CC BY
18
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.71.039 Ильин А.Б.1, Щелков В.А.2, Рабинков В.А.3, Головин В.А.4
1 Кандидат технических наук,
2 Кандидат технических наук,
12 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, Москва, Россия;
3 Кандидат технических наук,
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Москва, Россия;
4 Доктор технических наук,
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, Москва, Россия
ЭПОКСИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, РАЗБАВЛЯЕМЫЕ ВОДОЙ, ДЛЯ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Аннотация
Новое поколение экологическим чистых защитных водоразбавляемых эпоксидных покрытий обладает сочетанием значительных преимуществ перед традиционными воднодисперсионными композициями. Многолетнее применение в промышленных условиях и расширенные климатические испытания в умеренно-холодном, морском и тропическом климате показали, что водоразбавляемые эпоксидные грунтовки и эмали устойчивы к промерзанию при минус 40 С, не содержат в своём составе летучих компонентов с резким химическим запахом, выдерживают воздействию сезонных колебаниях температур, ультрафиолета и сохраняют декоративные свойства в допустимом колористическом интервале.
Ключевые слова: защита от коррозии, водоразбавляемый грунт, водоразбавляемая эмаль, эпоксидные материалы, строительные конструкции, агрессивная атмосфера.
Ilyin A.B.1, Shchelkov V.A.2, Ryabinkov V.A.3, Golovin V.A.4
1 PhD in Engineering,
2 PhD in Engineering,
1,2 Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia;
3 PhD in Engineering, Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia;
4 PhD in Engineering,
Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia EPOXY MATERIALS DILUTED BY WATER FOR ANTI-CORROSION PROTECTION OF CONSTRUCTION
STRUCTURES IN ADVERSE CLIMATIC CONDITIONS
Abstract
A new generation of environmentally friendly protective waterborne epoxy coatings has a combination of significant advantages over traditional water-dispersible compositions. Long-term use in industrial conditions and extended climatic tests in the temperate cold, marine and tropical climates have shown that waterborne epoxy couches and enamels are resistant to freezing at - 40°C, do not contain volatile components with a sharp chemical odor, temperatures, ultraviolet and retain decorative properties in an acceptable color range.
Keywords: corrosion protection, waterborne couch, waterborne enamel, epoxy materials, building structures, aggressive atmosphere.
При антикоррозионной защите конструкций мостов и эстакад, подземных сооружений, морских причалов, береговых сооружений и других объектов, подвергающихся воздействию агрессивной атмосферы, все более широко применяются вододисперсионные грунтовки, лаки, эмали, краски на основе акрилатных, бутадиенстирольных, поливинилацетатных, уралкидных полимеров, латексно-эпоксидных композиций и ряде других связующих [1, С. 31-34], [2, С. 32-35], [3].
Однако, из-за сложного состава рецептур и большого числа добавок, что необходимо для решения задачи уменьшения выбросов в атмосферу легколетучих органических соединений, вододисперсионные материалы как правило, на 5-10 % дороже органоразбавляемых аналогов. Кроме того вододисперсионные лакокрасочные материалы имеют недостаточную морозостойкость, в ряде случаев имеют резкий запах аммиака и узкий температурный режим сушки [4], [5, C. 512], [6].
В отличие от вододисперсионных материалов водоразбавляемые композиции, и в частности эпоксидные, обладают сочетанием значительных преимуществ, включающих экологическую чистоту, возможность нанесения по влажной, плохо подготовленной поверхности, в том числе по старым краскам и грунтовкам, в условиях дождя или тумана, в жилых массивах, подземных паркингах или замкнутых объёмах; длительный срок службы в процессе эксплуатации; снижение цены по сравнению с материалами предыдущих лет. Уникальным рецептурным преимуществом водоразбавляемых композиций является возможность введения в их состав без нарушения устойчивости системы активных протекторных добавок и микрокапсулированных ингибиторов коррозии и способ их нанесения [7], [8].
