В том, что акриловые лакокрасочные материалы (ЛКМ) предпочтительнее, например, алкидных, никого убеждать не надо. Но почему, за счет чего? Давайте попробуем разобраться в этом, не вдаваясь в сложные физико-химические подробности.

Свой рассказ авторы попытались оживить вставками «Есть вопрос!». Жаль только, что вопросов много, а места в журнале мало...

Кузов на конвейере

Для начала вспомним - какие операции предшествуют окраске автомобильного кузова на заводском конвейере?

Прежде всего кузов «в металле» тщательно обезжиривают, промывают и направляют в ванну для химической обработки - фосфатирования. После этой операции на металлической поверхности образуется тончайшая пленка из фосфатов железа и цинка, назначение которой - защищать металл от коррозии при появлении микротрещин в слоях лакокрасочных материалов. Отметим, что фосфатная пленка обладает хорошей адгезией как к металлу, так и к грунтовке.

После фосфатирования кузов снова тщательно промывают, сушат и... опять погружают в гигантскую ванну объемом более 100 куб.м., принимающую два кузова сразу. В этой емкости на фосфатную пленку методом катодного или анодного осаждения наносят слой водоразбавляемой грунтовки с антикоррозионными добавками.

Если кузов служит катодом, сей процесс именуется катафорезом, в противном случае - анафорезом. Отметим, что катафорез обеспечивает более надежную коррозионную защиту сварных швов и скрытых полостей, поэтому он предпочтительнее анафореза.

Толщина слоя катафорезной грунтовки достигает 20 мкм, а благодаря электроосаждению он распределяется равномерно как на горизонтальных, так и на вертикальных поверхностях, хорошо прокрашивая и скрытые полости.

Есть вопрос! Значит, анафорезная грунтовка уже не применяется?

Ответ. На некоторых заводах анафорезные установки еще работают, но они постепенно вытесняются катафорезными.

После сушки при высокой температуре (180oС) на катафорезный слой накладывают еще одну грунтовку - выравнивающую. Ее назначение двояко: во-первых, заполнять и сглаживать мелкие дефекты поверхности, во-вторых - ограничивать развитие трещин, возникающих в лакокрасочном слое. К слову, в отличие от катафорезной, выравнивающая грунтовка от коррозии не защищает.

И, наконец, после сушки и шлифования загрунтованная поверхность окрашивается эмалью либо материалами двухслойной системы: базовая эмаль (металик) плюс прозрачный лак.

Мы совершили этот краткий экскурс, чтобы напомнить: даже самые современные автоэмали не обеспечат качественную покраску кузова без тщательной его подготовки - и конвейерные технологии иллюстрируют это как нельзя лучше.

А теперь перейдем к главной теме нашего разговора - эмалям.

Что такое эмаль?

С филологической точки зрения слово «эмаль» (от франц. email) - типичный омоним. Во-первых, так именуют стеклобразное покрытие, наносимое на металл (или, например, керамику) и закрепляемое обжигом. Такую эмаль изготовляют из легкоплавких цветных стекол с добавлением оксидов металлов и пигментов. За примерами далеко ходить не надо - эмалированые тазы и кастрюли есть в каждом доме.

Во-вторых, эмалью или эмалевой краской называют пигментированный ЛКМ на основе раствора пленкообразователей или ЛКМ, полученный диспергированием пигментов в лаках - как вам больше нравится.

Как правило, эмалевая краска обладает высоким блеском (хотя встречаются и матовые эмали). С упомянутой стеклообразной эмалью ее связывает лишь некая схожесть внешнего вида и не более того.

Есть вопрос! А какая эмаль появилась раньше?

Ответ. Стеклообразная, поэтому во всех словарях и справочниках она упоминается в первую очередь. Но для автомобильных кузовов она не подходит - как по технологическим соображениям, так и из-за повышенной колкости покрытия. В дальнейшем под словом «эмаль» мы будем понимать ЛКМ.

Ниже мы рассмотрим основные виды автомобильных эмалей.

Родная сестра пороха

Не будем вдаваться в подробности покраски кузовов на заре автомобилестроения. Отметим лишь, что маляры использовали краски на основе природных смол, скипидара и олифы с добавками сажи и других пигментов. В двадцатые годы на смену таким краскам пришла нитроэмаль.

Ее история такова. После окончания Первой мировой войны производственные мощности по выпуску пороха оказались незагруженными. Но химики мгновенно сообразили: позвольте, ведь пироксилин (тринитрат целлюлозы), применяемый в производстве пороха, и коллоксилин, идущий на изготовление нитролака - «близнецы-братья»! И тот, и другой являются сложными эфирами целлюлозы и азотной кислоты и различаются, в частности, содержанием азота.

Вот и получилось, что многие пороховые заводы занялись выпуском кинопленки, а также нитролаков и нитроэмалей на основе нитроцеллюлозы. А нитроэмали являют собой не что иное, как суспензии пигментов в нитролаках с добавками пластификаторов, в частности, алкидных смол - без них покрытие получается слишком хрупким (что такое алкидные смолы, сказано ниже).

Кратко напомним некоторые свойства нитроэмалей. Низкое содержание нелетучих веществ в растворе коллоксилина определяет малую толщину пленки при высыхании, поэтому для получения качественного покрытия толщиной 75-125 мкм требуется наносить до десяти слоев эмали. Готовое покрытие стойко к действию температур в диапазоне от -40 до +60oС. Если же нитроэмалевое покрытие нагреть до 100oС и более, пленка разрушится и даже может самовозгореться.

Для своего времени нитроэмали были, безусловно, хороши: они быстро высыхали при комнатной температуре и неплохо противостояли воздействию масел, бензина, солнечных лучей и атмосферных осадков. Правда, для сохранения высокого блеска они требовали частой полировки, но с этим приходилось мириться.

Есть вопрос! За счет чего происходит полимеризация нитроэмали?

Ответ. Запомним раз и навсегда: никакой полимеризации в нитроэмалях не происходит! Отверждение, а точнее высыхание, осуществляется за счет испарения летучих растворителей - это чисто физический процесс. После высыхания образуется обратимая пленка, которая может быть снова растворена в растворителе.

Под маркой НЦ нитроэмали выпускаются и по сей день. В сегодняшних автомобильных делах они применяются ограниченно - разве что частными владельцами и так называемыми «гаражниками» при ремонте небольших повреждений лакокрасочного покрытия. Кроме того, ими иногда красят кабины грузовиков перед техосмотром - получается «дешево и сердито».

Безусловно, по всем показателям, кроме, пожалуй, цены, нитроэмали проигрывают современным ЛКМ, поэтому в тематических обзорах их принято ругать и «пинать ногами». Мы же относимся к этим материалам с искренним уважением - все же «они были первыми».

И еще: в советские времена правительственные «зилы» и «чайки» окрашивали только нитроэмалями. Покрытия насчитывали до 12 слоев, включая грунтовочные, и выглядели те «членовозы» великолепно. Правда, их почти непрерывно подкрашивали и полировали - благо было кому...

«Алкид»

Алкидные эмали у нас называют «эмалями воздушной сушки» - и вполне справедливо, поскольку отверждение их пленок происходит при комнатной температуре с участием кислорода воздуха. Впрочем, об этом чуть ниже, а пока поговорим о терминологии.

Начнем с формального определения: алкидная эмаль - это суспензия пигментов в алкидных лаках с добавками модификаторов. И тут возникает закономерный вопрос: а что такое алкидные лаки? Пожалуйста: это растворы алкидных смол.

Хорошо, скажет читатель, а что такое «алкидные смолы»? Слово «алкидный» происходит от англ. alcohol - спирт и acid - кислота. Соответственно, алкидные смолы получают на основе многоатомных спиртов и многоосновных кислот. Попутно заметим, что термина «алкид» в фундамeнтальной химии не существует, это слово из лакокрасочного лексикона.

К алкидным смолам относится, например, глифталевая смола, получаемая при взаимодействии глицерина (трехатомного спирта), фталевого ангидрида и растительного масла (сложный эфир глицирина и высших жирных кислот).

Можно вспомнить и пентафталевую смолу, ингредиентами которой являются пентаэритрит (четырехатомный спирт) и тот же фталевый ангидрид. На основе этих смол российские лакокрасочные заводы выпускают лаки и эмали, маркируемые соответственно ГФ и ПФ. Это - классические алкидные ЛКМ.

