4.1. Характеристика и классификация лакокрасочных покрытий

Покрытия формируются из различных по химической природе лакокрасочных материалов, основу которых составляют полимерные пленки (пленкообразователь), пигменты, включающие наполнители, модифицирующие добавки и другие ингредиенты.

Пленка - это состояние вещества в виде сплошного тонкого слоя. Пленки могут быть свободными или адгезированными.

Лакокрасочные покрытия (ЛКП)- пленки, связанные с твердой поверхностью (субстратом) адгезионными силами, причем эта связь создается в процессе формирования пленки толщиной 10-300 мкм из жидких или порошковых лаков и красок, удельная поверхность которых составляет 10-1000 см2/см3.

Лакокрасочные покрытия имеют две поверхности контакта: одну с внешней средой (газообразной или жидкой), другую - с твердым телом (подложкой). В покрытиях, полученных из растворов или расплавов пленкообразователей, можно выделить три слоя с непрерывными границами:

1. верхний («воздушный»);
2. промежуточный (средний);
3. нижний (адгезионный или «зеркальный»).

Верхний слой, соприкасающийся с воздухом при формировании пленки, подвержен его влиянию в наибольшей степени: степень окислительной деструкции и часто другие виды химических превращений с участием кислорода и влаги воздуха наиболее значительны в нем, поскольку проникновение кислорода и влаги в средний и нижний (адгезионный) слой (беспористые подложки) существенно замедляется.

Часто подложка влияет на протекание как химических реакций при формировании покрытий, катализируя или ингибируя их, что особенно проявляется при высоких температурах, так и на физические процессы в адгезионном слое: усадку, стеклование, ориентационные эффекты и др., сказываясь на структуре пленок. В адгезионном слое макромолекулы пленкообразователя подвергаются плоскостной ориентации и формируется менее совершенная структура, чем в массе пленки. По мере удаления от подложки степень ориентации и анизотропия пленок падают, а степень надмолекулярной ориентации полимера возрастает. Структурная неоднородность особенно существенна у покрытий, полученных из кристаллических полимеров. Это объясняется тем, что из-за большого количества центров кристаллизации и малой подвижности макромолекул полимера, обусловленной фиксирующим действием твердой поверхности, возникают затруднения при кристаллизации в адгезионном слое, чего не происходит в промежуточном и верхних слоях: в них степень кристалличности выше, чем в адгезионном слое.

Подобная корреляция наблюдается и для сферолитной кристаллизации: на среднюю часть пленки приходятся максимальные по объему сферолиты. По мере приближения к подложке и в верхний (воздушный) слой они вырождаются или приобретают иные морфологические формы.

Структурные особенности отдельных слоев сказываются на их свойствах. Например, нижний слой пленок, формируемых из растворов аморфных полимеров, обладает повышенной сорбционной способностью и, обычно, более низкой твердостью, чем промежуточные слои. Часто наблюдается его меньшая плотность, но более высокая температура стеклования, чем в объеме, обусловленная ограниченной подвижностью макромолекул пленкообразователя.

Большинство покрытий - это многокомпонентные системы и неоднородность по толщине (не редко в объеме) может появляться в результате микро - и макрорасслоения пленкообразователей, выпотевания или кристаллизации пластификаторов, всплывания или оседания пигментов при пленкообразовании, избирательной адсорбции компонентов на поверхности подложки.

Образование послойно-неоднородной структуры покрытий может быть обусловлено и самой рецептурой лакокрасочного материала, в частности при использовании смесей взаимонесовместимых пленкообразователей.

Следует отметить, что неоднородность состава, структуры, анизотропию свойств, характерные для лакокрасочных покрытий, не всегда нужно рассматривать, как только отрицательные явления. В этом может быть и положительная сторона, особенно при формировании многослойных покрытий.

