«Холодная» альтернатива горячему цинкованию

Активное изображениеБеларусь до сих пор испытывает острый дефицит производственных мощностей для антикоррозионной защиты металлоконструкций путем горячего цинкования (ГЦ) и электрохимического осаждения, поэтому столь широкое распространение получила «холодная» альтернатива – технология нанесения на стальные поверхности цинконаполненных красок (ЦНК). Метод вполне оправдан с точки зрения экономики и экологической безопасности, хотя и требует особых навыков при практическом применении.

Действие всех покрытий, содержащих металлический цинк, основано на едином принципе – сохранения менее электроотрицательного металла. Однако физико-химические механизмы их работы различаются. Вопреки распространенному мнению, ГЦ-покрытие состоит не из чистого цинка, а из четырех четко выраженных слоев, три из которых – железоцинковый сплав. Такое покрытие защищает поверхность и как расходный анод, равномерно распределенный по защищаемой поверхности, и как изолирующее покрытие. В умеренно агрессивных коррозионных условиях на поверхности ГЦ-покрытия через один-два года образуется патина – слой оксида, гидроксида и карбоната цинка. Появившийся слой патины не следует удалять, так как он защищает  покрытия от чрезмерного атмосферного влияния. Однако в морской атмосфере реакции проходят слишком быстро, что препятствует образованию достаточно плотного защитного слоя, и он легко выветривается. По мере истощения слоя чистого цинка и обнажения железноцинкового сплава коррозия несколько замедляется. Долговечность ГЦ-покрытия зависит линейно от количества расходуемого анода на площадь поверхности, и одно из преимуществ такой системы состоит в ее предсказуемости: зная параметры среды эксплуатации и толщину покрытия, можно с достаточно большой точностью прогнозировать срок службы.

На данный момент применение цинконаполненных покрытий (ЦНП) для катодной защиты стали является твердо устоявшейся практикой, и даже многократный рост цен на цинк не оказал влияния на объемы их потребления. Однако при всем своем многообразии они подразделяются на два основных типа: органические (эпоксидные, полиуретановые, полистирольные) и неорганические (силикатные), что определяется природой их связующего.

Содержание пигмента (цинка) в цинк-силикатных составах (ЦСС) выше критической объемной концентрации пигмента, что предъявляет повышенные требования к связующему. Несмотря на то, что покрытия на неорганической основе наносятся в жидком виде, по характеристикам они сходны с керамическими, получаемыми методом наплавления. Полимеризация силикатного связующего идет одновременно с химическими реакциями между ними, цинковым пигментом и стальной подложкой. В результате образуется сплошная, твердая, стойкая к истиранию электропроводящая полисиликатная матрица. Она очень инертна и не подвержена разрушению в условиях морского климата и большинства промышленных регионов, за исключением тех, где имеет место воздействие сильных кислот и щелочей (это относится ко всем ЦНП в большей или меньшей степени). ЦСС с хорошо сбалансированной рецептурой имеет отличную адгезию к стальной подложке, высокую термостойкость (до 500ОС), твердость, стойкость к истиранию, сырой нефти и светлым нефтепродуктам, смазочным материалам и растворителям. Практически все они пористы, и поры могут составлять от 10 до 30 % объема. На начальном этапе эксплуатации такое покрытие не обеспечивает изоляции подложки от проникновения электролита и защищает сталь по катодному механизму, то есть цинк активно вступает в химические реакции, и поры заполняются продуктами его коррозии. Это многоступенчатый процесс: сначала образуются водорастворимые гидроксиды, которые далее реагируют с атмосферной углекислотой, образуя нерастворимые карбонаты. В итоге покрытие уплотняется настолько, что из катодной фазы переходит в изолирующую (в морской атмосфере в присутствии солей этот процесс только ускоряется). С этого момента расход цинка практически прекращается и катодный режим включается лишь в случае механического повреждения покрытия. Высокая радиационная и проникающая стойкость обеспечивает отличную атмосферостойкость, что, в свою очередь, исключает наличие таких дефектов, как меление и растрескивание. И что особенно важно, ЦС покрытия (ЦСП) препятствуют распространению подпленочной коррозии. Основой полимерной цепочки силикатного связующего является последовательность атомов кремния и кислорода: O–Si–O –Si–O–Si. Связующим компонентом органических ЦН составов (ЦНС) являются органические смолы, основой полимерной цепочки которых является последовательность атомов углерода: С–С–С–С. Прочность кремний-кислородной связи составляет 445 кДж/моль, а углеродной – 358 кДж/моль. Это означает, что для разрыва первой требуется большая энергия активации. Этим и объясняется более высокая стойкость полимеров на кремниевой основе. В то время как кремний-кислородный полимер не подвержен воздействию УФ-излучения, не вступает в реакцию с атмосферным кислородом и большинством окислителей (поскольку уже является оксидом), органические связующие быстро выгорают и начинают мелить. Скорость истощения эпоксидного покрытия под воздействием УФ-излучения может достигать 15 мкм в год. Как следствие, органические ЦНП требуют дополнительного защитного покрытия и предназначены для использования в качестве протекторного грунта. Широкому распространению они обязаны хорошей адгезией как к чистому металлу, так и к неметаллическим субстратам (ржавчине, окалине, прилежащим участкам старого покрытия). Однако это свойство не компенсирует дефекты подготовки поверхности (электрический контакт цинка со сталью является основным условием образования гальвано­пары). Поскольку эпоксидная смола является диэлектриком, содержание цинкового пигмента должно составлять не менее 90–95 % по весу.

