Лакокрасочные материалы строительного назначения

Объемная концентрация пигментов и методы ее опередения

Наиболее важным параметром, характеризующим рецептуру краски, является объемная концентрация пигментов (ОКП). Эта величина представляет собой отношение объема пигментов и наполнителей общему объему отвержденного (сухого) покрытия, выраженное в %:

окп = (объем пигментов и наполнителей × 100) / (объем пленкообразователя + объем пигментов и наполнителей)

Чем больше величина ОКП, тем меньше пленкообразователя содержит краска. Величиной ОКП принято характеризовать только краски, содержащие мелкодисперсные наполнители. Для штукатурок и шпатлевок, в состав которых входят наполнители с большим размером частиц, ОКП не рассматривают, так как эта величина в данном случае не отражает реального соотношения жидких и твердых компонентов в рецептуре.

Критическая объемная концентрация пигментов (КОКП) — это концентрация пигментов, при которой пленкообразователь в покрытии ещё полностью смачивает частицы пигментов и наполнителей и заполняет все промежутки между ними [44–50], что обеспечивает получение гладкого ровного покрытия. При превышении КОКП в рецептуре краски на поверхности покрытия появляются открытые поры (пустоты), так как пленкообразователь способен образовывать только отдельные мостики и точки соприкосновения между частицами пигмента и наполнителя.

Чем выше КОКП, достигаемая при использовании определенного типа пленкообразователя, тем меньшее его количество требуется для достижения нужных свойств покрытия. Следовательно, КОКП определяет экономичность применения пленкообразователя. Способность пленкообразователя к «связыванию» пигментов и наполнителей с получением покрытия, обладающего определенными свойствами, часто называют пигментной емкостью пленкообразователя.

К сожалению, не существует абсолютного метода определения пигментной емкости пленкообразователя из-за относительности данного понятия. Во многих случаях это свойство оценивают по числу циклов влажного истирания (DIN 53 778) для покрытия, полученного на основе краски, содержащей определенное количество пленкообразователя. Более объективный метод оценки пигментной емкости пленкообразователя — определение КОКП.

Величина КОКП обусловлена, с одной стороны, химической природой пленкообразователя, с другой — размером частиц пигментов и наполнителей.

Как правило, при использовании стиролакриловых дисперсий с небольшим размером частиц значение КОКП в рецептурах красок достигается при более высоких объемных концентрациях пигментов, чем при использовании дисперсий с более крупными частицами или Дисперсий других сополимеров.

Количество пленкообразователя, требующегося для наилучшего смачивания конкретных пигментов и наполнителей, обусловлено их маслоемкостью, увеличивающейся при уменьшении размера частиц и зависящей также от химической природы и кристаллической структуры пигмента. КОКП акриловых дисперсий для стандартных наполнителей обычно составляет 45–60%.

Многие свойства покрытий значительно ухудшаются при превышении КОКП в рецептуре краски. Например, резко возрастают водопоглощение, проницаемость водных паров и диоксида углерода, укрывистость и хрупкость, снижаются блеск и устойчивость покрытий к влажному истиранию. В табл. 13 приведены свойства покрытий в зависимости от ОКП краски.

Таблица 13

Необходимо отметить, что значение ОКП косвенно определяет блеск и области использования красок. На рис. 17 приведены типичные области применения акриловых красок и блеск покрытий в зависимости от ОКП [51]. Основной областью применения стиролакриловых дисперсий являются высоконаполненные краски с ОКП > 40%. При ОКП ниже 30%, т.е. врецегаурах красок для глянцевых и полуматовых покрытий, предпочтительно использовать чисто акриловые дисперсии из-за более высокой стойкости к УФ-излучению. Чисто акриловые дисперсии целесообразно применять в рецептурах материалов с ОКП 0–45%, используемых для окрашивания древесины, получения глянцевых покрытий, отделки фасадов, а также в составах пигментных паст.

КОКП в рецептуре красок можно оценить по определенным свойствам лакокрасочных пленок, например поверхностному натяжению, пористости, паропроницаемости, устойчивости покрытия к влажному истиранию, блеску, укрывистости как функции ОКП.

