Влияние модификации полиэфирного пленкообразующего вещества на износостойкость и декоративные свойства лаковых покрытий

Введение

В настоящее время большое количество исследований направлено на повышение декоративных характеристик и увеличение срока эксплуатации лакокрасочных покрытий. Одним из факторов, влияющих на долговечность покрытий, является способность противостоять износу при трении. Повышение износостойкости позволит увеличить срок службы лакокрасочных покрытий [1–3].

Одной из отраслей применения износостойких лакокрасочных покрытий является авиационная промышленность. Данные покрытия используются для окраски интерьеров авиационной техники, в частности для защитно-декоративной окраски элементов кабины пилота и панелей приборов. Помимо защитных свойств, они должны обладать низким уровнем блеска и определенными цветовыми характеристиками [4–6]. Совокупность перечисленных факторов делает актуальными исследования и разработку износостойких матовых лакокрасочных покрытий.

Износостойкость лакокрасочных покрытий обусловлена природой пленкообразующего вещества, а также химической природой и формой наполнителей [7]. Полимерное пленкообразующее вещество должно иметь прочную полимерную матрицу и характеризоваться высокой твердостью, эластичностью и способностью выдерживать абразивный износ.

В настоящее время для производства износостойких лакокрасочных покрытий используются модифицированные эпоксидные, алкидные и полиуретановые пленкообразователи [8–11]. Широкое распространение в качестве пленкообразующих веществ для создания износостойких покрытий получили сложные полиэфиры. Благодаря структуре и наличию сложноэфирных групп полиэфиры обладают высокой эластичностью и стойкостью к механическим повреждениям [12, 13].

Модификация пленкообразующих веществ способствует улучшению свойств лакокрасочных покрытий. При химической модификации полимеров происходит изменение молекулярной структуры, модификатор встраивается в полимерную цепь. При физико-химической модификации возможно образование двухфазной полимерной матрицы [14–17].

Создание несовместимой двухфазной полимерной матрицы способствует диффузному рассеиванию светового потока, что в свою очередь снижает блеск покрытия. Это свойство обеспечивает создание более ровных матовых покрытий [18–20].

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия», комплексной научной проблемы 17.7. «Лакокрасочные материалы и покрытия на полимерной основе» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [21].

Материалы и методы

С целью выбора оптимального состава полимерной матрицы для разработки износостойкого матового покрытия изготовлены лаковые композиции на основе сложного полиэфира, являющегося продуктом поликонденсации этиленгликоля и глицерина с себациновой кислотой. Для его модификации использованы:

• фторполиуретановый олигомер;
• акрил-уретановый олигомер;
• тиолсодержащий уретан;
• полисульфидный каучук;
• эпоксидный олигомер.

Модифицирование проводили путем смешивания полиэфира с модификаторами в разных соотношениях (90/10, 70/30 и 50/50) при добавлении смеси органических растворителей. Для отверждения лаковых композиций использовали алифатический изоцианатный отвердитель.

Изготовленные лаковые композиции наносили на загрунтованные образцы алюминиевого сплава Д16-АТ, анодированные в серной кислоте с наполнением анодной пленки в растворе хромпика (Ан.Окс.нхр), методом пневматического распыления. Для обеспечения адгезии лаковых покрытий к поверхности образцов использована эпоксидная грунтовка.

После отверждения образцы с покрытиями выдерживали в течение 10 сут при температуре 20±2 °С. Перед испытаниями определена толщина лаковых покрытий в соответствии с ГОСТ 31993–2024. Среднее значение толщины всех готовых лаковых покрытий составило 50–65 мкм.

Для определения износостойкости лаковых покрытий в соответствии с ИСО 7784-2:2016 образец закрепляли на вращающейся платформе и подвергали трению абразивными дисками. Износостойкость оценивали по потере массы после истирания в течение 1000, 3000, 5000 и 7000 циклов испытания. За цикл испытания принимали один оборот образца. Для испытания использовали два груза по 500 г и абразивные колеса марки CS-10. Данный метод имитирует реальный износ покрытия при эксплуатации.

Адгезию лаковых композиций определяли в соответствии с ГОСТ 31149–2014, прочность покрытия при ударе – ГОСТ 4765–2024, эластичность покрытия при изгибе – ГОСТ 6806–2024, блеск покрытия под углом 60 градусов – ГОСТ 31975–2017, шероховатость – ГОСТ 25142–82.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 приведены зависимости потери массы покрытия от количества циклов истирания для композиций на основе немодифицированного полиэфира и полиэфира с различными модификаторами в соотношениях 90/10, 70/30 и 50/50.

Лаковые покрытия на основе сложного полиэфира, модифицированного фторполиуретановым олигомером (рис. 1, а), обладают более высокой износостойкостью, чем покрытие на основе немодифицированного полиэфира. Следует отметить, что с увеличением концентрации фторполиуретанового олигомера износостойкость покрытий монотонно снижается. Максимальную износостойкость лакового покрытия обеспечивает соотношение полиэфира и фторполиуретана 90/10. В этом случае потеря массы после 7000 циклов истирания составляет 0,006 г, что в 5 раз меньше, чем у исходного пленкообразующего вещества (сложного полиэфира) без модификатора.

Введение в качестве модификатора акрил-уретанового олигомера оказывает существенное влияние на износостойкость полиэфирных лаковых композиций (рис. 1, б). Увеличение содержания акрил-уретанового олигомера приводит к снижению потери массы лаковых покрытий при истирании. При соотношении полиэфира и акрил-уретанового олигомера 50/50 наблюдается максимальная износостойкость покрытий: после 7000 циклов испытаний потеря массы составляет 0,005 г, что в 5 раз меньше, чем у исходного пленкообразующего вещества без модификатора.

Модификация полиэфира полисульфидным каучуком снижает устойчивость покрытий (рис. 1, в). После 7000 циклов испытаний возрастает потеря массы покрытия после истирания, т. е. износостойкость снижается в зависимости от содержания полисульфидного каучука в 1,3–2 раза относительно полиэфира.

Износостойкость покрытий при модификации тиолсодержащим уретаном возрастает по сравнению с исходным полиэфиром (рис. 1, г). При концентрации тиолсодержащего уретана в полиэфире 30 % потеря массы составляет 0,009 г. При увеличении концентрации данного модификатора износостойкость лаковых покрытий снижается, потеря массы увеличивается до 0,013 г. Таким образом, для композиций, состоящих из полиэфира и тиолсодержащего олиго

Введение в полиэфир эпоксидного олигомера способствует увеличению износостойкости лаковых покрытий относительно немодифицированного варианта (рис. 1, д). Оптимальным является соотношение полиэфира и эпоксидного олигомера в лаковой композиции 90/10. В этом случае потеря массы при истирании в течение 7000 циклов снижается в 2 раза относительно полиэфира без модификатора. Увеличение содержания эпоксидного олигомера в полиэфирном пленкообразующем приводит к уменьшению износостойкости, что может быть связано со снижением подвижности сегментов макромолекул и повышением жесткости покрытия.

На рис. 2 и 3 представлены сравнительные диаграммы блеска лаковых покрытий (угол измерения 60 градусов) и шероховатости поверхности (R_a).

Наибольшим блеском обладают покрытия на основе полиэфира, модифицированного акрил-уретановым олигомером; наибольшей шероховатостью – модифицированного полисульфидным каучуком. Следует обратить внимание, что блеск покрытия существенно зависит от шероховатости и в значительной мере определяет износостойкость. Поэтому при разработке матовых износостойких покрытий следует соблюдать баланс между блеском и шероховатостью.

Адгезия к эпоксидной грунтовке лаковых покрытий на основе полиэфира с модификаторами равна 1 баллу, эластичность при изгибе составляет 1 мм. Прочность при ударе для лаковых покрытий, включающих полисульфидный каучук и тиолсодержащий уретан, составляет 10 см, в то время как для всех остальных лаковых покрытий значение данного показателя достигает 50 см.

В таблице представлены данные по изменению блеска после истирания.

Блеск лаковых покрытий после истирания, как правило, снижается, за исключением композиций, включающих тиолсодержащий уретан. Следует также отметить, что, несмотря на увеличение блеска при повышении концентрации фторполиуретанового и акрил-уретанового олигомеров, после истирания лаковых покрытий этот показатель снижается.

Заключения

Показано влияние химической природы и концентрации модификатора в полиэфире на износостойкость, блеск и шероховатость лаковых покрытий.

Максимальные значения износостойкости достигнуты при использовании в лаковых композициях полиэфира фторполиуретанового и акрил-уретанового олигомеров в соотношении 90/10 и 50/50 соответственно. Применение данных модификаторов в указанных соотношениях позволило увеличить износостойкость лаковых покрытий в 5 раз по сравнению с покрытиями на основе немодифицированного полиэфира.

Применение в лаковых композициях тиолсодержащего уретана и полисульфидного каучука приводит к снижению прочности покрытия при ударе.

Установлено, что истирание лаковых покрытий на основе полиэфира не увеличивает исходный блеск, за исключением покрытий на основе полиэфира, модифицированного тиолсодержащим уретаном.

Наиболее высокий уровень свойств лаковых покрытий достигнут при использовании в качестве модификатора фторполиуретанового олигомера в соотношении 90/10.