 

Активное изображение

 

Связующее покрытие не имеет химических связей с подложкой и цинковым пигментом, относительно пластично. В условиях повышенной влажности по мере накопления продуктов коррозии цинка в его плоскости нарастает напряжение сжатия, проявляющееся вздутием и отслоением или расслоением. Это в итоге ведет к подпленочной коррозии. Органические грунты теряют свою катодную активность через несколько месяцев, недель или даже часов, то есть преобразуются в покрытия изолирующего типа, уже не обеспечивающие должной катодной защиты даже на идеально подготовленной подложке. ЦСС же нетребовательны в отношении концентрации цинкового пигмента в покрытии, поскольку это не отражается на их катодной активности, которую они могут сохранять до трех лет.

Цинксиликаты менее чувствительны к наличию водорастворимых солей соляной кислоты на поверхности. Установлено, что при содержании соли в количестве 15 мг/м2 на поверхности подложки, на эпоксидном покрытии в погружных условиях образуются вздутия. Системы на основе ЦСС успешно выдерживали концентрацию соли 50 мг/м2. Стандарт ISO 15235:2001 определяет концентрацию водо­растворимых солей в количестве выше 3–7 мг/м2 как представляющую риск образования вздутий для систем на основе «эпоксидные покрытия/ЦНС», и 50 мг/м2 – для систем на основе ЦСС, рассчитанных на эксплуатацию в погружных условиях в пресной воде. Также было обнаружено, что этилсиликатные ЦНС менее чувствительны к вторичной коррозии на поверхности подложки, чем эпоксидные. По механизму защиты многие из органических ЦН составов являются не катодными, а скорее изолирующими (как обычная краска).

Эпоксидные материалы имеют определенные преимущества перед ЦСС. Например, условия северного климата (низкие температуры и особенно низкая влажность воздуха) не позволяют сформироваться полноценной пленке этилсиликатного покрытия. Для эпоксидов эти условия не столь критичны. Их отверждение зависит от температуры, а не от наличия или отсутствия финишного покрытия, и продолжается под ним беспрепятственно. Для отверждения этилсиликатных ЦНС требуется доступ атмосферной влаги и относительной влажности воздуха не менее 50 %. После нанесения финишного покрытия отверждение резко замедляется. Поэтому перед окраской важно дать этилсиликатному ЦНС время отвердиться, для чего в целом требуется 24–72 часа.

 

Активное изображение

 

Сосуществование всех типов ЦНС в настоящее время объясняется наличием двух противонаправленных тенденций, сопровождавших процесс их эволюции, а именно: по мере снижения требовательности к подготовке поверхности и условиям нанесения снижается эффективность конечного покрытия, и наоборот. Иными словами, использование органических ЦНС продиктовано рядом жестких требований, ограничивающих применение неорганических, и является компромиссом между качеством и возможностью применения как таковой, пусть даже в качестве грунта с последующей окраской. Современный опыт свидетельствует о том, что уровень технической оснащенности и культуры производства позволяет персоналу окрасочных участков достаточно быстро и безболезненно переходить от органических ЦНС к самому требовательному из неорганических, обеспечивая высокое качество покрытия. Усилия, потраченные на элементарный контроль условий нанесения, или создание требуемого микроклимата в цеховых условиях с лихвой окупаются значительным сокращением производственного цикла и экономией производственных площадей. Определиться однозначно с выбором метода цинкования достаточно сложно, однако, зная их сильные и слабые стороны, методы можно с успехом комбинировать.

Для тех, кто рассматривает возможность организации цинкования собственными силами, тема далеко не исчерпана. В данной статье лишь обозначены возможности холодного метода цинкования, однако для его успешного практического применения следует более детально рассмотреть особенности морфологии различных цинконаполненных покрытий, различая в их назначении и технологии нанесения, что в настоящее время и проводится Институтом сварки и защитных покрытий в рамках ГПНИ «Композиционные материалы».

По материалам доклада А. А. Радченко и Д. А. Олешкевича, сотрудников ОХП «Институт сварки и защитных покрытий» ГНУ ИПМ, В. Ф. Волосюка технического директора ООО «Беллюксстрой»

blog comments powered by Disqus

Вверх