Процесс получения покрытий на подложке сопровождается усадкой, что при отсутствии полной релаксации, обуславливает возникновение остаточных напряжений (тонкий слой акварельной краски на бумаге при высыхании закручивает ее на себя), то есть большинство лакокрасочных покрытий, особенно на основе жесткоцепных аморфных или кристаллических полимеров - это напряженные системы. Даже самые тонкие лакокрасочные покрытия отличаются от жидкостных или газовых адсорбционных слоев тем, что последние существуют только при наличии поверхности адсорбента, в то время как лакокрасочные пленки в результате определенной когезионной прочности могут сохраняться и вне ее.

Все эти особенности покрытий необходимо учитывать при их получении и эксплуатации.

Классификация лакокрасочных покрытий осуществляется по химическому и эксплуатационному признакам. Так, в основе химической классификации заложена природа пленкообразователя, из которого изготовлено покрытие (эпоксидные, полиакрилатные, алкидные и т. д.). Классификация покрытий по эксплуатационному признаку (по назначению) не дает представления о природе материала пленки, но для потребителей она важна, так как ориентирует на области практического применения того или иного покрытия (например, атмосферо-, термо-, свето-, химически стойкие и т.д.).

Существует и структурная классификация А. Я. Дринберга, согласно которой все лакокрасочные покрытия подразделяются на 2 группы: превращаемые и непревращаемые в трехмерное состояние. Хотя она и менее распространена, по ней можно судить о механизме формирования покрытий (получены ли они в результате химических превращений или без них), а также о некоторых свойствах этих покрытий (растворимость, термопластичность и др.).

По строению лакокрасочные покрытия классифицируют на одно - и многослойные; последние - на однородные и разнородные. Для многослойных разнородных покрытий принято соответствующее название слоев. Первый, контактирующий с подложкой - грунтовочный или грунт, затем следуют промежуточные слои и верхнее покрытие.

Различают также комбинированные покрытия. Их изготовляют сочетанием лакокрасочных покрытий с другими видами - металлическими, термодиффузионными, фосфатными, оксидными и др.

Классификация ЛКП по внешнему виду. Внешний вид поверхности покрытия характеризуется цветом, фактурой, качеством исполнения покрытия - наличием или отсутствием дефектов.
Определения основных дефектов.

Шагрень -
углубления, напоминающие специально выделанную кожу.

Потеки - утолщения на окрашиваемой поверхности, образовавшиеся при стекании ЛКМ и сохранившиеся после сушки.

Волнистость -
периодические неровности.

Сморщивание -
складки в виде регулярных неровностей.

Кратеры -
макроскопические круглые углубления.

Оспины - углубления, не доходящие до окрашиваемой поверхности.

Поры - макроскопические круглые сквозные отверстия.

Риски - следы царапин от абразивной обработки окрашиваемой поверхности.

Включения -
посторонние частицы.

Разнооттеночность - пятна различных оттенков.

Неоднородность рисунка - нарушение формы и размеров элементов рисунка.

По фактуре покрытия делятся на гладкие и рельефные. Гладкие, в свою очередь, подразделяются на однотонные и рисунчатые, а рельефные – на лидаровые и шагреневые.

Фактура покрытия – это внешнее строение поверхности покрытия. Степень блеска покрытий для различных фактур по блескометру ФБ-2 (%) составляет:

Гладкие:

• высокоглянцевые – >59;
• глянцевые, в том числе с лессирующим эффектом – 59-50;
• полуглянцевые – 49-37;
• полуматовые – 36-20;
• матовые – 19-4;
• глубокоматовые – ≤3.

Рисунчатые:

• глянцевые – 59-39;
• полуглянцевые – 38-24.

Рельефные:

• муаровые;
• полуматовые;
• матовые.

Шагреневые:

• полуглянцевые – 12-8.

Качество исполнения покрытия характеризуется следующими показателями:

-  наличие на покрытии посторонних включений, их допустимое количество и размеры;

-  наличие других дефектов, полученных в процессе окрашивания (шагрени, рисок, штрихов, потеков, разнооттеночности, волнистости, неоднородности рисунка).

Различные уровни указанных дефектов и их сочетание предопределяют различный внешний вид покрытий и необходимость их разделения на различные классы.

В соответствии с ГОСТ 9.032-74 по качеству исполнения покрытия делятся на 7 классов.

К классу I относятся покрытия гладкие однотонные: высокоглянцевые, глянцевые и матовые.