Целью пятилетних испытаний защитных покрытий на основе водоразбавляемых эпоксидных материалов было определение долговечности и прогнозирование срока службы в условиях воздействия пресной и солёной воды при температурах 25, 50, 80 С на поверхность окрашенных бетонных, железобетонных и стальных сооружений.
В качестве объектов исследования использовались импортная цинк-протекторная грунтовка Steelpaint-PU-Zink, водоразбавляемая эпоксидная цинк-протекторная грунтовка МЕТАКОР-017 (ТУ 2312-040-11490792-09), водоразбавляемая эпоксидная эмаль РОКОР-5095 (ТУ 2312-042-11490792-09).
Методики испытаний включали исследование комплексного воздействия климатических факторов по ГОСТ 9.401-91, в том числе, определение адгезии методом решётчатых надрезов ГОСТ 15140-78 и методом нормального
отрыва ГОСТ 32299-2013 (ISO 4624:2002); кинетику изменения цвета эмали с помощью ручного колориметра по системе NCS [9].
Особенностью проведения антикоррозионной защиты поверхности длительно эксплуатируемых бетонных сооружений является высокая влажность поверхности бетона.
В реальных условиях даже после полного осушения и тщательной струйной очистки с последующей продувкой практически невозможно обеспечить требования нормативной документации о максимальной влажности поверхности бетона не более 3% [10]. Поэтому одним из требований при проведении испытаний являлось нанесение водоразбавляемых эпоксидных покрытий на увлажнённый бетон с равновесной влажностью после контакта с водой.
Нанесение по влажной поверхности бетонных элементов
Бетонные кубики размером 40х40х40 мм после полного схватывания бетона (сушка в течении 28 суток) погружались в воду при 25 С и выдерживались в течение 11 суток до установления постоянной влажности более 6%.
Сразу после извлечения из воды по влажной поверхности нанесена водоразбавляемая эмаль в 1 слой толщиной 5060 мкм. Отверждение покрытия осуществлялось при 25 С в течение 10 суток. Цвет эмали - серый, по системе NCS цвет S3502-Y. После маркировки образцы помещены в агрессивные среды и экспонировались в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1 - Результаты 5-ти летнего воздействия агрессивных сред на водоразбавляемую эпоксидную эмаль
РОКОР-5095 нанесённую по влажному бетону
№ Среда, температура Время экспозиции, суток Цвет NCS после 1224 суток Цвет NCS после 1850 суток Сохранность цвета после 1850 суток, %
3 33 262 1224 1850
Температура, С R G B
25/50 25/80
1 Вода, 25С/25С БЗ БЗ БЗ БЗ БЗ S3502-Y S3502-Y 100 100 100
2 Вода, 50C/80C БЗ БЗ БЗ БЗ БЗ S5010-Y10R S4010-Y10R S4005-Y20R 95 85 71
3 1% NaCl, 50C/80C БЗ БЗ БЗ БЗ ЛС S4005-G80Y S4010-Y10R 97 86 66
4 3% NaCl, 50C/80C БЗ БЗ БЗ БЗ БЗ S4005-Y20R S4005-Y20R 92 85 76
Примечание: БЗ — без замечаний; ЛС — локальное сморщивание до 15 кв.мм.
После 33 суток экспозиции в воде при 50 С на один образец в углу грани нанесён искусственный дефект, клиновидный вырез с волосяной трещиной (фото 1). Дальнейшая экспозиция проводилась с регистрацией состояния покрытия, в том числе, в зоне дефекта.
Промежуточные результаты для первых трёх лет (1224 суток) экспонирования образцов при + 25/50 С представлены в Таблице № 1.
Дальнейшая 2-ух летняя экспозиция образцов 2, 3, 4 проводилась при температуре + 80 С в течение 626 суток (общее время экспозиции 1850 суток); результаты представлены в Таблице № 1.
За почти 5 лет испытаний все образцы во всех средах, в том числе в зоне искусственного дефекта, сохранили сплошность покрытия, вспучивания, отслоения, растрескивания не наблюдается.
