Лакокрасочные материалы строительного назначения

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.

Основными компонентами процесса эмульсионной полимеризации являются:

• мономеры;
• вспомогательные или функциональные мономеры (стабилизаторы, сшивающие агенты, промоторы адгезии);
• эмульгаторы;
• инициаторы;
• агенты передачи цепи;
• буферные вещества;
• комплексообразующие агенты;
• нейтрализующие агенты;
• биоциды/консерванты;
• пеногасители;

Выбор мономеров обусловливает такие основные свойства получаемых сополимеров, как полярность, эластичность, твердость получаемых покрытий. Однако на свойства сополимеров значительно влияют вспомогательные функциональные мономеры, добавляемые в реакционную смесь в количестве 0,5–10% (по массе). В качестве таких соединений при сополимеризации с акриловой и метакриловой кислотами, акрил- или метакриламидом для регулирования реологических показателей и повышения коллоидной стабильности дисперсий используют мономеры, содержащие сульфогруппы, например акриламидопропансульфоновую кислоту.

Для повышения механической прочности пленок и химстойкости получаемых покрытий целесообразно применение в качестве сшивающих агентов дивинилбензола, этиленгликольметакрилата, а также соединений с эпоксидными или N-метилольными функциональными группами.

Введение мономеров с амино-, ацетокси-, фосфатными, силоксано-выми или карбамидными, карбоксильными (акриловая и метакриловая кислоты) функциональными группами улучшает адгезию к подложке в результате специфического взаимодействия или химических реакций. Ниже приведен перечень функциональных (мет)акриловых мономеров, используемых для получения водно-дисперсионных пленкообразователей:

Эмульгаторы и ПАВ (обычно сочетание ионных и неионных) в сополимерах, применяемых для ЛКМ, обеспечивают коллоидную стабильность и совместимость пигментов и наполнителей с дисперсией. Природа и количество эмульгатора позволяют контролировать размер частиц и вязкость дисперсий. Эмульгаторы — амфифильные соединения, обычно состоящие из гидрофобной длинноцепной органической части и гидрофильной «головной» группы. Органическая часть — в основном алкил С12-С18, алкилбензол, алкилдифенилоксид или алкилфенол группы (алкил С8-С9). В случае анионных эмульгаторов гидрофильная полярная «головная» группа — сульфатная, полиэфирсульфатная, суль-фонатная, карбоксильная, фосфатная или фосфонатная. Наиболее часто используемые в промышленности анионные эмульгаторы — додецилсульфат натрия (C12H25OSO3Na) и додецилбензосульфонат натрия (C12H25C6H4-SO3Na).

У неионных эмульгаторов гидрофильная часть представляет собой незаряженный длинноцепной полиэтиленоксид со степенью полимеризации 8–50 или алкилполигликозиды.

Защитные коллоиды — натуральные или синтетические полимерные эмульгаторы: поливиниловый спирт, крахмал, поливинилпирролидон, гидроксиэтилцеллюлоза или полипептиды, например желатин. Они обеспечивают стерическую стабилизацию получаемой дисперсии, повышая её стабильность при хранении. Их набухание и влагопоглощение позволяют контролировать вязкость дисперсий и красок на их основе. Однако их применение зачастую приводит к снижению водостойкости покрытий.

Инициаторы и агенты передачи цепи — водорастворимые соединения, распадающиеся при повышенной температуре на свободные радикалы, или радикалообразующие соединения, такие как пероксодисульфаты аммония, натрия, калия, распадающиеся в соответствии со схемой:

KO-SO2-O-O-SO2-OK 2KO-SO2-O.

В качестве инициаторов также используют пероксид водорода, органические пероксиды, гидропероксиды и азосоединения. Радикалы образуются в результате гомолитического разложения пероксидных групп или выделения азота при использовании азосоединений. Характеристики термического разложения инициаторов выбрают таким образом, чтобы процесс полимеризации протекал при температуре 75–95°С.

Альтернативной возможностью является использование так называемых редокси- (окислительно-восстановительных) систем, в которых окислитель комбинируется с восстановителем для инициирования полимеризации. Редоксиполимеризация требует очень незначительной термической активации, что позволяет проводить процесс при относительно низких температурах (вплоть до комнатной). Известными окислительно-восстановительными системами являются сочетания пероксида водорода с аскорбиновой кислотой или с восстановителем — солями Fe2+ или Сu+. Реакцию образования радикалов в этом случае можно описать следующей схемой:

НО-ОН + Fe2+ НО • + ОН- + Fe3+.

Природа, количество и способ подачи инициатора и агента передачи цепи в реакционную смесь оказывают решающее влияние на молекулярную массу и строение сополимера (например, на наличие боковых цепей и сшивок), а также на содержание остаточных мономеров после завершения полимеризации.

