Постоянное ужесточение экологического законодательства, резко ограничивающее содержание растворителей и других токсичных компонентов в рецептурах, требует разработки экологически чистых лакокрасочных материалов (ЛКМ), обеспечивающих долговременную защиту конструкций [1, 2]. В последние десятилетия наметилась четкая тенденция к росту производства и потребления ЛКМ с пониженным содержанием летучих органических растворителей, сопровождающаяся постепенным сокращением спроса на традиционные органоразбавляемые лаки и эмали. Для всех типов конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) как российского, так и зарубежного производства, актуальной является задача создания современных экологически безопасных систем защитных лакокрасочных покрытий [3, 4]. Существенной проблемой в настоящее время является ремонт конструкций из ПКМ, в частности крупногабаритных панелей, в полевых условиях, где необходимо использование быстросохнущих ЛКМ холодного отверждения. В настоящее время для этих целей используются покрытия на основе отечественных эпоксидных грунтов и шпатлевок: системы ЛКП на основе грунтовки ЭП-0104 и шпатлевок ЭП-0026 и ЭП-0080, которые содержат в своем составе 40–70% органических растворителей. С целью снижения выбросов легколетучих веществ и энергоемкости процесса окраски, повышения качества ЛКП при ремонте крупногабаритных панелей из ПКМ необходима разработка отечественных ЛКМ холодного отверждения с пониженным в 1,5–2 раза содержанием летучих веществ [5–7].

В связи с этим был проведен анализ научно-технической и патентной документации, который позволил выявить состав и уровень свойств лакокрасочных композиций с пониженным содержанием летучих веществ, обладающих, как правило, высокими адгезионными характеристиками и минимальным временем холодного отверждения покрытий. Основным принципом создания состава лакокрасочных композиций с пониженным содержанием летучих веществ является:

– выбор оптимального состава полимерного связующего, введение в полимерную сетку различных модификаторов, пигментов и наполнителей, которые способны снизить содержание в лакокрасочной композиции ЛОС (легколетучие органические соединения);

– использование промоторов адгезии, которые могут повысить адгезионные свойства;

– применение специальных добавок и различных отвердителей для уменьшения времени холодного отверждения ЛКП [8–10].

При анализе научно-технической и патентной документации выявились следующие тенденции развития в области создания ЛКМ с пониженным содержанием летучих веществ:

– снижение ЛОС в лакокрасочной композиции (увеличение сухого остатка) за счет оптимального состава полимерного пленкообразователя (применение модифицированных полиуретановых, эпоксидных и алкидных связующих), увеличения наполненности ЛКМ (введение большого количества пигментов и наполнителей);

– снижение времени холодного отверждения ЛКП за счет введения в композицию специальных добавок и отвердителей;

– повышение адгезионных свойств за счет использования высокомодульных промоторов адгезии [11–14].

По результатам анализа и исходя из имеющегося опыта в ВИАМ разработаны шпатлевка и грунтовка холодной сушки с пониженным содержанием летучих веществ для ремонта панелей из ПКМ. Отработаны технологические параметры нанесения ЛКП на основе разработанных шпатлевки ВШ-21 и грунтовки ВГ-35, а также эмалей ЭП-140, ВЭ-46, ВЭ-69, Аэродур С 21/100 UVR на панели из ПКМ: продолжительность сушки каждого слоя при температуре 15–35°С, жизнеспособность, рабочая вязкость при температуре 20,0±0,5°С по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм. Ориентировочная толщина ЛКП составила от 140 до 160 мкм.

В ходе исследований визуально оценивалось качество ЛКП (однородность поверхности, без наплывов, подтеков, шагрени). Технологические параметры нанесения ЛКП представлены в табл. 1.

Таблица 1

Технологические параметры нанесения ЛКП на основе шпатлевки и грунтовки на панели из ПКМ

Установлено, что разработанные шпатлевка ВШ-21 и грунтовка ВГ-35 при использовании с эмалями ЭП-140, ВЭ-46, ВЭ-69, Аэродур С 21/100 UVR не ухудшают качества ЛКП и могут применяться для ремонта панелей из ПКМ в изделиях гражданской авиации.

