Мировой рынок: водно-дисперсионные полиуретановые лакокрасочные материалы (ЛКМ) для защиты стальных поверхностей

Органоразбавляемые одно- и двухкомпонентные полиуретановые (ПУ) ЛКМ применяются для защиты стальных поверхностей от воздействий окружающей среды в течение нескольких десятилетий. Изменение европейского законодательства в области климата, направленное на защиту атмосферы и здоровье людей, требует сокращение выделения органических растворителей. Это необходимо учитывать при разработке новых сырьевых компонентов для производства ЛКМ. Достижение основной цели – максимальное сокращение или исключение летучих органических соединений (ЛОС) из состава ЛКМ – возможно при использовании водно-дисперсионных (ВД) пленкообразователей. На основе новых ВД-компонентов, выпускаемых компанией “Байер МатериалСайенс”, можно производить ЛКМ нового поколения.

Современные одно- и двухкомпонентные ПУ-ЛКМ отличаются высоким качеством. При разработке таких материалов можно целенаправленно регулировать химстойкость, паропроницаемость и блеск покрытий. Варьируя компоненты рецептуры, можно создавать быстросохнущие ЛКМ, обеспечивающие высокую механическую прочность и химстойкость покрытий, прекрасную атмосферостойкость и антикоррозионные свойства. Водные ПУ-ЛКМ соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам будущего, по влиянию на окружающую среду и климат, а также дают возможность повышения эффективности производства.

Защита металлических конструкций – важная экономическая задача, решение которой все больше пересекается с необходимостью охраны окружающей среды. Антикоррозионные системы, использовавшиеся для этой цели, в течение последних десятилетий постоянно совершенствовались: в условиях ужесточения экологического законодательства были повышены и качество антикоррозионной защиты, и производительность при получении покрытий.

Для обеспечения длительной защиты металла от коррозии решающее значение имеют оптимальные условия технологии получения покрытий и точное их соблюдение всеми сторонами, участвующими в этом процессе. Антикоррозионные грунтовки, промежуточные и покрывные эмали, наносимые промышленным способом или вручную, отверждаются за счет различных процессов: физического высыхания и химической сшивки. В настоящее время антикоррозионные ЛКМ получают на основе алкидных смол, хлоркаучука, влагоотверждаемых 1К ПУ, применяемых в основном для получения грунтовок и промежуточных слоев, а также алифатических 2К ПУ-пленкообразователей для атмосферостойких эмалей.

Наиболее эффективны для защиты от коррозии эпоксидные ЛКМ, обладающие наилучшей адгезией к металлу. Однако к их недостаткам относится ограниченная атмосферостойкость и невозможность отверждения при низких температурах. Общим для всех перечисленных ЛКМ является установление рабочей вязкости с помощью растворителей, применение которых ограничено различными европейскими директивами.

В связи с этим целью дальнейших разработок стало значительное снижение содержания растворителей. Кроме того, в течение последних десятилетий все больше стали применяться водоразбавляемые пленкообразователи. В то время, как водные эпоксидные ЛКМ достаточно широко распространены на рынке антикоррозионных материалов, водные ПУ-ЛКМ применяются редко. Ряд недостатков, в частности, низкая толщина слоя без вспенивания и связанная с этим недостаточная коррозионная стойкость, повышенная чувствительность к погодным условиям при нанесении, в прошлом затрудняли применение данных ЛКМ для защиты от коррозии.

Специалисты компании “Байер МатериалСайенс” поставили цель: разработать ВД одно- и двухкомпонентных ПУ-материалы с отличной адгезией к металлу, очень хорошими антикоррозионными свойствами, быстрым отверждением даже при низких температурах и отличной атмосферостойкостью. Результатом разработок явились универсальные ВД-пленкообразователи для производства ЛКМ, удовлетворяющих основным требованиям к антикоррозионной защите металлических поверхностей. Это позволило создавать экологически безопасные универсальные грунтовки, промежуточные и финишные светостойкие эмали.