В качестве агентов передачи цепи обычно используют меркаптаны (тиоэтанол, н- или трет-додецилмеркаптан). Свободные SH-группы воздействуют на растущую полимерную цепь как агенты, передающие водород. Образующиеся меркаптановые радикалы RS • стабильны и имеют очень ограниченную возможность инциирования роста цепи. Таким образом, с помощью агентов передачи цепи можно контролировать молекулярную массу образующегося полимера.

Буферные вещества и нейтрализующие агенты используют для повышения стабильности дисперсии и ионной совместимости в процессе полимеризации.

В качестве таких соединений применяют карбонат, ацетат, бикарбонат натрия, этилендиаминтетраацетат. При использовании в качестве сомономеров акриловой или метакриловой кислоты, а также если эмульсионная полимеризация инициирована пероксидисульфатами, по окончании процесса дисперсия имеет кислую реакцию. Нейтрализация (обычно до рН 7–9) аммиаком, аминами или гидроксидами щелочных металлов позволяет повысить стабильность дисперсии. Раньше для этих целей, как правило, использовали аммиак, но из-за резкого запаха дисперсий, проявлявшегося при производстве ЛКМ и в процессе пленкообразования, он был заменен на нейтрализующие агенты со слабым запахом.

Консерванты позволяют предотвратить заражение дисперсий микроорганизмами (бактериями, грибами, плесенью, дрожжевыми грибами) в процессе хранения и транспортировки. Для этих целей в дисперсии вводят обычно смеси метил- и хлорметилизотиазолинонов, бензизотиазолинонов, формальдегида или веществ, выделяющих формальдегид.

Большое влияние на активность консервантов и, как следствие, на свойства дисперсии при хранении оказывают различные факторы: рН, окислительно-восстановительный потенциал и химическая функциональность дисперсии.

Например, свободные гидроксил-ионы (при рН > 9), нуклеофильные группы вспомогательных веществ (сульфонатные группы восстановителя) и/или полимера (меркаптановые группы агента передачи цепи) взаимодействуют с действующим веществом биоцида, что приводит к быстрой потере активности. Бензизотиазолинон более устойчив к нуклеофильному воздействию, чем хлоризотиазолинон, однако может быть подвержен окислительному разложению в присутствии избытка пероксида.

Пеногасители в небольших количествах добавляют в дисперсии, когда продукты имеют тенденцию к ценообразованию, для предотвращения образования избыточного количества поверхностной пены или микропены в процессе получения, переработки и транспортировки.

Как отмечалось, давление и температура процесса, системы инициирования и передачи цепи, время их подачи в реакционную смесь наряду с типом используемых мономеров определяют строение полимера: длину цепи, степень разветвления и содержание гель-фракции. А эти характеристики в свою очередь сильно влияют на технические свойства пленкообразователя и возможность его использования в составе ЛКМ.

«Ноу-хау» ведущих производителей дисперсий в получении продуктов с контролируемыми свойствами заключается в обеспечении правильного соотношения компонентов и оптимизации параметров процесса полимеризации. Так как существует множество факторов, влияющих на процесс эмульсионной полимеризации, очевидно, что две дисперсии, аналогичные по мономерному составу, могут значительно отличаться по свойствам.

В настоящее время благодаря специальной технике проведения процесса полимеризации, например ступенчатой полимеризации, возможно получение полимерных частиц с двумя или более полимерными фазами.

Дисперсии такого типа имеют различную морфологию: частицы традиционной формы — ядро/оболочка, частицы, имеющие форму малины, клубники, полумесяца, а также частицы с включенными структурами или с инверсионными структурами ядро/оболочка (рис. 5).

В последнее время возрастает роль многофазных систем при синтезе пленкообразователей для ЛКМ строительного назначения, в особенности для ЛКМ, образующих глянцевые покрытия по древесине.

Путем сочетания «мягкой» пленкообразующей полимерной фазы (с Т < 10°С) с «твердым» не пленкообразующим полимером (Тст > 50°С) можно достичь в одной частице противоположных свойств. Например, такие дисперсии при низкой МТП и высокой эластичности образуют пленки и покрытия с отличной ударопрочностью и высокой твердостью.

Следует отметить также способ затравочной эмульсионной полимеризации, позволяющий получать дисперсии с высокой воспроизводимостью по распределению частиц по размерам. При использовании готовых мелких частиц дисперсии (диаметром < 50 нм) в качестве затравки можно в начале процесса полимеризации с относительно высокой точностью определить количество и конечный размер частиц.

Альтернативный вариант технологии, так называемый затравочный процесс в момент образования, уже начинают использовать в промышленных масштабах.

В этом случае полимеризация протекает в отдельных частицах как процесс в одном реакторе.

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);

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.

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 %:

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.