Полиуретановые покрытия

Полиуретановые покрытия — это группа защитно-декоративных материалов, формирующих на поверхности изделия высокопрочную эластичную плёнку на основе полиуретанов и их производных. Относятся к классу лакокрасочных материалов (ЛКМ) и полимерных покрытий. Ключевыми характеристиками являются высокая механическая прочность, стойкость к истиранию, эластичность, устойчивость к воздействию агрессивных сред, атмосферных факторов и перепадам температур.

История

Разработка полиуретановых покрытий неразрывно связана с историей синтеза полиуретанов. Впервые полиуретаны были получены в 1937 году немецким химиком Отто Байером (фирма I.G. Farben, затем Bayer AG) по реакции полиприсоединения диизоцианатов с многоатомными спиртами (полиолами). Однако создание покрытий на основе этих полимеров стало активно развиваться после Второй мировой войны, когда появились первые промышленные рецептуры.

Первоначально полиуретановые лаки и краски применялись в основном для защиты деревянных полов и мебели (яхтные лаки). В 1960–1970-х годах развитие получили двухкомпонентные системы для окраски автомобилей и промышленного оборудования. В СССР разработкой полиуретановых покрытий занимались в научно-исследовательских институтах лакокрасочной промышленности. С 1980-х годов, с появлением водорастворимых полиуретановых дисперсий, началось широкое применение в строительстве. В настоящее время полиуретановые покрытия являются одними из наиболее распространённых и технологичных видов ЛКМ.

Состав и способы отверждения

Полиуретановые покрытия представляют собой многокомпонентные системы. Основными компонентами являются:

• Полиизоцианат (отвердитель) — реакционноспособная молекула, содержащая изоцианатные группы (-NCO).
• Полиол (основа) — компонент с гидроксильными группами (-OH). Это могут быть акриловые, полиэфирные, полиуретарные олигомеры.

В процессе нанесения и высыхания изоцианатные группы вступают в реакцию с гидроксильными группами, образуя высокомолекулярный полимер с прочными уретановыми связями (-NH-CO-O-).

По способу отверждения различают:

• Однокомпонентные (1К) — содержат блокированные изоцианаты, которые активируются при нагревании (для промышленной сушки) или отверждаются под действием влаги воздуха. Дают менее прочные покрытия по сравнению с 2К системами.
• Двухкомпонентные (2К) — перед нанесением тщательно перемешиваются основа и отвердитель. Обеспечивают максимальную прочность, химическую стойкость и долговечность. Требуют точного соблюдения пропорций и времени жизни смеси.
• Водные полиуретановые дисперсии — однокомпонентные системы на водной основе. Экологически безопасны, не содержат органических растворителей, но требуют более длительного высыхания и тщательной подготовки поверхности.

Классификация

Полиуретановые покрытия классифицируют по нескольким признакам.

По области применения

• Защитные (для полов) — промышленные и спортивные полы (наливные покрытия), покрытия для бетона, металла.
• Декоративно-защитные — лаки и краски для дерева, мебели, паркета (яхтные, паркетные лаки).
• Антикоррозийные — для металлоконструкций, трубопроводов, резервуаров.
• Транспортные — окраска автомобилей, вагонов, морских и речных судов (корабельные краски).
• Электроизоляционные — для печатных плат, обмоток электродвигателей.
• Авиационные — лакокрасочные покрытия для летательных аппаратов.

По типу связующего

• Акрил-уретановые (полиуретан-акриловые) — содержат в основе акриловые полиолы. Сочетают эластичность полиуретана с твёрдостью и атмосферостойкостью акрила.
• Полиэфируретановые — на основе полиэфирных полиолов. Отличаются высокой прочностью и стойкостью к истиранию.
• Масляно-уретановые — содержат модифицированные растительные масла. Дают эластичную, но менее твёрдую плёнку.

По условиям применения

• Для внутренних работ.
• Для наружных работ (атмосферостойкие).
• Термостойкие (до +150 °C и выше).
• Химически стойкие (к кислотам, щелочам, растворителям).

Свойства

Основные физико-механические и химические свойства полиуретановых покрытий:

• Высокая твёрдость (по карандашной шкале — до 5H и выше).
• Эластичность — способность деформироваться без растрескивания (удлинение при разрыве — до 400-500% для эластичных типов).
• Стойкость к истиранию — один из лучших показателей среди ЛКМ (потери массы при абразивном износе — 0,01-0,05 г/1000 циклов).
• Атмосферостойкость — стойкость к УФ-излучению, дождю, снегу, перепадам температур (-60°C … +120°C).
• Химическая стойкость — устойчивость к большинству кислот, щелочей, масел, топлива, моющих средств.
• Адгезия — отличное сцепление с большинством подложек: бетон, дерево, металл, старый ЛКМ (при правильной подготовке).
• Декоративность — возможность получения глянцевых, матовых, полуматовых, текстурных покрытий, а также окрашивания в любой цвет по каталогам RAL, NCS.

Технология нанесения

Процесс нанесения полиуретановых покрытий включает следующие этапы:

1. Подготовка поверхности. Очистка от загрязнений, масел, ржавчины. Для бетона — обеспыливание и грунтовка специальными составами. Для металла — обезжиривание и механическая обработка (пескоструй, шлифовка).
2. Приготовление состава. Для 2К систем — смешивание компонента А (основа) и компонента B (отвердитель) в точной весовой пропорции, указанной в инструкции. Тщательное перемешивание. Время жизни смеси — от 30 минут до нескольких часов.
3. Нанесение. Используется краскопульт (пневматический или безвоздушный), валик, кисть. Наносится обычно 1-2 слоя с межслойной сушкой.
4. Сушка. Естественная (при комнатной температуре) или горячая (при 60-80°C, для промышленных линий). Полное отверждение занимает от 24 до 72 часов.
5. Контроль качества. Проверка толщины слоя, твёрдости, глянца, отсутствия дефектов (шагрень, пузыри, потёки).

Применение

Полиуретановые покрытия нашли широкое применение практически во всех отраслях промышленности.

Строительство

• Покрытия для полов. Наливные полиуретановые полы — эластичные, бесшовные, стойкие к ударам и химии. Применяются в промышленных цехах, автосервисах, паркингах, складах, торговых залах, спортивных сооружениях (беговые дорожки, теннисные корты).
• Кровельные мембраны. Гибкие полиуретановые мастики для гидроизоляции плоских кровель. Устойчивы к УФ-излучению и атмосферным осадкам.
• Гидроизоляция. Обработка подвалов, бассейнов, резервуаров.

Машиностроение и транспорт

• Окраска кузовов автомобилей. Акрил-уретановые эмали. Обеспечивают прочный, блестящий, стойкий к царапинам слой.
• Авиация. Требуют высокой стойкости к ударам, вибрации, топливу.
• Судостроение. Подводная часть корпусов — защита от обрастания и коррозии.
• Железнодорожный транспорт. Покрытия для вагонов и локомотивов.

Деревообработка

• Мебель. Паркетные и мебельные лаки — стойкие к истиранию и ударам.
• Музыкальные инструменты. Защитные и декоративные покрытия.

Электроника

• Защита печатных плат. Конформные покрытия — эластичные, влагостойкие, термостойкие (силикон-полиуретан).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая стойкость к истиранию — лидирующее положение среди ЛКМ.
• Отличная эластичность — не растрескиваются при деформациях основы.
• Химическая стойкость — к большинству агрессивных сред.
• Широкий диапазон рабочих температур (от -60°C до +120°C).
• Высокая твёрдость и ударная вязкость.
• Отличная адгезия — к бетону, металлу, дереву, пластику.
• Возможность нанесения толстым слоем за один проход (до 300-500 мкм).

Недостатки

• Чувствительность к качеству подготовки поверхности — для достижения оптимальных свойств требуется тщательная очистка и грунтовка.
• Высокая токсичность при нанесении — компоненты изоцианатов летучи и раздражают слизистые оболочки, дыхательные пути, кожу. Требуют использования СИЗ (респиратор, перчатки, очки, вентиляция).
• Относительно высокая стоимость — по сравнению с акриловыми, алкидными, масляными покрытиями.
• Ограниченное время жизни готовой смеси — для 2К систем после смешивания необходимо использовать в течение нескольких часов.
• Чувствительность к влажности при нанесении — избыточная влажность может привести к пенообразованию или обесцвечиванию.

Экологические и безопасные аспекты

Полиуретановые покрытия могут содержать летучие органические соединения (ЛОС), которые негативно влияют на атмосферу и здоровье человека. В связи с этим активно развивается направление водорастворимых полиуретановых дисперсий (водоразбавляемых), которые практически не содержат растворителей.

При использовании двухкомпонентных систем с изоцианатами необходимо соблюдать меры безопасности: работать в хорошо вентилируемом помещении с использованием респиратора с фильтром класса А (органические пары). Применение средств индивидуальной защиты обязательно. Полиуретановые покрытия после отверждения являются химически инертными и безвредными для человека (при полном отверждении слоя).

Литература

1. Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы и применение. Под ред. П. Лэмбруа / Пер. с англ. — М.: Мир, 1998.
2. Полиуретаны: химия, технология, применение. / Под ред. Д.Х. Соломатина. — Л.: Химия, 1973.
3. Свойства и применение полиуретановых покрытий. — М.:НИИТЭХИМ, 1986.
4. ГОСТ 32458—2013 (ISO 11997-1:2005) Покрытия лакокрасочные. Определение стойкости к циклическим воздействиям окружающей среды.
5. Сучков, В.П., Козлова, Л.И. Водные полиуретановые дисперсии — современная альтернатива органическим растворителям. // Лакокрасочная промышленность, 2008, № 5.