Úvod

Většina kovových strojírenských výrobků (konstrukcí či technologických zařízení) se vyrábí z uhlíkaté a / nebo nízkolegované oceli. Tedy z materiálů, které – pokud nejsou vhodně chráněny – vlivem vnějšího prostředí samovolně podléhají korozi. Nejrozšířenějším způsobem, jak těmto nežádoucím korozním pochodům zabránit, ev. je alespoň omezit na přijatelnou míru, je ochrana pomocí nátěrů. Ochranné nátěrové systémy celosvětově tvoří 85-90% všech systémů protikorozní ochrany.

1 Pojmy, definice

Nátěr je souvislá vrstva nátěrové hmoty vzniklá při jedné aplikaci, resp. nátěrový systém je celkový počet vrstev nátěrů nanesených na podklad.
Základní nátěr je první nátěr nátěrového systému (nanesený přímo na podklad).
Podkladový nátěr (mezivrstva) je každá vrstva mezi základním a vrchním nátěrem.
Vrchní nátěr je poslední vrstva nátěrového systému.
Nátěrová hmota je souhrnný pojem pro všechny materiály v kapalné, pastovité nebo práškové formě, které po nanesení na podklad vytvoří nátěr, mající ochranné, dekorativní nebo specifické vlastnosti. Tolik definice (ČSN EN ISO 12944-1).

2 Základní složky nátěrových hmot

Pro výrobu nátěrových hmot se používá celá řada nejrůznějších surovin. Tyto vstupní suroviny lze podle jejich specifické funkce rozdělit do čtyř základních skupin, které představují základní složky nátěrových hmot:

• Filmotvorné látky (pojiva)
• Pigmenty, plniva a barviva
• Těkavé složky (rozpouštědla, ředidla)
• Ostatní přísady (aditiva)

2.1 Filmotvorné složky (pojiva)

Pojiva zabezpečují soudržnost nátěru (drží nátěrovou hmotu pohromadě) a zajišťují dostatečně pevné spojení (přilnavost) s podkladem. Charakter pojiva má zásadní vliv na vlastnosti nátěrového filmu, jako je jeho vlastní odolnost, dále pružnost, přilnavost, tvrdost, lesk, atd.

Pojiva lze podle způsobu zasychání a vytvrzování rozdělit na:

• fyzikálně zasychající (zasychají odpařením rozpouštědel, pojivo je v roztoku nebo je dispergováno, soudržnost je způsobena přitažlivostí molekul pojiva, nátěry jsou tedy rozpustné v prostředích schopných tyto vazby porušovat) – vinyly, akryláty, bitumeny, atd.
• chemicky vytvrzující (vytvrzují chemickou reakcí obou složek v průběhu a/nebo po odpaření rozpouštědel) – alkydy (reagují se vzdušným kyslíkem), zinksilikáty (reagují se vzdušnou vlhkostí), epoxidy a polyuretany (reagují účinkem tužidla), vypalovací alkydy a epoxidy (reagují účinkem zvýšené teploty 100-200 ºC), atd.

Podle počtu složek se pojiva dělí na:

• jednosložkové – alkydy, akryláty, silikony, atd.,
• vícesložkové (dvousložkové) – epoxidy, polyuretany, zinksilikáty, atd.

V minulosti se jako pojiva využívaly dostupné přírodní materiály, a to především přírodní pryskyřice vzniklé výměšky rostlin (kopály, kalafuna, damara) nebo hmyzu (šelak) a rostlinné oleje. Používají se již jen výjimečně (např. jako retušovací laky). Velký význam dosud mají rostlinné oleje jako základní surovina pro výrobu alkydových pryskyřic. V současné době je výroba nátěrových hmot založena na syntetických pryskyřicích a/nebo jejich modifikacích.

2.1.1 Alkydové pryskyřice

Ještě v nedávné minulosti byly alkydové pryskyřice nejčastěji používaný typ pojiva pro běžné nátěrové hmoty. Samotné alkydové pryskyřice (tj. polyestery různých organických kyselin) se jako pojivo nepoužívají příliš často. Většinou se modifikují rostlinnými oleji, ev. se kombinují s jinými filmotvornými látkami (chlorovaným kaučukem, uretany, atd.). Alkydové nátěrové hmoty mají velmi dobrou přilnavost k ocelovému podkladu a poměrně dobře odolávají vlivům povětrnosti (křídují), jsou ale značně propustné pro kyslík, vodní páru i oxid siřičitý. Neodolávají působení uhlovodíků (benzínu, oleji, rozpouštědlům), kdy bobtnají a měknou. Neodolávají ani chemickým činidlům (kyselinám, zásadám). Používají se proto jako základní, podkladové i vrchní nátěry do mírných až středních korozních podmínek.