Водно-дисперсионные однокомпонентные полиуретановые материалы

ВД 1К ПУ-ЛКМ следует использовать в том случае, когда основное значение имеет соотношение цена/качество. В настоящее время широко применяются многочисленные типы дисперсий различной химической природы. Наряду с часто используемыми акриловыми дисперсиями в рецептурах антикоррозионных ЛКМ все чаще используются сополимеры полибутадиена и ПУ-дисперсии, модифицированные жирными кислотами. При их отверждении после физического высыхания за счет коалесценции полимерных частиц протекает реакция окислительной сшивки. Это способствует образованию покрытий с отличной адгезией к стали, очень ранней водостойкостью и повышенными антикоррозионными свойствами. Такие ЛКМ просты в нанесении и содержат незначительное количество ЛОС.

Особенно хорошую адгезию к металлу в том числе к таким “сложным” подложкам, как алюминий и цинк, проявляют ЛКМ на основе сополимеров полибутадиена. Однако их недостатком является невысокая стойкость к УФ-излучению. Поэтому область их применения ограничена в первую очередь грунтовками, в том числе адгезионными, или так называемыми “шоп-праймерами”, которые наносят на заводе для защиты конструкций во время транспортировки до места сборки и применения. В особых случаях они используются и в составе грунт-эмалей, применяемых для получения покрытий, не подверженные интенсивному воздействию УФ-излучения, например, для окраски автомобильных агрегатов, находящихся под капотом.

ПУ дисперсии, модифицированные жирными кислотами, обладают достаточно хорошей атмосферо- и УФ-стойкостью. Благодаря этому их можно применять для получения не только грунтовок, но эмалей и грунт-эмалей, наносимых также ручным способом, окунанием или пневмораспылением.

Водно-дисперсионные двухкомпонентные полиуретановые материалы

Для разработки ЛКМ, обеспечивающих наибольшую максимальная эффективность защиты, следует выбирать 2К ПУ пленкообразователи. В настоящее время такие материалы используются преимущественно для окраски коммерческого транспорта, а в строительстве и для окраски стальных конструкций пока применяются редко.

Химической основой таких систем является образование ПУ структуры за счет взаимодействия гидроксильных и изоцианатных групп. Возможной побочной реакцией алифатических изоцианатных групп с водой, приводящей к образованию мочевинных групп, можно пренебречь, если 2К материалы наносят в течение времени жизнеспособности. Благодаря более низкой реакционной способности алифатических полиизоцианатов и относительно быстрому испарению воды из мокрой пленки после нанесения ЛКМ, реакция образования мочевинных групп протекает в значительно меньшей степени, чем реакция образования полиуретана. Образовавшийся диоксид углерода растворяется в пленке, как и в случае влагоотверждаемых ПУ ЛКМ, применяющихся для защиты от коррозии длительно время. На практике следствия побочной реакции полиизоцианата с водой, такие как повышенное образование диоксида углерода, наблюдаются лишь в конце времени жизнеспособности. Основным определяющим фактором при разработке материала является выбор полиольной дисперсии и соответствующего полиизоцианата. Дисперсии, применяющиеся для получения 2К материалов, как правило содержат OH-функциональный полимер. В зависимости от процесса производства молекулярная масса такого полимера варьируется в широких пределах, ее можно целенаправленно регулировать.

Высокомолекулярные полимеры получают путем одностадийного процесса, в котором полимеризация протекает в воде. Образующиеся таким способом первичные дисперсии часто не содержат сорастворителей и способны к быстрому физическому высыханию. Кроме того, процесс полимеризации можно осуществить и в растворителе. При этом в более сложном процессе затем происходит диспергирование полимера и удаление растворителя. Таким способом получается полимер со значительно меньшей молекулярной массой, требующий больше времени для образования полимерной структуры в результате химической сшивки. Такие продукты называются вторичными полиакриловыми дисперсиями. Их применение обеспечивает высокий блеск покрытий, отличное смачивание и выделение текстуры подложки. При использовании полиизоцианатного компонента в качестве последнего обычно применяют гидрофилизированные полиизоцианаты. Химическая структура и концентрация гидрофильных групп, помимо свойств отвержденной лакокрасочной пленки, в значительной степени влияют на надежность ЛКМ при нанесении. Применение современных гидрофилизирующих веществ, таких как аминосульфокислоты дает возможность получать материалы с ранее недостижимыми свойствами, например, с очень высокой химстойкостью. Кроме того, возможно применение низковязких гидрофобных полиизоцианатов, если к внешнему виду покрытий не предъявляется слишком высокие требования, например для грунтовок, полуглянцевых или матовых эмалей.