В зоне искусственного дефекта покрытие не отслоилось от поверхности бетона, волосяные трещины не раскрылись и не увеличились в размерах (Рис. 1). Также нет разрушений плёнки в местах маркировки номеров покрытия по поверхности резцом, в частности, цифра 5 на образце 1 % №0 (Рис. 2a) и цифра 6 на образце 3 % №0 (Рис. ЗЬ).
Изменение цвета при агрессивном воздействии среды происходит только при повышенной температуре. Для воды при 25 С изменения яркости и цветности поверхности не наблюдаются. В остальных агрессивных средах при +50/80 С сохранность компонентов цвет убывает в ряду «красный R» > «зелёный G» > «синий B» (Таблица № 1), что соответствует появлению пожелтения на исходном сером фоне. Влияние концентрации №0 на изменение спектральных компонент цвета покрытия выражено слабо; изменение цветности покрытия в большей степени определяется температурой воды. Таким образом, в нормальных условиях эксплуатации заданный цвет эмали не выходит за пределы допускаемого колористического интервала.
Рис. 1 - Состояние искусственного дефекта покрытия через 229 суток (2011 г.), через 1191 сутки (2014 г.) и через
1850 сутки (2016 г.)
Рис. 2 - Изменение цвета поверхности после воздействия агрессивных сред при +25 и +50 С в течение 1224 суток
А - 1% №а, 50 C; В - 3% №а, 50 О, С - H2O, +25 О, Б - H2O, +50 C
Рис. 3 - Изменение цвета поверхности после воздействия агрессивных сред при +25/50/80 С в течение 1850 суток А - 1% №а, +50/80 C; В - 3% №а, +50/80 О, С - H2O, +25 О, Б - H2O, +50/80 C
На основании результатов ускоренных лабораторных исследований расчётный срок службы водоразбавляемой эпоксидной эмали нанесённой по влажному бетону при постоянном погружении в агрессивные среды составляет 10 лет.
Нанесение по влажной поверхности загрунтованных ж/б и стальных конструкций (свежая грунтовка)
В октябре 2011 году в неблагоприятных атмосферных условиях ранней осени (температура 4,5 ... 7,5 С; влажность 84 ... 88%; потёки воды на защищаемой поверхности) нанесено комплексное покрытие на основе водоразбавляемой цинк-протекторной грунтовки МЕТАК0Р-017 и водоразбавляемой эмали Р0К0Р-5095 на железобетонные конструкции и металлоконструкции Измайловской эстакады Московского метрополитена (Рис. 4 a,b).
78
Обследование через 5 лет показало, что цвет и глянец покрытия сохранён; отсутствуют вздутия или отслоения слоя покрытия; водоразбавляемая система грунт/эмаль работоспособна в условиях воздействия ультрафиолета и сезонных колебаний температур. Эксплуатация продолжается.
Нанесение по влажной поверхности загрунтованных стальных конструкций (старая грунтовка и краска, более 15 лет)
В июле 2012 года проведена окраска железнодорожного моста через реку Мста в Тверской области системой покрытия МЕТАКОР-017/РОКОР-5095 (Рис. 4с,ф. Старая окраска (грунт - «сурик», краска - «серебрянка») удалялись абразивоструйной очисткой, и по подготовленной поверхности наносилась система МЕТАКОР-017/РОКОР-5095. В местах прочного сцепления грунтовки с поверхностью наносилась только водоразбавляемая эмаль РОКОР-5095. Старая межоперационная грунтовка «сурик» эксплуатировалась в составе покрытия более 15 лет. В настоящее время участки покрытия МЕТАКОР/РОКОР и «сурик»/РОКОР эксплуатируется без замечаний.