2.1.2 Akrylátové pryskyřice

Patří mezi moderní druhy pojiva, a to jako rozpouštědlové typy i jako vodní akrylátové disperze. Vyrábí se esterifikací akrylové a metakrylové kyseliny, často se kombinují s jinými pryskyřicemi. Akrylátové nátěrové hmoty vynikají odolností povětrnostním vlivům (dlouho zachovávají lesk i barevný odstín). Používají se především jako vrchní nátěrové hmoty do mírných až středních korozních podmínek.

2.1.3 Epoxidové pryskyřice

Epoxidové pryskyřice jsou pojivem pro velmi významnou skupinu dvousložkových nátěrových hmot s vysokou chemickou odolností. Jako základní báze se téměř výhradně používají nízkomolekulární pryskyřice na bázi dianu, jako tužidla potom polyamidy a polyaminy, pomocí kterých dojde k chemickému vytvrzení, čímž se získá nátěrový film s velmi dobrou chemickou odolností, tvrdostí a houževnatostí. Často se kombinují i s jinými pojivovými složkami (jako epoxi-estery, epoxi-dehty, fenolické epoxidy, atd.). Vhodnou modifikací je lze upravit a používat i jako jednosložkové nátěry. Epoxidové nátěrové hmoty velmi dobře odolávají celé řadě agresivních prostředí, chemickým vlivům (zásadám, méně kyselinám, uhlovodíkům) a vodě. Na přímé povětrnosti jsou méně odolné (vlivem UV záření křídují). Používají se jako základní, podkladové i vrchní nátěry do těžkých až velmi těžkých korozních podmínek. Jsou vhodné i pro ponor a přímý kontakt s provozními medii.

2.1.4 Polyuretany

Polyuretanové nátěrové hmoty se připravují z isokyanátové pryskyřice, která se vytvrzuje sloučeninami s hydroxylovou skupinou (s aktivním vodíkem). Vhodnou volbou pojivových složek lze získat nátěrové hmoty s nejrůznějšími vlastnostmi. Polyuretanové nátěrové hmoty lze připravit i jako jednosložkové, vytvrzované vzdušnou vlhkostí. Polyuretanové nátěrové hmoty mají velmi dobrou přilnavost ke kovovým podkladům, odolávají mechanickému namáhání, jsou odolné vůči vodě a mají i poměrně dobrou chemickou odolnost. Alifatické uretany vynikají odolností vůči povětrnostním vlivům (dlouho si zachovávají lesk i barevný odstín). Používají se především jako vrchní nátěry do těžkých až velmi těžkých korozních podmínek.

2.1.5 Polysiloxany

Pryskyřice nové generace jsou polysiloxanové nátěrové hmoty. Využívají schopnosti křemíku tvořit dlouhé sloučeninové řetězce (stejně jako uhlík) s chemickou vazbou, která ale je pevnější než v případě uhlíku. Což se velmi významně projeví na jejich odolnosti vůči vnějším vlivům, která je vyšší, než mají klasické organické nátěrové hmoty, jako jsou epoxidy nebo polyuretany. Polysiloxany vynikají dlouhodobou odolnost vůči korozi, prodlouženou životností nátěrového filmu a dále konečným vzhledem nátěru, kdy si dlouhodobě zachovávají vysoký lesk i barevný odstín. Pro zvýšení některých vlastností (pružnost nátěru, kryvost hran, snadná aplikace, apod.) je lze modifikovat malým množstvím organického polymeru (epoxidy, akrylem). Nevýhodou je jejich vyšší cena. Používají se především jako vrchní nátěry do těžkých až velmi těžkých korozních podmínek s dlouhodobou životností.

2.1.6 Silikony

Silikonové pryskyřice se připravují polykondenzací silanolů. Výsledná pojiva potom mají vynikající tepelnou odolnost, ale poměrně nízké antikorozní vlastnosti. Používají se proto výhradně jako tepelně odolné nátěry, nejčastěji s kovovými pigmenty (hliník, zinek). Silikonové nátěrové hmoty pigmentované hliníkem odolávají teplotám až 600 ºC, silikon-akrylátové nátěry pigmentované hliníkem teplotám až 400 ºC. Tepelná odolnost silikon-akrylátů pigmentovaných jiným než hliníkovým pigmentem je nižší, cca 200 ºC.