Технические характеристики гидрофилизированных полиизоцианатов

Антикоррозионные грунтовки на основе вторичных полиакриловых дисперсий

Типичная область применения органоразбавляемых двухкомпонентных ПУ ЛКМ – окраска стальных конструкций. ВД ПУ ЛКМ в данной области применения зачастую терпели фиаско из-за недостаточной коррозионной стойкости. Проблему удалось решить путем разработки нового поколения вторичных полиакриловых дисперсий. Антикоррозионные грунтовки на основе этих дисперсий и полиизоцианатов, гидрофилизированных аминосульфокислотой, обладают отличными свойствами и во многих случаях превосходят традиционные органоразбавляемые ЛКМ. Повышение качества этих материалов возможно за счет применения низковязких гидрофобных полиизоцианатов.

Водно-дисперсионные полиуретановые ЛКМ быстрого отверждения

Производительность технологических процессов – один из основных двигателей современных разработок. Ключом к успешному созданию быстроотверждаемых ЛКМ является запатентованная технология, в которой взаимодействие полиола и полиизоцианата ускоряется путем внутренней активации. При этом реакция сшивки протекает быстрее, без значительного изменения вязкости и без сокращения жизнеспособности материала. Такая внутренняя активация дает особые преимущества для получения ЛКМ, которые должны как можно быстрее отверждаться при комнатной температуре. Другие способы, например применение катализаторов для ускорения отверждения, почти всегда приводят к резкому сокращению жизнеспособности. Таким образом, внутренняя активация позволяет повысить реакционноспособность ВД 2К ПУ систем до уровня аналогичных эпоксидных композиций без сокращения их жизнеспособности, а также увеличить свето- и атмосферостойкость покрытий. Кроме того, ВД-ЛКМ на основе новых дисперсий зачастую превосходят по эффективности органоразбавляемых предшественников без ухудшения других характеристик покрытий. Реакционную способность ВД ПУ композиций можно в широких пределах варьировать путем выбора сырьевых компонентов. При правильном составлении рецептуры такие ЛКМ отличаются быстрым высыханием и высоким качеством покрытий, получаемых даже при неблагоприятных условиях нанесения. Зависимость скорости отверждения от температуры можно свести к минимуму путем выбора дисперсии и наполнителей до такой степени, что даже сильные колебания температуры при нанесении ЛКМ не вызовут никаких проблем. Новые материалы значительно превосходят по этим параметрам быстросохнущие эпоксидные ЛКМ, а также другие ВД-ЛКМ.

Легко очищаемые покрытия

Есть разные точки зрения на граффити. Для одних – это форма современного искусства, для других – порча вещей. Для удаления плодов этого нетрадиционного “искусства” только в Германии ежегодно тратят более EUR500 млн. Более 10% этих затрат несет железная дорога, вагоны и локомотивы которой являются наиболее привлекательной целью для ночных “аэрозольных атак”. Затраты можно снизить путем применения 2К ВД ПУ-ЛКМ на основе новых сырьевых компонентов. Такие ЛКМ отверждаются, как правило, при повышенных температурах, образующиеся покрытия проявляют отличную химстойкость, особенно по отношению к агрессивным чистящим средствам. В этом случае граффити можно удалить проще и быстрее, чем с поверхностей, защищенных традиционными методами. В результате у граффити нет шансов против экологически безопасных водно-дисперсионных 2К ПУ ЛКМ. Секрет таких антивандальных покрытий заключается в снижении проницаемости верхнего слоя для аэрозольных красителей. Благодаря применению новых полиизоцианатов граффити можно просто смывать. Причем такой эффект достигаеnся без применения типичных антивандальных добавок на основе силиконов или фтора, которые применяются в классических органоразбавляемых ЛКМ и дают лишь временный эффект. Кроме того, такие добавки дороги и создают сложности при перекрашивании. Для получения ВД 2К ПУ эмалей эти новые, инновационные отвердители комбинируют с высокоэффективными полиолами. Они обеспечивают оптимальную плотность сшивки, отличное сохранение блеска и гарантируют наивысшее качество покрытий в экстремальных условиях эксплуатации. (O-Journal по материалам ICIS Chemical Business/Химия Украины, СНГ, мира)