Новые протекторные грунтовки с пониженным содержанием цинка

Оптимальное содержание сферического цинка в стандартной высоконаполненной протекторной грунтовке на основе однокомпонентного уретанового преполимера.
По данным, увеличение содержания цинковой пыли в протекторных грунтовках значительно улучшает их защитные свойства. Это мнение основано на том, что повышение содержания цинка приводит к снижению электрического сопротивления покрытий, вследствие чего возрастает их протекторное действие. Действительно, удельное объемное сопротивление исходного грунтовочного покрытия «Рикоцинк», содержащего цинковую пыль (Zn Dust Super Fine фирмы Larvik Norway), при увеличении наполнения от 75 до 96 масс. % снижается почти на три порядка.
Однако в процессе взаимодействия покрытий с коррозионной средой, например 3 %-ным раствором NaCl, наблюдается существенное изменение их протекторных свойств. В начале испытаний в течение 2–6 сут удельное сопротивление покрытий снижается за счет взаимодействия цинка с коррозионной средой, сопровождающейся образованием продуктов окисления цинка - «белой коррозии». При этом наиболее наполненное покрытие, содержащее 96,4 % Zn Dust, имеет наименьшее удельное сопротивление.
При более длительных коррозионных испытаниях покрытий (20 – 50 сут) наблюдается обратная зависимость удельного сопротивления от степени наполнения: т.е. покрытие с более низким содержанием цинка 75,4 % Zn Dust характеризуется более низким удельным сопротивлением по сравнению более наполненным (96,4 % Zn Dust). Такое различие в защитных свойствах объясняется разной плотностью структуры высоконаполненных покрытий. Как известно, все высоконаполненные цинковой пылью грунтовки, вне зависимости от типа связующего имеют дефектную, высокопористую структуру, что связано с недостаточным смачиванием частиц цинка.
При эксплуатации таких покрытий в агрессивной среде в качестве самостоятельного покрытия наблюдается постепенное «вымывание белой коррозии» из пор покрытия, и снижение содержания цинка. Для более наполненных и соответственно высокопористых покрытий процесс вымывания протекает длительное время и приводит к большей потере цинка, чем для покрытий с меньшим наполнением, структура которых за счет небольшого увеличения содержания связующего в покрытии становится менее пористой.
Продолжительные испытания коррозионной стойкости покрытий, высоконаполненных цинковой пылью, показали, что в данном случае содержание цинка 75,4 % (по массе) является оптимальным, так как не ухудшает защитных свойств покрытия, о чем свидетельствует более низкое удельное сопротивление и достаточно быстрая стабилизация процесса (10 сут) за счет заполнения пор продуктами «белой коррозии». Проведенная работа позволила сделать важный практический вывод: снижение степени наполнения на 20 масс. % в данном случае является обоснованным, так как покрытие обеспечивает высокую протекторную защиту а процессе длительной эксплуатации в агрессивной среде.
Протекторные грунтовки с пониженным содержанием цинка на основе сферического Zn Dust SF, (d50 =3-5 мкм) и пластинчатого Zn Flake GTT, (d50 =13 мкм) пигментов.Способ, позволяющий существенно снизить содержание цинка в грунтовках и при этом получить покрытия с высокой протекторной защитой, заключается в обязательном совместном использовании сферического (Zn Dust, Larvik Norway ) и пластинчатого (Zn Flake, Eckart Швейцария) цинка в рецептуре. Возможность получения протекторных грунтовок с пониженным содержанием цинка 25 масс. % (Zn Dust +Zn Flake) была показана в работах фирмы Eckart на примере этилсиликатной грунтовки. В данном случае различная структура поверхности частиц цинка играет очень важную роль в механизме улучшения протекторных свойств покрытий. Возможность увеличения электрических контактов между частицами цинка с различной структурой возрастает в три раза: частицы цинка с одинаковой структурой (сферические или пластинчатые) контактируют как с друг с другом, так и между собой. Таким образом, увеличение числа возможных контактов между частицами цинка различной структуры позволяет получить хорошую протекторную защиту покрытий при более низком содержании в них цинка.