2.1.7 Anorganická pojiva

Patří sem především zinksilikátové nátěrové hmoty. Připravují z etylsilikátového pojiva, které se smísí se zinkovým prachem. K chemickému vytvrzení potom dojde vlivem vzdušné vlhkosti. Množství kovového zinku v pojivu musí být dostatečně vysoké, aby došlo k elektricky vodivému spojení s ocelovým podkladem (při lokálním mechanickém poškození zinek působí jako katodická ochrana oceli). Zinksilikátové nátěrové hmoty lze připravit i jako jednosložkové. Zinksilikátové nátěrové hmoty mají vynikající odolnost vůči povětrnostním vlivům a otěru, mají vynikající chemickou odolnost v rozmezí pH 6-9, odolávají teplotám až 400 ºC. Nevýhodou jsou poměrně vysoké požadavky na kvalitní přípravu povrchu (čistota povrchu i jeho profil) a náročné podmínky aplikace (teplota a vlhkost okolního prostředí, tloušťka vrstvy, obtížná opravitelnost ev. poškození, atd.). Zinksilikátové nátěrové hmoty se používají výhradně samotné nebo jako základní nátěr do těžkých až velmi těžkých korozních podmínek.

Základní vlastnosti jednotlivých generických typů nátěrových hmot jsou uvedeny v Tab. 1.

2.2 Pigmenty, plniva a barviva

Pigmenty jsou barevné prášky nerozpustné v pojivu i v rozpouštědle, které nátěrovým hmotám dodávají barevný odstín a kryvost. Pigment také velmi významně ovlivňuje vlastnosti celého nátěru.

Bílé anorganické pigmenty

• titanová běloba (oxid titaničitý),
• zinková běloba (oxid zinečnatý),
• litopon (směsná sůl sulfidu zinečnatého a síranu barnatého), aj.

Barevné anorganické pigmenty

• chromanové pigmenty (žluté, oranžové, červené a zelené odstíny), s ohledem na jejich toxicitu jsou už ale vyřazovány ze sortimentu,
• železité pigmenty (z přírodních pigmentů pouze okrové, ze syntetických žluté, oranžové, červené, hnědé až černé odstíny),
• železokyanidové modře (modré odstíny),
• grafit (černý odstín),
• dále saze, kovové bronzy, kovový hliník, atd.

Antikorozní pigmenty

• fosforečnan zinečnatý a jeho modifikované typy (jako náhrada olovnatých a chromanových pigmentů, je inertní, netoxický, prakticky nerozpustný, nátěry jsou dobře přilnavé k podkladu i k vrchnímu nátěru, používá se s alkydovými, epoxidovými, polyuretanovými, aj. pojivy),
• kovový zinek (zinkový prach) s velikostí částic 3-8 μm, především pro výrobu nátěrových hmot s vysokým obsahem zinku („Zinc Rich Paint“), s epoxidovými, polyuretanovými a především se silikátovými pojivy,
• železitá slída (přímo nemá antikorozní vlastnosti, používá se ale především do základních a podkladových nátěrů), šedá až černá přírodní forma hematitu (oxidu železitého), odolává vysokým teplotám a povětrnosti, lístková struktura slídy zvyšuje odolnost (bariérový účinek) i méně odolným pojivům,
• v minulosti velmi významné a účinné pigmenty na bázi olova (suřík, suboxid olova, olovičitan vápenatý) a na bázi šestimocného chromu (zink tetraoxichromát, zinková žluť) se z důvodů jejich toxicity již nepoužívají.

Plniva v podstatě tvoří kostru nátěrového filmu, zesilují strukturu povlaku a v neposlední řadě jsou i zlevňovací složkou. Používají se především dostupné, chemicky a barevně stálé sloučeniny – blanc fix (síran barnatý), kaolin, talek, těživec, písek, mramorová drť, skelné granule, atd.

2.3 Těkavé složky (rozpouštědla, ředidla)

Rozpouštědla a ředidla jsou kapalné organické sloučeniny (obvykle jejich směsi), schopné rozpouštět oleje, vosky, přírodní i syntetické pryskyřice (lakový benzín, toluen, xylen, alkoholy, étery, estery, acetáty, apod.). Upravují konzistenci nátěrové hmoty, aby byla schopná aplikace. Rozpouštědlo je do nátěrové hmoty přidáváno již výrobcem v průběhu výroby, ředidlo až aplikátorem (natěračem) před aplikací. Tvoří značný podíl nátěrové hmoty, z ekonomických i ekologických důvodů je snaha jejich podíl snižovat (VOC).

