Если глубоко задуматься – всё не так просто

 Компоненты лакокрасочных материалов определяют свойства как материалов, так и покрытий, однако не менее важны и свойства поверхности, которая подлежит окраске. Прочность и долговечность покрытия в большой степени зависят от тщательности подготовки поверхности для обеспечения взаимодействия лакокрасочного материала и окрашиваемой поверхности.

В чем же заключается процесс окраски и что при этом происходит? При окраске поверхность окрашиваемого твердого тела взаимодействует с поверхностью жидкого лакокрасочного материала, после отверждения которого образуется новая твердая поверхность, граничащая и взаимодействующая с окружающей средой. При этом свойства новой поверхности существенно отличны от свойств неокрашенной поверхности.

Как же осуществляется это взаимодействие, можно ли усилить или ослабить взаимодействие лакокрасочного материала с подложкой?

Поверхность твердого тела, какой бы идеальной она ни казалась, имеет микрорельеф – микроскопические нарушения и неровности, которые либо отражают особенности внутренней структуры твердого тела, либо вызваны внешними, механическими причинами. Такого рода неровности называют первичными. К их числу относят многочисленные дефекты – поры, трещины, капилляры, появляющиеся на поверхности при получении изделия и в результате протекания процессов старения, а также микрорельеф, образующийся при механической обработке.

Атомы, молекулы, ионы, находящиеся на поверхности, являются источником силового поля. Поэтому на поверхности могут сорбироваться (поглощаться физически или с химическим взаимодействием) различные вещества (кислород, влага, электролиты и др.). При этом поверхность очень быстро изменяется. Возникающие в результате взаимодействия с твердой поверхностью продукты реакции могут оставаться на поверхности, образуя слой неравномерной толщины, что вызывает дополнительную шероховатость, называемую вторичной.

Особыми свойствами обладает и поверхностный слой жидкого лакокрасочного материала.

На поверхности жидкости молекулы расположены в определенном порядке подобно тому, как они расположены в твердом теле. Тонкий поверхностный слой жидкости находится в состоянии, аналогичном состоянию натянутой резиновой пленки. Если пленка натянута равномерно по всем направлениям, на каждую единицу ее длины в любом направлении поверхности пленки будет воздействовать сила, характеризующая степень натянутости пленки.

Из курса физики известно, что такая сила, рассчитанная на единицу длины, называется поверхностным натяжением. С другой стороны, поверхностное натяжение может рассматриваться как энергия поверхности, отнесенная к единице площади.

Сила взаимодействия двух твердых тел обычно мала, так как фактическая площадь контакта из-за неровностей невелика. На границах же раздела жидкости и твердого тела (а именно это мы имеем при окраске) вследствие возможности полного контакта по всей площади соприкосновения и при условии достижения полной смачиваемости жидкостью твердой поверхности происходит максимальное взаимодействие.

Смачивание является самопроизвольным процессом, связанным с уменьшением свободной энергии системы, состоящей из трех соприкасающихся фаз (твердой – подложка, газообразной - воздух). Поскольку твердая поверхность имеет различную шероховатость и химически неоднородна, она смачивается по-разному.

Большую роль в обеспечении взаимодействия играют диффузионные явления, определяющие подвижность вступающих в контакт молекул. Достижение контакта молекул полимера с подложкой облегчается при повышении температуры, применении растворителей и веществ, способствующих увеличению подвижности молекул и смачиваемости поверхности лакокрасочным материалом.

Наибольшая прочность достигается тогда, когда подложка и пленкообразователь имеют функциональные группы или связи, способные к физическому или химическому взаимодействию.

Таким образом, для того чтобы усилить взаимодействие окрашиваемой поверхности с лакокрасочным материалом, следует ее увеличить. Это можно сделать, придавая микрошероховатость обработкой шлифовальной шкуркой.

В промышленных условиях прибегают к более сложной, но зато более надежной обработке – оксидированию и фосфатированию поверхности. Образующиеся микронеровности увеличивают площадь фактического контакта, а следовательно, и величину силового поля между подложкой и лакокрасочным материалом.

Следует помнить, что на поверхности могут быть различные загрязнения – ржавчина, окалина, масла и смазки, видимые невооруженным глазом. Одновременно на поверхности могут присутствовать невидимые, а поэтому более опасные загрязнения – паяльные флюсы, различные соли, пот от прикосновения рук. Для обеспечения хорошего контакта лакокрасочного материала с поверхностью загрязнения должны быть удалены. Кроме того, попадание смазок и масел в лакокрасочный материал может не только ухудшить смачивание поверхности, но и привести к замедлению его высыхания, ослаблению взаимодействия с подложкой.