КОКП определяют, исходя из общих изменений измеряемой переменной или по изменению свойств при увеличении ОКП. Этот метод имеет хорошую воспроизводимость. Серии образцов для оценки ОКП готовят смешением определенного количества пигментных паст с разным (увеличивающимся) содержанием пленкообразователя. Свойства лакокрасочных пленок и покрытий определяют как функцию от ОКП. В подготовительных тестах для получения предварительного значения КОКП используют большие интервалы ОКП. Затем, уменьшая интервалы ОКП, более точно оценивают значение КОКП.

Наиболее простыми методами оценки КОКП являются метод определения поверхностного натяжения пленки, разработанный компанией «КРОНОС», и GILSONITE-тест. Они позволяют достаточно быстро получать хорошо воспроизводимые значения КОКП.

Поверхностное натяжение пленки определяется по частичному скручиванию специальных бумажных окрашенных полос и имеет максимальное значение при КОКП.

GILSONITE-тест фиксирует резкое увеличение пористости пленки при достижении КОКП. Для проведения этого теста водно-дисперсионную краску наносят на поливинилхлоридную пленку толщиной мокрой пленки 300 мкм. Высушенное покрытие на 7 сек погружают на ½ высоты в 10%-ный коричневый или черный раствор натурального асфальта в уайт-спирите, затем быстро промывают уайт-спиритом, до того как промывная жидкость не станет бесцветной. После высушивания покрытия методом колориметрии определяют различия в цвете (AL) погруженной и непогруженной частей покрытия. Резкое увеличение различия в цвете свидетельствует о достижении КОКП, так как в этом случае пористость покрытая сильно возрастает и поглощение цветного раствора становится максимальным.

Лакокрасочные материалы строительного назначения

Введение

Е. Е. Казакова, к.т.н. О. Н. Скороходова
«Водно-дисперсионные акриловые лакокрасочные материалы строительного назначения»: М.: изд-во ООО «Пэйнт-Медиа». — с. 136: табл. 44, ил. 54.

Водно-дисперсионные пленкообразователи, их свойства и способы получения

Полимеры в воде могут существовать в виде раствора или дисперсии. Для растворения в воде макромолекулы полимера должны содержать ионные группы (карбоксильные, аммониевые) или значительное количество неионных гидрофильных групп либо сегментов (гидроксильные, карбонильные, аминнные, амидные группы и/или полиэфирные цепи). Если гидрофильность полимерной молекулы недостаточна для образования истинных растворов (гидрозолей), несколько полимерных макромолекул ассоциируются в крупные агрегаты и образуют вторичные коллоидные системы — гидрогели. Ещё более крупные агрегаты полимерных частиц образуют дисперсии (эмульсии). Основные свойства водных систем полимеров, используемых в технологических процессах, приведены в табл. 1.

Эмульсионная полимеризация

Наиболее важными типами пленкообразователей являются сополимеры, получаемые радикальной сополимеризацией, свойства которых могут быть заданы определенными сочетаниями различных мономеров (а, б-ненасыщенных органических соединений).

Полиакрилаты, акриловые и стиролакриловые сополимеры

Полимерные акриловые дисперсии делятся на акриловые и стиролакриловые. Акриловые — дисперсии полимеров, полученных из акриловых или метакриловых мономеров, стиролакриловые — при сополимеризации производных акриловой (метакриловой) кислоты со стиролом. В табл. 3 приведены характеристики мономеров, используемых для получения дисперсий обоих типов. Так как акриловую кислоту и её производные получают из пропана, метакриловую и её эфиры — из 2-гидрокси-2-метилпропилонитрила, изобутана или изобутиральдегида в результате многостадийных процессов, эти мономеры более дороги, чем стирол и винилацетат. Поэтому акриловые сополимеры дороже стиролакриловых и сополимеров винилацетата.

