Влияние искусственного старения на свойства систем покрытий на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 с применением эпоксидных, полиуретановых, акрилуретановых и фторполиуретановых эмалей

Введение

Современный летательный аппарат представляет собой сложную конструкцию, выполненную из разнородных металлов и неметаллических материалов.

Самолеты и вертолеты эксплуатируются в различных климатических условиях, вследствие чего они подвергаются воздействию атмосферных факторов, резкому перепаду температур при взлете и посадке, а также испытывают механические нагрузки [1–3].

Эти условия способствуют возникновению коррозии металлических деталей, ухудшающей их механические свойства, а также разрушению или изменению первоначальных свойств деталей из неметаллических материалов. Сложные условия эксплуатации авиационной техники обуславливают необходимость постоянного повышения надежности лакокрасочных покрытий (ЛКП), грунтовок и эмалей, обладающих улучшенными адгезионными и защитными свойствами, экологически безопасных и быстросохнущих. Лакокрасочные покрытия должны сохранять свои свойства в условиях полета на больших скоростях при переменных нагрузках и вибрации, повышенной солнечной радиации, а также при воздействии пыли и песка при взлете и посадке. Жесткие условия эксплуатации потребовали разработки ряда лакокрасочных материалов специально для самолетостроения [4–8].

Для защиты и декоративной отделки самолетов и вертолетов применяются различные системы ЛКП, основной задачей которых является защита деталей и узлов конструкции летательных аппаратов от разрушающего воздействия окружающей среды. Применение той или иной системы ЛКП зависит от назначения  конструкции, условий эксплуатации, режима работы, а также требований, предъявляемых к декоративности покрытия [9–13].

Системой покрытий принято считать сочетание последовательно наносимых слоев лакокрасочных материалов различного назначения. В основе комплексной системы ЛКП заложен принцип функциональности каждого наносимого слоя. Грунтовочный слой выполняет функцию антикоррозионной защиты и обеспечивает адгезию к окрашиваемой поверхности, а также к последующему слою покрытия. Изолирующие слои эмали обеспечивают защиту от внешних воздействующих факторов и атмосферостойкость, устойчивость к воздействию перепада температур, эрозионную и химическую стойкость, а также декоративные и другие свойства, необходимые для конкретных условий эксплуатации [14–16].

Грунтовочное покрытие на металлической поверхности является преградой от воздействия внешних факторов. Действие грунтовки на поверхность металла включает сложный процесс изменения состояния поверхности алюминиевого сплава при контакте с электролитом в устойчивое пассивное состояние. Необходимо отметить особое значение грунтовочного покрытия для обеспечения адгезии системы покрытий, которая испытывает также динамические нагрузки в процессе эксплуатации изделий авиационной техники [17–24].

В связи с этим разработка перспективных лакокрасочных материалов, обеспечивающих высокий уровень защиты и отвечающих современным требованиям (в том числе экологическим), является в настоящее время актуальной задачей. Так, для защиты внешней поверхности изделий авиационной техники в основном используются атмосферостойкие системы покрытий на основе полиуретановых, акрилуретановых и фторполиуретановых эмалей. Для защиты внутренних поверхностей используются системы покрытий на основе эпоксидных грунтовок и эмалей. Следует отметить, что в ведущих странах мира среди разработчиков антикоррозионных грунтовок наблюдается тенденция снижения их токсичности путем замены хроматных пигментов на нетоксичные ингибиторы коррозии [25–34].

Данная работа посвящена изучению влияния искусственного старения на свойства систем покрытий на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 с применением эпоксидных, полиуретановых, акрилуретановых и фторполиуретановых эмалей.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ 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») [35].

Материалы и методы

Для изучения свойств систем покрытий на основе бесхроматной быстросохнущей защитной грунтовки ВГ-44 выбраны следующие лакокрасочные материалы:

– эпоксидно-полиамидная эмаль ЭП-140 (ТУ 1-595-15-1855–2020);

– полиуретановая эмаль УР-1161 (ТУ 6-10-1758–80);

– акрилуретановая эмаль АК-1206 (ТУ 6-10-ВИАМ-100–88);

– фторполиуретановая эмаль ВЭ-69 (ТУ 1-595-15-1057–2008).

Определение свойств систем лакокрасочных материалов с применением бесхроматной грунтовки ВГ-44 проводили в сравнении с аналогичными системами ЛКП с серийной хроматной грунтовкой ЭП-0215.