На величину контакта кроме шероховатости влияют и другие факторы, такие как смачивание, способность заполнять неровности твердой поверхности, вытесняя с нее ранее сорбированные вещества (газы, пары, влагу и др.), препятствующие достижению максимально возможного контакта. Возможен случай, когда лакокрасочный материал не растекается по поверхности и полного смачивания не происходит.  Это приводит впоследствии к появлению различных дефектов покрытия, ухудшающих декоративные и защитные свойства, - сморщиванию, растрескиванию.

Существенному улучшению смачивания способствует операция обезжиривания поверхности перед окраской. Для этих целей чаще всего применяют протирку ветошью, смоченной органическим растворителем.

Растекание лакокрасочного материала по поверхности обеспечивает хороший адгезионный контакт и необходимые защитные и декоративные свойства пленки: отсутствие пор, ровную гладкую поверхность. На растекание оказывают влияние как характер поверхности, так и свойства самого лакокрасочного материала (вязкость, структурные свойства и др.), поэтому для повышения способности молекул пленкообразователя к взаимодействию с твердой поверхностью используют специально подобранные растворители.

Итак, мы подготовили поверхность к окраске, очистили ее от видимых загрязнений; придали ей шероховатость, используя вначале грубую, затем тонкую шкурку; удалили остатки пыли и обезжирили, протерев салфеткой, смоченной обезжиривателем.

Теперь дело за лакокрасочным материалом. Как правило, поверхность следует загрунтовать, т.е. нанести первый слой лакокрасочного материала (грунтовку). Грунт наносят сплошным тонким слоем, тщательно высушивают. Слой грунтовки повторяет профиль поверхности, поэтому отдельные неровности выравнивают, сглаживают шпатлевкой. Иногда шпатлевку наносят на всю поверхность.

Толщина слоя шпатлевки, который можно наносить за один раз, зависит от свойств пленкообразующего, на котором она приготовлена. При необходимости исправления глубоких дефектов в этих случаях нужно наносить материал в несколько слоев с обязательной промежуточной сушкой. После нанесения и отверждения последнего слоя шпатлевки вся поверхность шлифуется шкуркой до получения однородной матовой поверхности.

После выравнивания шпатлевкой нужно нанести еще необходимое количество слоев грунта для перекрытия рисок от наждачной бумаги.

Теперь можно приступать к нанесению покрывных слоев краски. Число слоев зависит от характера поверхности и требований к покрытию.

Иногда сверху наносят прозрачный лак. Так получают многослойное, или, как говорят, комплексное покрытие.

После нанесения лакокрасочный материал на подложке должен некоторое время сохранять подвижность, в результате чего образуется ровная пленка. Но после этого подвижность материала необходимо устранить, и полученное покрытие должно приобрести необходимый комплекс декоративных и защитных свойств. Это достигается в результате перехода полимера из вязкотекучего (раствор полимера в органических растворителях) в высокоэластическое (особое состояние твердого тела, характерное для многих полимеров) или стеклообразное состояние.

Таким образом, в процессе образования лакокрасочного покрытия можно выделить следующие стадии: нанесение лакокрасочного материала на поверхность твердого тела; растекание по поверхности и установление прочного адгезионного контакта между подложкой и лакокрасочным материалом; отверждение пленки в результате полного испарения растворителя или химических превращений. 

Отверждение лакокрасочного покрытия, называемое в обиходе сушкой, - очень важная стадия процесса окраски.

При сушке протекают физические процессы, связанные с переносом в пленке тепла и излучения (теплопередача), растворителей и продуктов, выделяющихся при отверждении пленки (массопередача), с изменением формы и подвижности молекул пленкообразователя (структурные изменения). Химические превращения обусловлены ростом макромолекул, образованием сшитого пространственного каркаса за счет межмолекулярного взаимодействия отдельных функциональных групп – карбоксильных, гидроксильных, эпоксидных и других химических групп, способных к взаимодействию. Непрерывная фаза пленки лакокрасочного покрытия состоит из органического высокомолекулярного соединения, формирующего каркас, и различных добавок, способствующих улучшению свойств этого каркаса. Полимерный каркас может быть образован из одного, двух или нескольких полимеров.

