Котельные в красках

М. Иванов, к.х.н.

Понятие «термокраска» имеет ряд омонимов: так называются вещества, которыми пропитывают бумагу для получения цвета при нагревании, а также покрытия, имеющие жидкокристаллическую структуру и способные изменять окраску в зависимости от внешней температуры. В настоящей статье речь пойдет о термокраске как о термостойком покрытии труб и других нагреваемых поверхностей, а также о термокраске, применяемой в качестве теплоизолирующей консистенции на промышленных и энергетических объектах.

---

Как известно, многие лакокрасочные покрытия предназначены для предотвращения внешнего воздействия на поверхность различных материалов с целью их сохранения. Не являются исключением и объекты теплоэнергетики. В котельных и мини-ТЭЦ используют различные виды красок. Для окраски трубопроводов и других металлических частей оборудования используются краски, позволяющие противостоять коррозии или осуществлять требуемую маркировку. При покраске внутренних стен котельных используются влагостойкие покрытия в соответствии с требованиями СН и П П-35-76. Значительная часть котельного оборудования эксплуатируется при повышенных температурах; поэтому используемые краски должны обладать определенной устойчивостью к тепловому воздействию. 

По составу краски представляют собой механическую смесь, в которую входят пигмент, связующие, нейтральные наполнители и различные добавки. Одним из главных компонентов краски, который определяет цвет лакокрасочного покрытия, является пигмент. Пигменты могут быть различного происхождения: неорганическими, органическими искусственными и синтетическими. К неорганическим пигментам относятся глины, умбра, железистые соединения. К органическим пигментам относятся продукты переработки растений и животных. Искусственные пигменты получают путем специальной химической переработки различных природных продуктов, а синтетические пигменты – путем многостадийного синтеза. Растворимость в воде и устойчивость пигментов при воздействии света являются основными показателя их качества. При окрашивании нагретых деталей и частей оборудования, а также трубопроводов с горячими средами должна также учитываться теплостойкость пигментов. Это связано с тем, что некоторые пигменты при нагревании изменяют интенсивность своей окраски, а в отдельных случаях даже меняют цвет. 

Поскольку многие металлические части котельного оборудования эксплуатируются при повышенных температурах, при которых повышается интенсивность протекания электрохимической коррозии, то при выборе пигмента необходимо учитывать его влияние на этот процесс. Так, свинцовые и цинковые пигменты (белила, крон, сурик и пудра) замедляют коррозию стальных поверхностей. В то же время титановые белила, охра и хромовые пигменты нейтральны к этим же поверхностям оборудования. К сожалению, графит и железный сурик из пиритных огарков способствуют коррозии стальных поверхностей.

Еще одним важным компонентом красок являются связующие. Так называют вещества, которые хорошо обволакивают пигменты, наполнители и любые другие добавки, совместимые с растворителями. После нанесения на окрашиваемую поверхность связующие должны быстро сохнуть и образовывать прочную пленку лакокрасочного покрытия. Кроме этого, связующие должны иметь высокую адгезию по отношению к окрашиваемым материалам. В ряде случаев связующими являются натуральные масла и искусственные смолы. Однако в своем большинстве они не обладают достаточной термической устойчивостью. Поэтому для термокрасок используют преимущественно связующие синтетического происхождения. В качестве таких компонентов могут применяться термопластичные и термореактивные полимеры, обладающие пленкообразующими свойствами. Часто такие свойства проявляются у полимеров, имеющих возможность к межмолекулярной ориентации за счет, например, возникновения водородных связей между полимерными цепями. В качестве синтетических связующих широкого профиля наиболее часто используют смолы на основе олигомерного синтетического каучука, продуктов поликонденсации многоатомных спиртов и фталевой кислоты, нитроцеллюлозы и многие другие. В то же время для лакокрасочных покрытий, использующихся при повышенном тепловом воздействии, необходимо, чтобы связующие были устойчивы при высоких температурах: не теряли адгезии к окрашиваемым материалам, не разрушались и не выделяли газообразные продукты деструкции. В этом случае наиболее часто используют акриловые и эпоксидные смолы, фенолформальдегидные и кремнийорганические полимеры. Так, для создания термостойких эмалей с рабочей t до 120 ^оС применяют связующие на основе эпоксидных смол. Для обработки металлических труб стальных радиаторов и батарей отопления с рабочей t до 210 ^оС используют связующие на основе смеси акриловых, эпоксидных и формальдегидных смол. 

Кроме перечисленных компонентов, в краски вводят еще наполнители – вещества, инертные ко всем остальным компонентам. Введение наполнителей обычно увеличивает влагостойкость, устойчивость к атмосферному воздействию и повышает надежность антикоррозийного действия покрытия. В некоторых случаях введение в композицию наполнителей приводит к повышению термостойкости лакокрасочного покрытия. 

Свойства, на которые влияют наполнители, часто обусловлены тонкостью помола. Так, при тонкости помола не превышающем 10 мкм образуется однородный слой краски, препятствующий проникновению влаги и воздуха. В то же время при использовании наполнителя более грубого помола в слое лакокрасочного покрытия образуются пустоты, которые повышают его теплоизолирующие свойства. Кроме этого в некоторых случаях в краски вводят вещества, которые можно рассматривать не как наполнитель, а как армирующий материал. Одним из таких материалов является асбестовая пыль, которая повышает огнестойкость лакокрасочного слоя. Часто в качестве наполнителей для термокрасок применяют двуокись титана, слюду и силикат натрия. Эти наполнители с некоторыми связующими повышают термостойкость красок до 225–350 ^оС.

В настоящее время при создании красок для термоустойчивых покрытий наиболее часто используются кремнийорганические соединения. Эти продукты образуют не только лакокрасочные покрытия, устойчивые к действию высоких температур, но и образуют пленки с эффективной антикоррозийной защитой. В качестве кремнийсодержащих компонентов обычно используют силиконовые жидкости, силаны и силоксаны. Наибольшее распространение получили кремнийорганические смолы, главная полимерная цепь которых состоит из силоксанов: 

R R R

I I I

Н-О - Si-O- -(Si-O-) _n -Si-O-Н

I I I

R R R,

где R = CH₃ -, CH₃ CH₂ -, C₆ H₅ -

Использование силиконовых смол в качестве основного компонента связующих при создании высокотемпературных лакокрасочных покрытий началось в конце 40-х гг. ХХ в. В последующие годы на их основе были созданы различные композиции, которые позволяют окрашивать паровые линии трубопроводов, теплообменники, элементы печей и другие детали, работающие при высоких температурах. Конечно, такие покрытия тоже не вечны, и кремнийорганические покрытия со временем разрушаются. Для оценки их термической устойчивости используется так называемый период полураспада. Этот показатель указывает время, в течения которого при данной температуре лакокрасочное покрытие разрушается только на половину. 

Как показали научные исследования, термическая устойчивость полимерного связующего для лакокрасочного покрытия определяется не только строением его главной полимерной цепи. Его устойчивость к действию высоких температур будет также зависеть и от вида боковых заместителей. Так, было установлено, что при 250 ^оС для кремнийорганического полимера с R = CH₃CH₂ – период полураспада составляет 6 ч. Замена же этильного радикала на метильный приводит к возрастанию термоустойчивости при той же температуре до 10 тыс. ч. В то же время защитные слои из кремнийорганического связующего с R = C₆ H₅ – будут иметь период полураспада более 100 тыс. ч. Однако этот полимер при t выше 400 ^оС быстрее разрушается по сравнению с продуктами, у которых боковыми заместителями являются метильные радикалы. Кроме этого, присутствие у концевых групп таких полимеров двух фенильных заместителей будет, по всей вероятности, приводить к стерическим затруднениям в процессе отверждения смол. И хотя наличие объемных заместителей в главной цепи часто сопровождается лучшей совместимостью с другими продуктами, например, акриловыми смолами или растворителями, все же общепризнанным считается, что самым лучшим кремнийорганическим связующим является полимер, у которого боковыми заместителями являются именно метильные радикалы. 

Для повышения термической устойчивости кремнийорганических красок в связующие вводят специальные наполнители, в качестве которых используют двуокись титана, слюду и черную окись железа. Однако более заметного повышения температурной устойчивости удалось достичь при введении в кремнийорганическое связующее порошков мелкоизмельченных металлов, таких как алюминий, цинк и нержавеющая сталь. Повышение термической устойчивости таких лакокрасочных покрытий вызвано тем, что при t 350–650 ^оС происходит сплавление этого вида наполнителя со смолой, в результате которого образуется прочная связь металл-кремний. 

Кроме использования гомополимеров на основе кремнийорганических мономеров, в ряде случаев для создания термоустойчивых связующих применяется их сополимеризация с алкидными и эпоксидными смолами. Так, введение в эпоксидные связующие от 30 до 50 % кремнийорганических олигомеров приводит к повышению термостойкости лакокрасочного покрытия.

Эпоксидные связующие представляют собой двухкомпонентную систему, состоящую из смолы с концевыми активными группами и отвердителя, которым является соединение, вызывающее сшивание полимерных цепей смолы. Эти два компонента смешиваются перед использованием. После нанесения такой краски на окрашиваемую поверхность происходит образование лакокрасочного покрытия, состоящего из отвержденного полимера. При использовании термокрасок на основе эпоксидных смол с функциональными концевыми группами и силиконов с активными группами, кремнийорганические продукты выполняют роль отвердителя. 

Двухкомпонентные лакокрасочные композиции на основе кремнийорганических связующих выпускаются отечественной промышленностью под маркой «ОС». Они применяются для защиты от коррозийного разрушения металлоконструкций и сооружений из железобетона, эксплуатируемые при t до 500 ^оС. Кроме этого выпускаются эмали серии «КО», которые предназначены для антикоррозийной защиты поверхностей оборудования из различных марок сталей и алюминия, подвергающихся температурному воздействию при t до 400 ^оС. Защитные покрытия этой серии предназначены для отопительных приборов, труб отопления и бойлеров. 

Краски-теплоотражатели

Одной из разновидностей термокрасок являются материалы, которые применяют для создания теплоотражающего слоя. Иногда такой вид лакокрасочного покрытия называют «жидкой фольгой»: разработчики этого вида материалов утверждают, что слой термокраски обладает такими же теплоотражающими свойствами, как и лист металлической фольги. Теплоотражающее действие происходит достаточно эффективно, если t поверхностного слоя термокраски не превышает 150 ^оС. Такими термокрасками окрашивают внутренние стены помещений, чтобы сократить теплопотери; в южных регионах во избежание чрезмерного разогрева зданий в летний период года может быть целесообразно окрашивание и наружных фасадов (в первую очередь, это касается каркасно-панельных сооружений – блочно-модульных котельных, контейнерных конструкций мобильных энергоблоков и пр.). 

Механизм действия теплоотражающих покрытий подобен отражению теплового излучения пленками, которые наклеиваются на стекла окон, чтобы солнечный свет не нагревал внутренность помещений. 

Как известно, тепловые лучи относятся к ИК-излучению и поэтому обладают всеми особенностями этого вида электромагнитного излучения. При попадании на поверхность пленки лакокрасочного покрытия тепловые лучи расщепляются на отраженные и поглощенные потоки энергии. При этом поглощенные тепловые лучи могут проникать сквозь покрытие и поглощаться уже другими материалами. Часть же поглощенных тепловых лучей трансформируется в тепло, нагревая пленку покрытия. 

Соотношение величин потоков отраженных и поглощенных лучей определяется величиной коэффициента поглощения. Очевидно, для того чтобы лакокрасочное покрытие наиболее эффективно отражало тепловое излучение, оно должно иметь минимальное значение коэффициента поглощения. Чтобы это условие выполнялось, слой лакокрасочного покрытия должен быть схож со строением теплоотражающей пленки, представляющей собой многослойный композит, в каждом слое которого имеется напыление из различных металлов. Кроме этого, для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры шероховатости этой поверхности не превышали двукратную длину волны падающего излучения. А поскольку, например, тепловое излучение солнечного света находится в ближней области ИК-спектра с длиной волн от 750 нм до 2500 нм, то поверхность пленки теплоотражающей краски должна быть высокой степени чистоты. Поэтому полнота отражения такой термокраски определяется в большей степени не ее составом, а технологией нанесения и оборудованием, которое для этой цели используется. 

Термокраски как теплоизоляция

Еще одним видом термокрасок являются покрытия, которые при относительно небольшой толщине слоя обладают достаточно высокими теплоизолирующими свойствами, которые обусловлены составом композиции. В этих термокрасках в качестве наполнителя используют микросферы с диаметром 10–100 мкм, имеющие правильную форму и гладкую непористую поверхность. Микросферы могут быть изготовлены из алюмосиликата или стекла. В ряде случаев такие микросферы внутри могут иметь пустоты, которые заполнены либо разряженным воздухом, либо инертным газом. По утверждению разработчиков теплоизолирующих термокрасок, из-за низкой величины теплопроводности таких микросфер при их введении в полимерное связующее в количестве от 25 до 50 % лакокрасочный слой характеризуется низкой теплопроводностью, поэтому такое покрытие может использоваться для теплоизоляции трубопроводов и других частей котельного оборудования, а также фасадов домов, например, зданий котельных.

На российском рынке такие теплоизолирующие термокраски представлены продукцией ряда отечественных и зарубежных производителей. Различие их термокрасок заключается в виде используемого связующего, а также материала и размера микросфер. 

http://www.aqua-therm.ru/