ, обычно матовые, не имеют широкой цветовой гаммы и обладают относительно высокой пористостью. К тому же их использование ограничивается достаточно узким интервалом температур (обычно не ниже +8°С) и влажностью воздуха не более 75%. Наилучшее применение таких материалов – для предварительного грунтования (пассивирования поверхности) с последующим нанесением органоразбавляемых ЛКМ.

Для финишного нанесения «на ржавчину» из вышеперечисленных ЛКМ для создания покрытий, одновременно обладающих как защитными свойствами (в т.ч. в условиях повышенной агрессивности среды), так и более высокой декоративностью, следует отнести двухкомпонентные органоразбавляемые ЛКМ с использованием эпоксидных смол. К единственному существенному недостатку данных ЛКМ (при потенциальной возможности расширения их цветовой гаммы) можно отнести их двухкомпонентность, что не всегда устраивает потребителя, ввиду непродолжительной жизнеспособности этих составов после смешения. Особенно этот недостаток проявляется при необходимости проведения крупномасштабных ремонтно-восстановительных окрасочных работ.

В настоящей статье рассматриваются предлагаемые сегодня на российском рынке специальные однокомпонентные органоразбавляемые защитно-декоративные ЛКМ, которые образуют устойчивые лакокрасочные покрытия (ЛКП), обеспечивающие максимальную изоляцию металлической поверхности от воздействия внешней среды.

Следует отметить, что не бывает идеальных покрытий, обеспечивающих стопроцентную изоляцию, особенно это касается тонкопленочных (80–120 мкм) покрытий, образуемых ЛКМ. Степень этой изоляции для различных видов ЛКП может только более или менее приближаться к идеальной. И здесь немаловажную роль играет не только тип используемого пленкообразователя, но и рациональный подбор специальных пигментов, которые способны создать определенный дополнительный барьер для проникновения влаги к поверхности металла.

Для более детального понимания вопроса коррозии железа, необходимо остановиться на его некоторых свойствах, в т.ч. химических.

С сухим воздухом компактное железо начинает заметно реагировать при температуре лишь выше 150°С. При прокаливании на воздухе оно дает промежуточный оксид Fe3O4, который также образуется при ковке и горячей прокатке железа (окалина). Окалина имеет более положительный электродный потенциал в водных растворах по сравнению с потенциалом железа, поэтому в воде, во влажной атмосфере, в растворах солей при наличии окалины (в местах ее нарушения) наблюдается интенсивная коррозия стали. Такой же эффект ускоренной коррозии железа происходит при нарушении сплошности катодных покрытий: луженого железа; железа, покрытого никелем, медью и др. более благородными металлами, т.к. в данном случае, как и в случае окалины, в образующейся (в присутствии влаги) электрохимической паре, железо, выполняя функцию анода, быстро окисляется (корродирует). Окалина довольно прочно сцеплена с металлом и ее удаление является наиболее трудоемкой операцией.

Железо, как уже отмечалось, относится к группе металлов повышенной термодинамической нестабильности, для которой значение электродного потенциала меньше, чем потенциал водородного электрода при рН=7 (–0,412 В). Однако вода, не содержащая воздуха, почти не взаимодействует с железом, т.к. на его поверхности образуется плотный слой белой гидроокиси двухвалентного железа, обладающий защитным действием даже при очень небольшой толщине. В присутствии воздуха, наоборот, образуется плотная бурая гидроокись железа, составляющая основу ржавчины, и коррозия резко прогрессирует.

Процесс образования ржавчины происходит через стадию накопления в поверхностном слое ионов Fe3+ и гидроксид-ионов и после превышения их концентрации выше критической – пересыщения (характеризующегося произведением растворимости Fe(OH)3), происходит кристаллизация твердого вещества на поверхности железа.

Наличие уже имеющейся ржавчины оказывает каталитическое воздействие на ускоренное развитие коррозии вследствие наличия более энергетически выгодных (чем чистая поверхность железа) центров кристаллизации, создания условий, способствующих более быстрому пересыщению на границе фаз, а также ускоренного переноса растворенного воздуха (кислорода) к железу за счет окислительно-восстановтельных реакций, происходящих между ионами Fe3+, железом и растворенным кислородом.

Поэтому наиболее оптимально использовать ЛКМ, которые при нанесении на ржавчину могли бы изменить ее химический состав – модифицировать.