В зависимости от способности к переходу в трехмерное пространственно сшитое состояние пленкообразователи могут быть разделены на непревращаемые (обратимые, или термопластичные), превращаемые (необратимые, или термореактивные) и смешанные. К непревращаемым относится довольно большая группа пленкообразователей. Это низкомолекулярные, в большинстве своем природные смолы, например шеллак; некоторые низкомолекулярные полимерные (олигомерные) продукты – новолачные фенолоформальдегидные и некоторые другие смолы; высокомолекулярные полимеры – полистирол, эфиры целлюлозы, некоторые другие полимеры.

При использовании непревращаемых лакокрасочных материалов переход пленкообразующего вещества из жидкого состояния в растворе в твердое стеклообразное состояние происходит не сразу. При быстром испарении растворителя в пленке возникают напряжения. Чем больше растворителя удаляется из пленки и чем выше скорость испарения растворителя, тем больше величина возникающих внутренних напряжений. Вот почему нельзя применять для разбавления, например, нитрацеллюлозных эмалей быстроиспаряющиеся растворители, а следует использовать только специально подобранные растворители, испарение которых из пленки происходит постепенно.

При дальнейшем формировании пленки внутренние напряжения повышаются за счет усадки пленки.

На процесс образования пленки без химических превращений оказывает влияние ряд факторов;

вид пленкообразующего и его физические и химические свойства;

состав летучей части, летучесть растворителей, их сродство к пленкообразующему;

состав и количество тяжелолетучих растворителей, пластификаторов и других компонентов, определяющих свойства конечного продукта. Ведь даже после завершения пленкообразования в пленке остается значительное (до 10 %) количество остаточных растворителей;

свойства готового лакокрасочного материала, концентрация раствора, вязкость, температура, продолжительность хранения;

условия  пленкообразования – температура окружающей среды, влажность воздуха, насыщенность парами летучего растворителя.

Отличительной особенностью обратимых пленок является их способность растворяться в органических растворителях даже по истечении длительного времени.

Другим недостатком обратимых термопластичных пленок является их недостаточная стойкость к воздействию повышенных температур.

Это обусловлено тем, что при воздействии тепла возможен переход из твердого стеклообразного в высокоэластическое и даже вязкотекучее состояние.

Лакокрасочные покрытия, получаемые в результате химических превращений пленкообразователей, имеют очень большое практическое значение. Возможности таких материалов значительно шире и разнообразнее по сравнению с обратимыми покрытиями. В исходном состоянии до отверждения пленкообразователи могут находиться в виде мономеров, олигомеров или полимеров. Превращение пленкообразователя при химическом отверждении, т. е. переход его в твердое, неплавкое, нерастворимое состояние происходит за счет протекания процессов поликонденсации и полимеризации. Химическое отверждение называют «сшивкой».

На процесс химического отверждения влияет ряд факторов. Скорость отверждения зависит от толщины пленки, особенно в тех случаях, когда в реакции участвует кислород. От толщины пленки зависит также скорость диффузии кислорода, удаления летучих продуктов. В отдельных случаях, когда толщина пленки превосходит допустимую, на поверхности образуется твердая тонкая пленка, препятствующая удалению остатков растворителя из объема пленки и доступу кислорода, участвующего в пленкообразовании, в толщу пленки. Внешне кажется, что пленка высохла, однако при механическом воздействии она может деформироваться.

Важным фактором, влияющим на отверждение пленки, является также температура. Известно, что при повышении температуры на 10 ˚C скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза. Некоторые химические реакции могут протекать с заметной скоростью лишь при повышенных температурах. Например, процесс отверждения синтетических алкидно-меламиновых автомобильных эмалей проходит при температуре 80-130 ˚C.

В ряде случаев ускорение отверждения лакокрасочных материалов достигается при введении катализаторов – ускорителей.

На процесс отверждения следует обращать особое внимание и строго выполнять рекомендации, указанные на этикетке упаковки лакокрасочного материала, так как именно на этой стадии происходит формирование покрытия, которое в дальнейшем будет эксплуатироваться. Физико-механические, защитные свойства, внешний вид во многом зависят от условий формирования покрытия.

Следует иметь в виду, что необходимая прочность покрытия после окраски достигается не сразу после высыхания. Для покрытий воздушной сушки продолжительность формирования пленки до достижения требуемых прочностных показателей составляет 5-7 суток, поэтому требуется соблюдать осторожность при обращении со свежеокрашенными поверхностями.

www.remont-kuzova.narod.ru

◄Вернуться в раздел статьи