CC BY
18
УДК 667-12
А. Г. Холодкова, Е. Д. Быков*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: vm uti@,muctr.ru
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ К ОКРАШИВАНИЮ
В работе описаны недостатки использования традиционных методов подготовки поверхности. В связи с изъянами последних необходимо разработать новую, более современную технологию. Также в работе описан процесс создания нанотехнологии на основе силанов с помощью логико-информационной диаграммы.
Ключевые слова: лакокрасочные материалы; нанотехнология; нанопокрвтия; антикоррозионная защита; экологически безопасные.
Появляющиеся на рынке новые лакокрасочные материалы и современные технологии окрашивания постоянно требуют улучшения качества подготовки поверхности металлических изделий к окрашиванию. Характеристики лакокрасочных покрытий в большей степени зависят от состояния поверхности, подготовленной к окрашиванию. В зависимости от количества стадий результатом подготовки поверхности является или очистка поверхности, или очистка с дополнительным химическим преобразованием металлической поверхности с образованием конверсионных покрытий [1].
В настоящее время существуют процессы формирования конверсионных слоев такие, как хроматирование и трикатионное кристаллическое фосфатирование, они удовлетворяют современным требования по качеству подготовки поверхности, ингибируют механизм подплёночной коррозии и улучшают физико-механические свойства последующего лакокрасочного слоя, также позволяют улучшить коррозионную стойкость и адгезию поверхности, но имеют определенные недостатки [2]. Растворы для фосфатирования и хроматирования содержат такие токсичные компоненты как ионы тяжелых металлов (хром, молибден, никель, марганец, цинк), фосфаты, азотосодержащие соединения, цианиды.
В то же время традиционные методы являются многостайдийными. Таким образом, экологически небезопасными, что обусловлено большим количеством сточных вод, требующих очистки [3].
В виду недостатков существующих процессов подготовки поверхности рационально разработать и внедрить технологию, которая будет лишена слабых сторон. Разработка технологического процесса для замены технологий с применением токсичных фосфатирующих и хроматирующих составов должна
проводиться с учетом минимальных изменений в оборудовании подготовки поверхности комплексных окрасочных линий.
Создаваемые материалы должны обеспечить коррозионно-защитные свойства последующей лакокрасочной системы не хуже, чем применяющиеся в настоящее время составы для нанесения конверсионных покрытий.
По мнению специалистов фирмы BASF AG [4], интересной областью исследований в подготовке поверхности является выход из области конверсионных покрытий толщиной 0,5-3 мкм (5003000 нм) в область функциональных покрытий толщиною 50-200 нм, обеспечивающих такую же антикоррозионную защиту, что и фосфатирование (хроматирование).
Использование нанотехнологий для подготовки поверхности отвечает требованиям улучшения экологии, снижения энергозатрат и сохранения коррозионнозащитных свойств на уровне традиционной подготовки поверхности. Стоит отметить, что наноматериалы на основе силанов наносятся обычными методами (рыспылением, окунанием, обливом), следовательно,
дополнительная модернизация оборудования не нужна.
Для моделирования процесса создания оптимальной технологии подготовки поверхности составлена IDEF0-диаграмма (рис 1), состоящая из пяти основных этапов, включающая участников процесса, управляющие воздействия и взаимосвязи между ними. Разработка экологически безопасной технологии химической подготовки поверхности реализована на ООО НПО
«ЛАКОКРАСПОКРЫТИЕ», но рассматриваемая модель процесса создания технологии может быть также реализована на любом предприятии.
Рис 1. ГОЕЕО-диаграмма разработка химической безопасной технологии подготовки поверхности
На первом этапе проводится анализ существующих подходов в соответствии с выбранными критериями эффективности, который показал, что существующие методы подготовки поверхности отвечают современным требованиям по качеству подготовки поверхности, ингибируют механизм подплёночной коррозии и улучшают физико-механические свойства последующего лакокрасочного слоя, также позволяют улучшить коррозионную стойкость и адгезию поверхности, но не удовлетворяют требованиям по
ресурсосбережению и обеспечении экологической безопасности. Таким образом, существует необходимость в улучшении технологии покрытия и разработке нового подхода.
