CC BY
96
оценка изменения декоративных свойств лакокрасочных материалов под воздействием эксплуатационных факторов
Н. В. черушова, Е. А. Митина, М. М. Касимкина,
В. В. Афонин, В. Т. Ерофеев
Разработана методика оценки декоративных свойств покрытий, позволяющая моделировать изменение цвета декоративных материалов различного состава и назначения и оценивать изменение данных свойств под воздействием эксплуатационных факторов. Методика использована при изучении изменения цвета лакокрасочных материалов на основе эпоксидных связующих в условиях воздействия повышенных температур и химически агрессивных сред.
В последние годы проблеме повышения долговечности конструкций зданий и сооружений из бетона и железобетона уделяется все большее внимание. Наблюдаемая на протяжении последних десятилетий довольно устойчивая тенденция повышения степени агрессивного воздействия на строительные конструкции привела к тому, что на сегодняшний день от 30 до 45 % всех конструктивных элементов зданий работают в неблагоприятных условиях воздействия агрессивных сред различной природы, потери от коррозии в стране составляют десятки миллиардов рублей ежегодно, а ограниченный срок службы данных строительных материалов в агрессивных средах вызвал нарастающий объем работ по ремонту и восстановлению конструкций из бетона и железобетона. При малой ремонтопригодности материалов на основе цементных связующих возникает задача гарантировать требуемые сроки службы бетона и железобетона при проектировании и возведении зданий и сооружений. Для повышения долговечности строительных конструкций необходимо принимать меры, снижающие или исключающие агрессивные воздействия на них. Одним из таких способов, позволяющих продлить срок службы конструктивных элементов, является применение различных защитных покрытий на основе полимерных связующих. Применение полимеров в данном качестве объясняется возможностью приготовления на их основе материалов самых разных рецептур и составов, позволяющих получать покрытия, отвечающие современным требованиям с точки зрения повышения
долговечности конструкций и улучшения их эстетического вида.
Существующие защитные покрытия по бетону и железобетону подразделяют на лакокрасочные легкие; мастичные усиленные, в том числе армированные, и полимербетонные. Для изготовления защитных покрытий конструкций зданий и сооружений используются различные виды полимерных материалов, выбираемых с учетом условий эксплуатации и требований к покрытиям. В строительной практике нашли применение материалы на основе перхлорвиниловых смол, сополимеров винилхлорида, поливинилацеталей, фторсодержащих полимеров, эпоксидных смол, полиуретанов, фуриловых смол, нефтеполимерных смол, элементоорганических соединений, хлорсульфированного полиэтилена, хлорпре-новых составов, тиоколов, алкидных смол.
Весьма значительным классом полимеров, использующихся для создания защитных покрытий по бетонным и железобетонным строительным конструкциям, являются эпоксидные композиции. Эффективное использование данных материалов обусловлено положительными свойствами эпоксидного полимера. Отличительными качествами эпоксидных смол в сравнении с другими являются высокая ударная прочность и стойкость к истиранию, повышенная прочность при изгибе, низкая деформатив-ность, хорошая химическая стойкость и водостойкость. Покрытия на их основе отличаются твердостью, хорошей адгезией к металлам, бетонам и пластическим массам, незначительной усадкой при твердении, атмосфероустойчивос-тью, бензостойкостью, водостойкостью, кисло-
то- и щелочестойкостью, высокими электроизоляционными свойствами.
Для придания цвета эпоксидным покрытиям в их состав вводят различные пигменты: диоксид титана, оксид хрома, железооксидный пигмент, свинцовый крон, фталоциани-новые пигменты, охру, сажу, железный сурик и т. д. Очень важным для защитных декоративных покрытий в данном случае является прогнозирование изменения цветовой окраски материалов под воздействием различных агрессивных факторов. На сегодняшний день в практике существуют три способа определения и описания цвета ЛКМ: визуальное определение, сравнение с контрольным образцом (эталоном), количественное измерение и числовое выражение.
Основной формой нормирования цвета эмалей и красок при сравнении его с эталонами является картотека, включающая 9 групп карточек разных цветов, где каждому цвету соответствует определенный номер: 1-я группа (красный) — № 1—99; 2-я группа (оранжевый) — № 100— 199; 3-я группа (желтый) — № 200—299; 4-я группа (зеленый) — № 300—399; 5-я группа (синий) — № 400—499; 6-я группа (серый, белый, черный) — № 500—599 и 800—899; 7-я группа (коричневый) — № 600—699; 8-я группа (защитный) — № 700—799; 9-я группа (прочие) — № 900—999.
