Лакокрасочные материалы

Лакокрасочные покрытия являются одним из средств защиты металлов и сплавов от коррозии и предназначены для создания декоративных покрытий на деталях из различных материалов.

Лакокрасочные покрытия (ГОСТ 9.072-77) – это покрытие, полученное нанесением лакокрасочного материала на окрашиваемую поверхность с последующим формированием пленки.

Лакокрасочное покрытие должно отвечать следующим требованиям:

· Порочно связываться с окрашиваемой поверхностью, т.е. иметь высокую адгезию;

· Обладать высокой прочностью, твердостью и необходимой эластичностью;

· По возможности меньше пропускать влагу, пары жидкостей, газы, солнечные лучи и не изменять своих свойств под действием перечисленных факторов. Стабильность покрытия в условиях воздействия воды и ее паров, воздуха и солнечного света называется атмосферостойкостью;

· В случае повреждения легко восстанавливаться;

· Ввиду массового производства быть дешевыми.

Обязательным компонентом основных лакокрасочных материалов, к которым относятся лаки, грунтовки, шпатлевки и краски, является пленкообразующее вещество (пленкообразователь).

Пленкообразователи лакокрасочных материалов представляют собой полимеры или олигомеры, либо их композиции, способные формировать на поверхности пленки в результате физических, химических или физико-химических превращений.

Применение находят как жидкие, так и твердые пленкообразователи. К жидким пленкообразователям относятся некоторые растительные масла (льняное, конопляное, подсолнечное и др.). Данные масла, обработанные химически и термически, являются основой различных сортов олифы.

К твердым пленкообразователям принадлежат многие природные смолы (битумы, канифоль, шеллак, янтарь и др.), эфиры целлюлозы (нитроцеллюлоза) и разнообразные синтетические высокополимеры (поликонденсационные смолы, полимеризационные смолы, синтетические каучуки, фторопласты). На изделие пленкообразователи можно наносить как в расплавленном, так и в растворенном состоянии. При нанесении пленкообразователя в растворенном виде обязательно используют растворитель. К растворителям относятся: спирт (этиловый и метиловый), скипидар (терпентинное масло) – продукт сухой перегонки хвойной древесины, уайт-спирит (бензин-растворитель), бензол (токсичная жидкость), толуол и др.

Раствор твердого пленкообразователя в соответствующем растворители называется лаком.

Большая часть лаков используется не в чистом виде, а идет наряду с олифой для приготовления красок, грунтовок и других материалов. С этой целью в лак или олифу вводят пигмент. В зависимости от вида пленкообразователя получают два типа красок:

Пигменты представляют собой минеральные вещества, получаемые из природных материалов: руд, окислов металлов (железа, цинка, свинца, титана и др.) или минералов (мел, охра), либо изготавливаемые искусственно. Основное назначение пигментов – сообщить краске определенный цвет. Пигменты в отличии от красителей нерастворимы в лаках и олифе и должны постоянно поддерживаться во взвешенном состоянии. Таким образом, масляные и эмалевые краски представляют собой суспензии.

Пленкообразователи, в которых за время высыхания не происходит химических превращений, называются непревращаемыми, а полученные из них покрытия – обратимыми.

Высохшее покрытие на основе непревращаемого пленкообразователя снова становится жидким при попадании на него растворителя. На этом основано получение многослойного покрытия: каждый последующий слой жидкой краски растворяет поверхностную часть предыдущего просушенного слоя, в результате чего происходит их слияние и они оказываются прочно соединенными друг с другом.

Пленкообразователи способные в процессе высыхания претерпевать химические превращения, называются превращаемыми.

Высохшие покрытия на основе превращаемых пленкообразователей становятся твердыми и не способными к переходу в жидкое состояние под действием растворителей. На этом основании такие покрытия можно считать необратимыми. К превращаемым пленкообразователям относится олифа, следовательно, покрытия из высохших масляных красок являются необратимыми.

Кроме пленкообразователей, красителей и пигментов, в состав лакокрасочных материалов могут вводиться разбавители (для снижения вязкости выпускаемых товарных красок(, пластификаторы (для повышения прочности покрытий), сиккативы (для ускорения процесса высыхания красок)и др.

В соответствии с ГОСТ 9825- 73 обозначение лакокрасочных материалов состоит из пяти групп знаков:

1 группа – название материала полным словом (эмаль, грунт и т.п.);

2 группа – условное обозначение типа пленкообразователя (Таблица.11);

Таблица.11. Обозначение основных пленкообразователей

Основа по химическому составу	Индекс
Алкидно-стирольная	АСТ
Битумная, пековая	БТ
Поливинилацетатная	ВА
Поливинилацетальная	ВЛ
Глифталевая	ГФ
Кремнийорганическая	КО
Каучуковая	КЧ
Масляная	МА
Меламиновая	МЛ
Масляно- и алкидно-стирольная	МС
Мочевинная	МЧ
Нитроцеллюлозная	НЦ
Пентафталевая	ПФ
Винил-, поливинилхлоридная или перхлорвиниловая	ХВ
Сополимерная винилхлоридная	ХС
Фенолалкидная	ФА
Фенольная	ФЛ
Эпоксидная	ЭП

3 группа – показывает основное назначение материала (Таблица.12.);

Таблица.12. Классификация лакокрасочных материалов по назначению.

