Полисилоксановые покрытия

Полисилоксановые покрытия

Много пишется и обсуждается вопрос о том или ином типе антикоррозионной защиты, но сейчас хотелось бы коснуться проблемы выбора высокоэффективных отделочных эмалей, долгие годы подчеркивающих красоту объектов, к которым, без сомнения, можно отнести современные типы полисилоксановых отделочных эмалей.

Когда говорят о высокоэффективных, с долгим сроком эксплуатации системах окраски, подразумевается, что и отделочные свойства покрывных лаков и эмалей в таких системах также должны иметь высокие характеристики. К таким характеристикам относятся: химостойкость, механическая стойкость (износостойкость), способность наноситься на широкий спектр грунтов с высокой степенью адгезии к ним (не менее 5 Мпа), эластичность, высокая укрывистость, длительная атмосферостойкость и т.д., но наиболее значимой остается способность эмали долгое время сохранять глянец и оригинальный цвет.

Для придания металлическим конструкциям определенного цвета и оттенка применяются отделочные эмали различного типа, наиболее распространенные среди них следующие: алкидные, акриловые, эпоксидные, двухкомпонентные акрилполиуретановые. Последние из этого перечня имеют все необходимые свойства высокоэффективных эмалей, но, как и все органические покрытия, к которым они относятся, со временем деградируют под воздействием солнечной радиации, ультрафиолетового излучения, выгорая и теряя глянец. Кроме того, такие покрытия содержат в себе свободные изоцианаты, оказывающие вредные факторы на здоровье человека в процессе нанесения.

В 90 годах прошлого столетия одной из самых интригующих разработок на рынке коммерчески доступных отделочных эмалей стало создание нового типа высокоэффективного связующего, основанного на химии полисилоксанов или кремнийнеорганики. Химия таких соединений сложна и различна, но главным ее отличием является то, что она основана на неорганических соединениях кремния с кислородом. Известное всем свойство такого неорганического соединения, как отличная стойкость к УФ излучению, прекрасным образом вписывалось в создаваемый новый тип отделочных эмалей. Энергия связи атомов кремния с кислородом Si – O превосходит связь атомов углеродов С – С в органических соединениях. Как указывалось в предыдущих публикациях журнала, она составляет 452 КДж/моль против 350 КДж/моль соответственно, что делает кремний неорганические соединения более устойчивыми к высоким температурам, УФ-излучению и, являясь уже окисленным, стойкими к атмосферному кислороду и большинству химических окислителей.

Ультрафиолетовая составляющая солнечного света содержит определенное количество энергии, которая повреждает химический состав покрытия, содержащего органическое связующее. Это приводит к высвобождению пигмента и обесцвечиванию самого связующего и, как результат, мелению, обесцвечиванию, пожелтению и потере глянца пленки отделочного покрытия. Полисилоксановое связующее, обладая прекрасной стойкостью к подобному воздействию солнечного света, значительно позже начинает подвергаться этим разрушающим процессам.

Однако чистый, не модифицированный полисилоксан, не даст покрытия с хорошими характеристиками. Поэтому для придания вновь создаваемым типам эмалей прочих важнейших характеристик, а именно: способность отверждаться в условиях окружающей среды, эластичность, прекрасная адгезия к грунтам, адекватная стоимость и отсутствие изоцианатов, полисилоксановое связующее необходимо было модифицировать.

Рис. 1. Механизм разрушающего действия солнечного света

Этого удалось достичь, соединив полисилоксановое связующее с органическими соединениями. Причем очень важным оказалось составление правильного сбалансированного химического состава, проще говоря, пропорции со свойствами, присущими кремнийнеорганическим и органическим соединениям, без ущерба друг другу. Например, неверно сбалансированный состав получаемого соединения мог привести к образованию хрупкой пленки ЛКМ и дальнейшему отслоению за время эксплуатации.

Так, в результате экспериментов и тестов над получаемыми пленками таких ЛКМ был установлен приемлемый уровень органической составляющей в 20-70%. Меньшее значение содержания «органики» немедленно отражалось на свойствах пленки ЛКМ, т.е. она становилась стеклообразной (хрупкой), растрескивалась, теряла адгезию к грунтам. Слишком высокое содержание «органики» снижало свойства полисилоксанов. Важно было также выбрать правильный тип органического соединения с тем, чтобы максимально сохранить свойства полисилоксанов, и способ модификации либо путем смешивания «органики» и «неорганики», либо методом их химического соединения.