На втором этапе решается задача создания современной экологически безопасной,
ресурсосберегающей технологии подготовки поверхности. Данная задача решена с применением нанотехнологий на основе силанов. С помощью анализа традиционных технологии, нормативных документов и баз данных была получена такая технология, которая отвечает требования качества и не имеет недостатков традиционных способов покрытия.
На третьем этапе проводится испытание разработанных составов химической подготовки поверхности для различных материалов. Испытания показали, что разработанные составы на предприятии обеспечивает коррозионно-защитные свойства последующей лакокрасочной системы не хуже, чем применяющиеся в настоящее время составы для нанесения конверсионных покрытий.
Любой технологический процесс требует аппаратного оформления, что реализовано на четвертом этапе. Этот этап дает представление о последовательности операций и аппаратов, входящих в технологический процесс. Было выявлено, что новая технология не требует модернизации оборудования, она легко осуществима на существующем оборудовании.
Для оценивания перспективы разработанной технологии, мы используются технико-экономические расчеты (этап 5). В ходе которых было проведено сравнение операций традиционных технологий и разработанной на поверхностях из стали и алюминия.
Были сравнены традиционные технологии (фосфатирование и хроматирование) с ресурсосберегающими технологиями и материалами
(силанами с нанодобавками), разработанными в НПО ЛКП. Результаты сопоставления данны в таблице 2, выявили следующие преимущества разработанной технологии:
1. более короткий цикл обработки за счет исключения ряда операций, что делает возможным значительно сократить как количество сточных вод, так и потребление питьевой воды;
2. использование на стадии конверсионной обработки нетоксичных композиций на основе триоксисиланов, не содержащих тяжелых металлов;
3. меньшая энергоёмкость процесса, поскольку процесс конверсионной обработки проводится без нагрева;
4. незначительное шламообразование.
Таким образом, возможна организация малоотходных и более экономичных производств благодаря использованию новых процессов подготовки.
В результате была разработана и реализована логико-информационная модель создания технологии, а также рассчитана экономическая эффективность внедрения предлагаемого подхода. Анализ экономической эффективности созданного метода подготовки поверхности показал, что
предлагаемая технология обеспечивает
экологическую безопасность, которая обусловлена сокращением числа операций в ходе технологического процесса, что способствует более экономичному расходованию ресурсов.
Таблица 1. Ориентировочные сравнительные затраты для процессов традиционной подготовки поверхности и _процессов подготовки нового поколения
Наименование процесса Фосфатирован ие (55°С) Нанесение наноструктурова нного слоя (без нагрева)
Затраты на нагрев 100% Не более 40%
Затраты на электричество 100% Не более 70% (низкотемперату рный процесс)
Затраты на воду 100% Около 40% (нет финишных промывок)
Затраты на стоки 100% Около 17% (отсутствие тяжелых металлов)
Холодкова Анна Григорьевна, студентка 4-го курса, кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Быков Евгений Давидович д.т.н., профессор кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий. Л.: Химия, 189-384 с. 1.
2. Акимова Е.Ф., Парсаданов В.Г. и др. Экология и ресурсосбережение составов и технологий подготовки поверхности. Промышленный оптовик, 2001, № 61.
3. И.В. Долинская, В.Г. Парсаданов Формирование сточных вод от агрегатов подготовки поверхности и развитие экологически полноценных технологий подготовки поверхности. В сб. «Технология лакокрасочных покрытий». М. , ООО «ЛКМ-Пресс»,2007.
4. Journal fur Oberflachentechnik, 2006, т. 46, № 5, p. 138.
5. Методология функционального моделирования IDEF0 : учебно-ме- тодическое пособие / О.А. Бистерфельд ; Ряз. гос. ун-т им. С.А. Есе- нина. — Рязань, 2008. — 48 с.
KholodkovaAnna Grigorevna, BykovEvgeny Davidovich* D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: vm [email protected]
ENVIRONMENTALLY SAFE PROCESSES OF PREPARING METAL SURFACES FOR PAINTING PRODUCTS
Abstract
This article describes disadvantages of traditional methods of surface preparation. Due to the disadvantages, it is necessary to develop new more perfect technology. In addition, this article describes the process of elaboration of nanotechnology based on silanes with the help of logical-information diagram.
Key words: paints; nanotechnology; nanocoating; anti-corrosion protection; environmentally safe.