Назначение материала	Группа
Атмосферостойкий
Стойкий внутри помещений и ограниченно атмосферостойкий
Консервационный
Водостойкий
Специальный (покрытия обладающие особыми свойствами)
Маслобензостойкие
Химически стойкие
Термостойкие
Электроизолирующий
Грунтовки *
Шпатлевки *

* грунтовками называют лакокрасочные материалы, наносимые непосредственно на поверхность металла и характеризующиеся хорошей адгезией (сцеплением) как с металлом, так и с последующими слоями шпатлевки и эмали.

* шпатлевками называют лакокрасочные материалы, предназначенные для выравнивания поверхности перед нанесением декоративных верхних слоев эмали.

4 группа – означает порядковый (регистрационный) номер, присвоенный данному материалу, из одной, двух или трех цифр;

Для водоразбавляемых, водоэмульсионных, порошковых, пластизольных, органозольных ЛКМ, а также без активных растворителей перед второй группой знаков кода ставится индекс, определяющий разновидность материала: Б – без активного растворителя; В – водоразбавляемые; ОД – органозольные; ПД – пластизольные; П. – порошковые; Э – эмульсионные.

Таблица.13. Области применения некоторых лакокрасочных материалов.

Наименование и обозначение	Назначение
Лаки ПФ-170 и ПФ-171 ГОСТ 15907-70	Добавление к эмали ПФ-115для придания последнему слою блеска.
Эмаль ПФ-115 ГОСТ 6465-76	Окрашивание кузовов, капотов, оперения автобусов.
Эмали ГФ - 1147 ПФ – 1147 водоэмульсионные ТУ 6-10-1361-78	Для защиты кабин облицовочных деталей и платформ грузовых автомобилей.
Эмаль ГФ-230 ГОСТ 64-77	Окрашивание изделий из древесины и металла эксплуатируемых внутри помещений.
Эмаль МС-17 ТК 6-10-1012-78	Окрашивание автомобильных двигателей (светло-серая эмаль), песочная – для окрашивания деталей из обивочного картона; черная – для окрашивания узлов шасси и других деталей автомобиля
Эмаль ФА -5104 черная ТУ 6-10-1318-72	Окрашивание радиаторов и топливных баков
Эмаль ХВ – 110 ГОСТ 18374-79	Окрашивание металлических и деревянных поверхностей изделий и оборудования эксплуатируемых в условиях различных климатических районов
Эмаль КО- 828 ТУ 6-10-930-74	Фосфатированные* и нефосфатированные детали легковых автомобилей из мягких сталей.
Эмаль МЛ – 12 ГОСТ 9754-76	Окрашивание кузовов, оперения капотов легковых автомобилей и автобусов. Пригодна для использования в условиях севера.
Эмаль МА-1110 ГОСТ 20481-80	Окрашивание предварительно подготовленной фосфатированной, загрунтованной металлической поверхности кузова и других деталей автомобиля.
Эмаль МЧ-123 черная ТУ 6-10-979-71	Окрашивание рам, колес, радиаторов и мелких деталей автомобилей методом окунания, облива, распыления.
Эмаль МЧ-145 ТУ 6-10-978-75	Окрашивание деревянных и металлических платформ грузовых автомобилей.
Лак НЦ-134 ТУ 6-10-1291-77	Лакирование металлических и деревянных поверхностей, наносят пневматическим распылением.
Эмаль НЦ-1125 ГОСТ 7930-73	Окрашивание кабин, оперения, капотов грузовых автомобилей.
Эмали ГЦ-11 и НЦ-11А ГОСТ 9198-83	Окрашивание предварительно загрунтованных или загрунтованных и зашпатлеванных поверхностей изделий, эксплуатируемых в атмосферных условиях и внутри помещений.
Эмаль НЦ-5123 ГОСТ 7462-73	Окрашивание необработанных литых поверхностей, соприкасающихся с маслом деталей двигателей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин.
Лак ПЭ-154 ТУ6-10-1487-75	Окрашивание в качестве грунта под полиамидную эмаль пружин автомобиля.
ГФ-083 ОСТ 6-10-425-78	Грунтование кузовов автомобилей.
ФЛ-03Ж ГОСТ 9109-81	Для защиты деталей грузовых автомобилей.
В-МЛ-0143 Водоразбавляемая ГОСТ 24595-81	Грунтование поверхностей черных металлов
ГФ-089 черная	Окрашивание карданных валов и других деталей автомобилей.