Сравнительные свойства разработанной грунтовки ВГ-35, импортного и отечественного аналогов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительные свойства грунтовки ВГ-35, импортного и отечественного аналогов

Покрытие на основе грунтовки ВГ-35 по адгезионным свойствам соответствует применяемым в настоящее время отечественным и импортным серийным материалам: ЭП-0104 и Aviox CF Primer 37124 (фирмы Akzo Nobel). По таким показателям, как время высыхания пленки (0,5 ч вместо 3 ч), жизнеспособность (8 ч вместо 3 ч), блеск покрытия (8 усл. ед. вместо 12 усл. ед.) грунтовка ВГ-35 превосходит импортный аналог – грунтовку Aviox CF Primer 37124. По температурному режиму отверждения покрытия, содержанию летучих веществ и блеску разработанная грунтовка превосходит отечественный серийный материал – грунтовку ЭП-0104 (20°С вместо 50–70°С, 24–28% вместо 60–65%, 8 усл. ед. вместо 11 усл. ед.).

Сравнительные характеристики времени высыхания пленки до степени 3 при 20±2°С на основе грунтовки ВГ-35, зарубежного и отечественного аналогов представлены на диаграмме (рис. 1).

 Рисунок 1. Диаграмма времени высыхания при 20°С систем ЛКП на основе грунтовок ВГ-35 (□), ЭП-0104 (■) и Aviox CF Primer 37124 (■)

Из данных диаграммы следует, что разработанная грунтовка ВГ-35 по времени высыхания значительно превосходит отечественную грунтовку ЭП-0104 и импортную грунтовку Aviox CF Primer 37124.

Сравнительные свойства разработанной шпатлевки ВШ-21, импортного и отечественного аналогов представлены в табл. 3.

Таблица 3

Сравнительные свойства шпатлевки ВШ-21, импортного и отечественного аналогов

Покрытие на основе шпатлевки ВШ-21 по адгезионным свойствам соответствует применяемым в настоящее время отечественным и импортным серийным материалам: ЭП-0026 и Aerowave 2501 (фирмы Akzo Nobel). По таким показателям, как время высыхания пленки (0,5 ч вместо 4 ч), жизнеспособность (8 ч вместо 0,5 ч) шпатлевка ВШ-21 превосходит импортный аналог – шпатлевку Aerowave 2501. По температурному режиму отверждения покрытия, содержанию летучих веществ разработанная шпатлевка превосходит отечественный серийный материал – шпатлевку ЭП-0026 (20°С вместо 75–80°С, 9–15% вместо 20–28%).

Для защиты кессон-баков, изготовленных из ПКМ, в ВИАМ была разработана технология изготовления и нанесения, а также исследованы основные эксплуатационные свойства покрытия на основе топливостойкой бесхроматной грунтовки ВГ-36.

Для отработки технологии изготовления топливостойкой бесхроматной грунтовки ВГ-36 изготовлены опытные образцы грунтовок, при этом продолжительность диспергирования полуфабриката (пигментных паст) на бисерной мельнице составила 20, 40 и 60 мин.

Исследовано влияние продолжительности диспергирования полуфабриката грунтовки ВГ-36 на ее технологические свойства, а также на адгезионные, физико-механические свойства и топливонабухаемость покрытий на основе грунтовки ВГ-36 (табл. 4).

Таблица 4

Влияние продолжительности диспергирования полуфабриката грунтовки ВГ-36 на эксплуатационные свойства покрытия

Установлено, что адгезионные и физико-механические свойства грунтовочного покрытия зависят от продолжительности диспергирования полуфабриката грунтовки. При диспергировании полуфабриката грунтовки ВГ-36 от 40 до 60 мин образуется более однородная дисперсия с размерами частиц не более 20 мкм, позволяющая получать покрытия с более высокими адгезионными и физико-механическими свойствами.