Сейчас существуют три основных способа модификации полисилоксанов:

тип модификации – например, эпоксид; уровень модификации – например, высокий уровень или низкий; метод модификации – например, перемешивание или химическое соединение.

Кроме того, при создании полисилоксановых покрытий очень важно было улучшить основные свойства, присущие существующим сегодня на рынке типам эмалей: эластичность при старении пленки, твердость, устойчивость пленки на кромках металлоконструкций, углах и сварных швах, толерантность к излишней толщине, способность к перекрытию спустя время, адгезия к подложке, способность сохранять свойства при длительном хранении. В таблице 1 приводятся некоторые свойства отделочных эмалей в сравнении с полисилоксанами.

Табл. 1. Свойства отделочных эмалей в сравнении с полисилоксанами

Сейчас двухкомпонентные акрилполиуретановые покрытия применяются в большинстве в высокоэффективных системах окраски различных береговых и морских объектов и остаются одним из самых востребованных типов отделочных эмалей. Но с ростом требований к отделочным эмалям по уменьшению содержанию VOC (органических летучих соединений), запрету изоцианатов, увеличению срока службы, особенно на дорогостоящих объектах строительства, полисилоксановые отделочные покрытия приходят на замену полиуретановым покрытиям.

Созданные как непосредственная альтернатива распространенным полиуретановым эмалям, сейчас полисилоксановые технологии имеют низкое содержание летучих органических соединений, не имеют изоцианатов, обладают прекрасной атмосферостойкостью, а некоторые из них имеют дополнительные антикоррозионные свойства. Такое новое антикоррозионное свойство позволяет уменьшить количество слоев с 3 (грунт/промежуточное покрытие/эмаль) до 2 слоев (грунт/эмаль), что сокращает расходы по нанесению и сроки сдачи объекта. При этом эксплуатационный срок системы окраски не уменьшается, а порою увеличивается.

Первые поколения полисилоксановых эмалей модифицировались органическими соединениями на основе эпоксидных смол, которые по своей атмосферостойкости превосходили полиуретановые покрытия. Но пленки таких покрытий со временем становились хрупкими.

Второе поколение полисилоксановых эмалей было разработано на использовании модификаций соединениями на основе акрилуретановых и акриловых связующих. Сейчас такие покрытия являются самыми современными и имеют превосходящие по всем статьям показатели по сравнению со всеми ранее созданными типами эмалей. Это было подтверждено проведенными углубленными тестами независимых стандартов ISO и NORSOK.

Список доступных сейчас на рынке полисилоксановых покрытий постоянно растет. При выборе того или иного полисилоксанового покрытия, учитывая его достаточно высокую стоимость, хотелось бы осветить проблему расчета объемного сухого остатка, который порой не соответствует действительности. И, чаще всего, он оказывается меньше заявляемого. Это связано с уникальным механизмом отверждения полисилоксанов, в процессе которого из пленки испаряется основная часть растворителей, и дальше процесс полимеризации связан с наличием влаги в воздухе, что впоследствии приводит к образованию дополнительных летучих органических соединений (спиртов).

Такой процесс отверждения затрудняет определение фактического сухого остатка даже в лабораторных условиях. Кроме того, проведение таких исследований нормируется определенными стандартами, например, стандарт ISO 3233 устанавливает время сушки в течение 7 дней при температуре 23°C ± 2°C и относительной влажности в 50% ± 5%. Но даже после этого времени в пленке полисилоксанового покрытия остаются непрореагирующие с влагой реакционные группы, что приводит к завышенным показателям объемного сухого остатка в неполностью отвердившейся пленке покрытия.

Ниже приводится таблица испытаний ряда полисилоксановых покрытий.

Логическое объяснение этому факту могло бы быть следующее: чем выше в покрытии % содержания полисилоксанового связующего, тем выше будет содержание летучих органических соединений, которое не может быть точно определено при использовании современных методов измерения объемного сухого остатка. Поэтому указание в техническом описании на продукт слишком высокого значения объемного сухого остатка, возможно, будет означать, что он не соответствует действительности, и, как следствие, это приведет к недобору спецификационной толщины с последующим перерасходом материала и увеличению затрат.

