Современные способы защиты металлов от коррозии и их роль в защите конструкций и городских коммуникаций

     Лаки  — это коллоидные растворы высыхающих масел или смол в органических растворителях. Защитное твердое покрытие образуется вследствие испарения растворителя или полимеризации масла или  смолы при нагревании или под  действием катализатора.

     Краски  представляют собой суспензию минеральных  пигментов в пленкообразователе.

     Эмали — это раствор лака, в который  введены измельченные пигменты.

     Пленкообразователи — это природные масла, естественные или искусственные смолы. Масла по своему составу представляют собой сложные эфиры, т.е. являются продуктом взаимодействия кислот и спиртов. В основу классификации масел положена их способность к высыханию.

     Наиболее  распространенный масляный пленкообразователь — олифа. Натуральную олифу получают из высыхающих растительных масел, обработанных при 300 °С с целью частичной полимеризации. На воздухе олифа окисляется и полимеризуется до твердого состояния[1,15].

     Растворители  пленкообразующих веществ придают лакокрасочным покрытиям такую вязкость, при которой они легко наносятся на поверхность. В дальнейшем растворители испаряются. Растворителями могут быть: спирты, ацетон, бензин, скипидар, толуол, ксилол, этилацетат и др.

     Пластификаторы  или смягчители — это вещества, повышающие эластичность пленок после  высыхания. К ним относятся касторовое масло, каучуки, дибутилфталат, трикрезилфосфат, эфиры адипиновой кислоты.

     Количество  пластификаторов, вводимых в смесь, составляет 20-75 % от массы пленкообразователя.

     Краски  и пигменты вводят в состав лакокрасочных  композиций для придания им определенного  цвета. Краски растворяются в растворителях, а пигменты находятся в них  в нерастворимом мелкодисперсном  состоянии. Размер частиц от 0,5 до 5 мкм. В качестве пигментов используют охру, сурик свинцовый, хром свинцовый, цинковые белила, порошки металлов. Пигменты повышают твердость, атмосферную  и химическую стойкость, износостойкость  и т.д. [15,16]

     Рисунок 1.2 – Строение лакокрасочной пленки:

     1 — пленкообразователь; 2 — наполнитель; 3 — пигмент; 4 — металл 

     Наполнители — это инертные вещества, которые  вводят в лаки и краски для снижения расхода пигментов, а также для  улучшения антикоррозионных свойств пленки. К ним относятся мел, тальк, каолин, асбестовая пыль и др.

     Наполнители образуют прочную основу всей пленки. Частицы наполнителя распределяются в пленке между частицами пигмента и заполняют имеющиеся в ней  промежутки. Благодаря этому пленка приобретает повышенную влагостойкость и антикоррозионные свойства. Схема  строения лакокрасочной пленки представлена на (рис.1.2).

     Сиккативы или катализаторы представляют собой  магниевые и кобальтовые соли жирных органических кислот. Их вводят в состав композиций для ускорения  высыхания масляных пленок.

     Успешная  противокоррозионная защита лакокрасочными материалами в значительной степени  зависит от соблюдения технологии получения  покрытий [12,15]. Основными факторами, влияющими на срок службы покрытия, являются:

     1) способ подготовки поверхности;

     2) методы нанесения и отверждения  лакокрасочного покрытия;

     3) толщина комплексного покрытия.

     Для оценки влияния подготовки поверхности  можно привести такой пример. Срок службы покрытия эмалью МЛ-12 (3 слоя), нанесенной по грунтовке ГФ-12 при пескоструйной  обработке поверхности — 7 лет, при  абразивной обработке — 9 лет, при  обезжиривании — 3 года, при фосфатировании с активатором — 12 лет. Активатор способствует формированию на поверхности малопористого мелкокристаллического фосфатного слоя с хорошей адгезией к металлу. Размер кристаллов 5-20 мкм.

     Метод нанесения также оказывает влияние  на срок службы покрытия. Так, срок службы покрытия алкидной эмалью ПОМ 15 (желтой) при нанесении в электрополе — 12 лет, пневмораспылением — 11 лет, безвоздушным распылением — 10 лет, струйным обливом — 9 лет, окунанием — 8 лет. Разницу в сроках службы покрытий объясняют различной структурой сформированных покрытий. Более мелкие и плотноупакованные структуры образуются при нанесении покрытий методом электростатического распыления [12,15].