*Фосфатирование – процесс химической обработки стальных изделий с целью получения на их поверхности слоя не растворимых в воде фосфорно-кислых соединений.

Композиционные материалы обладают комплексом свойств, отличающихся от традиционных конструкционных материалов, что и предопределило их успешное применение для совершенствования современных и разработки принципиально новых конструкций.

Композиционные материалы представляют собой неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз – компонентов, причем каждый из компонентов сохраняет свои свойства.

Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков:

· состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;

· материалы состоят из двух компонентов и более различного химического состава, разделенных в материале границей;

· свойства материала определяются каждым из его компонентов;

· материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;

· макроструктура материала однородна при неоднородности микроструктуры;

Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей (нуль-мерный наполнитель).

Широкое применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами технической окиси алюминия (Al₂O₃). Их получают методами порошковой металлургии прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП - спеченный алюминиевый порошок).

Преимущества САП отчетливо проявляются при температурах выше 300º С, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Так при температуре 500º С предел прочности сплавов САП составляет 80-120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превышает 5 МПа. Дисперсно-упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до 0,8 Т_пл.

Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Детали из САП работают при 300-500º С и чаще это лопатки компрессоров, лопатки вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

Композиционные материалы с никелевой матрицей.

Упрочняющим компонентом в композиционных материалах с никелевой матрицей являются частицы диоксида тория (ThO₂) или диоксида гафния (HfO₂). Эти материалы обозначаются ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно. В сплаве ВДУ-3 матрицей служит никелево-хромовый (нихром) твердый раствор (20 % хрома, 80 % никеля), а упрочнителем – диоксид гафния. Так же в качестве матрицы применяется сплав кобальта с цирконием (2 % циркония).

Дисперсно-упрочненные сплавы ВДУ-1, ВДУ-2 и ВДУ-3 целесообразно применять при рабочих температурах 1100-1200º С.

Основное применение композитов с никелевой матрицей – авиационная и космическая техника. Сплавы ВДУ-2, ВДУ-3 применяют в авиационном двигателестроении, из них изготавливают сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания, а также трубопроводы и сосуды, работающие при высоких температурах в агрессивных средах.

В авиастроении находят применение композиционные материалы на основе магния. Они обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Детали изготовленные из композитов на основе магния обладают малой массой и повышенной прочностью.

Композиционные материалы с одномерными наполнителями.

В композиционных материалах этого типа упрочняющими (армирующими) являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон (проволока, жгут, лента и т.п.).

Армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают прочность и жесткость композита в направлении ориентации волокон. При изготовлении композиционных материалов применяют высокопрочные волокна из углерода, бора, стекла, металлической проволоки, нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и других химических соединений.

Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений¸ служит средой, передающей нагрузку на волокно, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. В зависимости от материала матрицы композиционные материалы делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металлическая матрица), композиты с матрицей из углеводорода и с керамической матрицей.

На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности армирующих волокон и жесткости пластичной матрицы оказывает влияние прочность связи на границе матрица-волокно.

Проволоки – наиболее экономичный и доступный армирующий материал. Для композитов, работающих при низких и умеренных температурах, используют стальные и бериллиевые проволоки, а для эксплуатируемых при умеренных и высоких температурах - вольфрамовые и молибденовые. Стальные проволоки чаще изготавливают из высокопрочной коррозионно-стойкой стали (Х18Н9, 30Х13, 13Х14Н3ФА, 20Х15Н5АМ3 и др.).

В состав проволоки изготовленной из вольфрама и молибдена для обеспечения требуемого уровня прочностных свойств вводят присадки, в качестве которых используют оксиды тория (ThO₂), кремния (SiO₂), лантана (La₂O₃) и др.

Углеродные волокна. Углеродные волокна получают из полиакрилнитрильного (ПАН) гидроцеллюлозного волокна или из волокон на основе нефтяных смол или пеков. Для них характерны высокие значения механических характеристик, высокая теплостойкость (свыше 2000º С в неокислительной среде), низкие коэффициенты трения и температурного расширения, высокая стойкость к химическим реагентам.

Борные волокна. Борные волокна получают осаждением бора из газовой фазы (BCl₂ + H₂) при 1100-1200º С на предварительно нагретую и очищенную вольфрамовую проволоку диаметром 12 мкм. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WB, W₂B₅, WB₄) диаметром 15-17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора.