К алкидным относятся и некоторые зарубежные ремонтные автоэмали. Возможно, кто-то удивится: неужели наша ПФ-115 и звучные импортные продукты стоят в одном ряду? Да, с точки зрения механизма отверждения это так. В отличие от нитроцеллюлозных, при сушке алкидных материалов параллельно протекают два процесса: испарение растворителя (физическая сушка) и химическое превращение компонентов связующего в пространственно-сшитый полимер. После полного отверждения расстворить такую пленку невозможно, поэтому ее называют необратимой.

Необходимо помнить: в химическом отверждении (пленкообразовании) всех эмалей, дающих необратимую пленку, обязательно участвуют два компонента.

Есть вопрос! Но алкидные эмали считаются однокомпонентными материалами. Покупая банку с эмалью, мы не получаем никакого отвердителя...

Ответ. Давайте различать коммерческое название и химическую суть. Действительно, двухкомпонентными (2К) материалами называют ЛКМ, поставляемые в двух упаковках: вот, положим, акриловая грунтовка, а вот отвердитель к ней.

В банке с алкидной эмалью находится один реакционноспособный компонент - раствор алкидной смолы, модифицированный растительным маслом. От растительного масла продукту достаются «хвосты» высших жирных непредельных кислот, содержащих сопряженные двойные связи.

Второй компонент алкидных эмалей - это кислород воздуха. Благодаря его взаимодействию с указанными двойными связями образуется высокомолекулярное соединение, то есть происходит полимеризация. А поскольку каждая молекула алкидного компонента имеет несколько двойных связей, полимер получается «пространственно-сшитым». Так что кислород - полноценный компонент связующего, его вполне можно считать отвердителем.

Можно привести показательный бытовой пример: как тщательно ни закрывай банку с эмалью ПФ, все равно в ней образуется пленка. Это результат реакции алкидной составляющей с кислородом, находящимся под крышкой банки. А вот у эмалей марки МЛ (о них будет рассказано ниже) такого явления не наблюдается.

Всем известно, что алкидными эмалями легко и удобно красить, но срок службы такого покрытия недолог. Поэтому алкидные эмали часто используют для окраски подержанных автомобилей перед продажей - вид получается отменный, а что там дальше будет, пусть новый хозяин думает. Ну, и конечно, обновление кабин грузовиков перед техосмотром - здесь наши ПФ успешно конкурируют с нашими же нитроэмалями.

На конвейерах алкидные эмали не применяются.

Есть вопрос! Маляры знают, что пленка алкидной эмали хорошо сохнет «сверху», а вот «вглубь» - хуже...

Ответ. Это характерно при отверждении кислородом - по мере полимеризации его доступ «вглубь» затрудняется. Подобных недостатков лишены автоэмали, которые мы рассмотрим в следующих разделах.

«Синтетика»

В этом разделе мы поговорим о меламиноалкидных эмалях. Как и в предыдущем случае, при отверждении этих ЛКМ одновременно протекают два процесса: испарение растворителя и поликонденсация смол (образование необратимой пленки).

Во втором процессе участвуют два компонента - но до поры, до времени они мирно соседствуют в банке (о механизме отверждения говорится ниже). Что же это за компоненты? Во-первых, это алкидная составляющая, модифицированная растительным маслом, во-вторых - меламинформальдегидная смола.

Есть вопрос! Меламиноалкидные эмали наши мастера давно и упорно именуют «синтетикой». Почему?

Ответ. Одна из этимологических версий такова: при создании алкидной части этих эмалей химики использовали синтетические жирные кислоты. Отсюда и пошло - «синтетика», «покрасить синтетикой».

Но вернемся к компонетам эмали. В отличие от эмалей воздушной сушки, алкидная составляющая меламиноалкидных эмалей содержит мало двойных связей, но обязательно имеет реакционноспособные гидроксильные группы ОН, как у спирта.

Что это означает на практике? Да то, что в отличие от алкидных эмалей, алкидная составляющая здесь практически не вступает в реакцию с кислородом воздуха. Но зато при повышении температуры упомянутые гидроксильные группы ОН начинают взаимодействовать с метилольными группами меламинформальдегидной смолы.

Иными словами, при достаточном нагреве запускается реакция между двумя компонентами. Поэтому второе название меламиноалкидных эмалей - «эмали горячей сушки».

Внимательный читатель уже, наверное, догадался о преимуществах такого механизма: в отличие от кислородного отверждения алкидных эмалей полимеризация здесь проходит равномерно по всей глубине. В результате образуется надежная необратимая пленка с пространственной «сшивкой» по всем направлениям. Если же равномерность отверждения «вглубь» отсутствует, это означает одно из двух: либо эмаль «левая», полученная на дешевом алкидном ингредиенте (жирный алкид с обилием сопряженных двойных связей - в результате инициативу перехватывает кислород воздуха), либо нарушен температурный режим (реакция не «пошла»).

Итак, при высокой температуре меламиноформальдегидная смола в описываемых эмалях играет роль отвердителя. А каковы значения этой температуры? Никакого секрета: 150оС для грунтовок и 130оС для эмалей (например, для «Vika-синтал» МЛ-1110 и новой разработки завода «Vika-синтал» МЛ-1300).

Есть вопрос! В инструкции к меламиноалкидной эмали «Vika-синтал» МЛ-197 написано, что она отверждается при 105oС. Как это согласуется с только что сказанным?

Ответ. В эмали «Vika-синтал» МЛ-197 применена иная, более реакционноспособная меламинформальдегидная смола - она-то и позволила снизить температуру сушки в сравнеии с МЛ-1110. Но есть у «197-ой» и минусы - более года ее хранить нельзя, поскольку даже при обычной температуре реакция хоть медленно, но протекает. Это своеобразная «плата» за повышенную реакционную способность смолы.

Меламиноалкидные эмали МЛ-1110, МЛ-197 и МЛ-1300 широко применяют для покраски автомобильных кузовов на заводских конвейерах. А вот в ремонтных целях их используют в соответствии с поговоркой «на безрыбье...».

«Акрил»

Не ищите в химических справочниках и энциклопедиях слово «акрил» - все равно не найдете. Этот термин является разговорным, жаргонным и означает «акриловый лак», «акриловая эмаль». Но прежде, чем коснуться теории, посмотрим на тару, в которую разлиты акриловые ЛКМ.

В этой группе материалов компоненты связующего (пленкообразователя) разнесены по разным банкам. В отличие от меламиноалкидных эмалей, хранить их в одной емкости нельзя - они тут же вступят в реакцию. А теперь наберемся терпения и попытаемся, как говорится, «на пальцах» разобраться в химии этих ЛКМ.

Первый компонент содержит раствор акрилового сополимера. Это высокомолекулярное вещество, продукт совместной полимеризации акриловых мономеров - акриловой и метакриловой кислот, а также их сложных эфиров (если кому интересно - метилакрилата, бутилакрилата, метилметакрилата, бутилметакрилата и других). И что важно: в составе этого сополимера есть звенья с гидроксильными группами ОН - запомним это.

Теперь о втором компоненте, фактически - отвердителе. В его состав входит полиизоцианат (для отечественных двухкомпонентных акриловых материалов «Vika-акрил» этот ингредиент носит гордое химическое название «гексаметилендиизоцианат биурет»). Но название названием, а нам важно знать, что он содержит изоцианатные группы (O=C=N-) весьма и весьма реакционноспособные.

И когда раствор сополимера и отвердитель соединяют, гидроксильная и изоционатная группа вступают в реакцию по следующей схеме:

Конструкция, начертанная справа от стрелочки - не что иное, как уретановая группа. Отметим, что изоцианатные группы, присутствующие в отвердителе, условно можно изобразить в виде трехлучевых звездочек: O=C=N

Благодаря этому возникающая при полимеризации полиуретановая сетка получает пространственные «сшивки».

В конечном итоге в отвержденной акриловой пленке образуется полиуретан, придающий покрытию исключительно высокие потребительские свойства, в частности атмосферостойкость и эластичность.

Описанная система носит название «акрил-уретановой». Такие материалы имеются в арсеналах всех известных окрасочных систем. По этой же схеме работает отечественная «Vika-акрил».

Есть вопрос! Можно ли разбавлять акриловые ЛКМ отечественными растворителями серии 645-651?

Ответ. Категорически нет. Они содержат спирты (см. таблицу), а следовательно, посторонние гидроксильные группы ОН. Они способны направить реакцию по ложному пути, и в результате пространственно-сшитого полимера не образуется. По той же причине в системе не допустимо присутствие влаги. Следует применять растворители или разбавители, рекомендованные производителем ЛКМ. Для «Vika-акрил» - это 1301 и 1301-М.

Есть вопрос! Можно ли отверждать «Vika-акрил» отвердителем «Изур»?

Ответ. Нет. В акриловых системах сополимер и полиизоцианат тщательно подбираются друг к другу. Если взять другой отвердитель - получим другой полимер с совершенно иными свойствами.

Такова, если вкратце, ретроспектива развития автомобильных эмалей. От обратимой пленки «нитро», через отверждаемое кислородом покрытие «алкида», через пространственную сетку «синтетики» к полиуретановой «сшивке» «акрила»... И все это в течение двадцатого века. Неплохо для ста лет, не так ли?

«Нитро», «синтетика», «акрил»... Интересно, что добавит в этот список двадцать первый век?

Растворители серии «645-651»

Растворители и разбавители

Растворитель и разбавитель - это не одно и то же, хотя и тот и другой применяются для получения требуемой вязкости ЛКМ.

Растворитель - понятие фундаментальное, он служит для получения истинного раствора, в котором молекулы растворенного вещества располагаются равномерно.

Разбавители, применяемые в лакокрасочной промышленности, строго говоря, не обязаны что-то растворять. Их задача - лишь понижать вязкость, не приводя к расслоению и коагуляции разбавляемого продукта. Поэтому разбавители могут быть и несовместимыми с разбавляемым материалами. Иногда это свойство разбавителей оказывается полезным: нарушение «родственности» измененяет форму макромолекул ЛКМ, они как бы «поджимают лапки», что очень эффективно снижает вязкость продукта. Разумеется, такие разбавители не должны отрицательно влиять на процесс формирования пленки, и тут всю ответственность на себя принимает фирма, производящая разбавитель.

Несмотря на каталожное наименование «разбавитель», продукты марок 1301 и 1301М для «Vika-акрил» с физико-химической точки зрения являются все же растворителями.

Ацетон, являясь растворителем, не пригоден для снижения вязкости ЛКМ - он слишком летуч и не обеспечивает оптимального высыхания пленки при испарении. В лакокрасочной промышленности он применяется в качестве компонента сложного растворителя (разбавителя).

Катализаторы, инициаторы, отвердители

В публикациях на тему ЛКМ часто путают понятия «катализатор», «инициатор» и «отвердитель». В действительности это разные материалы, и механизм их действия неодинаков.

Как известно из школьного курса химии, катализатор увеличивает скорость химической реакции, но сам в реакцию не вступает.

В качестве примера приведем так называемые «кислые катализаторы». Будучи добавлены в меламиноалкидную эмаль, они создают кислую среду, в которой меламинформальдегидная смола гораздо «охотнее» взаимодействует с гидроксильными группами алкидного компонента, что позволяет снизить температуру сушки. Подобная технология применяется, например, на конвейере «АвтоВАЗа» при ремонте незначительных повреждений лакокрасочного покрытия нового автомобиля.

В акриловых системах используют катализаторы на основе органических аминов, ускоряющих реакцию уретанобразования.

Инициатор, в отличие от катализатора, участвует в реакции, генерируя радикалы, расходуется (распадается) сам и, в конечном итоге, входит в состав полимера. Пример: второй компонент (тюбик) в полиэфирных шпатлевках содержит именно инициатор.

И, наконец, об отвердителях. Отвердитель - это полноправный компонент связующего. Он не является ни катализатором, ни инициатором.

Завод «Русские краски». Мы наблюдаем знаменательное событие: впервые в производство запускается акриловая выравнивающая грунтовка АК-0291 из серии «Vika-акрил». Материал тщательно перемешивается в дисолвере, после чего дежа (емкость) направляется...