     Существуют  противоречивые мнения по вопросу выбора толщины защитного лакокрасочного покрытия. По некоторым данным защитные свойства покрытия пропорциональны  его толщине, по другим — повышение  толщины не всегда приводит к увеличению его долговечности. Поэтому в  каждом отдельном случае подбирается  оптимальная толщина лакокрасочного покрытия.

     Выбор лакокрасочного покрытия определяется условиями его эксплуатации. Для  защиты аппаратов от воздействия  кислот, щелочей, растворителей и  агрессивных газов готовят лакокрасочные  покрытия на основе фенолоформальдегидных, полихлорвиниловых, эпоксидных и фторорганических полимеров.

     Лакокрасочные покрытия на основе эпоксидных соединений устойчивы в растворах Na OH (до 25%) при нагревании до 125 °С, в соляной (до 25%), серной (до 70%), фосфорной и азотной кислотах. Они эластичны, влаго- и атмосферостойкие в средах, содержащих CI₂, HC1, хлороформ. Обладают высокими электроизоляционными и механическими свойствами [13,15].

     Лаки  и краски на основе полихлорвинила устойчивы к азотной, соляной, серной, уксусной и другим кислотам, щелочам и маслам. Они хорошо зарекомендовали себя в атмосферах, содержащих SO₂, SO₃, N₂O₃, NH₃, HC1. Их используют для защиты гальванических ванн, аппаратов химводоочистки и др.

     Полиуретановые  лаки и краски применяют для защиты изделий из магниевых и алюминиевых  сплавов. Они стойки в атмосфере  нефтепродуктов.

     Термостойкие  покрытия получают на основе кремнийорганических  соединений. Они могут длительно  работать при температуре до 300°С, кратковременно выдерживают 500-800°С. Такие краски и эмали используют для окрашивания вентиляционных и сушильных установок, теплообменников и др.

     Требования  по экологии создают самые большие  сложности при разработке прогрессивного ассортимента лакокрасочных материалов. По данным зарубежных фирм газовые  выбросы, включающие растворители, составляют 100-185 г/м² окрашиваемой поверхности. В 1991г. на автомобильных производствах Европы этот показатель составлял 90 г/м². В 1993г. он снизился до 50 г/м². Этому способствовало создание новых прогрессивных лакокрасочных материалов, отвечающих современным экологическим требованиям: с высоким сухим остатком (ВСО), водоразбавляемые и порошковые [1,3,12].

     Материалы с высоким сухим остатком (ВСО) позволяют сократить на 30% потребление  органических растворителей, снизить  в среднем на 20-30 % расход лакокрасочных  материалов, а также увеличить  в 1,5-2 раза срок службы покрытия. В странах  СНГ эти материалы находятся  на стадии промышленного внедрения: полиэфир - меламиновая эмаль ПЭ-1282 (содержание нелетучих соединений — 65%, режим сушки — 30 минут при 130°С); эпоксиперхлорвиниловая эмаль ЭП-2154 (соответственно — 50 % и 3-5 часов при 20°С); эпоксидная грунт-эмаль ЭП-5227.

     Водоразбавляемые лакокрасочные материалы занимают одно из ведущих мест в ассортименте продукции, отвечающей современным экологическим требованиям. Водные материалы применяются в основном при окрашивании изделий методом электроосаждения. Для этой цели используются водоразбавляемые лакокрасочные материалы на основе пленкообразователей-электролитов. Для электроосаждения используют грунтовки В-КЧ-0207, В-КФ-093, ВЭП-0190, эмали В-ФЛ-11990, МС-278, В-ЭП-2100.

     Порошковые  краски — новый вид современных  лакокрасочных материалов. Их применение позволяет практически исключить  опасность загрязнения окружающей среды, снизить пожаро - и взрывобезопасность при работе. В настоящее время ведутся работы, направленные на усовершенствование и удешевление этого вида покрытий. Новым классом современных лакокрасочных материалов являются модификаторы ржавчины.