Исследовано влияние продолжительности диспергирования полуфабриката грунтовки ВГ-36 на топливонабухаемость покрытия. Установлено, что с увеличением продолжительности диспергирования топливонабухаемость покрытия уменьшается, что связано с образованием более плотной и менее дефектной структуры покрытия.

Исследовано влияние технологических режимов нанесения грунтовочного покрытия на основе топливостойкой бесхроматной грунтовки ВГ-36 на его адгезионные и физико-механические свойства.

Установлено, что толщина двухслойного покрытия на основе топливостойкой бесхроматной грунтовки ВГ-36 влияет на его адгезию к углепластику, прочность (эластичность) при растяжении и при изгибе и не влияет на прочность при ударе в данном диапазоне толщин покрытия. Наиболее высокая адгезия к углепластику (особенно после 10 сут увлажнения) достигается при толщине двухслойного покрытия не менее 40 мкм. Это связано с недостаточно плотной структурой покрытия при толщинах <40 мкм. Прочность (эластичность) грунтовочного покрытия как при изгибе, так и при растяжении монотонно снижается с увеличением его толщины. Прочность при ударе при всех исследуемых значениях толщин покрытия сохраняется на высоком уровне. Вышеуказанные закономерности справедливы для всех исследуемых режимов формирования первого слоя покрытия [15].

Исследования кинетики топливонабухаемости покрытия на основе бесхроматной грунтовки ВГ-36 показали, что поглощение (набухание за счет сорбции) топлива ТС-1 покрытием протекает в основном за первые 6 сут испытаний в топливе, затем достигается равновесное состояние, топливонабухаемость покрытия со временем практически не меняется и характеризуется невысоким уровнем (не более 0,32%) (рис. 2).

Рисунок 2. Кинетика топливонабухаемости покрытия на основе бесхроматной грунтовки ВГ-36

Исследована топливостойкость покрытия на основе бесхроматной грунтовки ВГ-36 в исходном состоянии и после искусственного старения по циклу ЛИ-14 (ММ 1.05-15-133–2002): -60⇆+80°С. Установлено, что искусственное старение покрытия не приводит к существенному ухудшению топливостойкости и увеличению топливонабухаемости покрытия ВГ-36 (рис. 3).

Лакокрасочное покрытие для кессон-баков из ПКМ на основе бесхроматной грунтовки ВГ-36 имеет следующие квоты превосходства по сравнению с покрытием на основе хроматной грунтовки ЭП-0215 и грунтовки S15/60 (фирма Akzo Nobel) в исходном состоянии (табл. 5).

 Рисунок 3. Топливостойкость покрытия на основе бесхроматной грунтовки ВГ-36 в исходном состоянии (□) и после искусственного старения по циклу ЛИ-14 (■)

Таблица 5

Свойства покрытия ВГ-36 в сравнении с аналогами

По комплексу свойств покрытие на основе бесхроматной грунтовки ВГ-36 превосходит покрытие на основе серийной хроматной грунтовки ЭП-0215 аналогичного применения, а также покрытие на основе грунтовки S15/60.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: разработанные в ВИАМ лакокрасочные покрытия на основе шпатлевки и грунтовки холодной сушки с пониженным содержанием летучих веществ, а также бесхроматная грунтовка для защиты конструкций из ПКМ превосходят по комплексу свойств (адгезия к ПКМ, технологичность, жизнеспособность, топливонабухаемость и др.) аналогичные отечественные и импортные покрытия. Применение разработанных ЛКМ (ВШ-21, ВГ-35 и ВГ-36) обеспечит:

– снижение выбросов ЛОС;

– снижение энергоемкости процесса окраски;

– повышение качества ЛКП при ремонте крупногабаритных панелей из ПКМ;

– улучшение условий труда за счет отсутствия выделения токсичных хроматов в процессе производства грунтовки и окраски кессон-баков из ПКМ.