Нанесение по влажной поверхности загрунтованных стальных конструкций (межоперационная грунтовка, 2,5 года)
В мае-августе 2011 года в условия жаркого дождливого лета (температура до +35 С; влажность до 100% в условиях дождя; сильный ветер) выполнено нанесение покрытия на основе водоразбавляемой эмали РОКОР-5095 (проектные цвета 82020-Б10в, 83030-Б, 84005-Я80Б) на автодорожный моста через реку Сура в г. Пенза (Рис. 4е: Нанесение эмали осуществлялось по ранее нанесённой межоперационной заводской грунтовке 81ее1ра1п1-Ри-21пк конструкций моста; загрунтованные элементы конструкций до окраски хранились на открытой площадке более 2,5 лет. Перед нанесением эмали поверхность грунтовки очищалась гидропромывкой при давлении 100 атм. Нанесение осуществлялось по влажной грунтовке.
Обследование после 5 лет показало, что цвет и глянец покрытия сохранён; отсутствуют вздутия или отслоения слоя покрытия; водоразбавляемая эмаль работоспособна в условиях воздействия ультрафиолета и сезонных колебаний температур. Определение адгезионной прочности по методу решётчатого надреза и по методу нормального отрыва демонстрирует высокий уровень адгезии водоразбавляемой эмали к межоперационной заводской грунтовке, составляющий более 6 МПа. Эксплуатация системы покрытия продолжается.
Е
Б
Рис. 4 - Промышленное применение водоразбавляемой системы грунт/эмаль на эстакадах, автомобильных и
железнодорожных мостах 2011-2017 г.г. А, В - Эстакада метрополитена; С, Б - Железнодорожный мост; Е,¥ - Автомобильный мост
В Совместном Российско-Вьетнамском Тропическом научно-исследовательском и технологическом центре, г. Ханой, проведены 8 месячные натурные испытания в условиях влажного тропического климата (Табл. 2) системы покрытий включающей водоразбавляемые Zn-протекторный грунт МЕТАК0Р-017 и Al/Zn-протекторный грунт МЕТАК0Р-057 и водоразбавляемую эмаль Р0К0Р-5095.
Таблица 2 - Климатические характеристики КИС
Характеристики климата Параметры
Среднегодовая температура воздуха, 0С 24,4
Среднегодовая относительная влажность воздуха, % 80,6
Среднегодовое количество осадков, мм/год 1726
Среднегодовая суммарная солнечная радиация, MJ/кв. м 4028
Обследование показало [11, C. 41-43], что степень коррозионных поражений - «нет». Отсутствие коррозионных поражений образцов свидетельствует об эффективности технологии подготовки поверхности к покраске с применением в качестве грунта водорастворимых систем. Для эффективной защиты достаточного 1 слоя эмали. Натурные испытания образцов продолжаются и предварительно можно оценить срок службы покрытия МЕТАКОР/РОКОР в тропических условиях в соответствие с нормами NACE (длительность испытаний должна составлять не менее 10% расчётного срока службы) величиной 80 месяцев (более 6 лет).
Во всех случаях применения водоразбавляемой Zn-протекторной грунтовки МЕТАКОР-017 и водоразбавляемой эмали РОКОР-5095 точка росы не контролировалась и не лимитировалась; регулирование вязкости композиций в интервале температур +4 ... +35 С осуществлялось разбавлением водой; очистка поверхности перед окраской выполнялась струёй воды. В связи с отсутствием резкого химического запаха и отсутствием пожароопасных органических растворителей окраска осуществлялась на работающих объектах без перекрытия движения транспорта и пешеходов и в условиях плотной жилой застройки.
При исследовании в ОАО «НИИ ЛКП» комплексного воздействие климатических факторов открытой промышленной атмосферы умеренного и холодного климата УХЛ1 по ГОСТ 9.401-91 метод 6 определён срок службы системы покрытия МЕТАКОР-017/РОКОР-5095 для стальных подложек не менее 22 лет.
По результатам проведённых лабораторных и натурных испытаний можно сделать следующие выводы:
1. Водоразбавляемые материалы обеспечивает оптимальное сочетание экологических, санитарно-эпидемиологических и пожарных требований.
