Характеристика

Принцип выбора химически стойких полимерных покрытий

Введение

В последнее время для защиты стальных и бетонных поверхностей все более широкое применение находят химстойкие полимерные покрытия, вытесняя с рынка типовые антикоррозионные системы, такие, как гуммирование и футеровка. Причинами отхода от традиционных методов защиты в пользу полимерных покрытий являются  технологичность нанесения таких покрытий, отсутствие стыковых швов, возможность  работы с конструкциями сложной формы, быстрый ввод объекта в эксплуатацию, сравнительно низкая стоимость в сочетании с длительным сроком службы (более 20 лет в условиях погружения).

При выборе химически стойкого полимерного покрытия важную роль играет понимание условий эксплуатации и оценка возможности проведения процедур нанесения покрытия. Большинство случаев преждевременного разрушения покрытия связанно с неправильной оценкой условий эксплуатации и, как следствие, неправильным выбором защитной системы. Так, например, одна кислотостойкая система может быть разрушена воздействием слабых щелочей или растворителей, а другая система, обладающая высокой химической стойкостью, может оказаться преждевременно разрушенной неучтенной абразивной нагрузкой и т.д.

На данный момент перед проектантами и техническими специалистами предприятий (людьми, ответственными за выбор системы антикоррозионной защиты) стоит непростая задача выбора доступных материалов наиболее эффективной системы защиты, соответствующей оптимальному соотношению цена/срок службы покрытия/стоимость циклического ремонта. И, конечно же, при выборе системы покрытий следует учитывать  состояние поверхности, тип подложки, условия нанесения и эксплуатации, абразивные и прочие физические нагрузки, специальные требования к покрытиям (электропроводность и т.д.).

Состояние защищаемой поверхности

В первую очередь нужно собрать полную информацию об объекте: тип и назначение конструкции, материал подложки, расположение и состояние поверхностей, а так же физические и химические воздействия на защищаемые поверхности.

Ключевым показателем любой антикоррозионной системы является адгезия. Использование грунтовок обеспечивает хорошую адгезию покрытия к основанию и является обязательным. При нанесении на бетонные подложки грунтовки пропитывают, уплотняют и усиливают основание. На стальных подложках грунтовки в основном используются для предотвращения вторичного окисления металла перед нанесением защитной системы. Большинство грунтовок имеют ограничения в интервалах перекрытия (максимальный интервал нанесения следующего слоя) -  времени, в течении которого следующий слой может быть нанесен с гарантией максимальной адгезии.

Стальные подложки

Как правило, на всех металлоконструкциях присутствуют загрязнения. Их наличие приводит к снижению адгезии и, как следствие, значительно сокращает срок службы системы в целом. Наиболее распространены следующие типы загрязнений: нефтепродукты , водо-растворимые соли(хлориды, сульфаты), силиконовые смазки, воски, пыль и т.п. Большинство производителей защитных покрытий нормируют содержание водорастворимых солей на стальной поверхности, что обуславливает применение гидроструйной очистки или других процедур очистки, перед, а иногда и после основной подготовки поверхности. Тест на наличие жировых загрязнений и водо-растворимых солей является обязательным перед нанесением химстойких полимерных покрытий.

Степень подготовки поверхности определяется производителем материала и сильно зависит от типа системы и условий эксплуатации. Например, тонкослойные грунты-финиши могут наноситься на поверхность, подготовленную легкой абразивоструйной очисткой, в то время, как толстослойные износостойкие покрытия резервуаров должны наноситься на поверхность с острым профилем не менее 75 мкм. В зависимости от региона, производитель нормирует чистоту и степень подготовки поверхности в соответствии со стандартами разработанными следующими организациями: SSPC (Общество защитных покрытий), NACE (Национальная ассоциация антикоррозионных инженеров ) или ISO(Международная организация стандартов). При нанесении системы, выполнение рекомендаций производителя по чистоте и степени подготовки поверхности, является обязательным.