Модифицирование имеющейся ржавчины способствует замедлению процесса коррозии в случае проникновения влаги через покрытие, однако, не устраняет полностью возможность ее подпленочного развития. В этой связи необходимо рассмотреть еще один возможный механизм защиты черных металлов, связанный с наличием в ЛКП ингибиторов коррозии.

Одним из наиболее применяемых, в т.ч. за рубежом, противокоррозионных пигментов, предназначенных для многих органо- и водоразбавляемых ЛКМ, является фосфат цинка, который отличается низкой токсичностью и невысокой стоимостью. Механизм противокоррозионного действия фосфата цинка включает диссоциацию фосфата под действием воды (влаги), проникающей в ЛКП с образованием комплексной кислоты. Последняя реагирует с ионами железа на анодных участках с образованием стабильных, прочно удерживаемых комплексных ингибиторов коррозии.

Подводя итог вышеизложенному необходимо отметить, что для создания защитных и одновременно декоративных покрытий на металлической поверхности с плотной ржавчиной и окалиной, специальные ЛКМ должны обладать свойством образовывать покрытия, максимально изолирующие металлическую поверхность от воды (влаги) и возможного поступления с ней более агрессивных веществ и сохраняющие достаточно длительную устойчивость к тем условиям окружающей среды, в которых планируется их эксплуатация. При этом желательно, чтобы ЛКМ обеспечивали, по возможности, изменение химического состава ржавчины – модифицировать ее, а также содержать в своем составе дополнительные компоненты (в т.ч. ингибиторы коррозии), которые были бы способны на планируемый срок службы покрытия максимально исключить развитие подпленочной коррозии.

Следует отметить, что предварительное удаление рыхлой (неплотной) ржавчины (как и других механических загрязнений) в любом случае необходимо, т.к. она препятствует адгезии покрытий и усиливает осмотическое проникновение воды под пленку вследствие наличия в ней растворимых продуктов.

В представленной таблице рассмотрены основные технические характеристики специальных однокомпонентных ЛКМ (обладающих одним или несколькими из вышеперечисленных свойств), которые при нанесении на металлическую поверхность с плотной ржавчиной и окалиной образуют декоративные и одновременно защитные покрытия. Там же указаны основные приемы и рекомендации по предварительной подготовке поверхности и нанесению покрытий.

При оценке и выборе потребителем того или иного материала из имеющихся сегодня на рынке для нанесения «по ржавчине», помимо декоративности следует уделить особое внимание таким характеристикам, как механизм защитного действия образуемого покрытия, условия и прогнозируемые сроки его эксплуатации (пункты 4, 10, 12 в табл.), а также расходу материала (пункт 6) для достижения необходимой толщины сухого покрытия. В некоторых рекламных изданиях в качестве декоративно-защитных ЛКМ «по ржавчине» предлагаются эмали на нитрооснове (НЦ). При всей их привлекательности с точки зрения скорости высыхания и теоретической возможности их наполнения специальными пигментами следует помнить, что сухой остаток глянцевых эмалей НЦ обычно не превышает 22–25%, поэтому для достижения толщины сухого покрытия – 100 мкм понадобится нанесение от 6 до 9 слоев.

Возвращаясь к ЛКМ, указанным в таблице, необходимо отметить, что несмотря на то, что все они (кроме полиуретанового лака) выпускаются в широкой цветовой гамме, большими защитными свойствами обладают те из них, в которых в качестве пигмента используется алюминиевая пудра. Помимо придания ЛКП повышенной изолирующей способности, высокой укрывистости и характерной декоративности (металлического блеска), алюминиевая пудра способствует повышенной отражательной способности покрытий к любым видам излучения (видимый свет, тепловое УФ-излучение) и снижает температуру окрашенных объектов на 5–10°, обеспечивая тем самым и более «мягкие» условия эксплуатации для самого покрытия.

Применение специальных ЛКМ «по ржавчине», в т.ч. и для окраски новых металлических поверхностей, несмотря на их относительную более высокую стоимость в сравнении с традиционными ЛКМ, позволяет отказаться от ряда трудоемких и дорогостоящих операций по удалению плотной ржавчины и окалины, пассивации и предварительному грунтованию металлических поверхностей. Это значительно упрощает и удешевляет всю технологию антикоррозионного покрытия.

* * *

Уже сегодня перечисленные в статье ЛКМ с успехом используются на практике в самых различных областях и особенно при проведении крупномасштабных ремонтно-восстановительных работах по защите от коррозии строительных металлоконструкций – ферм, мостов, опор, решеток, деталей машин и механизмов, газо- и водопроводной арматуры, труб и многое другое.