Для класса II применяются покрытия всех фактур с различной степенью блеска.

Для классов III-IV не рекомендуются высокоглянцевые покрытия.

Для V-VII классов, кроме высокоглянцевых не рекомендуются также и гладкие однотонные глянцевые, так как экономически нецелесообразно применять высокодекоративные покрытия для пониженных и низких классов, в то же время на таких покрытиях дефекты более заметны.

Только в технологически обоснованных случаях высокоглянцевые покрытия применяются для III-IV классов, гладкие однотонные глянцевые для V-VII классов. При этом нормы для высокоглянцевых покрытий III-IV классов должны соответствовать нормам для глянцевых покрытий, а глянцевые V-VII классов – для полуглянцевых.

Для I класса дефекты на покрытиях не допускаются, за исключением включений для матовых покрытий, так как включения на матовых покрытиях менее заметны. Допускается не более четырех включений на 1 м2 размером не более 0,2 мм с расстоянием между включениями не менее 100 мм.

На покрытиях II класса допускаются незначительная шагрень, а также отдельные штрихи и риски. На гладких однотонных высокоглянцевых, глянцевых, полуглянцевых, полуматовых покрытиях допускаются включения в количестве не более 4 шт/м2, на гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых и шагреневых покрытиях – не более 8 шт/м2. Размер включений на всех покрытиях не должен превышать 0,5 мм, расстояния между включениями должно составлять не менее 100 мм.

На покрытиях III класса допускаются незначительная шагрень, отдельные штрихи и риски, волнистость не более 1,5 мм. На гладких однотонных глянцевых покрытиях допускаются включения в количестве не более 10 шт/м2, на гладких однотонных полуматовых и матовых покрытиях – не более 15 шт/м2, на гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых и шагреневых покрытиях не более 25 шт/м2. Размер включений для всех покрытий должен быть не более 0,5 мм, расстояния между включениями для гладких однотонных глянцевых, полуглянцевых, полуматовых покрытий должно быть не менее 50 мм, для гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых, шагреневых – не менее 30 мм.

На покрытиях IV класса допускаются шагрень без ограничений величины, отдельные штрихи и риски, волнистость не более 2 мм. На гладких однотонных глянцевых, полуглянцевых, полуматовых покрытиях допускаются включения в количестве не более 1 шт/дм2, на гладких однотонных матовых и глубокоматовых, молотковых, муаровых и шагреневых покрытиях – не более 2 шт/дм2. Размер включений для всех покрытий должен быть не более 1мм, расстояния между включениями – не менее 10 мм.

На покрытиях V класса допускаются шагрень, отдельные потеки, штрихи, риски, волнистость величиной не более 2,5 мм. На всех покрытиях допускаются включения в количестве не более 4 шт/дм2 размером не более 2 мм для гладких однотонных полуглянцевых, полуматовых матовых и глубокоматовых покрытий и не более 3 мм для молотковых, муаровых и шагреневых покрытий.

На покрытиях VI класса допускаются шагрень, отдельные потеки, штрихи, риски, волнистость величиной не более 2,5 мм, разнооттеночность, неоднородность рисунка. На всех покрытиях допускаются включения в количестве не более 8 шт/дм2 размером не более 3 мм.

Для VII класса дефекты на покрытиях не нормируются. В каждом классе допускается другое количество включений, если их суммарная протяженность (суммарный размер) и размер каждого включения не превышает приведенных требований.

Для всех классов покрытий не допускаются дефекты, влияющие на защитные свойства покрытий (поры, кратеры, сморщивание и т.д.).

Методы определения блеска и дефектов покрытий, характеризующих качество исполнения, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Методы определения блеска и дефектов покрытий

Класс покрытия допускается определять по образцу (эталону), изготовленному и утвержденному в соответствии с требованиями стандартов и технических условий на изделие.

Внешний вид покрытий зависит как от свойств ЛКМ, так и от технологии их получения. Для получения различных классов покрытий должны быть соответствующие условия подготовки поверхности и сушки. Максимально достигаемый класс покрытий для эмалей и лаков зависит от фактуры их пленок.