Бетонные основания

В большинстве случаев, бетонные основания требуют применения химически стойких полимерных систем, для защиты от коррозионно-активных сред. В настоящее время, рынок химстойких покрытий для резервуаров сосредоточился на разработке покрытий для защиты зон вторичного загрязнения. Одним из наиболее распространенных дефектов бетонных оснований является растрескивание. Контроль стыковых швов помогает минимизировать растрескивание, но полностью предотвратить его невозможно. Причины растрескивания бетона могут быть самые разные, например: ошибки проектирования конструкции, избыточные нагрузки, расширение щелочных загрязнений, внешние воздействия, усадка в процессе отверждения и усадка конструкции в целом. Образование трещин может привести не только к утечке химикатов и повреждению самой конструкции, но также может привести к загрязнению нижележащих слоев и грунтовых вод.

Большое количество полимерных материалов при нанесении на бетон обеспечивают превосходную защиту от воздействия агрессивных сред, но большинство из них не могут противодействовать распространению трещин в следствии низкой эластичности. Деформирующие напряжения, создаваемые растрескиванием бетона, разрушают полимерное покрытие.

Применение специальных защитных систем позволяет наносить покрытие поверх статичных трещин, контролировать стыковые швы и движущиеся трещины. В основе этих систем лежит эластичный армированный стеклотканью базовый слой, который наносится поверх трещин и стыковых швов перед нанесением химически стойкого верхнего слоя. Комбинация стеклоткани с эластичным базовым слоем позволяет рассеивать локальные напряжения при возрастании нагрузки. Такие системы также могут использоваться в качестве предупредительной меры для предотвращения растрескивания. Армированный базовый слой предотвращает систему от растрескивания, в то время как верхний слой защищает систему от агрессивных сред. Данная система является универсальной и армированный базовый слой может быть использован как для создания  напольных покрытий, так и для покрытий резервуаров и металлоконструкций. Дополнительную функциональность эластичному базовому слою придает возможность его применения с широким спектром  эпоксидных, новолак эпоксидных, полиэфирных, винилэфирных, новолак винилэфирных покрытий.

Эластичные стыковые соединения в бетоне дают конструкции возможность для деформаций, однако их использование делает обязательным применение высокоэластичных герметиков для швов при нанесении защитной системы.

Условия нанесения

В зависимости от того, наносится покрытие внутри или с наружи, определяется тип связующего и способы нанесения системы. При проведении работ на открытых площадках и в неотапливаемых помещения необходимо учитывать температурный режим и другие ограничения, такие как наличие влаги, воздействие УФ излучения (солнечный свет), перерывы в работе, трещины подложки, время до ввода в эксплуатацию и т.д.

Сложность нанесения некоторых типов покрытий также может являться лимитирующим фактором при выборе защитной системы.

В ходе планирования работ должен быть учтен расход материала и создан необходимый запас на складе для сокращения времени проведения работ.

В зависимости от выбранной системы покрытий могут использоваться следующие методы нанесения: воздушное и безвоздушное распыление, кисть, валик, шпатель, затирочная машинка или резиновый валик. В зависимости от сложности наносимой системы могут применяться различные комбинации методов нанесения.

Условия эксплуатации

При выборе химстойкой полимерной системы необходимо иметь полную информацию относительно условий эксплуатации объекта. Необходимо знать наименования, концентрации и процентное содержание в конечном растворе всех химически активных веществ, а так же и информацию о том, будут ли эти вещества присутствовать в растворе по отдельности или в смеси. Нужно учитывать, что некоторые химические реагенты могу взаимодействовать друг с другом, образовывая более коррозионно-активные среды.

После определения типа химического воздействия необходимо определить условия эксплуатации покрытия: простое погружение или течение жидкости. Если покрытие эксплуатируется в условиях, отличных от погружения, их можно определить как зоны проливов, брызг, вторичного ограждения от аварийного разлива или зоны воздействия паров. Если воздействие на покрытие непродолжительно, то необходимо учесть длительность воздействия в часах или днях, а также частоту воздействия: несколько раз в год, в месяц или раз в смену. При таких непродолжительных воздействиях, как брызги и проливы, важную роль играет частота уборок и методика очистки покрытия.

Температура эксплуатации является одним из ключевых факторов при выборе защитной системы. Необходимо знать минимальную и максимальную температуры эксплуатации, наличие термоударов, эффекта холодной стены и т.д. Повышенная температура усиливает агрессивное воздействие на полимерную систему и наполнитель. Например: тонкослойное наполненное кремнием покрытие для резервуаров, полов или металлоконструкций легко противостоит воздействию щелочей при нормальных температурах. Однако, воздействие тех же самых концентраций щелочей при повышенной температуре приведет к разрушению покрытия, в следствии растворения кремниевого наполнителя. В таких случаях рекомендуется замена кремниевого наполнителя на графит. Наполненные графитом эпоксидные системы имеют широкое применение для защиты от растворов с высоким уровнем pH, эксплуатирующихся при повышенных температурах.

Покрытия для внутренней защиты резервуаров предназначены для постоянного контакта с коррозионно-активными средами и, как правило, представляют собой армированные стеклотканью или стеклянными чешуйками системы. Покрытия обеспечивают превосходную коррозионную стойкость к воздействию агрессивных химикатов, а также защищают хранимый груз от загрязнений в процессе хранения. Полимерные покрытия для резервуаров с успехом заменяют кислотостойкие кирпичи, гуммирование, нержавеющие стали и футеровку. Наполненные кремнием системы обеспечивают превосходную химическую стойкость при эксплуатации в условиях погружения, брызг, проливов, воздействия паров и при нанесении на ограждения от аварийного разлива в нормальных условиях. В свою очередь наполненные стеклянными чешуйками покрытия демонстрируют превосходную стойкость к агрессивным средам при воздействии повышенных температур в плоть до 93 оС.

Полное понимание условий эксплуатации покрытия дает возможность для выбора оптимальной системы защиты и позволяет максимально точно рассчитать срок службы покрытия до первого капитального ремонта.

Типы абразивных нагрузок

Ранее под условиями эксплуатации мы рассматривали химическое воздействие на покрытие: условия погружения, брызги, временные проливы, пары и т.д., но это только одна из сторон, на которой базируется выбор защитной системы. Не менее важным фактором, влияющим на выбор защитного  покрытия, являются физические нагрузки, такие как абразивный износ, ударные нагрузки, очистные работы, трафик и т.д.

Химически стойкое покрытие должно выдерживать все типы физических нагрузок, которым оно может подвергаться в процессе эксплуатации. Для сооружений с высокими эксплуатационными нагрузками должны выбираться износостойкие покрытия. Необходимо понимать, какому типу физического воздействия будет подвергаться покрытие. Будет ли это воздействие в пешеходных зонах, автопогрузчиков, тяжелых грузовиков, гусеничной техники или это будет ударное воздействие от падающих грузов или иные типы абразивных нагрузок.

Оценка механических и абразивных нагрузок является одним из важных факторов при расчете срока службы покрытия. Физические нагрузки коренным образом влияют на толщину системы, наполнение и тип связующего. Системы с толщиной сухой пленки от 100 до 500 мкм обеспечивают защитные свойства в пешеходных зонах и зонах проезда легких автопогрузчиков. Однако, более жесткие условия эксплуатации требуют применения толстослойных, наносимых шпателем систем, наполненных абразивостойкими наполнителями: корундом, гранатом, оксидом алюминия или песком. Толщина сухой пленки защитной системы, обеспечивающая длительный срок эксплуатации, в зонах работы тяжелого погрузчика должна составлять от 4,5 до 6,5 мм.

Напольные покрытия - далеко не единственные места, требующие защиты от абразивных нагрузок. В рабочих емкостях и резервуарах для хранения абразивных паст и растворов возникают не менее жесткие условия эксплуатации, требующие очень тщательного подхода к выбору защитной системы.

Специальные условия

При хранении легковоспламеняющихся или взрывоопасных веществ часто возникает необходимость сочетания химической стойкости с электропроводностью, электрорассеивающими или "искро- защитными " свойствами. Термин "не образующее искр" применяется для описания систем покрытий, которые не создают искр при воздействии на них ударных нагрузок острыми стальными предметами. Как правило, такие покрытия применяются в местах, где требуется полностью исключить возникновение искр. Основное правило создания не создающих искр покрытий, заключается в отсутствии в их составе твердых кристаллических наполнителей.