Технические характеристики специальных одноупаковочных ЛКМ для защитно-декоративной окраски металлических поверхностей с плотной ржавчиной и окалиной

Hammerite Metall Finish «Прямо по ржавчине»

Эмаль-грунт «по ржавчине» ПФ-100 ГОСТ Р 51691-2000

Полиуретановые композиции Эмаль UR-108, UR-108 (Zn) ГОСТ Р 51691-2000 и Лак UR-140

Компания «Мастеръ», Москва, Россия

1

2

3

1. Подготовка металлических поверхностей

Поверхность должна быть сухой и очищенной от пыли, грязи, жира, солей, рыхлой ржавчины и отслаивающейся старой краски.

СПОСОБ ПОДГОТОВКИ - обработка поверхности грубой наждачной бумагой, металлической щеткой или шлифовальной машинкой. Для больших поверхно-

стей эффективной и достаточной является гидроочистка, заключающаяся в обработке поверхности струей воды, подаваемой под высоким (до 200 МПа)

давлением. (Для удаления масел и жировых загрязнений в воду добавляют ПАВ, которые затем удаляют струей чистой воды)

Обезжиривание небольших поверхностей

Растворитель «Hammerite Brush deaner & Thinners*

Уайт-спирит, сольвент, ксилол, толуол

Уайт-спирит, сольвент, ксилол, толуол

Для неровных, изъеденных ржавчиной металлических поверхностей

Предварительно нанести слой разбавленной

Нанести дополнительный слой Эмали UR-108

Рекомендуется перед окраской нанести антикорро-

эмали ПФ-100

или Лака UR-140

зионный грунт №1 Anti-Rust (Hammerite)

При толщине плотной ржавчины свыше 100 мкм рекомендуется предварительная обработка поверхности танниновым ингибиторным модификатором ржавчины - ИМР-007 (ТУ 2389-001 -42450065-01)

2. Связующее вещество (тип пленкообразователя)

Модифицированные алкидные смолы

Алкидная смола, модифицированная акриловым

Полиуретановый полимер, отверждаемый влагой

с добавлением стирола

сополимером

воздуха при обычной температуре

3. Фактура покрытия

Молотковая, глянцевая, полуматовая,

Глянцевая, или полуглянцевая (для серебристой

Глянцевая

матовая(черная)

и серебристо-серой)

4. Механизм защитного действия покрытия

ЭФФЕКТИВНАЯ БАРЬЕРНАЯ ЗАЩИТА, заклю-

ПАССИВАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ - за счет взаимодействия металла и ржавчины со специальными органическими и неорганическими добавками, входящими в состав эмали, с образованием на

ЭФФЕКТИВНАЯ БАРЬЕРНАЯ ЗАЩИТА - за счет от-вержденного полиуретанового полимера, обладающего высокой химической стойкостью, низкой проницаемостью и высокой степенью сцепления (адгезией) с металлической поверхностью. При нанесении UR-108 (Zn) достигается усиление барьерной защиты за счет «закупоривания пор» в слое покрытия продуктами окисления металлического цинка.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ (ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ)

РЖАВЧИНЫ происходит в результате химического

чающаяся в механической изоляции окрашивае-

границе «металл-эмаль», «ржавчина-эмаль» проч-

мой поверхности от влаги за счет входящих в со-

но удерживаемых комплексных ингибиторов кор-

став краски микрочастиц закаленного стекла и си-

розии, предотвращающих развитие подпленочной

ликонов, обеспечивающих водоотталкивающие

коррозии в случае какого либо механического на-

свойства

рушения целостности покрытия. БАРЬЕРНАЯ ЗАЩИТА обеспечивается эффективными изолирующими пигментами и специальными водоотталкивающими присадками

взаимодействия гидратной влаги ржавчины с по-

лиуретановым полимером

5. Рекомендуемая толщина сухого покрытия

100 микрон

90-100 микрон

90-100 микрон

"Количество слоев, требующихся для достижения необходимой толщины покрытия, зависит от фактуры поверхности и методов нанесения

6. Расход материала (для достижения рекомендуемой толщины покрытия) ~100 микрон

1 литр краски на 4.5 м2 ( ~210-260г/м2)

190-250 г/м2

210-270 г/м2

7. Время высыхания при t +20°С и относительной влажности воздуха 70 ±5%

- на отлип

~1. 5 часа

6-8 часов

0.5-3 часа

-до степени 3

(нет данных)