Свойства пленкообразователей, используемых для ЛКМ

Основными показателями водных дисперсий, предназначенных для изготовления ЛКМ, являются:

• содержание нелетучих веществ (полимера);
• наличие гелей и микрогелей (крупинок);
• размер частиц;
• вязкость;
• значение рН;
• коллоидная стабильность (к сдвигу, воздействию электролитов, циклам замораживание — оттаивание);
• МТП (или Тст);
• молекулярная масса сополимера;
• поверхностное натяжение;
• содержание остаточных мономеров и летучих веществ (запах);

Влияние технологических параметров получения пленкообразователей на их свойства

Рецептура акриловых пленкообразователей, получаемых методом эмульсионной полимеризации, столь же сложна, как и рецептура ЛКМ на их основе. Характеристики получаемого сополимера и возможность его использования в составе тех или иных ЛКМ зависят от мономерного состава, инициатора, эмульгаторов, буферной системы, агента передачи цепи, используемых при проведении эмульсионной полимеризации, а также от таких параметров процесса, как давление, температура и время.

Общие закономерности

Пленкообразование для дисперсий протекает значительно сложнее, чем для растворов полимеров, и рассматривается как процесс ликвидации межфазной границы полимер — среда на поверхности подложки при одновременном удалении дисперсионной среды. Внешними признаками этого процесса являются уменьшение объема и оптической плотности пленок (для непигментированных материалов) и увеличение их объемного электрического сопротивления. Различают три фазы пленкообразования водных дисперсий, схематично изображенные на рис. 6.

Пленкообразование дисперсий Acronal (BASF)

Типичной стиролакриловой дисперсией, выпускаемой фирмой BASF, является продукт Acronal 290 D. Эта дисперсия предназначена для изготовления ЛКМ строительного назначения, которыми можно окрашивать древесину, штукатурку, асбоцемент, бетон, образующих покрытия с различным блеском (от высокоглянцевых до матовых) и эксплуатирующихся как внутри помещений, так и в атмосферных условиях. Кроме того, на основе этой дисперсии можно выпускать клеевые составы различного назначения, нетканые материалы и текстильные пропиточные составы.

Пленкообразование дисперсий Primal (Rohm & Haas)

Из широкого ассортимента акриловых дисперсий, выпускаемых одним из крупнейших химических концернов Rohm & Haas, остановимся на продукте Primal E-822K — акриловой дисперсии, предназначенной для использования в составе лаков и красок для окрашивания бетонных, оштукатуренных, деревянных, шиферных поверхностей, эксплуатирующихся в промышленности и быту.

Пленкообразование дисперсий Rhodopas (Rhodia)

Одной из широко представленных на российском рынке стиролакриловых дисперсий является продукт Rhodopas DS 910, выпускаемый французской фирмой Rhodia. Это дисперсия анионного типа, устойчивая к пенообразованию, не содержащая алкилфенолэтоксильных ПАВ, с повышенной «пигментной емкостью» (более подробно это понятие рассматривается в гл. 3), позволяющая получать водо- и атмосферостойкие покрытия с хорошими деформационно-прочностными свойствами.

Пленкообразование дисперсий Finndisp (Forcit)

Многие российские производители ВД-ЛКМ работают с продукцией фирмы Forcit (Финляндия), выпускающей широкий ассортимент водных дисперсий акриловых и стиролакриловых сополимеров. К их числу относятся дисперсии Finndisp A 10, А 2001 и 2002, А 05 и другие.

Пленкообразование дисперсий отечественного производства

В последние годы на российском рынке появились водно-дисперсионные акриловые и стиролакриловые сополимеры достаточно высокого качества, изготавливаемые российскими предприятиями. К ним относятся дисперсия «Новопол» («Новоплант», Дзержинск), серия продуктов под торговой маркой «Лакротэн» (ООО «Оргхимпром», Дзержинск), дисперсия 252 (ОАО «Пигмент», Тамбов) и продукты, выпускаемые ООО «Ленхозторг» (С.-Петербург).

Требования к лакокрасочным материалам и покрытиям на их основе

ВД-Л КМ, особенно применяемые в строительстве и быту, должны легко наноситься кистью, валиком, распылителями, в ряде случаев наливом или погружением, не стекать при отверждении с вертикальных поверхностей и не оседать при хранениии. Для формирования покрытий с хорошими декоративными свойствами при различных условиях нанесения краски должны обладать отличным розливом и способностью к пленкообразованию при температурах 5–30°С.