В процессе исследований основное внимание уделено изменению свойств изучаемых систем покрытий после воздействия факторов, вызывающих старение ЛКП: перепад температур по циклу ЛИ-14 (–60÷+80 °С) и термическое старение (непрерывный нагрев) при температуре 80 °С в течение 1000 ч, а также при температуре 100 °С в течение 500 ч.

Искусственное старение систем ЛКП проводили по циклу ЛИ-14 в диапазоне температур –60÷+80 °С в течение 16 циклов. Один цикл испытаний соответствует воздействию: камеры влажности при φ = 98 ± 2 % и температуре 23 ± 2 °С в течение 16–16,5 ч; охлаждению при температуре –60 °С в течение 1 ч; нагреву при температуре 100 °С в течение 2,5 ч; охлаждению при температуре –60 °С в течение 1 ч, затем нагреву при температуре 80 °С в течение 2,5 ч и охлаждению образцов в течение 15 мин.

В качестве основных критериев оценки свойств систем ЛКП с применением бесхроматной грунтовки ВГ-44 и хроматной грунтовки ЭП-0215 выбраны: адгезия покрытий – по ГОСТ 15140–78; прочность при растяжении (эластичность) – по ГОСТ 29309–92; прочность покрытия при ударе – по ГОСТ 4765–73; водопоглощение – по ГОСТ 21513–76. Водопоглощение определяли на алюминиевой фольге толщиной 150 мкм после испытаний в дистиллированной воде в течение 30 сут.

После проведения ускоренных испытаний оценивали изменение цветовых характеристик (блеск – ΔЕ).

Результаты и обсуждение

Для проведения исследований на лабораторном оборудовании изготовлены грунтовки ВГ-44 и ЭП-0215, определены технологические свойства грунтовок (табл. 1).

Как видно из полученных результатов, по содержанию нелетучих веществ грунтовка ВГ-44 практически не отличается от грунтовки ЭП-0215, при этом грунтовка ВГ-44 не содержит токсичных хроматных ингибирующих пигментов, имеет более высокую вязкость (39 с) по сравнению с грунтовкой ЭП-0215 (21 с). Время высыхания грунтовки ВГ-44 до степени 3 составляет 3 ч, а грунтовки ЭП-0215 – 6 ч, что позволяет сократить технологический цикл окраски изделий авиационной техники.

Таблица 1

Технологические свойства полуфабрикатов грунтовок ВГ-44 и ЭП-0215

Для определения свойств покрытий изготовлены образцы из алюминиевого сплава Д16-АТ (Ан.Окс.нхр) с покрытиями ВГ-44 и ЭП-0215.

В табл. 2 приведены результаты определения свойств покрытий на основе грунтовок ВГ-44 и ЭП-0215.

Таблица 2

Свойства покрытий на основе грунтовок ВГ-44 и ЭП-0215

Из полученных результатов следует, что покрытие на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 по адгезии, прочности при ударе и растяжении (эластичность) при изгибе не уступает покрытию на основе хроматной грунтовки ЭП-0215. Следует отметить, что водопоглощение покрытия ВГ-44 на ~10 % меньше, чем у покрытия ЭП-0215.

Системы покрытий на основе грунтовок ВГ-44 и ЭП-0215 с применением эмалей ВЭ-69, АК-1206, УР-1161 и ЭП-140 наносили на образцы из сплава Д16-АТ (Ан.Окс.нхр) методом пневматического распыления в соответствии с нормативной документацией.

Исследованы адгезия и физико-механические свойства систем ЛКП  на основе бесхроматной быстросохнущей грунтовки ВГ-44 с эмалями ВЭ-69, АК-1206, УР-1161 и ЭП-140 в сравнении с аналогичными системами ЛКП на основе серийной хроматной грунтовки ЭП-0215.

В табл. 3 представлены результаты определения адгезии и физико-механических свойств вышеуказанных систем ЛКП в исходном состоянии.

Видно, что системы покрытий на основе бесхроматной быстросохнущей защитной грунтовки ВГ-44 по адгезии и физико-механическим свойствам практически не отличаются от систем покрытий на основе хроматной грунтовки ЭП-0215. Адгезия всех исследуемых систем ЛКП как в исходном состоянии, так и после 10 сут увлажнения составляет 1 балл, прочность при ударе 5 Дж, прочность при растяжении (эластичность) систем покрытий на основе грунтовки ВГ-44 соответствует прочности при растяжении систем покрытий на основе грунтовки ЭП-0215.

Таблица 3

Адгезия и физико-механические свойства систем покрытий

в исходном состоянии

Определено водопоглощение систем ЛКП на основе грунтовки ВГ-44 с применением эмалей ВЭ-69, АК-1206, УР-1161 и ЭП-140 в сравнении с грунтовкой ВГ-44 (без покрытия) после 30 сут испытаний в дистиллированной воде (рис. 1).

Рис. 1. Водопоглощение грунтовки ВГ-44 и систем покрытий после экспозиции в дистиллированной воде в течение 30 сут при температуре 20 °С

Из полученных результатов следует, что наиболее высокие значения водостойкости исследуемых систем ЛКП получены с применением фторполиуретановой эмали ВЭ-69 (2,19 %), что свидетельствует о ее достаточно высокой водостойкости. Наименьшие значения водостойкости получены с применением эмали АК-1206.

Исследованы адгезия и прочность при ударе систем ЛКП на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 с эмалями ВЭ-69, АК-1206, УР-1161 и ЭП-140 после искусственного старения по методике ЛИ-14 (при –60÷+80 °С) в течение 16 циклов, а также после термостарения при температуре 80 °С в течение 1000 ч, а также при температуре 100 °С в течение  500 ч (табл. 4).

Из результатов, представленных в табл. 4, следует, что адгезия всех исследуемых систем покрытий после термоциклирования, а также после термостарения сохранилась на исходном уровне и составляет 1 балл. Прочность при ударе системы покрытий ВГ-44 + УР-1161 снизилась до 4 Дж, что составляет 25 % от исходного значения. Прочность при ударе остальных систем покрытий после термоциклирования и термостарения сохранилась на исходном уровне.

Таблица 4

Адгезия и прочность при ударе систем покрытий

после термоциклирования и термостарения

На рис. 2 приведены результаты определения прочности при растяжении систем ЛКП в исходном состоянии и после искусственного старения.

Рис. 2. Прочность при растяжении систем лакокрасочных покрытий в исходном состоянии (■), после термоциклирования по циклу ЛИ-14 (при –60 ÷+80 °С) в течение 16 циклов (■) и термостарения после нагрева при 80 °С в течение 1000 ч (■) и при 100 °С в течение 500 ч (■)

Видно, что в зависимости от условий, температуры и длительности испытаний изменяется и прочность при растяжении. В табл. 5 приведены результаты, полученные при определении снижения прочности при растяжении систем покрытий после искусственного старения.

Следует отметить, что наиболее интенсивное снижение прочности при растяжении (~49 %) наблюдается на образцах, окрашенных системой ЛКП: ВГ-44 + УР-1161.

Снижение прочности систем ЛКП при старении обусловлено изменением структуры полимерного пленкообразующего, которое связано с длительным воздействием температуры на полимерную пленку в присутствии кислорода воздуха. При непрерывном воздействии температуры могут протекать необратимые процессы термоокислительной деструкции, которые приводят к необратимым изменениям структуры и, соответственно, к изменению свойств полимерного покрытия. Из полученных результатов также видно, что наиболее устойчивой является система покрытий ВГ-44 + ВЭ-69. Снижение прочности при растяжении для этой системы покрытий не превышает 24 %.

Таблица 5

Снижение прочности при растяжении систем покрытий

после искусственного старения

Исследованы декоративные свойства покрытий после искусственного старения по методике ЛИ-14 при –60÷+80 °С в течение 16 циклов, а также после термостарения при температурах 80 °С в течение 1000 ч и 100 °С в течение 500 ч.

На рис. 3 представлены результаты определения блеска систем ЛКП после искусственного старения, а также изменение блеска этих систем ЛКП относительно исходных значений.

Рис. 3. Результаты определения блеска (а) и его  изменения (б) систем лакокрасочных покрытий в исходном состоянии (■) и после искусственного старения по циклу ЛИ-14 при
–60÷+80 °С в течение 16 циклов (■), термостарения после нагрева при 80 °С в течение 1000 ч (■)
и при 100 °С в течение 500 ч (■)

Видно, что искусственное старение исследуемых систем покрытий по методике ЛИ-14 при –60÷+80 °С в течение 16 циклов, а также после термостарения при температурах 80 °С в течение 1000 ч и 100 °С в течение 500 ч приводит к изменению блеска всех систем покрытий. Наиболее интенсивно происходит снижение блеска (до 36,5 %) на образцах, окрашенных лакокрасочной системой ВГ-44 + УР-1161, при температуре 100 °С в течение 500 ч. Следует отметить, что наименьшее значение (8,79 %) потери блеска при искусственном старении получено для системы покрытий ВГ-44 + ВЭ-69 после термического старения при температуре 100 °С в течение 500 ч.

В табл. 6 приведены результаты определения цветовых характеристик исследуемых систем ЛКП после искусственного старения.

Таблица 6

Изменение цветовых характеристик (ΔЕ) систем покрытий

после искусственного старения

Полученные результаты свидетельствуют о том, что искусственное старение систем покрытий на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 с применением эпоксидных, полиуретановых, акрилуретановых и фторполиуретановых эмалей по методике ЛИ-14 при –60÷+80 °С в течение 16 циклов, а также после термостарения при температурах 80 °С в течение 1000 ч и 100 °С в течение 500 ч не приводит к изменению цвета покрытий. Для всех исследуемых систем ЛКП цветовое различие ˂1, что свидетельствует об отсутствии видимых изменений цветовых характеристик ЛКП в соответствии с ГОСТ 9.407–2015.

Заключения

Исследованы адгезия и физико-механические свойства систем ЛКП  на основе бесхроматной быстросохнущей грунтовки ВГ-44 с эмалями ВЭ-69, АК-1206, УР-1161 и ЭП-140 в сравнении с аналогичными системами ЛКП на основе серийной хроматной грунтовки ЭП-0215. Показано, что системы покрытий на основе бесхроматной быстросохнущей защитной грунтовки ВГ-44 по адгезии и физико-механическим свойствам практически не отличаются от систем покрытий на основе хроматной грунтовки ЭП-0215.

Определено водопоглощение систем ЛКП на основе грунтовки ВГ-44 с применением эмалей ВЭ-69, АК-1206, УР-1161 и ЭП-140 в сравнении с грунтовкой ВГ-44 (без покрытия) после 30 сут испытаний в дистиллированной воде. Установлено, что наиболее высокие значения водостойкости исследуемых систем ЛКП (водопоглощение 2,19 %) получены с применением фторполиуретановой эмали ВЭ-69.

Исследованы адгезия и прочность при ударе систем ЛКП на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 с эмалями ВЭ-69, АК-1206, УР-1161 и ЭП-140 после искусственного старения по методике ЛИ-14 при –60÷+80 °С в течение 16 циклов, а также после термостарения при температурах 80 °С в течение 1000 ч и 100 °С в течение 500 ч. Показано, что адгезия всех исследуемых систем покрытий после термоциклирования, а также после термостарения сохранилась на исходном уровне: 1 балл. Прочность при ударе систем покрытий, за исключением системы ВГ-44 + УР-1161, также сохранилась на исходном уровне: 5 Дж.

Искусственное старение приводит к снижению прочности систем покрытий при растяжении. Для всех исследуемых систем ЛКП наиболее существенное снижение прочности при растяжении происходит после термического старения при температуре 100 °С в течение 500 ч, что обусловлено изменением структуры полимерного пленкообразующего.

Исследованы декоративные свойства покрытий после искусственного старения в аналогичных условиях. Установлено, что искусственное старение систем покрытий на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 с применением эпоксидных, полиуретановых, акрилуретановых и фторполиуретановых эмалей после искусственного старения приводит к изменению блеска всех исследуемых систем покрытий. Наиболее интенсивно происходит снижение блеска на образцах, окрашенных системой ВГ-44 + УР-1161, при температуре 100 °С в течение 500 ч, наименьшие значения (8,79 %) потери блеска при искусственном старении получены на образцах, окрашенных системой покрытий ВГ-44 + ВЭ-69.

Определены цветовые характеристики исследуемых систем ЛКП после искусственного старения. Показано, что искусственное старение систем покрытий на основе бесхроматной грунтовки ВГ-44 с применением эпоксидных, полиуретановых, акрилуретановых и фторполиуретановых эмалей не приводит к изменению цвета покрытий – для всех исследуемых систем ЛКП цветовое различие ˂1, что свидетельствует об отсутствии видимых изменений цветовых характеристик ЛКП.