ВОДНО-ДИСПЕРСИОННАЯ АНТИКОРРОЗИОННАЯ ГРУНТ-ЭМАЛЬ
AQUEOUS-DISPERSION ANTICORROSION BASE COAT

Изобретение относится к водно-дисперсионным лакокрасочным материалам, предназначенным для защиты от коррозии металлических поверхностей, эксплуатируемых в агрессивных атмосферных условиях, в том числе в условиях повышенной влажности. Может использоваться как грунтовка и как самостоятельное лакокрасочное покрытие. Грунт-эмаль включает акриловую дисперсию, антикоррозионные пигменты и наполнители, диспергатор, загуститель и воду. Для повышения антикоррозионных свойств покрытия в составе грунт-эмали используются водорастворимый органический ингибитор коррозии на основе смеси фосфатов натриевых и калиевых солей жирных карбоновых кислот и аминосоединений и поверхностно-активное вещество на основе оксиэтилированных алкилфенолов триммеров пропилена, улучшающее смачиваемость и адгезию лакокрасочного покрытия к металлической поверхности. Технический результат - повышение экологической безопасности при проведении окрасочных работ и высокие антикоррозионные свойства покрытия в агрессивных атмосферных условиях, в том числе в условиях повышенной влажности.
В настоящее время на рынке имеются водно-дисперсионные лакокрасочные материалы строительного назначения, в том числе для антикоррозионной защиты металлических поверхностей [патенты RU 94032085, RU 2268275, RU 2260608, RU 2017774, US 2009078158, WO 2008031603, CN 101045843, Лобковский В.П. и др., ЛКМ № 4/1999, с.7]. Применение в их составе фосфорной кислоты и ее соединений позволяет получать антикоррозионное покрытие на прокорродировавших металлических поверхностях, однако эти покрытия имеют слабую адгезию и недостаточный срок службы в атмосферных условиях (не более 2-3 лет). Применение в составе водно-дисперсионных материалов пигментов на основе хромсодержащих соединений (крон фосфатно-кальциевый, хромат и тетраоксихромат цинка и других) повышает антикоррозионные свойства лакокрасочного покрытия. Однако хромсодержащие соединения обладают высокой токсичностью. Соединениями, широко используемыми для снижения токсичности антикоррозионных покрытий, являются различные соли фосфорной кислоты (фосфаты цинка, алюминия, бария, кальция и других). Опыт применения фосфатных пигментов в антикоррозионных покрытиях показал, что они, вследствие их невысокой растворимости, малоэффективны на начальных стадиях развития подпленочной коррозии [Wienand Y.Ostertag W.Farbe und Lack, 1982, d.88, № 3, s.183-188].
Многие ингибиторы коррозии в виде водных растворов обеспечивают защиту металлов, благодаря образованию тонкой наноразмерной пленки труднорастворимых комплексных соединений с катионами металла [Кузнецов Ю.И. Физико-химические аспекты защиты металлов от коррозии нано- и микроразмерными покрытиями: Докл. Международная конференция «Физико-химические основы новейших технологий XXI века». М., 30 мая - 4 июня, 2005]. Формирование самоупорядочивающихся монослоев на металлической поверхности является одним из направлений практического применения нанотехнологии в области защиты от коррозии [Kalman Erica, Korroz.Figy. 2007, 47, № 4, с.98-101]. Применение ингибиторов коррозии в лакокрасочных материалах не всегда дает положительный эффект, так как снижает адгезию к металлу.
Замена токсичных пигментов на малотоксичные ингибиторы коррозии, позволяющие получать на металлической поверхности наноразмерные защитные пленки с сохранением уровня адгезионных свойств лакокрасочного покрытия является актуальным.
Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятым в качестве прототипа является грунт-эмаль водно-дисперсионная антикоррозийная серии «Кронакрил» (патент Российской Федерации RU 2223996 С1, МКИ C09D 5/12, C09D 5/10, C09D 133/00). Состав включает акриловую дисперсию, колеровочную пасту, диспергатор, загуститель и воду, а в качестве антикоррозионного пигмента - крон фосфатно-кальциевый. Применение фосфатно-кальциевого крона в грунт-эмалях обеспечивает пассивирующую активность во взаимодействии фосфатохроматов с металлической подложкой как черных, так и цветных металлов, обеспечивая катодную и анодную защиту.
К недостаткам данного состава относится высокая токсичность соединений хрома.
Задачей предлагаемого изобретения является создание малотоксичной наноингибированной водно-дисперсионной антикоррозионной грунт-эмали с высоким уровнем противокоррозионных свойств в агрессивных атмосферных условиях с повышенной влажностью.
Поставленная задача достигается тем, что в состав водно-дисперсионной грунт-эмали взамен фосфатно-кальциевых кронов вводятся, наряду с малотоксичным фосфатом цинка, водорастворимый органический ингибитор коррозии пассивирующего типа, не содержащий соединения хрома, и поверхностно-активное вещество, обеспечивающие адгезионно-ингибирующее действие на металлическую поверхность.