     Эффективность грунтовок-модификаторов определяется не только природой пленкообразователя, но и наличием специальных добавок, обеспечивающих пропитку ржавчины и максимальную стабилизацию продуктов коррозии. Промышленность выпускает грунтовки-модификаторы на основе водоразбавляемых пленкообразователей (ВА-ВА-0112, ВД-ВА-01 ГИСИ, ВД-К4-0184, ВД-К4-0251) и эпоксидные модификаторы (ЭП-0180, ЭП-0199 и ЭП-0191) [1,3,12].

     Одним из направлений повышения защитных свойств покрытий является направленная модификация серийных лакокрасочных  материалов. В качестве модификаторов  могут быть использованы различные  поверхностно-активные вещества, выпускаемые  промышленностью. Защитные свойства таких  покрытий обусловлены образованием на поверхности комплексов, обеспечивающих пассивность металла.

     Замедлить протекание анодного коррозионного  процесса можно и введением в  лакокрасочную композицию ингибиторов  коррозии. К ним относятся хроматы, фосфаты металлов, азотсодержащие и  силаксановые соединения [12,15]. Эффект действия таких соединений связан с растворением ингибитора в диффундирующей воде из внешней среды и последующей адсорбцией его ионов или молекул на активных центрах металла.

     Покрытие  смолами и пластмассами

     Пластмассы  и смолы обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, в том числе в воде и ряде кислот и щелочей. Поэтому покрытия из этих материалов применяют для  защиты металла от коррозии. Их наносят  послойно в жидком состоянии (нагретом или растворенном) пламенным напылением или футеровкой листовым материалом.

     Чаще  других используют фенол - формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, асфальтобитумные покрытия [12,15].

     Лаки  на основе фенол - формальдегидных смол, известные под общим названием бакелитовых, стойки по отношению к большинству агрессивных сред, за исключением окислителей, щелочей и некоторых органических соединений. Их достаточно широко используют в химической промышленности. Лак готовят растворением резольной смолы в спирте. Обычно наносят 4—5 слоев лака, причем каждый слой сушат при температуре до 160—170° С. Недостаток бакелитового лака — хрупкость.

     Значительный  интерес представляют лаки и композиции на основе эпоксидных смол, которые  успешно применяют для защиты от коррозии емкостей, трубопроводов, цистерн и различных деталей химической аппаратуры.

     Эпоксидные  смолы — продукты поликонденсации  многоатомных фенолов и соединений с эпоксигидрогруппой (например, эпихлоргидрином). Они стойки к щелочам, ряду растворителей (бензин, ацетон), нестойки к сильным окислителям. Эпоксидные смолы имеют хорошую адгезию с поверхностью металла. Высокой химической и термической стойкостью обладают кремнийорганические (силиконовые) смолы. Это органические соединения, в цепях которых кислород частично замещен кремнием. Силиконовая пленка, нанесенная на какой-либо материал, делает его поверхность водоотталкивающей [1,2,12]. Лаки, приготовленные на основе кремнийорганических соединений, могут длительное время подвергаться действию температуры свыше 200°С, не изменяя внешнего вида и не становясь хрупкими. Особенно ценны в этом отношении фенилселиконы. Смешивая их с оксидами титана, можно получить покрытие, стойкое к нагреву до 600°С. Силиконовые покрытия характеризуются высокими диэлектрическими свойствами.

     Для защиты металлических сооружений от подземной коррозии широко применяют  битумно-пековые композиции. Их высокая  химическая стойкость связана с  присутствием в составе высокомолекулярных соединений, с трудом вступающих во взаимодействие с большинством агрессивных  сред [13].

     Футеровка стальной аппаратуры листами пластмасс  достаточно хорошо защищает от коррозии в кислотах, щелочах и других агрессивных  жидкостях. Наиболее стойким пластиком, не разрушающимся даже в растворах  царской водки, плавиковой кислоты, органических растворителях, является фторопласт (тефлон). Однако его прочность относительно невелика. В качестве футеровочного материала используют также фаолит, винипласт, полиизобутилен, полиэтилен и др [1,4,12].

1.2.2 Электрохимическая защита

     Скорость  электрохимической коррозии можно  значительно уменьшить, если металлическую  конструкцию подвергнуть поляризации. Этот метод получил название электрохимической  защиты, В зависимости от вида поляризации  различают катодную и анодную  защиту [13].

     На  рисунке 1.3 приведена схема, поясняющая снижение скорости растворения металла  при различных способах его электрохимической  защиты.