Для количественной оценки цвета необходимо его измерить, т. е. выразить цвет, полученный в результате смешения трех основных цветов в выбранной системе измерения через красный, зеленый и синий цвета, взятые в соответствующих пропорциях. Математически цвет может быть выражен следующим уравнением:
И = аА + ЬВ + сС, где И — измеряемый цвет; а, Ь, с — трехцветные координаты цвета в системе координат АВС; А, В, С — основные цвета принятой системы.
В качестве стандартной общепринятой колориметрической системы принята система координат, основными цветами которой служат три реально невоспроизводимых цвета, выбранные так, чтобы реальные цвета находились внутри цветового треугольника. Координаты получают расчетным путем, используя данные замеров, полученные с помощью спектрофотометров или колориметров.
В то же время исследования цвета большого числа лакокрасочных материалов показали, что цветовые характеристики (доминирующая длина волны, чистота и яркость) покрытия не всегда дают правильное представление о его цветовом тоне, насыщенности (чистоте цвета) и светлоте. Если расположить образцы в ряд по возрастанию длин волн, то оказывается, что они не воспроизводят равномерный ряд цветов покрытий, получаемых в результате визуального осмотра. Это особенно характерно для таких цветов, как коричневые, бежевые, кремовые и др. Например, два лакокрасочных покрытия желтого и защитного цветов отличаются по чистоте цвета, но характеризуются одинаковой доминирующей длиной волны. Также два покрытия визуально не отличаются по цвету, но имеют различные координаты цвета, следовательно, разную доминирующую длину волны.
Таким образом, учитывая многообразие цветовой гаммы современных защитных покрытий, а также длительность и недостаточную точность проведения натурных исследований, необходимо разработать метод оценки декоративных свойств покрытий, позволяющий быстро и качественно моделировать изменение цвета декоративных материалов различного состава и назначения и оценивать изменение данных свойств под воздействием эксплуатационных сред разнообразной природы.
Данная задача может быть решена за счет применения современной компьютерной техники и периферийных устройств. Разработка методики проводилась в два этапа. На первом этапе методом прямого сканирования при помощи прибора НР Scan Jet 5р исследовались образцы с получением растровых изображений и сохранялись в графических файлах типа *.jpeg.
На втором этапе для цифровой обработки отсканированного изображения была составлена программа в среде MATLAB и пакете прикладных программ Image Processing Toolbox (IPT). Изменение цветовой окраски отслеживалось по двум показателям: насыщенности и цветовому тону.
При компьютерной обработке образец отображается в дискретном виде. Площадь образца разделяется на пиксели, которые согласуются с цифровой обработкой сигнала. Для обработки данных используется среда программы MATLAB, которая позволяет:
1) показывать цвет каждой точки образца, количество точек зависит от способа обработки изображения;
2) производить численный анализ изображения;
3) автоматизировать процесс обработки изображения на основе встроенных функций программы МА^АВ и внутреннего языка программирования.
На данную методику было получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004611979 «Анализ цветности лакокрасочных материалов».
С течением времени свойства полимерного материала изменяются, что отражается на его работоспособности. Такие изменения могут происходить как бы самопроизвольно. Однако поскольку материал находится в контакте с окружающей его атмосферой, характеризующейся различным составом, переменными значениями относительной влажности и температуры, необходимо учитывать влияние этих факторов. Наиболее распространенным и практически важным активатором, способствующим изменению свойств покрытий, является температура.
Полимерное связующее ЛКП при действии высоких температур на воздухе подвергается термооокислительной деструкции, в результате чего масса пленки уменьшается, изменяется цвет, что приводит к полной или частичной потере защитных свойств. Кроме того, для каждого класса полимеров характерен определенный температурный предел, после которого полимерное вещество начинает разрушаться.
