Ochrana oceľových konštrukcií zinkovými epoxidovými nátermi

Koróziu ocele v priemyselných krajinách urýchľujú škodliviny obsiahnuté v atmosfére. Odhaduje sa, že náklady spojené s koróziou rozličných stavieb, konštrukcií či zariadení tvoria približne 5 % hrubého národného produktu za rok. V súčasnosti je však väčšina kovových konštrukcií chránená proti korózii nátermi, ktoré sú špeciálne navrhnuté pre danú aplikáciu a exponované prostredie. Existuje niekoľko typov ochranných náterových látok, medzi ktoré patria i zinkové epoxidové nátery.

Mechanizmus ochrany
Organické nátery zabezpečujú ochranu výrobkov proti korózii niekoľkými mechanizmami (inhibičným, adhéznym, bariérovým a elektrochemickým). Adhézny a bariérový mechanizmus ochrany sa do určitej miery vyskytujú pri všetkých druhoch náterov. Elektrochemický sa uplatňuje najmä pri antikoróznych náteroch, ktoré majú vysoký obsah zinkového prášku. Inhibičný mechanizmus zasa možno využiť pri základných náteroch, ktoré obsahujú antikorózne pigmenty alebo inhibične pôsobiace zlúčeniny [1, 2, 3].

Formulácie základných farieb plnených zinkom
Vysoký obsah zinku v náteroch umožňuje vodivý kontakt medzi časticami zinkového prachu a oceľovým povrchom. V organických zinkových základných farbách je vlastne zinok anódou a musí zabezpečovať ochranu oceľového podkladu. Korózna odolnosť teda závisí od priechodu galvanického prúdu. To je možné vtedy, ak sa zinkové častice dotýkajú jedna druhej alebo oceľového podkladu. Keďže organické spojivo je dielektrické, kontakt musí byť taký tesný, ako to dovoľuje povlak spojiva. Pigment vo filme by mal zodpovedať naplneniu ako pri kritickej objemovej koncentrácii pigmentu (KOKP).

Pri pigmentovom naplnení väčšom ako KOKP sa objem spojiva medzi časticami väčšinou nahrádza vzduchom alebo prázdnym objemom. Nátery bohaté na zinok sú často pigmentované nad KOKP. Treba si však dať pozor, pretože ak je pomer OKP/KOKP príliš vysoký a priestor medzi časticami je zbavený spojiva, klesá flexibilita a odolnosť pri údere.

Ak sa časť objemu zinku nahradí pigment­mi a plnivami s väčšou spotrebou oleja, v porovnaní so základnými farbami plnenými len zinkom bude KOKP nižšia. Takisto OKP sa musí znížiť kvôli normalizácii pomeru OKP/KOKP. Táto modifikácia môže znížiť množstvo kovového zinku, potrebného na dobrú vodivosť, ako aj cenu formulácie.

Náhrada zinku inými pigmentmi
Pri náhrade zinku inými pigmentmi treba rešpektovať určité limity, pretože kontakt zinkových častíc je obmedzený a začína vplývať na elektrickú vodivosť. Činnosť anódy sa priamo vzťahuje na množstvo zinku vo filme a rýchlosť korózie, pri ktorej sa kov spotrebuje. Rýchlosť vyčerpania zinku závisí od prostredia [4].

Starnutie zinkových náterov
Zinkové nátery sú do určitej miery porézne. V priebehu starnutia náterov dochádza vplyvom elektrochemických reakcií k vytvoreniu koróznych produktov zinku, ktoré utesnia póry v náteroch. Elektrochemický mechanizmus postupne prechádza na mechanizmus bariérový. Kovový zinok reaguje s kyslíkom, vodou a oxidom uhličitým, ktoré sú obsiahnuté v atmosfére, čím vznikajú produkty, ako sú oxid zinočnatý, hydroxid zinočnatý a uhličitan zinočnatý. Tie majú schopnosť utesniť všetky pôvodné póry v nátere. Vzniká tvrdá, kompaktná bariérová vrstva s veľkou adhéziou a dobrou odolnosťou proti bežným atmosférickým vplyvom. Ak je náter s vysokým obsahom zinku poškodený až k oceľovému substrátu, zvyšný kovový zinok sa stáva opäť aktívnym a svojím elektrochemickým potenciálom chráni železo pred koróziou [5, 6].

V priemyselnej atmosfére vznikajú pôsobením agresívnych nečistôt najmä rozpustné zinočnaté soli, ktoré sú vyplavované kyslými dažďami a ďalej sa obnažuje kovový zinok prítomný v nátere. Proces katodickej ochrany sa obnovuje až do spotrebovania kovového zinku. Ochranná funkcia náteru teda závisí od hrúbky a koróznej agresivity prostredia. V priebehu starnutia náteru dochádza k typickým defektom, ako sú pľuzgieriky, praskanie, podhrdzavenie a delaminácia.

Typy zinkového prachu a spojivové bázy
Výrobcovia zinkového prachu dodávajú na trh produkty, ktoré sa môžu líšiť tvarom a veľkosťou častíc, spotrebou oleja, obsahom kovového zinku či chemickou čistotou. Na trhu sa objavujú i typy upravené ďalšími prísadami, ako sú oxid kremičitý, oxid chromitý, oxid železitý a sľuda [7, 8].

Zinkom plnené základné farby sa formulujú na rozličnej spojivovej báze. Používajú sa napr. epoxidové živice, epoxyestery, etylsilikáty a tiež jednozložkové polyuretány. Rozšírenými spojivami sú najmä epoxidové živice, ktoré vytvrdzujú rýchlejšie ako etylsilikátové základné farby a sú menej pórovité [9].

Práškový zinok má väčšinou nepravidelný, približne guľovitý tvar. V ostatných rokoch uviedli firmy na trh lístkové – lamelárne typy zinku. Spotreba oleja je pri tomto type zinkového prachu vyššia ako pri prachu s gu­ľovitými časticami. Základné farby na báze lamelárneho zinku sa teda musia formulovať s nižšou hodnotou OKP. Lamelárny zinkový prach urýchľuje zasychanie náterov a zlepšuje fyzikálno-mechanické vlastnosti, ako odolnosti pri údere a pri skúške hĺbením.

Základné farby s vysokým obsahom zinku majú dobrú adhéziu na vhodne upravený oceľový povrch a dobre odolávajú podhrdzaveniu v prípade mechanického poškodenia náteru. Podiel zinku skorodovaného v priebehu vystavenia náterov je malý v porovnaní s jeho celkovým obsahom v nátere. Táto skutočnosť a rastúca cena zinku boli podnetom na hľadanie čiastočnej náhrady kovového zinku inými, lacnejšími pigmentmi a plnivami [10, 11].

Jedným z náterových systémov používaných na ťažkú antikoróznu ochranu je zinkom plnený základný náter, plniaci náter na báze epoxidových živíc a vrchný polyuretánový náter. Na zistenie antikoróznej účinnosti sa porovnávali štyri rozličné typy zinkových základných náterov:

• zinkom plnená náterová hmota (Zn sf), ktorá obsahovala zinkový prach so sférický­mi guľôčkovými časticami (OKP = 67 %);

• zinková základná náterová hmota (Zn sf : Zn la = 1 : 2), ktorá obsahovala kombináciu 1/3 sférického zinkového prachu a 2/3 lamelárneho zinkového pigmentu (OKP = 55 %);

• zinková základná náterová hmota (Zn sf : MIO = 1 : 1), pripravená z kombinácie zinkového prachu so sférickými časticami a železitou sľudou (OKP = 50 %);

• zinková základná náterová hmota (Zn la, plnivá, FZH), obsahujúca kombináciu lamelárneho zinkového prachu, dvoch typov lístkových plnív a antikorózneho pigmentu fosforečnanu zinočnato-hlitiného (OKP = 62 %).

Tieto nátery sa ponechali štyri týždne v štandardných laboratórnych podmienkach a následne boli vystavené v neutrálnej soľnej hmle a kondenzačnej komore s obsahom SO₂.

Hodnotil sa výskyt osmotických pľuzgierikov, korózie v reze, korózie podkladu a celková antikorózna účinnosť. Najlepší výsledok antikoróznej účinnosti predstavuje hodnota 100 stupňov a, naopak, najhorší výsledok je 0 stupňov. Takisto dôležitým parametrom je priľnavosť náterov stanovená ako mriežkový rez. Hodnotenie sa vykonalo po 24 hodinách od skončenia expozície náterových systémov v koróznych komorách. Najlepšiu priľnavosť vyjadruje stupeň 0 a, naopak, najhoršiu stupeň 5.

Z obr. 1 vyplýva, že ani po 63 dňoch expozície v neutrálnej soľnej hmle nevznikli osmotické pľuzgieriky na povrchu náterového systému so základnou náterovou hmotou obsahujúcou kombináciu zinkového prachu so sférickými časticami a železitou sľudou. Uplatnil sa tu synergický efekt lístkovej železitej sľudy a nerozpustných koróznych produktov zinku, ktoré spolu vytvorili účinnú bariérovú vrstvu. Naopak, najväčší výskyt pľuzgierikov sa zistil pri náterovom systéme obsahujúcom základnú farbu na báze kombinácie lamelárneho zinku, plnív a fosforečnanu zinočnato-hlinitého. Z výsledkov expozície v kondenzačnej komore s SO₂ vyplýva, že všetky štyri náterové systémy mali podobnú odolnosť proti tvorbe pľuzgierikov.