2.4 Aditiva

Upravují některé specifické účinky a vlastnosti nátěrových hmot (lepší dispergace pigmentů v barvě, zabránění pěnění nátěrových hmot, zabránění želatinizace nátěrových hmot, omezují usazování pigmentů, zlepšují rozliv, apod.).

3 Nátěry / nátěrové systémy

S ohledem na druh a intenzitu zatížení lze nátěry / nátěrové systémy rozdělit do mnoha skupin, a to:

• nátěry antikorozní,
• nátěry odolné zvýšené až vysoké teplotě,
• nátěry pod izolaci (izolaci tepelnou i izolaci proti kondenzaci),
• nátěry transportní,
• nátěry svařitelné,
• nátěry kluzné,
• nátěry protipožární,
• nátěry pro přímý styk s provozním mediem (s čistou a/nebo různě znečištěnou vodou, s chemikáliemi, s ropnými produkty, apod.), atd.

Pro každou skupinu se potom používají vhodné nátěrové systémy složené s různých generických typů nátěrových hmot. Některá řešení nátěrových systémů mohou být alternativní, některá řešení však alternativu nemají. Volba vhodného nátěrového systému je přitom ovlivněna nejen danými specifickými podmínkami (druhem zatížení, typem a velikostí natíraného dílu/zařízení, možnou aplikační technologií, apod.), ale také podmínkami či změnou příslušné oborové, národní či jiné legislativy. Antikorozní nátěrové systémy jsou dále specifikovány i v normě mezinárodní, a to v ISO 12944 (Nátěrové hmoty – Protikorozní ochrana ocelových konstrukcí ochrannými nátěrovými systémy).

4 Antikorozní nátěrové systémy

K protikorozní ochraně ocelových konstrukcí a technických zařízení lze použít řadu nátěrových systémů. V normě ISO 12944 jsou uvedeny příklady nátěrových systémů, které vychází z jejich předpokládané životnosti a ze stupně korozní agresivity atmosféry. Jsou zde zahrnuty systémy s prokázanými vlastnostmi. Přehled ale není vyčerpávající a je možné použít i jiné podobné systémy.

4.1 Životnost

Životnost ochranného nátěrového systému je technický údaj, umožňující vlastníkovi konstrukce/zařízení sestavit plán údržby (první velká údržba nátěru se přitom předpokládá, pokud není stanoveno jinak, při dosažení stupně prorezavění Ri 3 (ISO 4628-3).
Životnost je rozdělena do tří pásem:
nízká (Low) L 2 až 5 let
střední (Middle) M 5 až 15 let
vysoká (High) H nad 15 let

4.2 Korozní agresivita atmosféryKorozní agresivita atmosféry je schopnost atmosféry v daném korozním systému vyvolávat korozi. Normalizované ohodnocení této korozní agresivity atmosféry je potom stupeň korozní agresivity atmosféry.
Stupeň korozní agresivity atmosféry se stanovuje na základě korozních úbytků po prvním roce expozice (EN ISO 9223) nebo z úbytku hmotnosti / tloušťky standardních vzorků (EN ISO 12944-2).

5 Návod pro výběr vhodného antikorozního nátěrového systému

• určí se stupeň korozní agresivity atmosféry (makroklima) v místě určení (viz Tab. 2),
• zjistí se zvláštní podmínky (mikroklima), které mohou zvyšovat stupeň korozní agresivity prostředí,
• pro daný stupeň korozní agresivity a předpokládanou životnost (viz čl. 4.1) se v normě EN ISO 12944-5 vyhledají možné nátěrové systémy (tzv. „souhrnná tabulka“, uspořádaná podle druhu pojiva ve vrchním nátěru – viz Tab. 3, a tzv. „samostatné tabulky“, uspořádané podle druhu pojiva v základním nátěru – viz Tab. 4),
• vybere se optimální nátěrový systém,
• vybere se optimální výrobce nátěrových hmot.

Poznámka: V daném nátěrovém systému je třeba používat nátěrové hmoty vždy jen od jednoho výrobce.

Závěr

Odpovědný výběr vhodného nátěrového systému pro ochranu ocelové konstrukce / zařízení, vystavené daným klimatickým a korozním podmínkám, je značně náročná záležitost, protože je třeba zohlednit velmi mnoho okolních vlivů. Proto by vždy měl být svěřen do rukou zkušeného a odborně zdatného specialisty. Tento článek je hrubým nástinem základních informací a měl by sloužit jen pro orientaci v problému.