В этой связи были проведены исследования изменения цвета защитных материалов на основе эпоксидных смол при воздействии высокой температуры. При проведении исследований по разработанной методике были рассмотрены эпоксидные составы со следующими пигментами: кобальт фиолетовый
темный и железоокисный желтый. Образцы были подвержены воздействию повышенной температуры 80 °С в течение 6 ч со сканированием результатов через каждый час. Для определения изменения цветового тона отсканированное изображение разделили на спектр солнечного света. Из результатов эксперимента следует, что при воздействии повышенных температур наиболее существенное изменение цветового тона наблюдается у композитов, где в качестве пигмента применялся железоокисный желтый. У материала с кобальтом фиолетовым темным изменение цвета при воздействии температуры незначительное (табл. 1).
Основное преимущество полимеров — высокое химическое сопротивление. Они обладают длительной стойкостью в большинстве агрессивных сред: кислотах, щелочах, растворителях различной природы, нефтепродуктах и др. Деградация материалов в агрессивных средах происходит в результате химического взаимодействия их компонентов с компонентами материала. Темп потери прочности КСМ в агрессивных средах зависит от температуры, концентрации среды и длительности воздействия на композит, а также от проницаемости материала. В процессе эксплуатации в химически агрессивных средах медленно
Таблица 1
Изменение цветовых тонов спектра
Длительность воздействия температуры, ч Изменение цветовых тонов спектра композитов
с железоокисным желтым с кобальтом фиолетовым темным
красный зеленый синий красный зеленый синий
контрольный 0,8474 0,3937 0,1192 0,2020 0,1150 0,1164
1 ч 0,4348 0,1649 0,0827 0,2696 0,0854 0,0649
2 ч 0,4140 0,1601 0,0828 0,3017 0,0952 0,0697
3 ч 0,4183 0,1625 0,0800 0,3322 0,1010 0,0657
4 ч 0,4135 0,1592 0,0771 0,3402 0,1056 0,0655
5 ч 0,4139 0,1646 0,0814 0,3555 0,1089 0,0665
6 ч 0,4236 0,1698 0,0872 0,3689 0,1146 0,0713
Таблица 2
Изменение цветовых тонов спектра
Вид пигмента Изменение цветовых тонов спектра в зависимости от длительности выдерживания в агрессивной среде, ч
красный зеленый синий
конт- рольный 3 ч 6 ч 9 ч конт- рольный 3 ч 6 ч 9 ч конт- рольный 3 ч 6 ч 9 ч
глауко- нитовый зеленый 0,1810 0,2571 0,3938 0,4367 0,2210 0,3690 0,5186 0,5571 0,1081 0,3010 0,4043 0,4281
лазурь железная 0,2624 0,2852 0,3015 0,3395 0,3029 0,3529 0,3945 0,4281 0,5467 0,4614 0,4561 0,4486
сурик железный 0,7714 0,7329 0,7143 0,6762 0,4243 0,5467 0,6790 0,7086 0,2210 0,3900 0,4657 0,5238
алюминиевая пудра 0,6660 0,6238 0,6190 0,6081 0,6795 0,6419 0,6130 0,6100 0,7170 0,6786 0,6690 0,6642
кобальт фиолето- вый 0,3820 0,7562 0,8324 0,8052 0,1960 0,3662 0,4543 0,2836 0,1650 0,2719 0,2843 0,1320
снижается прочность, изменяются и другие свойства. Следует отметить, что химическое сопротивление пигментированных эпоксидных композитов в настоящее время изучено недостаточно полно. С учетом сложности механизма взаимодействия эпоксидных смол с пигментами экспериментальные исследования химической стойкости данных композитов в различных агрессивных средах чрезвычайно важны.
Вода является наиболее распространенным компонентом сред, воздействующих на защитные и декоративные покрытия. Обладая высокой проникающей способностью и полярностью, она способствует ослаблению и раз-
Поступила 04.03.09.
рушению фрикционных, ван-дер-ваальсовых, водородных и гидролитических нестойких связей через катион металла. При ее воздействии на полимеры, особенно в присутствии поверхностно-активных веществ, облегчается смачивание поверхности полимера и усиливается действие среды; наблюдается изменение цветовых тонов спектра (табл. 2)
Таким образом, разработанная методика оценки декоративных свойств покрытий позволяет моделировать изменение цвета декоративных материалов различного состава и назначения и оценивать изменение данных свойств под воздействием эксплуатационных сред различной природы.