Korózia v reze sa hodnotila len pri náterových systémoch exponovaných v neutrálnej soľnej hmle. Zistilo sa, že náterové systémy s lamelárnym zinkom chránili rez najlepšie. Najnižšia účinnosť bola pri náterovom systéme so základnou farbou zo samotného sférického zinkového prachu.

Pri náterovom systéme so základnou náterovou hmotou na báze kombinácie sférického Zn a MIO (1 : 1) sa nezistila po 1 512 hodinách expozície v soľnej hmle nijaká korózia podkladu. Je to zapríčinené lístkovou štruktúrou železitej sľudy a nerozpustnými koróznymi produktmi zinku. Nepatrná korózia podkladu sa pozorovala pri náterových systémoch obsahujúcich základné farby buď zo samotného sférického zinkového prachu, alebo z kombinácie sférického a lamelárneho zinkového prachu. Takisto systém so základnou náterovou hmotou na báze lamelárneho zinku, plnív a antikorózneho pigmentu mal odolnosť proti korózii podkladu na stále vysokej úrovni. Náterové systémy so všetkými štyrmi hodnotenými zinkovými antikoróznymi náterovými hmotami, vystavené v kondenzačnej komore s SO₂, mali rovnakú účinnosť proti podkorodovaniu.

Najlepšia celková antikorózna účinnosť, vyššia ako 90 stupňov, sa po výše 1 500 hodinách vystavenia v soľnej hmle zistila pri náterovom systéme so zinkovou náterovou hmotou na báze kombinácie sférického zinkového prachu a železitej sľudy. Najnižšia celková účinnosť zo štyroch hodnotených náterových systémov sa stanovila pri systéme obsahujúcom okrem lamelárneho zinku aj plnivá a antikorózny pigment. Táto náterová hmota obsahovala najnižšie množstvo zinkového prachu. Celková antikorózna účinnosť všetkých náterových systémov po expozícii v kondenzačnej komore s SO₂ bola vyrovnaná a dosahovala hodnoty vyššie ako 80 stupňov.

Z obr. 2 vyplýva pozitívne pôsobenie lístkových pigmentov a plnív na priľnavosť náterových systémov po 1 512 hodinách expozície v oboch koróznych prostrediach. Najlepšia priľnavosť sa zistila pri náterovom systéme obsahujúcom kombináciu sférického zinkového prachu a železitej sľudy. Tá má okrem dobrej antikoróznej úpravy i vhodnú priľnavosť náterov po expozícii v oboch prostrediach. Dôležité je aj zníženie obsahu zinkového prachu vo formuláciách vzhľadom na skutočnosti súvisiace s prípadným obmedzením zinku v náterových hmotách a s rastúcou cenou zinku na svetových trhoch.

Tento projekt sa realizoval s finančnou podporou zo štátnych prostriedkov prostredníctvom Ministerstva priemyslu a obchodu SR.

Ing. Libuše Hochmannová, Ph.D.
Foto a obrázky: archív autora

Autorka pracuje v spoločnosti SYNPO, a. s., od roku 1981. Posledných 7 rokov pôsobí ako vedúca oddelenia Výzkum IV. Zaoberá sa formuláciami a hodnotením náterových hmôt na báze rôznych spojív a pre rozličné aplikácie. Okrem toho sa zaoberá formuláciami antikoróznych náterových hmôt a náterovými systémami pre ťažké korózne prostredie.

Literatúra
 1. Vogelsang, J.: European coatings conference – Anticorrosive coatings. Berlín: 2000, s. 7 – 20.
 2. Glausch, R.: European coatings conference – Anticorrosive coatings. Berlín: 2000, s. 75 – 90.
 3. Svoboda, M.: Nové směry v povrchových úpravách. Praha: SVÚOM, a. s., 1997.
 4. Hare, C. H., Kurnas, J. S. In: Journal of Coatings Technology, 21, 2000, No 910.
 5. Svoboda, M.: Protikorozní ochrana kovů organickými povlaky. Praha: SNTL, 1985, s. 81 – 82.
 6. Vogelsang, J. In: European Coatings Journal, 86, 2000, No 4.
 7. Del Amo, B., Giudice, C. A. In American Paint Coatings Journal, 1991, No 9, s. 36 – 43.
 8. Giudice, C. A., Benftez, J. C., Linares, M. M. In: Surface Coatings International, 1997, No 6, 279 – 283.
 9. Sen, A. In: Paintindia, 97, 1999, No 1.
10. Morcillo, M., Svoboda, M. a kol. In: Pigment Resin Technology, 1998, Vol. 27, No 3, 161 – 167.
11. Fannin, S.: European coatings conference – Anticorrosive coatings. Berlín: 2000, s. 145 – 158.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.