В ООО «НИПРОИНС» совместно с фирмой Eckart была разработана рецептура протекторной грунтовки на основе однокомпонентного уретанового преполимера с пониженным содержанием цинка (30 масс. %) на основе сферического цинка Zn Dust SF, (d50 =3-5 мкм) и цинковых хлопьев Zn Flake GTT, (d50 =13 мкм). При изучении структуры покрытия под электронным микроскопом установлено, что в покрытии возникают множественные контакты частиц цинка: сферические частицы контактируют с пластинчатыми, пластинчатые со сферическими и, кроме того, и те и другие контактируют между собой. Наличие множественных электрических контактов, позволяющих обеспечить хорошую протекторную защиту низконаполненных покрытий – главное отличие нового материала от стандартной высоконаполненной грунтовки. В покрытии на основе последней возможны только единичные контакты сферических частиц цинка между собой, поэтому их должно быть достаточно много, чтобы круглые частицы могли столкнуться друг с другом. Покрытия на основе разработанной низконаполненной грунтовки, содержащей 30 % цинка, обеспечивают катодную защиту за счет частиц цинка двух видов с различной структурой, дополняющих друг друга, и проявляющих синергизм в протекторной защите.
Кроме того, очень важный положительный эффект, который дополнительно возникает при использовании пигмента с пластинчатыми частицами, - барьерный эффект, возникающий за счет пластинчатой структуры. Сравнивая полученные результаты определения удельного объемного сопротивления покрытий, содержащих цинк двух типов: 30 масс. % (Zn Dust + Zn Flake) и покрытия на основе одного сферического цинка Zn Dusat SF / 75,4 масс. %, можно заметить, что удельное сопротивление покрытия, содержащего смесь цинка двух типов, имеет значительно более низкую и практически постоянную величину, не зависящую от длительности контакта с агрессивной средой.
Грунтовка «Рикоцинк» на основе смеси (Zn Dust +Zn Flake) хорошо наносится методом безвоздушного распыления (установка King фирмы Graco, соотношение давлений 68:1). При давлении на грунтовку 238 кг/см2 нестекающий мокрый слой имел толщину до 150 мкм, толщина отвержденного покрытия составляла 95-100 мкм.
Гарантийный срок хранения грунтовки в таре без вскрытия - не менее 6 мес. Коррозионные испытания покрытий c пониженным содержанием цинка проводились в лаборатории антикоррозионных покрытий фирмы Eckart Suisse SA в соответствии со стандартом DIN 50021. После испытаний покрытие имело хорошую адгезию, гладкую поверхность, на которой практически отсутствовала «белая коррозия», что свидетельствует о его высоком барьерном эффекте. Благодаря хорошей протекторной защите, барьерному эффекту, хорошим физико-механическим свойствам эта грунтовка вполне может использоваться как самостоятельное протекторное покрытие, а также заменить высоконаполненные цинковой пылью грунтовки в системах покрытий для антикоррозионной защиты железнодорожных мостов и других металлоконструкций различного назначения (строительных, мостовых, ограждения дорог и др.).
Применение цинковых хлопьев в рецептурах протекторных грунтовок экономически оправдано, поскольку стоимость цинка превышает стоимость большинства пленкообразователей. Однако уретановые преполимеры дороже цинка, поэтому снижение содержания цинка в этих рецептурах оправдано лишь высокими протекторными и физико-механическими показателями покрытия. Исходя из этого, была разработана более дешевая по стоимости протекторная грунтовка на основе модифицированного полистирола. Такой материал на основе физически высыхаемого пленкообразователя и цинков двух типов с различной структурой был разработан впервые. Модифицированный полистирол, благодаря большим объемам его производства, является очень доступным и дешевым пленкообразователем. Грунтовки общего назначения на его основе известны еще с середины XX в.
В результате сравнительного анализа сырьевой себестоимости различных протекторных грунтовок показано, что при практически одинаковых защитных свойствах покрытий протекторные грунтовки на основе модифицированного полистирола стоят значительно дешевле. Следует также отметить, что производство и применение таких грунтовок значительно проще, так как материал является одноупаковочным и не требует защиты от влаги воздуха, как это необходимо в случае однокомпонентного уретанового преполимера.
Грунтовки на основе модифицированного полистирола могут применяться для антикоррозионной защиты металлических строительных конструкций, эксплуатируемых в атмосферных условиях всех климатических районов, в том числе в сильно загрязненной промышленной атмосфере, морской и пресной воде, сырой нефти, бензине и др. Такие грунтовки можно использовать, как в качестве самостоятельного покрытия, так и в комплексной системе покрытий под атмосферостойкие эмали на той же основе. Система такого покрытия также разработана в НИПРОИНС.
С.А. Дринберг, А.С. Дринберг, НИПРОИНС, L. Kruba, P. Stucker, Eckart Suisse SA