Лакокрасочные материалы строительного назначения

Лак и краски

Использовать краски человек начал миллионы лет назад — с начала познания окружающей природы и подчинения ее своим нуждам. Он рисовал сцены охоты на скалах, раскрашивал домашнюю утварь, покрывал краской лицо и тело. Делалось это для создания декоративного и, иногда, психологического эффекта.

Сейчас лакокрасочные покрытия используются не только для декоративных, но и для защитных целей — они защищают окрашиваемый материал от воздействий окружающей среды.

Из чего же сделаны лаки?

Историки считают, что слово «лак» родилось на полуострове Индостан. Именно там был изобретен первый лак — шеллак, изготовленный на основе смолистых выделений насекомых, обитающих в огромных количествах на тропических деревьях. Буквально слово «лак» означало сто тысяч. В русский язык оно пришло из немецкого (Lack).

В каждой стране существовал свой секрет создания лака. В Китае во втором тысячелетии до н. э. лаки готовили на основе сока лакового дерева. Несколько позже в Египте стали применять природные смолы: янтарь, копал. В средние века в качестве лаков использовали высыхающие масла: льняное, конопляное и другие. Лишь в 20-е годы прошлого столетия началось производство лаков на основе эфиров целлюлозы. С 30-х годов в качестве пленкообразующего вещества в лаках стали использовать синтетические полимеры. Это алкидные, эпоксидные и другие смолы, карбомидо- и меламиноформальдегидные вещества и т. д.

Обычно выделяют несколько основных групп лаков. Одними из самых старых являются масляные лаки. Это вещества, изготовленные на основе растительных масел и смол. Масляные лаки не обладают высокой стойкостью к атмосферным явлениям, поэтому их используют, в основном, для лакировки деревянных поверхностей внутри помещений, например полов. Впрочем, в последнее время масляные лаки используются все реже. Пленка, которую они образуют, имеет желтоватый цвет.

Битумные лаки изготавливаются, как следует из их названия, на основе битумов с высокой температурой размягчения. Такие лаки образуют пленки черного цвета и чаще всего применяются для защиты металлов. В быту их используют редко.

Некоторые природные смолы растворяются в спирте или в политуре. Это упоминавшийся уже шеллак, приготовляемый на основе смол тропических деревьев. Спиртовые лаки устойчивы к механическим воздействиям, они дают красивый блеск, но плохо переносят воздействие воды. Иногда их используют при обработке мебели, чаще — для полировки декоративных деревянных изделий — шкатулок, украшений и т. п.

Алкидные лаки изготавливаются на основе алкидных смол. Они образуют почти прозрачные и очень прочные пленки (с высокой стойкостью к механическим воздействиям). Их применяют и для наружных работ. В производстве такого типа лаков используются растительные масла, поэтому алкидные лаки путают с масляными.

Разновидностью алкидных лаков являются алкидно-карбомидные. Их главное отличие в том, что при нормальной температуре они не высыхают без специальных отвердителей. Для того чтобы высушить такой лак, применяется либо горячая сушка (80-120 °С), либо специальные вещества, вводимые в состав лака. Алкидно-карбомидные лаки используются при укладке паркета и изготовлении мебели.

Нитролаки получают путем растворения нитрата целлюлозы в смеси активных органических растворителей. Для регулирования свойств лаков в композицию вводятся различные смолы (алкидные, аминоформальдегидные и др.). Нитролаки образуют твердые, прозрачные (практически бесцветные), быстросохнущие пленки. Чаще всего нитролаки применяют для лакирования изделий из дерева. Иногда ими покрывают и изделия из металла (в качестве последнего слоя). Нитролаки предназначены в основном для обработки изделий, используемых внутри помещения; но с помощью современных добавок могут быть созданы варианты покрытия, способные противостоять атмосферным воздействиям.

Полиэфирные лаки знакомы нам всем. Это те самые вещества, которыми покрывалась такая модная в семидесятые годы мебель. И сегодня не одна хозяйка любовно протирает мягкой тряпочкой со специальной мастикой шкаф, стол или тумбочку, добиваясь почти зеркального отражения комнаты. Полиэфирные лаки при высыхании образуют пленки большой толщины, однако наносить их самостоятельно решится далеко не каждый: главное в подобной зеркальной полировке — идеально гладкое покрытие. На основе полимерных лаков изготавливают и полимерные шпатлевки для автомобилей.