2. Водоразбавляемые эмали, нанесённые самостоятельно по влажному бетону; по влажной межоперационной грунтовке; по сухой межоперационной грунтовке; по водоразбавляемой эпоксидной грунтовке обладает необходимой долговременной сохранностью адгезионной связи, как с бетонной, так и со стальной подложкой.
3. Водоразбавляемые эмали устойчивы к воздействию пресной и морской воды, в том числе в зоне механических повреждений.
4. Водоразбавляемые эмали устойчивы к воздействию агрессивной атмосферы при сезонных колебаниях температур и воздействии ультрафиолета и сохраняет декоративные свойства в допустимом колористическом интервале.
Список литературы / References
1. Курдюкова И.Б. Современные связующие для водоразбавляемых ЛКМ / Курдюкова И.Б., Павлов Е.А. // Лакокрасочные материалы и их применение. -2013. - № 6. - С. 31-34
2. Курдюкова И.Б. Современные водные ЛКМ для антикоррозионной защиты / Курдюкова И.Б. // Лакокрасочная промышленность. - 2014. - № 3. - С. 32-35
3. Пат. 2547481 Российская Федерация, МПК C 03 C 25/24. Композиция водного связующего для минеральных волокон / Хансен Эрлинг Леннарт (DK), заявитель и патентообладатель РОКВУЛ ИНТЕРНЭШНЛ А/С (DK) - № 2011142142/05; заявл. 19.03.2010; опубл. 10.04.2015 Бюл. № 10.
4. Брок Т. Европейское руководство по лакокрасочным материалам и покрытиям / Т/ Брок, М. Гротэклаус, П. Мишке // - Москва : Пэйнт-Медиа, - 2013. - 276 C.
5. Ламбурна Р. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика / Ламбурна Р. // СПб.: Химия. - 1987. -C. 512
6. Толмачев И.А. Водно-дисперсионные краски: краткое руководство для инженера-технолога / И. А. Толмачев, Н. А. Петренко // - Москва : - Пэйнт-Медиа, - 2010. - 105 C.
7. Пат. 2358036 Российская Федерация, МПК C 23 F 11/00, C 09 D 5/08. Способ защиты от коррозии металлических поверхностей ингибированными полимерными композициями и микрокапсулы с ингибитором коррозии / Головин В. А., Ильин А. Б., Кузнец В. Т. и др., заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение РОКОР" - № 2007148024/02; заявл. 25.12.2007; опубл. 10.06.2009, Бюл. № 16.
8. Пат. 2 186 633 Российская Федерация, МПК B 05 C 7/06. Способ защиты от коррозии и отложений накипи и восстановления трубок теплообменного оборудования и устройство для осуществления этого способа / Головин В. А., Кузнец В. Т., Кублицкий К.В. и др., заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение РОКОР" - № 2001121975/12; заявл. 07.08.2001; опубл. 10.08.2002 Бюл. № 22.
9. Цветовые стандарты и их использование в колеровочной системе «Palizh-980» / ООО «Новый дом», г. Ижевск // Лакокрасочная промышленность, - Май 2013.
10. Сафрончик В.И. Защита от коррозии строительных конструкций и технологического оборудования / Сафрончик В.И. // Ленинград. Стройиздат. - 1988. - 255 C.
