Суммарный ущерб, приносимый в результате коррозии металлов в промышленно развитых странах, достигает 5 % национального дохода.
К сожалению, использование в таких случаях традиционных способов защиты металлов с тщательной очисткой от ржавчины, обработкой поверхности специальными пассивирующими составами, грунтованием и последующим нанесением ЛКМ не всегда возможно (по экономическим, экологическим, а иногда просто практическим соображениям).
Действительно, далеко не всегда есть возможность поставить на капремонт мост, по которому и днем и ночью 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 антикоррозийной защиты металла оборачивается новыми хлопотами и затратами, т. к. традиционные ЛКМ (даже на органической основе) не обеспечивают полной изоляции поверхности. Влага все равно рано или поздно проникает 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 двухупаковочные 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).
Не смотря 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 вододисперсными ЛКМ обычно матовые, не имеют широкой цветовой гаммы и обладают относительно высокой пористостью. К тому же использование их ограничивается достаточно узким интервалом температур (обычно не ниже +8 °С) и влажностью воздуха не более 75 %. Наилучшее применение таких материалов — для предварительного грунтования (пассирования 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 двухупаковочные органоразбавляемые ЛКМ с использованием эпоксидных смол. К единственному недостатку данных ЛКМ (при потенциальной возможности расширения их цветовой гаммы) можно отнести их двухупаковочность, что не всегда устраивает потребителя, ввиду непродолжительной жизнеспособности этих составов после смешивания. Особенно этот недостаток проявляется при необходимости проведения крупномасштабных ремонтно-восстановительных окрасочных работах. В этой связи возникает актуальность рассмотрения предлагаемых сегодня на отечественном рынке специальных одноупаковочных органоразбавляемых защитно-декоративных ЛКМ.
Железо и его свойства. Коррозия железа.
Прежде, чем перейти к более подробному ознакомлению с такими одноупаковочными составами, для оценки эффективности их применения на проблемных металлических поверхностях, необходимо вспомнить и еще раз проанализировать, что такое коррозия, и как она развивается непосредственно на железе и почему окалина и ржавчина находящиеся на поверхности железа, способствуют ускорению коррозионного процесса.
Итак: Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды.
Из самого определения коррозии уже следует то, что, чтобы ее предотвратить, надо как можно более эффективно изолировать металл от этой среды.
Отсюда вытекает необходимость применения ЛКМ, которые образуют устойчивые лакокрасочные покрытия (ЛКП), обеспечивающие максимальную изоляцию металлической поверхности от воздействия внешней среды.
В данной связи надо помнить, что не бывает идеальных покрытий, обеспечивающих 100 %-ную изоляцию, особенно это касается тонкопленочных (80-120 мкм) покрытий, образуемых ЛКМ. Степень этой изоляции для различных видов ЛКМ может только более или менее приближаться к идеальной. И здесь не маловажную роль играет не только тип используемого пленкообразователя, но и рациональный подбор специальных пигментов, которые способны создать определенный дополнительный барьер проникновению влаги к поверхности металла.
Для более детального понимания вопроса коррозии железа, необходимо остановиться на его некоторых, в т. ч. химических свойствах.
Железо — серебристый пластичный металл, хорошо поддающийся ковке, прокатке и др. видам механической обработки.
Железо обладает большим сродством к кислороду. С сухим воздухом компактное железо начинает заметно реагировать лишь выше 150 °С. При прокаливании на воздухе оно дает промежуточный оксид Fe3O4 (с химической точки зрения представляющий смесь оксидов FeO и Fe2O3 ), 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 железе, железа, покрытого никелем, медью и другими 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 pH=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 [Fe(OH)2], обладающей защитным действием даже при очень небольшой толщине. В присутствии воздуха, наоборот, образуется плотная бурая гидроокись трехвалентного железа [Fe(OH)3], составляющая основу ржавчины, и коррозия резко прогрессирует.