Для каждого ЛКМ установлен максимально достигаемый класс покрытия. Достижение I класса возможно лишь с применением нитратцеллюлозных (НЦ-11), меламино-алкидных (МЛ-1110, МЛ-197) и полиакрилатных (АК-1102, АС-2106) эмалей при условии полного соблюдения предписаний технологии окрашивания.

В большой мере качество внешнего вида покрытий определяет состояние окрашиваемой поверхности (шероховатость, дефекты). Для характеристики окрашиваемой металлической поверхности под покрытия различных классов используют следующие показатели:

• шероховатость Rz по ГОСТ 2789-73;
• неплоскостность;
• отдельные неровности (высота, глубина).

Под отдельными неровностями поверхности подразумевают неровности размерами (длина или ширина) не более 20 мм.

Шероховатость металлической поверхности для I покрытий класса должна быть не более 4  мкм; II класса – не более 6,3 мкм для гладких однотонных покрытий и не более 20 мкм для молотковых, муаровых и шагреневых покрытий; III класса – не более 10 мкм для гладких однотонных и не более 80 мкм для молотковых, муаровых и шагреневых покрытий; IV класса – не более 80 мкм для всех покрытий; V класса – не более 320 мкм; а для покрытий VI и VII классов – не нормируется.

Шероховатость металлической поверхности, подлегающей шпатлеванию, для II класса может быть увеличена до 80 мкм, для III и IV классов – до 500 мкм, а для классов V, VI, VII классов – не нормируется. Для покрытий I класса сплошное шпатлевание не рекомендуется.

Неплоскостность металлической поверхности для покрытий I и II классов не допускается. Для поверхностей, не подлежащих шпатлеванию, неплоскостность под покрытия III класса должна быть не более 1,5 мм, IV класса – 2 мм; V класса – 2,5 мм; VI класса – 4 мм, а VII класса – не нормируется.

Для поверхностей, подлежащих шпатлеванию, под покрытия III класса неплоскостность должна быть не более 3 мм, IV класса – 3,5 мм, V класса – 4 мм, VI класса – 5,5 мм, а для VII класса – не нормируется.

Требования по неплоскостности поверхности указаны для плоских поверхностей с наибольшим габаритным размером свыше 500 мм. При оценке неплоскостности поверхности отдельные неровности в расчет не принимаются.

Для изделий с окрашиваемой поверхностью более 5 м2 допускается увеличение неплоскостности на 2,5 мм для III класса и на 3,5 мм для IV-VI классов.

Неровности металлической поверхности для покрытий I, II, III классов не допускаются, для покрытий IV класса допускаются неровности с высотой (глубиной) не более 2 мм, V класса не более 3мм, VI и VII классов – не более 5мм.

Для всех классов покрытий не допускаются на металлической поверхности забоины, неровно обрезанные края, острые кромки и углы в местах перехода от одного сечения к другому.

По ГОСТ 9.104-79. ЕСЗКС различают покрытия для умеренно континентального (У), тропического (Т) и холодного (ХЛ) климата. Группы покрытий имеют следующие обозначения:

А, АН, АТ, АНТ, АХЛ, АНХЛ - атмосферостойкие (эксплуатация на открытом воздухе и под навесом (Н) в различных климатических зонах);

П, ПТ - стойкие внутри помещений (умеренно континентальный и тропический климат);

Х, ХК, ХЩ - химически стойкие (воздействие агрессивных газов, кислот, щелочей);

В, ВМ - водостойкие (воздействие пресной и морской воды);

Б - бензостойкие;

М - маслостойкие;

Т - термостойкие;

Э - электроизоляционные.

Примеры обозначения лакокрасочных покрытий:

Эмаль НЦ-25 голубая III-П - покрытие из голубой нитратцеллюлозной эмали III класса, предназначенное для эксплуатации внутри помещений (например, на станках).

Эмаль ХВ-110 красно-коричневая, IV-АТ - покрытие из перхлорвиниловой эмали красно-коричневого цвета IV класса, предназначенное для эксплуатации в атмосферных условиях тропического климата.