11. Ивонин В.Н. О коррозионной стойкости оксидированной низкоуглеродистой стали во влажном тропическом климате / Ивонин В.Н., Кузнецов Ю.И., Вершок Д.Б. и др. // Коррозия: материалы, защита, - 2008. - № 6. - C. 41-43
Список литературы на английском языке/References in English
1. Kurdyukova I. B. Sovremennye svjazujushhie dlja vodorazbavljaemyh LKM. [Modern binders for water-borne paints]. / Kurdyukova I. B., Pavlov E. A. // Lakokrasochnye materialy i ih primenenie [Paint and varnish materials and their application] - 2013. - № 6. - P. 31-34 [in Russian]
2. Kurdyukova I.B. Sovremennye vodnye LKM dlja antikorrozionnoj zashhity. [Modern water paint for anticorrosive protection] / Kurdyukova I.B. // Lakokrasochnaja promyshlennost' [Paint and varnish industry]. - 2014. - № 3. - P. 32-35 [in Russian]
3. Pat. 2547481 Russian Federation, IPC C 03 C 25/24. Kompozicija vodnogo svjazujushhego dlja mineral'nyh volokon [Composition of an aqueous binder for mineral fibers] / Hansen Erling Lennart (DK), the applicant and the patent holder of ROCKUAL INTERNATIONAL A / S (DK) - No. 2011142142/05; appl. 19.03.2010; publ. 10.04.2015 Bul. № 10.
4. Brok T. Evropejskoe rukovodstvo po lakokrasochnym materialam i pokrytijam [European guidelines for paintwork materials and coatings] / T. Brok, M. Grotjeklaus, P. Mishke // M.: - Paint-Media. - 2013. - 276 P. [in Russian]
5. Lamburna R. Lakokrasochnye materialy i pokrytija. Teorija i praktika. [Paints and coatings. Theory and practice] / Lamburna R. // SPb.: Chemistry. - 1987. - P. 512 [in Russian]
6. Tolmachev I.A. Vodno-dispersionnye kraski: kratkoe rukovodstvo dlja inzhenera-tehnologa [Water-dispersion paints: a short guide for a process engineer] / I. A. Tolmachev, N. A. Petrenko // - M.: Painter Media, - 2010. - 105 P. [in Russian]
7. Pat. 2358036 Russian Federation, MPK C 23 F 11/00, C 09 D 5/08. Sposob zashhity ot korrozii metallicheskih poverhnostej ingibirovannymi polimernymi kompozicijami i mikrokapsuly s ingibitorom korrozii [The method of corrosion protection of metal surfaces with inhibited polymer compositions and microcapsules with a corrosion inhibitor] / Golovin V. A., Il'in A. B., Kuznec V. T. and others, the applicant and the patent holder of Limited Liability Company "Scientific and Production Association ROCOR" - № 2007148024/02; appl. 25.12.2007; publ. 10.06.2009, Bul. № 16. [in Russian]
8. Pat. 2 186 633 Russian Federation, MPK B 05 C 7/06. Sposob zashhity ot korrozii i otlozhenij nakipi i vosstanovlenija trubok teploobmennogo oborudovanija i ustrojstvo dlja osushhestvlenija jetogo sposoba [A method for protecting against corrosion and deposits of scale and repair of tubes of heat exchange equipment and an apparatus for carrying out this method] / Golovin V. A., Kuznec V. T., Kublickij K.V and others , the applicant and the patent holder of Limited Liability Company "Scientific and Production Association ROCOR" - № 2001121975/12; appl. 07.08.2001; publ. 10.08.2002 Bul. № 22. [in Russian]
9. Color standards and their use in the tinting system "Palizh-980" [Cvetovye standarty i ih ispol'zovanie v kolerovochnoj sisteme «Palizh-980»] / LLC "New House", Izhevsk // Paint and varnish industry, - May 2013 [in Russian]
10. Safronchik V.I. Zashhita ot korrozii stroitel'nyh konstrukcij i tehnologicheskogo oborudovanija [Protection against corrosion of building structures and process equipment] / Safronchik V.I. // Leningrad. Stroyizdat. - 1988. - 255 P. [in Russian]
11. Ivonin V.N. O korrozionnoj stojkosti oksidirovannoj nizkouglerodistoj stali vo vlazhnom tropicheskom klimate [On the corrosion resistance of oxidized low-carbon steel in a humid tropical climate] / Ivonin V.N., Kuznetsov Yu.I., Vershok D.B. and others // Korrozija: materialy, zashhita [Corrosion: materials, protection]. - 2008, - № 6, - P. 41-43 [in Russian]