Химизм процесса, в данном случае, выглядит следующим образом
- Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2 (в отсутствии кислорода)
- 2Fe + 3H2O + 3/2O2 → 2Fe(OH)3 (в присутствии кислорода)
- 2Fe(OH)2 + ½O2 + H2O → Fe(OH)3
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 ускоренного переноса растворенного воздуха (кислорода) к железу за счет окислительно-восстановительных реакций, происходящих между ионами Fe3+, железом и растворенным кислородом:
- 2Fe3+ + Fe0 → 3Fe2+
- 2Fe2+ + ½O2 + H2O → 2Fe2+ + 2(OH)¯
Отсюда следует, что 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 вязи необходимо рассмотреть еще один возможный механизм защиты черных металлов, связанный с наличием в ЛКМ ингибиторов коррозии.
В качестве примера можно остановиться на действии фосфата цинка — Zn3(PO4)2nH2O, который благодаря своей низкой токсичности и невысокой стоимости, является одним из наиболее применяемых, в т. ч. за рубежом, противокоррозионных пигментов, предназначенных для многих органо- и водоразбавляемых ЛКМ.
Механизм противокоррозионного действия фосфата цинка включает диссоциацию фосфата под действием воды (влаги), проникающей в ЛКМ с образованием комплексной кислоты:
- Zn3(PO4)2 4nH2O ↔ [Zn3(PO4)2(OH)2 ( H2O)2]2¯ + 2H+,
Комплексная кислота (или ее комплексы с пленкообразователями) реагируют с ионами железа на анодных участках с образованием стабильных, прочно удерживаемых комплексных ингибиторов коррозии:
- [Zn3(PO4)2(OH)2 ( H2O)2]Fe или [Zn3(PO4)2( H2O)2 (OH) ( COOH)]Fe
Минимальные требования к ЛКМ «по ржавчине» и их максимальные возможности.
Подводя итог вышеизложенному следует, что для создания декоративных и одновременно защитных покрытий на металлической поверхности с плотной ржавчиной и окалиной (предварительное удаление рыхлой (неплотной) ржавчины ( как и других механический загрязнений) в любом случае необходимо, т.к. она препятствует адгезии покрытий и усиливает осмотическое проникновение воды под пленку вследствие наличия в ней растворимых продуктов) специальные ЛКМ должны обладать как минимум первым из трех ниже перечисленных свойств:
- образовывать покрытия, максимально изолирующие металлическую поверхность от воды (влаги) и возможного поступления с ней более агрессивных веществ (находящиеся в городской и промышленной атмосфере окислы серы и азота, конденсируясь вместе с влагой, разъедают металл, а хлорид-ионы, присутствующие в морской воде и атмосфере приморских районов, адсорбируясь на поверхности железа, препятствуя образованию на ней защитных слоев, ускоряют развитие коррозии) и одновременно сохраняющие достаточно длительную устойчивость к тем условиям окружающей среды, в которых планируется их эксплуатация;
- по возможности изменять химический состав ржавчины — модифицировать ее;
- по возможности содержать в своем составе дополнительные компоненты (в т.ч. ингибиторы коррозии), способные на планируемый срок службы покрытия максимально исключить развитие подпленочной коррозии.
В приведенной на следующей странице таблице (в качестве примера) рассмотрены основные технические характеристики специальных одноупаковочных органоразбавляемых ЛКМ, которые предлагают производители лакокрасочных материалов (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 таблице), а также расходу материала (пункт 6) для достижения необходимой толщины сухого покрытия.
Возвращаясь к ЛКМ, указанным в таблице, необходимо отметить, что не смотря на то, что 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 повышению 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.
О преимуществах специальных ЛКМ
Применение специальных ЛКМ «по ржавчине», в т. ч. и для окраски новых металлических поверхностей, не смотря на их относительную более высокую стоимость в сравнении с традиционными лакокрсочныи материалами, 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, и в ряде случаев может быть чуть ли не единственным способом проведения ремонтно-восстановительных окрасочных работ.
Уже сегодня перечисленные в статье ЛКМ с успехом используются на практике в самых различных областях и особенно при крупномасштабных работах по защите от коррозии строительных металлоконструкций — ферм, мостов, опор, решеток.