Фазлутдинов К.К.

05.06.2019 (обновленно 05.06.2020)

3691 просмотров

Защита от коррозии с помощью лакокрасочных покрытий (ЛКП)

1. Как образуется ржавчина на железе?

Железо относится к группе металлов повышенной термодинамической нестабильности, для которых значение электродного потенциала меньше, чем значение потенциала водородного электрода при pH=7 E=-0,412 В. Однако вода, не содержащая воздуха, почти не взаимодействует с железом, так как на его поверхности образуется плотный слой белого гидроксида двухвалентного железа Fe(OH)₂, обладающего защитным действием даже при очень небольшой толщине. В присутствии воздуха, наоборот, образуется плотный бурый гидроксид железа (III) Fe(OH)₃, составляющий основу ржавчины, и коррозия резко прогрессирует.

Fe + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂ (в отсутствие кислорода)

Fe + 2H₂O + 1/2O₂ = Fe(OH)₃ и

2Fe(OH)₂ + 1/2O₂ + H₂O = 2Fe(OH)₃ (в присутствии кислорода) 

Процесс образования ржавчины проходит через стадию накопления в поверхностном слое ионов Fe³⁺  и гидроксидиионов, и после превышения их концентрацией критического уровня - пересыщения (характеризующегося произведением растворимости Fe(OH)₃ - происходит кристаллизация твердого вещества на поверхности железа.

Присутствие ржавчины вызывает ускоренное развитие коррозии вследствие наличия энергетически более выгодных, чем чистая поверхность железа, центров кристаллизации, создания условий, способствующих более быстрому пересыщению на границе фаз, а также ускоренного переноса растворенного воздуха (кислорода) к железу за счет окислительно-восстановительных реакций, происходящих между ионами Fe³⁺, железом и растворенным кислородом:

2Fe³⁺ + FeO = 3Fe²⁺

2Fe²⁺ + 1/2O₂ + H₂O = 2Fe³⁺ + 2OH^-

Отсюда следует, что оптимальным является использование лакокрасочных материалов, которые не только могли бы изолировать поверхность от коррозионной среды, но и при нанесении на ржавчину могли бы изменить ее химический состав - модифицировать. 

2. Обычные лакокрасочные материалы.

(в разработке) 

3. Краски-модификаторы ржавчины.

Модифицирование ржавчины способствует замедлению процесса коррозии в случае проникновения влаги через покрытие, однако, не устраняет полностью вероятность подпленочного развития коррозии. Поэтому необходимо рассмотреть еще один возможный механизм защиты черных металлов, связанный с наличием в лакокрасочных покрытиях ингибиторов коррозии. 

3.1 Цинк-фосфатные краски.

В качестве примеров остановимся на действии фосфатов цинка, которые благодаря свой низкой токсичности и невысокой стоимости являются одними из наиболее широко применяемых, в том числе за рубежом, противокоррозионных пигментов, предназначенных для многих органо- и водоразбавляемых ЛКМ.

Механизм противокоррозионного действия фосфатов цинка включает в себя диссоциацию фосфата под действием воды, проникающей в лакокрасочное покрытие с образованием комплексной кислоты:

Zn₃(PO₄)₂∙4H₂O = [Zn₃(PO₄)₂(OH)₂∙(H₂O)₂]^2- + 2H⁺. 

Комплексная кислота (или ее комплексы с пленкообразователями) реагирует с ионами железа на анодных участках с образованием стабильных, прочно удерживаемых комплексных ингибиторов коррозии.

Пигмент представляет собой порошок ярко-белого цвета. Обладает высоким противокоррозионным действием по отношению к стали и легким сплавам. Главное преимущество - малая токсичность при хороших антикоррозионных свойствах. Фосфат цинка можно применять как в грунтовках, так и в однослойных покрытиях. Использование фосфата цинка для изготовления светлых грунтовок с высокими адгезионными свойствами позволяет снизить расход светлых покрывных эмалей, что очень важно, например, в судостроении и судоремонте.

Механизм противокоррозионного действия пигмента на основе фосфата цинка включает их диссоциацию под действием воды, проникающей в покрытие, и образование комплексной кислоты. Комплексная кислота или ее комплексы с пленкообразователем реагирует с ионами железа на микроанодных участках коррозионной ячейки с образованием стабильного, прочно удерживаемого комплексного ингибитора коррозии. Кроме того, фосфат цинка уменьшает осмотический перенос воды к металлической подложке, связывая кислые продукты деструкции пленкообразователей, образующиеся в процессе высокотемпературного отвердения покрытий и в процессе их длительной эксплуатации. Если с подложкой  взаимодействует комплексы фосфатов с пленкообразователем, возрастание антикоррозионных свойств покрытий, пигментированных фосфатами, связано и с повышением адгезионной прочности. Благодаря более сильной комплексообразующей способности, фосфатные пигменты лучше, чем хроматные пигменты защищают подложки, содержащие следы ржавчины. В то же время, в отличие от хроматов, эффективно действующих на катодных и анодных участках поверхности защищаемого металла, фосфаты активны лишь на анодных участках поверхности.

Смеси фосфатных и хроматных пигментов проявляют синергизм, так как окислительное действие хроматов ведет к образованию пленки оксида железа, необходимой для эффективного ингибирующего действия фосфатов.

Заметное влияние на антикоррозионное действие фосфатных пигментов оказывает дисперсность: чем она выше, тем выше ингибирующее действие пигментов, что обусловлено более интенсивным взаимодействием с пленкообразователем. Фосфаты цинка рекомендуется применять в смеси с диоксидом титана (или талька) и железноокисным пигментом (или железной слюдки).