В качестве акриловой дисперсии используют акриловую дисперсию, модифицированную эфирами версатиковой кислоты марки «Finndisp RSD 20» фирмы «Forcit» (Финляндия), акриловую дисперсию марки «Mowilit DM 777» фирмы «Celanese Emulsion GmbH» (Германия) или другие любые акриловые и модифицированные акриловые дисперсии. В состав акриловой дисперсии входят коалесцирующие добавки бутилгликоль [ТУ 6-01-648-78]; 2-(2-бутокси)этоксиэтанол [бутилдигликоль] фирмы «Union Carbide Benelux N.V.» (США); 2,2,4-триметил-1,3-пентадиолмоноизобутират [марка «Тексанол»] фирмы «Eastman Chemical Company» (США) и другие. Предпочтительным является использование смеси тексанола и бутилдигликоля в соотношении 4:1.
В качестве диспергатора используют аммонийную соль полимерной карбоксильной кислоты марки Dispex A40 фирмы «Forcit» (Финляндия), водный раствор модифицированного полимера марки Dispers 750W фирмы Evonik Tego Chemie GmbH (Германия) или любые другие смачивающие и диспергирующие добавки для водно-дисперсионных промышленных красок.
В качестве загустителя используют карбоксиметилцеллюлозные загустители типа метилгидроксипропилцеллюлозы, полиуретановые загустители типа Tafigel PU 60 фирмы «Munzing Chemie GMBH» (Германия), или любые другие загустители для водно-дисперсионных промышленных красок.
В качестве антикоррозионных пигментов используются фосфаты, оксиды цинка, железоокисные пигменты. В качестве наполнителей используются природный (мел, мрамор, известняк) или осажденный карбонат кальция, или другие любые наполнители для водно-дисперсионных промышленных красок.
В качестве водорастворимого органического ингибитора коррозии используют смесь калий октадеканоата, трикалий фосфата, 2,2',2"-Нитрилотриэтанола [ТУ 37-111-1-39-03 «Пассивирующий состав ИФХАН-39АЛГ»]. Данный ингибитор применяется в качестве ингибиторов коррозии при длительной консервации металлических изделий. Ингибирующее действие обусловлено электронодонорными свойствами, способствующими хемосорбции ингибитора и образованию труднорастворимых комплексов защищаемого металла с органическими соединениями. В отличие от фосфатов данный ингибитор начинает действовать сразу при формировании лакокрасочного покрытия за счет своей водорастворимой формы.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - это вещества, адсорбция которых из жидкости на поверхности раздела с другой фазой (жидкой, твердой или газообразной) приводит к значительному понижению поверхностного натяжения. Это свойство поверхностно-активных веществ используется для улучшения смачиваемости пигментов при диспергировании в водной среде. В качестве ПАВ используют оксиэтилированные алкилфенолы на основе триммеров пропилена, представляющие собой техническую смесь полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов следующего состава [ТУ 2483-077-05766801-98 «Неонолы. Технические условия»]:
9
19
6
4
2
4
n
O
O
СНСН(СН)Н,
9
19
где CH - алкильный радикал изононил, присоединенный к фенолу преимущественно в пара-положении к гидроксильной группе;
n - усредненное число молей окиси этилена, присоединенное к одному молю алкилфенолов, равное 6.
Использование данного ПАВ не только улучшает смачиваемость пигментов при диспергировании, но и повышает смачиваемость металлической поверхности с пассивным слоем ингибитора коррозии, тем самым улучшает адгезию лакокрасочного покрытия. Это обусловлено наличием в неоиногенном ПАВ гидрофильных эфирных и гидроксильных групп. При этом соединение не диссоциирует в воде на ионы, содержит подвижный фенольный атом, реагирующий с этиленоксидом, который обуславливает его полярность. ПАВ образует адсорбционный слой гидрофобными радикалами к поверхности частиц ингибитора коррозии, а гидрофильными группами - в сторону водной дисперсии. Равновесная толщина адсорбционного слоя может достигать величины от 10 до 20 нм и зависит от степени оксиэтилирования ПАВ и его концентрации.
Новизна технического решения определяется подбором компонентов в оптимальных количествах, способных при высыхании лакокрасочного покрытия формировать на поверхности металла тонкие наноразмерные пленки комплексных соединений, улучшающих адгезию покрытия к металлу и его противокоррозионные свойства.
Примером осуществления данного изобретения может служить способ получения водно-дисперсионной антикоррозионной грунт-эмали, осуществленный заявителем.
В емкость бисерной мельницы в рецептурном количестве загружают антикоррозионные пигменты и наполнители, ПАВ, ингибитор коррозии, диспергатор и загуститель и ведут диспергирование до достижения степени перетира по прибору «Клин» не более 30 мкм. Перетертую смесь подают в смеситель и далее добавляют рецептурное количество акриловой дисперсии. Перемешивают смесь в течение 20-30 мин. Далее грунт-эмаль проверяют по качественным показателям.