Эти волокна обладают по сравнению с другими армирующими компонентами большим модулем сдвига G, низкой плотностью (2600 кг/м³), достаточно высокой прочностью (

_В = 3500 МПа) и температурой плавления 2300º С. Бор является полупроводником, поэтому композиты с таким волокном имеют пониженные тепло- и электропроводность. Борные волокна выпускаются промышленностью в виде моноволокон в катушках, а также в виде полуфабрикатов – лент полотняного плетения шириной от 5 до 50 см. Волокна бора применяют в производстве композитов как с металлической (алюминиевой) матрицей так и с полимерной матрицей.

Стеклянные волокна. Стеклянные волокна получают путем пропускания расплавленного стекла при 1200-1400º С через фильеры диаметром 0,8 – 3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием до диаметра несколько микрометров. Непрерывные волокна диаметром 3 -100 мкм, соединяясь в пряди, наматываются на вращающиеся с большой скоростью барабаны и имеют длину до 20 км. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (эмульсия крахмала или минерального масла) для предотвращения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях.

Так же в качестве армирующего материала применяется бериллиевая проволока, волокна карбида кремния, нитевидные кристаллы карбидов и нитридов кремния, оксида и нитридов алюминия и других тугоплавких соединений.

Композиционные материалы на металлической основе.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей.

Технический алюминий и его сплавы (АМц, АМr6, АД1, Д20, В95, САП и др.) используют в качестве матриц композиционных материалов. Армирование матриц выполняют стальной высококачественной проволокой из сталей 08Х18Н9Т, 1Х15Н4АМ3 и др., бериллиевой проволокой, волокнами бора, карбида кремния, углерода.

Алюминиевая матрица, армированная стальной проволокой (25-40 %), по прочностным свойствам превосходит высокопрочные алюминиевые сплавы и приближается к уровню аналогичных свойств титановых сплавов.

Композиция Al – волокно бора отличается высокой прочностью и жесткостью и способна работать при 400-500ºС, поскольку бор мало разупрочняется с повышением температуры.

Композиционные материалы на основе алюминия армированные углеродными волокнами, уступают по удельной прочности материалам, армированным борным волокном, хотя они дешевле и легче последних.

Помимо композитов с алюминиевой матрицей широко используются композиционные материалы на никелевой (ВКН-1), титановой и магниевой матрице.

Композиционные материалы на неметаллической основе.

В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе используют отверженные эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и другие смолы. Наиболее распространены композиции, армированные стеклянными, органическими, борными и другими видами волокон.

К достоинствам композитов с полимерной матрицей следует отнести высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами, а также достаточную простоту изготовления. Однако им присущ ряд недостатков, определяемых свойствами полимерной матрицы. Прежде всего это низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100-200º С, гигроскопичность и склонность к старению, т.е. изменение физико-механических свойств под воздействием климатических факторов.

Стеклопластики содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна. Они нашли достаточно широкое применение благодаря высокой прочности, в том числе при знакопеременных нагрузках, коррозионной стойкости.

В ориентированных однонаправленных стекловолокнитах упрочняющие непрерывные волокна расположены в одном направлении – направлении действия нагрузки. Однонаправленные стекловолокниты отличаются анизотропией свойств. Наибольшую прочность и жесткость такие композиции имеют вдоль волокон.

Неориентированные стекловолокниты содержат хаотично расположенные в плоскости дискретные, короткие волокна. Для таких стеклопластиков характерна изотропия свойств. В тоже время прочность и жесткость неориентированных стеклопластиков меньше прочности и жесткости ориентированных стеклопластиков.

Плотность стеклопластиков составляет 1500-2000 кг/м³. В результате их удельные характеристики прочности сопоставимы с соответствующими характеристиками сталей. Однонаправленные стекловолокниты применяют для изготовления труб и различных профилей, в которых в условиях эксплуатации нагрузки направлены по длине детали. Неориентированные пластики применяют в производстве корпусов лодок, автомобилей, катеров, мебели, покрытий полов, облицовки бытовых и железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудования.

Углепластики (карбоволокниты). Это композиционные материалы на основе полиамида эпоксидной, эпокситрифенольной и других смол различного состава с упрочнителями из углеродных волокон.

По удельной прочности и жесткости углепластики существенно превосходят стеклопластики, сталь, алюминий и титановые сплавы.

Как конструкционный материал углепластики получили распространение в авиации и космонавтике. В космической технике из углепластиков изготавливают панели солнечных батарей, баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия. Как химически стойкий материал, углепластики применяют в производстве насосов для перекачки коррозионноактивных сред.

Бороволокниты содержат в качестве армирующего наполнителя борные волокна. Большое применение боропластики нашли в авиационной и космической технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используются в конструкциях деталей летательных аппаратов: балок, стрингеров, стоек шасси.

Органоволокниты – композиционные материалы, состоящие из полимерной матрицы и наполнителей – синтетических волокон - капрона, лавсана и др. Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов.