Исследование свойств систем покрытий на основе универсальной шпатлевки холодного отверждения с применением фторопластовой, фторкаучуковой и полиуретановой эмалей после воздействия различных факторов эксплуатации

Введение

Современное развитие авиационной техники характеризуется резким увеличением доли полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях воздушных судов. Их широкое внедрение обусловлено высокими удельными прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, а также хорошими эксплуатационными свойствами и сопротивлением усталости [1–4].

В условиях эксплуатации летательные аппараты подвергаются значительным температурным перепадам, климатическим воздействиям и механическим нагрузкам, особенно в фазах взлета и посадки. В связи с этим критически возрастает роль защитных покрытий, обеспечивающих долговечность и надежность конструкций из ПКМ. Эффективность лакокрасочных покрытий (ЛКП) напрямую влияет на срок службы и безопасность полетов авиационной техники. При этом важнейшими параметрами становятся адгезия покрытий к различным подложкам, механическая прочность и устойчивость к агрессивным внешним воздействиям [5, 6].

Одной из актуальных задач является ремонт, а также выравнивание перед окраской поверхности конструкций из ПКМ, в том числе крупногабаритных панелей, в условиях ограниченного доступа к промышленным условиям. Для таких случаев требуются быстросохнущие материалы холодного отверждения, которые обладают высокой адгезией к подложке, равномерным распределением по поверхности и минимальной усадкой при отверждении. В настоящее время наибольшее распространение получили полиэфирные шпатлевки, характеризующиеся малой усадкой даже при значительной толщине слоя и высокой скоростью полимеризации (по сравнению с акриловыми и нитроцеллюлозными аналогами). Применяются также отечественные системы на основе эпоксидных грунтовок и шпатлевок (например, ЭП-0104, ЭП-0026, ЭП-0080), содержащие до 40–70 % органических растворителей. Это приводит к значительным выбросам летучих органических соединений и увеличенной энергоемкости процесса. В связи с этим необходимо создание экологичных отечественных ЛКП холодного отверждения с пониженным в 1,5–2 раза содержанием растворителей, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками [7–13].

Шпатлевки используются в системах с грунтами, гарантирующими адгезию к подложке, а также с эмалями, обеспечивающими атмосферостойкость, устойчивость к перепадам температур, химическим реагентам, эрозии и декоративные свойства.

В современной авиационной промышленности широкое применение находят покрытия на основе фторопластовых, фторкаучуковых и полиуретановых эмалей. Внутренние поверхности защищаются эпоксидными грунтами и эмалями. Особое внимание уделяется фторкаучуковым покрытиям, демонстрирующим высокую гибкость, коррозионную стойкость и устойчивость к вибрациям и температурным циклам. Полиуретановые эмали ценятся за ударопрочность, стойкость к воздействию внешних факторов и декоративные качества, фторопластовые ЛКП ‒ за исключительную химическую стойкость и высокую атмосферостойкость [14–19].

Таким образом, разработка и внедрение новых ЛКП холодного отверждения с улучшенными экологическими и эксплуатационными характеристиками являются актуальной научно-практической задачей в области авиационных покрытий.

Цель данного исследования ‒ комплексная оценка влияния универсальной шпатлевки холодного отверждения ВШ-25 на физико-механические и защитные характеристики систем покрытий с различными типами эмалей (фторопластовых, фторкаучуковых, полиуретановых), а также исследование их свойств в условиях эксплуатации.

Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации научного направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия» комплексной научной проблемы 17.7 «Лакокрасочные материалы и покрытия на полимерной основе» в соответствии со «Стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [20].

Материалы и методы

С целью изучения свойств покрытий на базе шпатлевки ВШ-25 выбраны следующие лакокрасочные материалы:

– эпоксидная грунтовка ЭП-0104 (ТУ 6-10-1124–75);

– эпоксидная грунтовка ЭП-0215 (ТУ 6-10-1966–84);

– эпоксидная грунтовка ВГ-28 (ТУ 1-595-15-582–2022);

– фторкаучуковая эмаль КЧ-5230 (ТУ 6-10-2034–85);

– фторопластовая эмаль ВЭ-46 (ТУ 1-595-9-273–2021);

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

Свойства лакокрасочных систем, содержащих универсальную шпатлевку холодного отверждения ВШ-25, определялись в сравнении с аналогичными системами в исходном состоянии, а также с системами без использования шпатлевки.

Выбраны следующие подложки – алюминиевый сплав Д16 с нанесенным покрытием Ан.Окс.нхр, углепластик ВКУ-39/ВтКУ-2.200, стеклопластики ВПС-48/7781 и КМКС. Шпатлевку на подложки наносили с помощью пластикового шпателя. Остальные лакокрасочные материалы, такие как грунтовки и эмали, наносили методом пневматического распыления в соответствии с требованиями нормативной документации. Образцы с нанесенными покрытиями выдерживали в камере с постоянными значениями температуры и влажности. Для оценки прочности при ударе и адгезии покрытия образцы выдерживали в течение 5 сут при температуре 20±2 °С.

Системы покрытий на основе шпатлевки ВШ-25 испытаны на стойкость к воздействию следующих эксплуатационных факторов:

‒ термостарение при температурах 100 °С в течение 1000 ч и 80 °С в течение 2000 ч;

‒ ускоренные испытания на стойкость к ультрафиолетовому излучению;

‒ статическое воздействие воды в течение 7 сут;

‒ статическое воздействие рабочих жидкостей в течение 14 сут;

‒ грибостойкость;

‒ испытания в тропической камере;

‒ экспозиция на открытых площадках в г. Москве (12 мес.) и г. Геленджике (12 мес.).

Ускоренные испытания на стойкость к ультрафиолетовому излучению проводили в течение 1000 ч (1 цикл: 4 ч – облучение лампой UVB-340, температура 60 °С; 4 ч – конденсация влаги, температура 50 °С).

Грибостойкость систем покрытий определяли по ГОСТ 9.049–91 (метод 2, по шестибалльной шкале) при сроке испытания 28 и 84 сут.

Испытания в камере тропического климата проводили в течение 30 и 90 сут с влажностью 98 % при температурах 50 °С (в течение 8 ч) и 20 °С (в течение 12 ч), проветривание при комнатной температуре в течение 4 ч.

В качестве основных критериев оценки свойств систем ЛКП с применением шпатлевки ВШ-25 выбраны: внешний вид, адгезия покрытий по ГОСТ 31149–2014; прочность покрытия при ударе по ГОСТ 4765–2024. Толщину покрытий определяли с помощью прибора «Константа К6Ц» и микрометра МК-25 в соответствии с ГОСТ 31993–2024.

Результаты и обсуждение

Для проведения исследований на лабораторном оборудовании изготовлена шпатлевка ВШ-25 и определены ее технологические свойства. Время высыхания до степени 3 при температуре 20±2 °С составляет 4 ч; жизнеспособность шпатлевки после смешения с отвердителем 2 ч. Преимуществом шпатлевки является увеличенная жизнеспособность, что удобно для работы на сложных объектах.

Проведены исследования покрытия на основе универсальной шпатлевки холодного отверждения ВШ-25. Установлено, что шпатлевка обладает следующим уровнем свойств: адгезия к подложкам (алюминиевый сплав, углепластик, стеклопластики) составляет 1 балл; прочность при ударе 4,0 Дж, что является несомненным преимуществом перед аналогами, в большинстве случаев имеющими прочность при ударе от 1,0 до 2,0 Дж (например, у шпатлевок ЭП-0061: 1,5 Дж или ВШ-17М: 2,0 Дж).

Изготовлены контрольные образцы и образцы систем покрытий на основе универсальной шпатлевки холодного отверждения ВШ-25 с фторопластовой, фторкаучуковой и полиуретановой эмалями на подложках из алюминиевого сплава Д16-АТ, угле- и стеклопластиков. Для сравнения прочности при ударе и адгезии систем покрытий, включающих шпатлевку ВШ-25 и исключающих ее, изготовлены контрольные образцы. Системы покрытий подобраны исходя из химической природы каждого отдельного покрытия и взаимодействия их в системе. В табл. 1–3 приведены свойства образцов на основе шпатлевки ВШ-25 в системах с различными эмалями.

Установлено, что покрытия, содержащие универсальную шпатлевку холодного отверждения ВШ-25 в сочетании с фторопластовой, фторкаучуковой и полиуретановой эмалями, в исходном состоянии характеризуются следующими свойствами: адгезия к подложкам составляет 0–1 балл, прочность при ударе 3,0 Дж. Показано, что адгезия многослойных систем, включающих шпатлевку ВШ-25, сопоставима с контрольными образцами (0–1 балл). Однако показатели ударной прочности несколько меньше – около 3,0 Дж (при толщине покрытия от 150 до 190 мкм), в то время как у покрытий без шпатлевки ВШ-25 они достигают 4,0–5,0 Дж. Различие в прочности при ударе объясняется, прежде всего, большей общей толщиной систем покрытий, включающих шпатлевку ВШ-25, – в среднем на 100–150 мкм больше по сравнению с контрольными образцами. По результатам испытаний увеличение толщины системы ЛКП значительно влияет на снижение показателей прочности при ударе.

Для устранения влияния толщины покрытия на интерпретацию результатов испытаний прочности при ударе, а также с учетом сложности обеспечения равномерного слоя шпатлевки при нанесении шпателем, проведены испытания систем покрытий в исходном состоянии. На основе полученных данных построены зависимости прочности при ударе от толщины покрытия (рис. 1). Это позволило более объективно оценить влияние универсальной шпатлевки холодного отверждения ВШ-25 на прочностные характеристики систем ЛКП.

Наблюдается обратная зависимость прочности при ударе от толщины покрытия. Это может быть связано с внутренними напряжениями, хрупкостью толстого слоя или его меньшей эластичностью. Более высокие значения прочности при ударе в системах с эмалью КЧ-5230 связаны с химической природой пленкообразующего эмали.

В табл. 4–6 приведены результаты исследований универсальной шпатлевки холодного отверждения в системах ЛКП после статического воздействия воды и рабочих жидкостей (масел АМГ-10 и Б-3В, топлива ТС-1). На рис. 2 показан результат исследования адгезии покрытия на основе шпатлевки ВШ-25 и эмали ВЭ-46 после испытаний в масле АМГ-10.

Покрытия показали высокую стойкость к воздействию всех исследуемых жидкостей. Адгезия к подложкам остается на исходном уровне. Прочность пленки при ударе системы с эмалью ВЭ-46 при толщине покрытия от 160 до 280 мкм ‒ от 2,0 до 3,0 Дж. При увеличении толщины покрытия до ~(230–280) мкм наблюдается снижение прочности при ударе до 2,0 Дж. Прочность пленки при ударе системы с эмалью ВЭ-69 при толщине покрытия от 150 до 190 мкм ‒ от 2,0 до 3,0 Дж. Прочность пленки при ударе системы с эмалью КЧ-5230 при толщине покрытия от 200 до 280 мкм ‒ от 2,0 до 3,0 Дж.

Проведены исследования универсальной шпатлевки холодного отверждения в системах ЛКП после ускоренных климатических испытаний в камере тропического климата. По результатам климатических испытаний системы покрытий на основе шпатлевки ВШ-25 и эмалей ВЭ-46, ВЭ-69 и КЧ-5230 продемонстрировали сохранение высоких адгезионных характеристик и внешнего вида с оценкой адгезии в диапазоне от 0 до 1 балла (рис. 3). Для покрытия на основе эмали КЧ-5230 наблюдалось равномерное пожелтение, в том числе на контрольных образцах, что свидетельствует о том, что наличие в системе покрытия шпатлевки ВШ-25 не оказывает влияния на изменение цвета эмали.

Результаты исследований универсальной шпатлевки холодного отверждения в системах ЛКП после термического старения при температуре 100 °С в течение 1000 ч и при температуре 80 °С в течение 2000 ч приведены в табл. 7–9.

Проведенное исследование показало, что все исследуемые ЛКП на основе шпатлевки ВШ-25 после длительного воздействия повышенных температур (100 °C в течение 1000 ч и 80 °C в течение 2000 ч) сохраняют адгезию от 0 до 1 балла. Прочность пленки при ударе системы с эмалью ВЭ-46 при толщине покрытия от 230 до 250 мкм: 2,0 Дж; с эмалью ВЭ-69 при толщине покрытия от 160 до 180 мкм: 2,0 Дж; с эмалью КЧ-5230 при толщине покрытия от 200 до 270 мкм ‒ от 2,0 до 3,0 Дж (рис. 4).

Проведенные исследования после воздействия ультрафиолетового излучения (атмосферостойкость) в аппарате искусственной погоды в течение 1000 ч показали, что все исследуемые системы покрытий на основе шпатлевки ВШ-25 и эмалей ВЭ-46, ВЭ-69 и КЧ-5230 сохраняют адгезию от 0 до 1 балла (рис. 5). Прочность пленки при ударе системы с эмалью ВЭ-46 при толщине покрытия от 160 до 200 мкм: 3,0 Дж; с эмалью ВЭ-69 при толщине покрытия от 160 до 180 мкм: 2,0 Дж; с эмалью КЧ-5230 при толщине покрытия от 200 до 270 мкм ‒ от 2,0 до 3,0 Дж.

В результате проведенных исследований шпатлевки в системах ЛКП после испытаний на грибостойкость во влажной среде в соответствии с ГОСТ 9.049‒91 (метод 2) в течение 28 и 84 сут установлено, что покрытия обладают следующим уровнем свойств: адгезия к подложкам составляет 0–1 балл, степень развития грибов 2 балла. У образцов систем покрытий на основе шпатлевки ВШ-25 с фторопластовой и полиуретановой эмалями после испытаний не наблюдалось изменения внешнего вида. У образцов систем покрытий на основе шпатлевки ВШ-25 и фторкаучуковой эмали наблюдалось пожелтение и образование желтых капель на поверхности покрытия после испытаний, в которых образцы подвергали одновременному воздействию повышенной температуры и высокой влажности. Данный эффект также наблюдался при испытаниях контрольных образцов эмали КЧ-5230 без шпатлевки ВШ-25. Таким образом, изменение внешнего вида обусловлено свойствами фторкаучуковой эмали и не зависит от шпатлевки ВШ-25.

Результаты проведенных испытаний образцов на основе шпатлевки ВШ-25 в системах с эмалями после натурной экспозиции на открытых площадках г. Москвы и г. Геленджика приведены в табл. 10–12.

Установлено, что покрытия на основе шпатлевки ВШ-25 в системах с фторопластовой, фторкаучуковой и полиуретановой эмалями после натурной экспозиции на открытых площадках г. Москвы и г. Геленджика обладают следующим уровнем свойств: адгезия к подложкам составляет 0–1 балл (рис. 6), прочность при ударе от 1,0 до 2,0 Дж. Прочность пленки при ударе систем покрытий после натурной экспозиции на открытой площадке г. Москвы: с эмалью ВЭ-46 составляет 1,5 Дж при толщине покрытия от 290 до 305 мкм; с эмалью ВЭ-69 – от 1,0 до 1,5 Дж  при толщине покрытия от 220 до 260 мкм; с эмалью КЧ-5230: 2,0 Дж при толщине покрытия от 250 до 280 мкм. Прочность пленки при ударе систем покрытий после натурной экспозиции на открытой площадке г. Геленджика: с эмалью ВЭ-46 составляет 1,0 Дж при толщине покрытия от 310 до 320 мкм; с эмалью ВЭ-69: 1,0 Дж при толщине покрытия от 240 до 270 мкм; с эмалью КЧ-5230: 2,0 Дж при толщине покрытия от 250 до 300 мкм.

Заключения

В работе исследованы показатели адгезии и прочности при ударе систем ЛКП, в состав которых входит универсальная шпатлевка холодного отверждения ВШ-25 в комбинации с эмалями ВЭ-69, ВЭ-46 и КЧ-5230. Для сравнения свойств использованы аналогичные системы без применения шпатлевки. Установлено, что применение шпатлевки ВШ-25 в составе систем ЛКП не оказывает отрицательного влияния на адгезионные характеристики: все исследованные образцы демонстрируют адгезию к подложке на уровне 0–1 балла (аналогично контрольным системам без шпатлевки).

Однако прочность при ударе у систем, содержащих шпатлевку ВШ-25, в среднем меньше по сравнению с контрольными образцами. Это снижение обусловлено увеличением общей толщины покрытия при применении шпатлевки ‒ в среднем на 100–150 мкм.

Комплексные испытания ЛКП с подслоем шпатлевки ВШ-25 включали воздействие эксплуатационных факторов: статическое воздействие воды и рабочих жидкостей, термостойкость, климатические испытания в камерах тропической и искусственной погоды, оценку грибостойкости, а также натурные экспозиции в условиях городской и морской атмосферы (г. Москва и г. Геленджик). После всех видов испытаний не наблюдалось ухудшения адгезии или внешнего вида покрытий. Степень поражения грибами составила 2 балла.

Следует отметить, что значения прочности при ударе после испытаний остались на уровне, сопоставимом с исходным состоянием систем со шпатлевкой ВШ-25. Таким образом, снижение прочности при ударе не является следствием эксплуатационных воздействий, а связано преимущественно с большей толщиной покрытия. С целью исключения влияния толщины на интерпретацию результатов, дополнительно проведены испытания систем ЛКП в исходном состоянии с построением зависимости «прочность при ударе‒толщина покрытия». Полученная обратная зависимость подтвердила, что основным фактором отклонения результатов в диапазоне значений 1,0–4,0 Дж является неконтролируемая толщина при ручном нанесении шпатлевочного слоя.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ».