В статье проводится рассмотрение вопроса эволюции технологий автомобильной покраски, анализ существующих и разрабатываемых технологий нанесения автомобильной краски, выявление лучших позиций. Обосновывается целесообразность применения в технологическом процессе окраски автомобилей красок на водной основе и термохромных красок.
Ключевые слова: водная основа, краска, окружающая среда, лак, слой, BMW, кузов автомобиля, принцип действия, технология окраски, покрытие, цвет.
Актуальность изучения вопроса эволюции лакокрасочных материалов (ЛКМ) обуславливается быстроразвивающимся прогрессом в области технических и химических наук, но вместе с тем, ухудшением экологической обстановки, связанным с нерациональным использованием природных ресурсов и материалов, нарушающих целостность окружающей среды.
Целью исследования является анализ ЛКМ и их классификация по параметру экологичности.
В 1886 году инженер Карл Бенц запатентовал первое серийное транспортное средство («Benz Motorwagen»).
Позже, в 1901 году на заводе «Oldsmobile» в Мичигане Ренсом Олдсом было начато крупномасштабное производство доступных автомобилей. По сути, это было концепцией сборочного конвейера, придуманного Томасом Бланчардом в 1821 году, а после усовершенствована Генри Фордом — на его автомобильном заводе.
Другим доступным массовым транспортным средством, который уже больше напоминал современный автомобиль стал «Ford Model T», представленный в 1908 году [1].
Начало 1900-х годов можно считать датой отсчета в истории автомобильных покрытий. Форд использовал такой же процесс окрашивания, который применялся при покраске карет. Окрашивание автомобильного кузова включало в себя 22 последовательных стадии, которые длились до 40 дней, по причине длительной сушки каждого нанесенного слоя [1].
Краска того времени имела повышенную восприимчивость к солнечному свету, низкую износостойкость. Уже через два года эксплуатации были видны следы её разрушения.
Химики компании «DuPont», производившие кинопленку, выяснили, что при изменении молярной концентрации NO 2 в основе целлюлозы, получается лак с низкой вязкостью, которым впоследствии можно формировать защитно-декоративное покрытие. Так, в 1923 году компания «DuPont» разработала нитроцеллюлозную краску. В это же время технологии окрашивания автомобилей продвинулись на шаг вперед и перешли на использование распыляющего оборудования и сушку в камерах, что позволило сократить время нанесения и высыхания краски. Система имела слабую устойчивость к воздействию химически активных веществ окружающей среды и предполагала нанесение ЛКМ в 3-4 слоя для достижения требуемого качества покрытия.
Несмотря на продуктивность нитроцеллюлозной краски, она обладала существенным минусом — для достижения блеска финишное покрытие требовало полировки. В 1930-х годах разработчики красок поставили новой целью получение краски не требующей полировки. В результате была разработана алкидная система окрашивания — первый полимер для формирования лакокрасочного покрытия (ЛКП).
Алкидные краски обеспечили высокое качество плёнки и позиционировали себя как краски, специально предназначенные для автомобилей. После сушки в камерах с нагревом, краски формировали износостойкую плёнку, хорошо противостояли воздействию химикатов и растворителей, обеспечивали больший спектр оттенков, удовлетворяющий запросы потребителей, обладали технологией быстрого нанесения, так как для получения нужных свойств требовалось меньшее количество слоёв. Однако, недостатком алкидных эмалей было ухудшение декоративных свойств под действием солнечных лучей. С течением времени краска мутнела и выцветала.
В конце Второй мировой войны в Европе стоял запрет на использование некоторых химикатов в производстве. Это сделало часть компонентов нитроцеллюлозной краски незаконными.
В 1950‑х годах, на Западе и в Европе, автомобиль стал не просто средством передвижения, а статусной вещью. Теперь покрытие кузова было обязано выглядеть лучше и подчёркивать его формы. Компания «Rohm and Haas Co». разработала первый полностью искусственный полимер — акрил, который начали использовать при окраске автомобилей. Путем распыления краска наносилась на автомобиль, после чего сушилась при определённой температуре в специальных камерах.
Акриловые краски имели широкий спектр ярких цветов, а также стали хорошей основой для использования эффекта «металлик». Еще до этого изобретения энтузиасты-кастомайзеры из Европы и Америки добавляли частицы алюминия в краску, а в 1930‑х годах на автомобилях «Cadillac and Packard» появились первые серийные блестящие краски, однако, в массовом производстве их стали использовать после того момента, когда компания «Alcoa» запустила производство краски со специальными алюминиевыми чешуйками. Эти чешуйки были более яркими, большими и однородными, чем те, которые ранее предлагались другими компаниями. Пигмент «металлик» расширял восприятие изгибов кузова и вывел окраску автомобилей на новый уровень.
В начале 1950‑х годов процесс нанесения грунта изменился с распыления на автоматизированный и более опасный, из-за испарения растворителей, процесс — погружение в резервуар.
Поэтому, в 1960‑х годах стали использовать водорастворимые электроосаждаемые грунты, которые более эффективно покрывали кузов при погружении в резервуар. Сначала использовался анодный перенос грунта, потом катодный, обеспечивающий лучшую антикоррозионную защиту при помощи эпоксидной основы. Современный процесс нанесения покрытия электроосаждением усовершенствован и даёт максимально гладкое покрытие [1].
С 1950‑х до 1970‑х годов автомобильные акриловые краски, из-за качественного, после их нанесения, финишного слоя, оказывали доминантное воздействие на индустрию.
В конце 1970‑х годов автомобильные производители потребовали у производителей красок лучшей износостойкости лакокрасочных покрытий. Потребитель ожидал не менее 5 лет эксплуатации во время которых кузов машины должен выглядеть как новый [1].
Для решения этой проблемы вместо одного защитно-декоративного слоя стало наносится два разных. Двухслойное покрытие включало тонкий базовый слой краски, который являлся пигментным, дающим основной цвет автомобилю и более толстый слой прозрачного лака, придающего блеск. Такой способ окраски использовался только для дорогих автомобилей. Лишь к концу 1980‑х годов процесс окраски стал широкодоступным.
В это же время в мире автомобильных ЛКМ произошёл ряд других событий:
– разработана система окраски трёхслойным перламутром, где металлические частички были заменены керамическими кристаллами (слюдой «mica»), которые не только отражали, но и преломляли свет, деля на разные цвета спектра в зависимости от угла обзора. Эту систему впервые применила компания «Audi»;
– начало экспериментов с полиуретановой краской, которая имела отличные эксплуатационные свойства, но была достаточно дорогой и не имела широкого распространения. Некоторые производители и сегодня используют данную краску;
– начало экспериментов с использованием окрасочных систем на водной основе, вследствие ожесточения экологических требований. В 1980-х годах, на автозаводе «Opel» в Германии, была впервые представлена базовая краска на водной основе. В 1990‑х годах появились грунты на водной основе;
– улучшение антикоррозионной защиты кузова за счёт применения электроосаждаемых грунтов («e‑coat») катодным методом, разработанным компанией «PPG», что стало прорывом в автомобильных защитных покрытиях;
– некоторые заводы компаний «Ford» и «GM» начали использовать метод нанесения финишного покрытия с использованием гибридного полиэфирного порошка, но внешний вид и долговечность этих покрытий не смогли конкурировать с акриловыми эмалями горячей сушки.
В 1990‑х годах был разработан порошковый акриловый лак. Впервые он использовался на заводах «Harley Davidson». Позже нашел свое применение на одном из заводов «Ford» в Детройте с 1996 по 2000 гг. В 1996 году компания «BMW Group» построила линию по нанесению порошкового лака, которые в количестве пяти функционируют и сегодня [1].
В настоящее время процесс окраски автомобилей более стандартизован. Изменения претерпел способ нанесения краски. На высокотехнологичных заводах в процессе окраски кузовов краска наносится роботизированными распылителями и сохнет в течение нескольких часов, не требуя участие маляра. Это привело к 90 % эффективности переноса материала и покрытию без дефектов.
Цвет автомобилей стал важным инструментом дизайна. По этой причине тренды оттенков цветов обсуждаются производителями автомобильных красок и автомобильной индустрией вместе [1].
Виды пигментов:
– ксиралик (от англ. «Xirallic») — сделан из пластинок оксида алюминия, покрытых оксидом титана, который даёт сильный эффект блеска с отличным мерцающим поведением, используется в современных автомобильных красках. Был разработан и запатентован исследователями компании «Merck KGaA» в Японии;
– матовое покрытие — достигается высоким содержанием ПВХ в краске или наличием специальной добавки в лак, дающей матовый эффект. Требует особого ухода, отличающегося от обслуживания обычного глянцевого покрытия;
– пигмент «хамелеон» (от англ. «ChromaFlair») — меняет цвет в зависимости от ресурса света и угла обзора. Эффект достигается отражением и преломлением света от окрашенной поверхности. Краска содержит мельчайшие тонкие синтетические пластинки, выполненные из алюминия, покрытого фторидом магния, внедрённого в полупрозрачный хром. Алюминий и хром дают краске яркое металлическое искрение, а стеклоподобное покрытие фторида магния действует как преломляющая призма, изменяя цвет поверхности при передвижении наблюдателя.
Все варианты покраски автомобилей, о которых говорили выше, уже не редкость на российских дорогах. Новые технологии современного автотюнинга основываются на применении красок, способных менять собственный цвет в зависимости от температурных условий, контакта с водной средой или электромагнитными полями.
Термохромная краска — принцип действия основан на применении специализированных добавок чувствительных к температуре. При нормальных условиях кристаллы или микрозерна имеют прозрачную структуру, то есть практически не влияют на цвет основной краски, а при нагревании поверхности цвет добавок начинает изменяться. Производители предлагают подбор критического температурного предела, при котором запускается процесс трансформации и до десятка различных оттенков.
Гидрохромная краска — принцип действия основан на реакции на внешний раздражитель — воду. ЛКП такого состоит из двух слоев, где первый слой — рисунок или покрытие одного цвета, второй — другой рисунок или покрытие другого цвета, который под воздействием воды становится прозрачным.
Парамагнитная краска — в основное покрытия вводят частицы парамагнитного железа, которые под воздействием магнитного поля, получаемого за счет электричества, поворачиваются под определенным углом, сближаются или отдаляются друг от друга, в результате чего получается визуальное изменение цвета.
Одним из новых материалов, применяемых для декоративной окраски автомобилей, является легкосмываемая меловая краска на водной основе, которая изготавливается только из натуральных компонентов, не токсична и легко смывается водой, замерзает при t = -24 °С, цветовая гамма состоит из более десятка оттенков. Может использоваться для праздничного декорирования автомобиля, как временное граффити, для создания предупреждающих надписей, например, для движения «Стоп Хам», для автомобилей, взятых в аренду и для нанесения рекламы.
«Candy»-краски — относятся к группе прозрачных автомобильных красок, которые совершенно не создают плотного слоя, но при этом при использовании придают машине необычный красочный цвет. Наносят их на поверхность в специальной технике лессирования.
Их существует одиннадцать тонов, при этом имеется возможность без особых проблем соединять их и получать совершенно уникальные цветовые оттенки. Стоит заметить, что именно без «Candy» невозможно нанесение аэрографии, так как только данная краска даёт возможность делать настолько плавные переходы при нанесении рисунка.
Таких насыщенных оттенков нет ни в одной другой автокраске, что достигается благодаря особенному фирменному красителю, в котором крайне высокий уровень пигментации.
Революционной техникой получения спецэффекта в виде кристаллов является кристалл-маска, являющаяся своеобразным трафаретом между двумя контрастными красками. Размеры получаемых кристаллов напрямую зависят от температуры сушки и потока воздуха.
Пластидип (от англ. «Plasti Dip») — жидкая резиновая краска, которая способна защитить кузов автомобиля от сколов, царапин и повреждений в небольших ДТП и придать ему презентабельный вид. Это качественный продукт, устойчив к солнцу, холоду и реагентам, которые применяют для чистки дорог.
Покрытие наносится прямо на ЛКП, высыхает и приобретает свойства пленки, которая имеет бархатистую фактуру на ощупь. При необходимости ее можно просто снять c кузова автомобиля.
Модернизацию получила и краска с металлическим эффектом, где алюминиевая пудра в составе была заменена на покрытые оксидом железа микроскопические пластинки диоксида кремния, полученные из золы рисовой шелухи.
Именно такое покрытие анонсировал в 2020 году концерн «Bentley» на Женевском автосалоне, представив новый автомобиль бренда — родстер «Mulliner Bacalar».
Окрасочные автомобильные системы будут развиваться и в ближайшем будущем получат следующие усовершенствования:
– УФ-отверждение, лаки стойкие к царапинам;
– распространение водорастворимых грунтов и лаков при окраске новых автомобилей и при ремонте аварийных машин;
– безгрунтовая технология окраски, в которой изоцианат с добавками будет добавляться на первой стадии нанесения краски;
– умные покрытия (от англ. «smart coatings»), которые смогут улучшить износостойкость поверхности и добавят свойства олеофобности (отталкивание масляной основой жидкости), супергидрофобности, самоочищения, самовосстановления;
– износостойкие лаки. Одна из концепций базируется на внедрении твёрдых нано частиц в гибкую матрицу полимера.