12-16 часов

6-8 часов

-

время до полного отверждения (формирование покрытия)

7-14 суток

5-7 суток

7-10 суток

8. Нанесение

Последующий слой наносится не позднее 8 часов

со времени нанесения предыдущего. Спустя 8 ча-

Последующий слой наносится после высыхания предыдущего «на отлип»

Последующий слой наносится через 3-7 часов

сов начинается процесс полимеризации, и окра-

после предыдущего, но не позднее чем через

шивание нельзя производить в течение 2-х недель,

24 часа

во избежание появления морщин и складок

- минимальная температура нанесения

Возможно нанесение при отрицательных темпера-

Возможно нанесение при отрицательныхтемпера-

+8°С

турах (до -10°С), при этом температура самой

турах (до -20°С), при этом температура самой

эмали должна быть не ниже +15°С

эмали или лака должна быть не ниже +15°С

- рекомендуемая температура нанесения

от +8 до +25°С

от +5 до +40°С

от +5 до +30°С

- максимальная относительная влажность воздуха, при нанесении

85%

90%

90%

1

2

3

9. Методы нанесения

Нанесение кистью

- для небольших поверхностей и сложных мест;

Наносить несколькими тонкими слоями, особенно на вертикальных поверхностях. Тщательно прокрашивать углы и кромки

Аэрозоль

Для подкраски небольших участков

-

-

Валик

- для больших плоских поверхностей;

Разбавить краску растворителем в пропорции 9-И.

При необходимости разбавить краску до вязкости

Разбавления не требуется.

Использовать коротковорсистый шерстяной валик

80-120споВЗ-4

Использовать коротковорсистый меховой валик

Распыление

- для больших плоских и неровных поверхностей;

Пневматическое распыление

Разбавить краску в соотношении 2-И.

Разбавить эмаль до вязкости 25-35 с по ВЗ 4.

Обычно, разбавления не требуется.

Нанести 3-1 слоя

Нанести 3-1 слоя

Нанести 3-1 слоя

Безвоздушное распыление

Разбавить краску в соотношении 9- 1.

Разбавить эмаль до вязкости 70-90 с по ВЗ 4.

Разбавления не требуется.

Нанести 2 -3 слоя

Нанести 2-3 слоя

Нанести 3-1 слоя

Рекомендуемые растворители (разбавители), в т.ч. для очистки инструмента

Только «Hammerite Brush Cleaner & Thinners*

Уайт-спирит, сольвент или смесь ксилола или толуола с уайт-спиритом в соотношении 1-1

Ксилол,толуол, этилацетат

10. Стойкость покрытий

Водостойкость

Устойчиво к уровням влажности в нормальных условиях, выдерживает частую мойку.

Высокая, в том числе для эксплуатации под водой

Не подходит для окраски поверхностей для эксплуатации под водой

Химическая стойкость

Устойчиво при постоянном контакте со следующи-

Устойчиво к слабому химическому разрушению в результате дыма и испарений, а также брызгам разбавленных кислот и щелочей (максимально 10% раствор), бензина, дизельного топлива и других веществ, применяемых в строительстве

ми агрессивными средами: растворы солей, щелочей, кислот, спиртов; нефть, мазут, дизельное топливо, бензин; минеральные и синтетические мас-

ла; животные и растительные жиры; соли, мине-

ральные удобрения и др.

Термостойкость

Пределы температур при эксплуатации

от -20 до +80°С

от -10 до +90°С

от-40до+120°С

Кратковременное воздействие

до+150°С

до+150°С

до +160°С и выше

11. Дополнительные характеристики

Адгезия, бал (по ГОСТ 15140)

1

1

1

Эластичность, мм (по ГОСТ 6806)

(нет данных)

1

1-2

Твердость, в усл. ед. (по ГОСТ 5233)

(нет данных)

не менее 0.3

не менее 0.45

12. Экономика

Ориентировочная стоимость окраски 1 м2 поверхности, для получения сухого покрытии толщиной ~100 микрон, без учета стоимости разбавителей:

2.0 Euro

0.5 Euro

0.92 Euro

Ожидаемая длительность защитного действия покрытия (100 мкм) в условиях средней коррозивности атмосферы (С 3 по ИСО 12944-1), лет

5-6

От 4 до 8 лет (в зависимости от характера эксплуатации покрытых металлоконструкций)

15 и более

Журнал "Горная Промышленность" №6 2004