Для сравнения свойств лакокрасочного покрытия были изготовлены составы грунт-эмали по заявляемому изобретению. Составы грунт-эмали наносили на тщательно очищенные от жировых загрязнений пластинки из стали 08кп размером 150×70×1 мм. Метод нанесения - пневматическое распыление. Составы наносили в 2 слоя с сушкой каждого слоя покрытия при температуре 20±2°С в течение 1 ч. Перед испытанием полученные покрытия выдерживали при температуре 15-30°С и влажности воздуха не более 80% в течение 14 суток.
Примеры грунт-эмали по изобретению приведены в таблице 1.
Таблица 1
Наименование ингредиентов
Прототип по пат.RU 2223996, мас.%
Количественный состав (содержание ингредиентов), мас.%
Примеры по изобретению
1
2
3
4
5
6
7
1 Акриловая дисперсия
30-50
30
35
40
40
45
45
45
2 Крон фосфатно-цинковый
0,1-20
-
-
-
-
-
-
-
3 Колеровочная паста
1-10
-
-
-
-
-
-
-
4 Антикоррозионные пигменты и наполнители, в том числе фосфат цинка
-
25
25
25
31
31
31
31
10
5
5
5
5
5
5
5 Диспергатор
0,1-1,0
0,1-1,0
0,1-1,0
0,1-1,0
0,1-1,0
0,1-1,0
0,1-1,0
0,1-1,0
6 Загуститель
0,05-0,2
0,05-0,2
0,05-0,2
0,05-0,2
0,05-0,2
0,05-0,2
0,05-0,2
0,05-0,2
7 ПАВ
-
0,05
0,1
0,1
0,3
0,3
0,5
0,5
8 Водорастворимый органический ингибитор коррозии
-
0
0,25
0,5
0,75
1,0
1,5
2,0
9 Вода
Остальное
Остальное
Показатели, используемые для характеристики состава:
1 Адгезия, баллы (по ГОСТ 15140-78, радел 2)
1<sup>*)</sup>
4
1
1
1
1
1
2
2 Адгезия, баллы (по ГОСТ 15140-78, радел 4)
-
3<sub>1</sub>
1<sub>1</sub>
1<sub>1</sub>
1<sub>1</sub>
1<sub>1</sub>
2<sub>1</sub>
2<sub>1</sub>
3 Прочность пленки при изгибе, мм (по ГОСТ Р 52740-2007)
1
3
3
1
1
1
1
3
Наименование ингредиентов
Прототип по пат. RU 2223996, мас.%
Количественный состав (содержание ингредиентов), мас.%
Примеры по изобретению
1
2
3
4
5
6
7
4 Прочность пленки при ударе, кгс×см (по ГОСТ Р 53007-2008)
-
15
15
50
50
50
25
25
5 Стойкость к статическому воздействию 3%-ного раствора NaCl при температуре (20±2)°С, ч (по ГОСТ 9.403-80)
55
5
5
72
72
72
48
48
6 Стойкость к статическому воздействию воды при температуре (20±2)°С, ч (по ГОСТ 9.403-80)
300
120
240
1500
1500
1500
720
720
7 Продолжительностьиспытаний на стойкость к воздействию переменной температуры, повышенной влажности и солнечного излучения, циклы (по ГОСТ 9.401-91, метод 5)
-
15
25
50
50
60
40
40
8 Оценка внешнего вида после испытаний на стойкость к воздействию переменной температуры, повышенной влажности и солнечного излучения, балл (по ГОСТ 9.407-84)
-
А32
А32
А32
А32
А32
А32
А32
9 Заявляемый срок службы в умеренном климате, лет (по ГОСТ 9.401-91, приложение 10)
3,5-5
2
3
6
6
7
4
4
Для сравнения адгезионную прочность лакокрасочного покрытия с металлической поверхностью по заявленному изобретению определяли адгезию по ГОСТ 15140-78, разделы 2 и 4, прочность пленки при изгибе по ГОСТ Р 52740-2007 и прочность при ударе по ГОСТ Р 53007-2008. Для сравнения противокоррозионные свойства лакокрасочного покрытия оценивали стойкость пленки к статическому воздействию воды и 3%-ного раствора NaCl при температуре 20±2°С, стойкость к воздействию переменной температуры, повышенной влажности и солнечного излучения по ГОСТ 9.401-91, метод 5. Прогнозируемый срок службы лакокрасочного покрытия в умеренном климате по заявленному изобретению определяли в соответствии с приложением 10 ГОСТ 9.401-91.
Адгезия и срок службы в умеренном климате по прототипу принималась по заявленному показателю технических условий на грунт-эмаль «Кронакрил» ТУ 2316-002-57771065-2003 и на краску «Кронакрил-ЖД» ТУ 2316-008-13938162-2004.
Предлагаемая водно-дисперсионная антикоррозионная грунт-эмаль по сравнению с прототипом имеет лучшие антикоррозионные свойства. Грунт-эмаль не содержит в своем составе соединений хрома. Использование грунт-эмали по заявленному изобретению для защиты крупногабаритных металлоконструкций обеспечивает высокие антикоррозионные свойства покрытия в агрессивных атмосферных условиях и экологическую безопасность при проведении окрасочных работ.