Таблица 1
Сравнительная таблица ЛКМ
|
№ |
ЛКМ для покраски автомобилей |
Достоинства |
Недостатки |
|
1 |
Целлюлозные краски |
– длительный срок существования на рынке – быстрое высыхание – не требуется закрытый бокс под окраску |
– огнеопасны – требуется окрашивание в несколько слоев – быстрота потери яркости цвета – требуется полировка – требуются предварительные шпатлевка, шлифовка, грунтовка корпуса |
|
2 |
Глифталевые краски |
– толстая, прочная пленка покрытия – не требуется полировка |
– долгота сушки и приобретения устойчивости к растворителям, механическим повреждениям – риск повреждения пластиковых деталей при сушке на высоких tº – требуется предварительная тщательная грунтовка кузова |
|
3 |
Акриловые краски |
– прочная, однородная, блестящая поверхность после нанесения материала – быстрота затвердевания и приобретение устойчивости к растворителям, механическим повреждениям |
– низкая укрывистость, требуется нанесение нескольких слоев – перед нанесением лака требуется тщательная сушка и шлифовка |
|
4 |
Алкидные краски |
– легкость нанесения – хорошая укрывистость – хорошая стойкость к химическим и механическим воздействиям |
– долгота сушки (требуются ускорители) |
|
5 |
Нитрокраски |
– хорошо избавляет от видимых мелких дефектов – быстрое высыхание |
– низкая атмосферостойкость – обязательное нанесение финишного слоя лака |
|
6 |
Краски с металлическим эффектом: |
||
|
6.1 |
Однослойный металлик |
– прочность покрытия – богатая цветовая гамма – надежность при эксплуатации |
– сложность применения – долгий срок застывания – невозможность избавления от возникающих подтеков |
|
6.2 |
Двухслойный металлик |
– хорошая атмосферостойкость – прочность покрытия |
– долгая сушка – сложность подбора укрывистой краски |
|
6.3 |
Трехслойный металлик |
– качественное покрытие – презентабельный внешний вид объекта после окраски |
– требуется предварительная грунтовка – требуется нанесение нескольких слоев краски – трудоемкий ремонт при дальнейшем возникновении сколов и царапин на объекте – сложность в выборе качественных производителей краски |
|
7 |
Порошковые краски |
– минимальные потери краски при окрашивании (не превышают 2 %) – широкая гамма цветовых оттенков – большие возможности создания разных эффектов – возможность покрытия пластиковых и стеклянных деталей |
– окраска проводится профессионалами – дорогостоящая процедура – требуется предварительная подготовка окрашиваемых деталей |
|
8 |
Краски на водной основе |
– экологичны – не горючи – низкая токсичность – высокая укрывистость – легкая утилизация – не требуется предварительное выравнивание деталей – возможность красить «мокрым по мокрому» не дожидаясь застывания первого слоя – низкая вероятность искажения цвета – высокая совместимость со всеми покрытиями |
– высокая стоимость (на 15–20 % дороже органических) – сложность транспортировки и складирования (не допускается замерзание) – высокое энергопотребление (поддержание влажности в окрасочной камере) – долгота сушки |
Перспективным вариантом для дальнейшего развития в области автомобильной окраски на уровне СТО, тюннинг-ателье являются краски на водной основе и термохромные краски.
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Водоразбавляемые краски (от англ. «waterborne paints», дословно «краски, передающиеся водой»). В их состав входят: пигменты, смолы (полиуретан или акрил), растворитель (эфир гликоля, так как он совместим с водой), добавки [2]. Разбавителем может служить специальное средство на водной основе, либо обычная дистиллированная вода, что является ключевым фактором внедрения в технологию окраски. Так как это существенно сократит количество выбросов органических летучих соединений в воздух, сохранит здоровье мастера-колориста и сможет быть актуально применимым при ужесточении законодательства по охране окружающей среды.
Современная лакокрасочная индустрия предлагает материалы на водной основе для всех слоев, формирующих авторемонтное ЛКП, включая антигравийные покрытия, грунты и лаки. Те, кто работают с водными ЛКМ отмечают их технологические преимущества по сравнению с органоразбавляемыми: легкость нанесения, превосходную укрывистость (благодаря высокой концентрации пигментов), практически полное отсутствие полос и «яблочности», присущих многим органорастворимым базам [2].
Применение термохромных красок может найти свое применение не только в декоративной, но и в авторемонтной области. Неисправность узла, окрашенного такой краской, можно диагностировать по изменению цвета. Так как диапазон температур и спектр цветов может быть подобран, то окраску агрегатов автомобиля можно осуществить с зависимостью: узел-температура-цвет, что поможет провести своевременный ремонт ТС.
Литература:
- Покраска защитной краской авто — выбор краски, подготовительные манипуляции, техника нанесения на поверхность, советы специалистов. URL:https://sjracing.ru/avto/pokraska-zashhitnoj-kraskoj-avto-vybor-kraski-podgotovitelnye-manipulyacii-texnika-naneseniya-na-poverxnost-sovety-specialistov.html#i-26 (дата обращения: 14.02.2020)
- Водорастворимые автомобильные краски. URL:https://kuzov.info/vodorastvorimie-avtomobilnie-kraski/ (дата обращения: 14.02.2020)