Электрорассеивающие покрытия должны иметь электрическое сопротивление не менее 1 ГОм. Электропроводные  покрытия имеют электрическое сопротивление от 25 кОм до 1 МОм. Эти покрытия предназначены для отвода электростатических разрядов от персонала или емкостей, для защиты от образования электростатических искр.

Одним из наиболее популярных методов очистки резервуаров является очистка паром. В зависимости от стойкости к воздействию пара, покрытия разделяют на 3 основные группы: стойкие к постоянному воздействию пара, ограниченно стойкие, не стойкие. "Очистка паром" - очень общее понятие. Возможность противостоять длительному воздействию пара определяется свойствами полимерной системы. Например, очистка паром морозильной камеры скорее всего приведет к повреждению полимерной системы покрытия. Таким образом при принятии решения о паровой очистке покрытия следует в первую очередь учитывать температурный диапазон эксплуатации покрытия.

Немаловажную роль в выборе защитной системы влияет простота очистки. Данное свойство особенно востребовано для покрытий пешеходных зон, зон вторичного загрязнения, проезжей части и противоскользящих покрытий. Наибольшую сложность представляет очистка противоскользящих покрытий. Выбор напольных покрытий должен осуществляться и согласовываться с потребителем.

Простота очистки является важным свойством не только в напольных системах. Современным методом борьбы с загрязнением покрытий являются покрытия с низкой поверхностной энергией. Низкая поверхностная энергия обуславливается высоким краевым углом смачивания покрытия. Чем выше краевой угол смачивания, тем меньше вероятность смачивания поверхности, и, соответственно, ниже вероятность загрязнения поверхности.

Наличие или отсутствие циклических воздействий повышенных температур в процессе эксплуатации играет основополагающую роль при выборе химически стойкого полимерного покрытия. Например, полимерные покрытия имеют значительно большие эластичность и коэффициент термического расширения, чем бетонные основания. Переменные термические нагрузки могут привести к разрушению бетона, и, как следствие, к отслаиванию и растрескиванию полимерного покрытия. Поэтому защитное покрытие всегда должно соответствовать температурному режиму эксплуатации защищаемого объекта.

Производители полимерных защитных покрытий разрабатывают защитные системы исходя из условий химического воздействия и температуры эксплуатации объекта. Перед применением все системы проходят тестирование в лабораторных и натуральных условиях.

Типы полимерных связующих

К сожалению, на данный момент еще не создан универсальный продукт, способный удовлетворить все потребности рынка антикоррозионных покрытий. В связи с этим, для производства защитных покрытий большое количество полимерных вяжущих, обеспечивающих защитные свойства в различных эксплуатационных средах. Наиболее широкое применение получили следующие типы связующих: эпоксидные, эпоксидно-фенольные, новолак-эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные, хлорированные полиэфиры, винил-эфирные, новолак-винил-эфирные и гибридные новолачные покрытия. Другие типы полимеров, такие как, полисульфиды и фторо-эластомеры, также используются при создании составов для заделки стыковых швов.

Каждый тип связующего предназначен для работы в конкретных условиях эксплуатации. Эпоксиды имеют превосходную химическую стойкость к растворам щелочей, солей, бескислородным кислотам и некоторым растворителям. Эпоксиды неустойчивы к воздействию органических кислот, концентрированных неорганических кислот, сильных окислителей и растворителей. Новолак-эпоксиды имеют повышенную стойкость к растворителям и серной кислоте с концентрацией до 98%.

Полиэфиры обеспечивают хорошую химическую стойкость к различным  окислителям и кислотам, но неустойчивы к воздействию растворов щелочей. Для создания химически стойких покрытий применяются следующие модификации полиэфирных смол: ортофталевые, изофталевые, терафталевые, бисфенол А и хлорированные полиэфиры. Каждый из приведенных выше типов связующего обладает уникальными защитными свойствами. Наиболее универсальным из полиэфирных покрытий, обладающим наибольшей химической стойкостью, является покрытие на основе бисфенола А.

Винил-эфирные покрытия имеют хорошую химическую стойкость к органическим и неорганическим кислотам. Новолак-винил-эфирные покрытия имеют схожую стойкость к кислотам, однако обладают повышенной стойкостью к воздействию растворителей и повышенных температур.

Гибридные новолачные покрытия имеют лучшие защитные свойства по сравнению с другими покрытиями к воздействию окислителей, кислот, сильных растворителей, включая хлорсодержащие, такие как хлор-метилен.

В целом химическая стойкость покрытия определяется плотностью сшивки полимерной системы. Однако с повышением плотности сшивки повышается жесткость системы (понижается эластичность). Это обуславливает относительно низкую химическую стойкость эластичных покрытий, в то время как покрытия с высокой химической стойкостью являются относительно хрупкими.

Из этого правила существуют исключения. Одним из примеров могут послужить фторо-эластомерные покрытия. Этот тип связующих обладает превосходной химической стойкостью в сочетании с высокой эластичностью. Однако и у этого типа покрытий есть свои минусы - высокое содержание растворителей и, как следствие, большая усадка при отверждении, что делает невозможным использование фтор-эластомерных связующих для создания покрытий для резервуаров, напольных и защитных покрытий.

Сводная таблица преимуществ и недостатков различных полимерных связующих использующихся для создания покрытий для резервуаров.

Тип связующего	Рекомендуется для защиты от воздействия	Не рекомендуется для защиты от воздействия	Физические характеристики
Эпоксидные смолы	Щелочи Слабые кислоты Солевые растворы Некоторые растворители	Сильные кислоты Окислители Сильные растворители	Превосходная адгезия Низкая усадка Возможность с многочисленным модификациям свойств
Новолачно-эпоксидные сполы	Щелочи Серная кислота до 98% Растворители	Окислители	Такие же как у эпоксидных смол, с повышенной стойкостью к воздействию высоких температур
Полиэфирные смолы	Слабые кислоты Растворы солей Спирты	Сильные растворители Сильные кислоты Щелочи	Высокая усадка Чувствительность к влаге в процессе отверждения Высокая прочность
Винил-эфирные смолы	Широкий список кислот Хлорсодержащих веществ (отбеливателей) Окислителей	Щелочи	Низкая эластичность Высокая усадка Чувствительность к влаге в процессе отверждения
Фенольные смолы	Сильные кислоты Сильные растворители	Щелочи Окислители	Стойкость к воздействию высоких температур Отверждение под воздействием повышенных температур Жесткая пленка
Гибридные новолачные смолы	Сильным кислотам Сильным растворителям Окислителям	Щелочам	Стойкость к воздействию высоких температур Жесткая пленка

Классификация покрытий

Подходящего полимерного связующего и отвердителя недостаточно для создания надежного химически стойкого покрытия. Как правило, рецептура покрытия включает в себя множество компонентов, таких как: наполнители, пигменты, пеногасители, ингибиторы, ускорители, сшивающие агенты, мономеры и другие добавки, необходимые для создания материала с требуемыми свойствами. Например: стеклянные чешуйки используются для снижения проницаемости покрытий. Армирование покрытий стеклотканью позволяет распределить деформирующие напряжения, повысить прочность покрытия на растяжение, снижает проницаемость, усадку и коэффициент термического расширения системы.

Существует три основных категории химически стойких полимерных покрытий: внутренние покрытия резервуаров, напольные покрытия и защитные покрытия (все, что не попадает под первые определения). Это три различных типа материалов, назначение которых обуславливает выбор полимерных систем и других компонентов для их производства. Тип материала определяется исходя из его свойств, таких как: непроницаемость для влаги, стойкость к химическому воздействию и абразивному износу, термостойкость, стойкость к циклическому воздействию температур, трещиностойкость, внешний вид, цена, адгезия, толерантность к окрашиваемой поверхности, низкотемпературное отверждение, устойчивость к влаге при отверждении, технологичность при нанесении и т.д. Существует много продуктов со схожими свойствами, однако, имеющих совершенно разное функциональное назначение.

Внутренние покрытия для резервуаров

Внутренние покрытия для резервуаров обладают массой преимуществ. Они обеспечивают защиту резервуаров от воздействия агрессивных сред в самых жестких условиях эксплуатации. Для создания этих материалов используются все доступные типы полимерных связующих. Полимерные покрытия с успехом могут заменить стандартные методы защиты резервуаров: кислотоупорные кирпичи, гуммирование, конструкции из нержавеющей стали и т.п. Покрытия могут наноситься на стальные и бетонные основания. Эксплуатация таких покрытий возможна в условиях погружения, зонах проливов, брызг, воздействия паров и вторичного загрязнения. Широкий спектр наполнителей и других модификаторов, обеспечивают превосходную стойкость систем к проницанию влагой. Покрытия могут эксплуатироваться в широком интервале температур, начиная от работы в нормальных условиях, вплоть до 93ºС, в зависимости от типа химического воздействия.

Также покрытия для резервуаров при необходимости могут сочетать в себе следующие свойства: электропроводность, трещиностойкость, стойкость к абразивному износу. Армирование покрытий при помощи стеклоткани придает системе дополнительную прочность, непроницаемость, а также обеспечивает легкость проведения ремонтных работ при повреждении финишого слоя. Инертные стеклянные чешуйки придают покрытию максимальную стойкость к проницанию, а также делают покрытие устойчивым к воздействию высоких температур и циклическим перепадам температур. Покрытия для защиты резервуаров наносятся преимущественно шпателем, однако, в некоторых случаях возможно применение безвоздушного распыления и резинового валика. Высокая стоимость полимерных защитных покрытий для резервуаров компенсируется за счет длительного срока службы системы (имеется множество примеров беспрерывной эксплуатации покрытий в условиях погружения более 20 лет).

Защитные покрытия

При создании полимерных химически стойких защитных покрытий используются те же типы полимерных связующих, что и для покрытий резервуаров. Они могут эксплуатироваться при низких концентрациях в условиях погружения, зонах проливов и брызг, а так же для защиты от атмосферных воздействий, для придания защищаемой конструкции декоративных свойств. Нанесение защитных покрытий возможно на стальные и бетонные основания, а также на оборудование. Инертные стеклянные чешуйки придают покрытию превосходную стойкость к проницанию. При помощи различных модификаторов можно получить электропроводные покрытия, покрытия с низкой поверхностной энергией и т.д.

Большинство химически стойких полимерных защитных покрытий не содержат растворителей, т.е. являются безопасными для окружающей среды материалами со 100% сухим остатком. Нанесение защитных покрытий при помощи безвоздушного распыления, кисти или валика. Процесс нанесения защитных покрытий требует меньших трудозатрат, по сравнению с нанесением покрытий для защиты резервуаров, что обуславливает их более низкую стоимость, а также сокращает время нанесения и ремонта.

Основными лимитирующими факторами при использовании защитных покрытий являются температура эксплуатации, стойкость к воздействию ударных нагрузок, а также не целевое использование защищаемой конструкции. Прогнозируемый срок эксплуатации защитных покрытий меньше срока эксплуатации толстослойных покрытий для защиты резервуаров. Это обуславливается меньшей толщиной сухой пленки защитных покрытий.

Напольные покрытия

Как и предыдущие типы покрытий, для создания напольных покрытий используется широкий спектр полимерных связующих. Основным назначением напольных покрытий является защита зон проливов, брызг и вторичных загрязнений от воздействия химически активных сред. Данный тип покрытий является ограниченно химически стойким. К основным преимуществам напольных покрытий можно отнести: стойкость к абразивным и ударным нагрузкам, защита от атмосферных явлений, придания эстетического внешнего вида, простота уборок и т.д.

Данный тип покрытий может быть использован в замен защитных покрытий, покрытий для резервуаров, герметиков, кислотоупорных кирпичей, керамической плитки и мозаики. Возможны следующие способы нанесения напольных покрытий: мастерком, резиновым валиком, валиком, безвоздушное распыление. Стоимость нанесения напольных покрытий ниже стоимости нанесения покрытий для резервуаров.

Заключение

Полное понимание химических, механических и температурных условий эксплуатации объекта дает возможность выбора наиболее эффективной защитной системы для конкретных условий эксплуатации. Полная информация дает возможность внести в покрытие различные модификации, тем самым оптимизируя свойства покрытия для работы в самых жестких условиях эксплуатации. Правильный выбор защитной системы обеспечивает длительный срок службы покрытия, тем самым на долгие годы гарантируя бесперебойную работу оборудования и его сохранность.

Лев Левиев
Технический менеджер
International Protective Coatings

Akzo Nobel N. V.