Табл. 2. Испытания ряда полисилоксановых покрытий

Особенности полисилоксановых покрытий

- Нанесение полисилоксановых отделочных покрытий не имеет принципиальных отличий от обычных эмалей. Как и все, они могут наноситься и воздушным, и безвоздушным методом. Как известно, при нанесении эмалей для получения наивысшей степени глянца воздушный метод будет предпочтительнее, это даст увеличение глянца в сравнении с безвоздушным методом, примерно на 10%. Небольшое количество соответствующего растворителя также поможет улучшить качество нанесения при распылении и формировании пленки. При этом необходимо учитывать условия окружающей среды.

- В процессе отверждения полисилоксановых покрытий принимает участие влага воздуха. Рекомендуемый диапазон относительной влажности находится в пределах 40-85%.

- Температура воздуха 5С является нижним пределом при нанесении и отверждении полисилоксановых эмалей.

- Обеспечивает хорошую защиту от забрызгиваний и розливов различных видов топлив, растворителей и среднеагрессивных химикатов.

Проведение своевременной очистки (обмыва) поверхности эмали будет способствовать долгому сохранению глянца и цвет конструкции.

- Полисилоксановые покрытия требуют минимального количества обновлений цвета (перекраски) за все время эксплуатации объекта, что уменьшают все сопутствующие с этим расходы.

Для объектов с высокими эстетическими свойствами со сроком эксплуатации до 25 лет полиуретановые эмали обычно требует 3 – 4 обновления. Используя полисилоксановые покрытия, такое обновление можно произвести только один раз.

- Отсутствия изоцианатов и низкое содержание VOC удовлетворяют всем требованиям охраны окружающей, а также уменьшает использование средств индивидуальной защиты с принудительной подачей чистого воздуха в процессе нанесения, как в случае с полиуретаноми.

- При проведении местного ремонта цвет наносимого на ремонтные места практически не отличается от цвета ранее нанесенного покрытия.

- Превосходная прочность на удар и против истирания значительно уменьшает объем повреждений при транспортировке и монтаже металлоконструкции, а также обеспечивает лучшую стойкость к «граффити». Эластичность, даже спустя длительное время, обеспечит работу покрытия в условиях старения и не даст ему растрескиваться и отслаиваться в точках напряжения (сварные швы, углы, кромки).

- Полисилоксановые покрытия не обеспечивают долговременной защиты от воздействия агрессивных химикато (кислоты/щелочи).

- И основа, и отвердитель до смешивания чувствительны к влаге воздуха, поэтому необходимо наносить покрытие сразу после смешивания компонентов. В противном случае открытые, но не смешанные компоненты достаточно быстро станут не пригодными к использованию.

- Имеют расширенный интервал перекрытия, но при использовании все той же полисилоксановой эмали.

Области применения полисилоксановых эмалей

Так как обычные эмали предлагают только ограниченные по времени косметические и защитные свойства, то следует очень внимательно подходить к выбору типа эмали для дорогостоящих объектов, где высокие стандарты внешнего вида и эстетика на протяжении многих лет - ключевые требования. К ним относятся стадионы и другие спортивные сооружения, мосты и морские сооружения, нефтяные платформы, нефтехранилища, химические и нефтехимические заводы, целлюлозно-бумажные заводы и электростанции.

Окраска подобных объектов не терпит применения заурядных грунтов и эмалей, не способных долгие годы сохранять цвет и глянец и, соответственно, красоту сооружения, а с точки зрения вытекающего в скором времени ремонта делают их очень дорогими, т.е. они должны окрашиваться один раз и практически на всю жизнь. Помимо ранее окрашенных по всему миру объектов с применением полисилоксановых эмалей, прекрасным примером может послужить последняя Олимпиада в Пекине, где на ряде основных объектов, включая «Птичье гнездо» и «WaterCube», наряду с фантастическим дизайном, применялись системы окраски с полисилоксановыми эмалями.

Резюме

Внедрение полисилоксановых покрытий на рынок эмалей в нашей стране позволит увидеть в городах действительно красивые сооружения, создающие лицо города и оставляющие неизгладимые впечатления. Также прекрасным поводом было бы использование полисилоксановых отделочных эмалей при строительстве объектов олимпиады, которая пройдет в Сочи.

Алексей Брянский,

Aleksey.Brianskiy@akzonobel.com