Компоненты рецептур водно-дисперсионных ЛКМ

В зависимости от области применения ЛКМ строительного назначения и покрытия на их основе должны удовлетворять различным требованиям. Например, к материалам, применяемым для внутренних работ, предъявляют более жесткие требования по наличию запаха, тогда как для фасадных красок это не столь важно, так как основное значение при их использовании имеет атмосферостойкосгь покрытий.

Пленкообразователи

Получение и функции пленкообразователей в рецептурах ВД-ЛКМ были рассмотрены в главе 1. Ниже отметим наиболее важные техническиe требования, предъявляемые к современным пленкообразователям в зависимости от области применения ЛКМ и типа окрашиваемой поверхности:

Пигменты

В рецептурах ВД-ЛКМ используют не только для обеспечения необходимых укрывистости и цвета покрытий, но и повышения атмосферостойкости и стойкости к действию УФ-излучения. В настоящее время наиболее широко применяемым белым пигментом является диоксид титана благодаря более высокому коэффициенту преломления, чем у оксида и сульфида цинка и литопона. Последние мало используются, потому что не обеспечивают высокой белизны и укрывистости покрытия, более склонны к мелению. Обычно их применяют в рецептурах специальных фунгицидных покрытий для защиты каменной кладки.

Наполнители

Наполнители — неорганические соединения, имеющие более низкий коэффициент преломления, чем пигменты (согласно DIN 55943, 55945 значение коэффициента преломления для наполнителей менее 1,7). Перечень стандартных пигментов и наполнителей различных кристаллических форм и значения их коэффициентов преломления приведены в табл. 15. Большинство наполнителей — это природные минералы: кальцит, мел, доломит, каолин, тальк, слюда, диатомитовая земля, барит, кварц. Но некоторые из них получены реакцией осаждения (карбонат кальция или сульфат бария, пирогенный диоксид кремния). Плотность обычных наполнителей составляет 2,5–2,8, барита — 4 г/см³.

Функциональные добавки

Функциональные добавки — это вспомогательные вещества, применяемые для улучшения процессов пленкообразования и нанесения ЛКМ, повышения стабильности и долговечности красок и покрытий, а также для придания им каких-либо специальных свойств. Основные используемые в настоящее время добавки можно разделить по их назначению на следующие группы:

Основные требования

Как говорят старые мастера-отделочники, краска хороша настолько, насколько хороша поверхность, на которую её наносят. Поэтому для выравнивания дефектов подложки и улучшения адгезии отделочного покрытия на окрашиваемую поверхность (древесину, металл и минеральные строительные материалы) в качестве «подслоя» наносят специальные пигментированные или непигментированные грунты. В данной главе рассмотрены грунты по минеральным подложкам.

Водно-дисперсионные грунты на основе акриловых дисперсии

Раньше фунты изготавливали из растворов полимеров (олигомеров), так как они хорошо проникают внутрь пористых подложек и повышают их прочность на достаточную глубину.

Рецептуры грунтов

Непигментированные фунты с хорошей проникающей способностью содержат приблизительно 10% нелетучих веществ и состоят, как правило, из следующих компонентов.

Лакокрасочные материалы для наружных работ

ЛКМ для наружных отделочных работ включают фасадные краски, материалы для минеральных подложек, окрашивания древесины и для текстурированных покрытий. Фасадные краски в свою очередь могут быть водно-дисперсионными, силикатными или силиконовыми. В данной главе рассмотрены белые классические водно-дисперсионные фасадные краски.

Фасадные краски, содержащие органические растворители

Так как в рецептурах водно-дисперсионных фасадных красок используют широкий ассортимент дисперсий различного состава и Тст, они могут содержать значительное количество коалесцентов, являющихся органическими растворителями.

Натурные испытания фасадных покрытий

При производстве и применении фасадных красок постоянно сравнивают чисто акриловые и стиролакриловые дисперсии. Ответы на вопросы по выбору дисперсий, сходство и различие двух типов акриловых дисперсий обсуждаются ниже.