Полиуретановые и алкидно-уретановые лаки отличаются износостойкостью. В домах их применяют в первую очередь при паркетных работах — тогда полам не страшны ни каблуки с железными набойками, ни когти домашних животных, и даже постоянно задевающую пол дверь они могут выдерживать довольно долго. Полы Эрмитажа, например, покрыты именно этими лаками. Они используются для защиты наиболее ценных пород дерева. Это — самый дорогой вид лака. Стойкость и долгая служба подобного материала оправдывают его высокую стоимость.

Ближайшие родственники лаков, «прекрасная половина» лакокрасочных материалов — краски. По числу видов они намного превосходят лаки.

Из используемых сегодня красок масляные — самые древние. Они состоят из пигментов и наполнителей, затертых на олифе, бывают с добавками и без них. Их используют как для внутренних, так и для наружных работ. На открытом воздухе масляная краска способна сохранять свои защитные свойства полтора года.

Эмалями называются красочные составы, приготовленные из смеси пигментов и лаков. В отличие от масляных красок, пигмент для них растирается на специальных краскотерках и разводится не на олифе, а на масляных лаках. Ими рекомендуется окрашивать стены в местах с повышенной влажностью — кухнях, санузлах и других. Выпускается множество видов эмалей для разных поверхностей и условий эксплуатации. Кроме того, все эмали можно разделить на три вида — глянцевые, полуглянцевые и полуматовые. Эмаль образует гладкую блестящую поверхность, но покрываемая поверхность должна быть идеально ровной, иначе эмаль только подчеркнет ее дефекты.

Следующий тип красок — акриловые. Появились они относительно недавно, всего пятьдесят лет назад. Акриловые частицы растворяются в воде, но после высыхания становятся абсолютно нерастворимыми. В качестве связующего вещества используются различные смолы. Технологии производства акриловых красок постоянно совершенствуются, и их частицы становятся более мелкими и стойкими. Эти краски легко сцепляются с любой поверхностью — деревом, фанерой, штукатуркой. Они создают эластичное покрытие, поэтому оно долго не трескается.

Одно из первых мест в мире по потреблению занимают алкидные лакокрасочные материалы. Пленкообразователем в них выступают алкидные смолы — полимеры, получаемые путем сложной химической обработки многоатомных спиртов и кислот. Обычно алкидные краски используются так же, как масляные, но ввиду высокой стойкости они предпочтительнее для наружных работ. В последние годы широкое распространение получили вододисперсионные краски. Они производятся на основе водных акриловых поливинилацетатных дисперсий, а также латексных каучуков и не содержат легкоиспаряющихся органических растворителей. Именно вододисперсионные краски используются для столь модного сейчас окрашивания обоев. На западе водоразбавляемые лакокрасочные материалы, которые выгодно отличаются по своим техническим и экологическим характеристикам, сегодня занимают большую часть рынка. В России же по-прежнему лидируют масляные краски и эмали.

Для лакокрасочных материалов немаловажное значение имеет так называемая колеровочная система, которая позволяет создать краску любого цвета и оттенка, а при необходимости заказать дополнительную партию точно такого же оттенка. В настоящее время настоящие колеровочные системы могут предложить только два производителя — финская «Тиккурила» и отечественный «Текс». Пропорцию краски и цветного пигмента задает компьютер, что позволяет добиться точности, которая невозможна при смешивании компонентов «на глазок».

Одной из особенностей российского рынка лакокрасочных материалов строительно-бытового назначения является его разделение на три основных ценовых сегмента. «Дешевый», — как правило, не марочная продукция отечественных производителей. Она характеризуется невысоким, однако, приемлемым для потребителя уровнем качества. Цена на краску этого сегмента составляет не более $1-1,5 за килограмм. «Средний» сегмент — марочная продукция отечественных и зарубежных фирм. Качество ее выше, чем в дешевом сегменте. Цена — $2-3 за килограмм. В «дорогом» сегменте представлена продукция в основном западных производителей. Она отличается высоким уровнем качества; цена — от $3,5 за килограмм. По ассортименту на рынке России преобладают лакокрасочные материалы на органических растворителях. Вододисперсионные краски только недавно начали приобретать популярность.

В России постоянно растет предложение на рынке лакокрасочных материалов. В ближайшем будущем новые технологии прочно войдут в нашу жизнь, чтобы сделать ее более комфортной и безопасной.

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.

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.