Фасадные краски, не содержащие растворителей

В настоящее время возрастает спрос на водно-дисперсионные ЛКМ, не содержащие даже небольших количеств растворителя. Это требование может быть удовлетворено при использовании дисперсий с МТП ниже 5°С. К таким продуктам могут относиться как акриловые, так и стиролакриловые сополимеры.

Фасадные краски с высоким значением ОКП

В ряде случаев, особенно исходя из соображений экономичности, выпускают высоконаполненные фасадные краски со значением ОКП > 50% вплоть до КОКП.

Такие фасадные краски обычно применяют при реставрации зданий для окрашивания оштукатуренных поверхностей, поэтому покрытия на их основе должны обладать отличной паропроницаемостью.

Рецептуры красок на основе стиролакриловых и акриловых дисперсий

В результате определения и анализа параметров, влияющих на атмосферостойкость фасадных покрытий, предложены рецептуры фасадных красок на основе стиролакриловой дисперсии с массовой долей нелетучих веществ 66% и ОКП 50% (ниже КОКП), и чисто акриловой дисперсии, с массовой долей нелетучих веществ 58% и ОКП 41% (ниже КОКП), представленные, соответственно в табл. 32 и 33. В качестве примеров пленкообразователей выбраны дисперсии Acronal. Рецептуры приводятся в порядке рекомендуемой загрузки.

Лакокрасочные материалы для глянцевых покрытий

ВД-ЛКМ для глянцевых покрытий — это высококачественные материалы, предназначенные для декоративной отделки, образующие покрытия с различным блеском.

Пленкообразователи для красок, образующих глянцевые покрытия

Обычно в качестве пленкообразователей для красок этого типа используют акриловые дисперсии с небольшим размером частиц, массовой долей нелетучих веществ 45–50%, Тст = 15-50С, содержащие в некоторых случаях до 30% стирола. Их выбор зависит от области применения и требований к атмосферостойкости покрытия. Твердые полимеры с высокой Тст используют в рецептурах красок для высокоглянцевых интерьерных покрытий с высокой устойчивостью к царапанию и слипанию. Такие композиции требуют высокого содержания коалесцента (до 10%).

Диоксид титана и процесс диспергирования для красок, образующих глянцевые покрытия

Отрицательное влияние пигментирования на блеск вследствие повышения неровности покрытия обсуждалось выше. Поэтому ясно, что высокий блеск покрытий можно обеспечить только краска с минимальной дисперсностью (рис. 45).

Свойства акриловых водно-дисперсионных красок для глянцевых покрытий

Качество водно-дисперсионных красок, образующих глянцевые покрытия, приближается к качеству традиционных алкидных эмалей, однако по некоторым показателям последние ещё имеют преимущества. В табл. 37 приведены сравнительные свойства водно-дисперсионных акриловых и органоразбавляемых алкидных красок.

Лакокрасочные материалы для внутренних работ

К ЛКМ для внутренних работ относятся краски, используемые для отделочных работ внутри помещений, покрытия на основе которых не подвергаются атмосферному воздействию и УФ-облучению. Как правило, к ним относятся ЛКМ, используемые для окрашивания бетонных, оштукатуренных поверхностей и ДВП, образующие матовые покрытия.

«Пигментная емкость» критическая объемная концентрация пигмента

Пигментная емкость — это способность дисперсии «соединять» пигменты и наполнители, образуя пленку с определенными потребительскими свойствами.

Если в рецептуре краски ОКП < КОКП, образуется сплошная пленка, а при ОКП > КОКП образуется пленка с открытыми порами. Чем выше КОКП краски, обусловленная свойствами дисперсии, тем меньшее её количество требуется для достижения желаемых потребительских свойств, т.е. КОКП определяет экономичность пленкообразователя.

Укрывистость мокрой и высушенной пленки

Укрывистость — это способность ЛКМ скрывать цвет подложки. Желательно, чтобы укрывистость краски была более высокой, что позволит сократить расход материала. Укрывистость зависит от различия коэффициентов преломления используемых материалов (дисперсии, пигментов и наполнителей): чем больше разница, тем выше укрывистость (рис. 48). Значения коэффициентов преломления для основных сырьевых компонентов приведены в табл. 40.