Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы составления рецептур

Рис. 1.24. Нафтенаты Н3СЧ /СНз Н3СЧ ^Нз Сн сн I 1 Сн2 сн2 I I Н3с—с—с=с—с—сн3 он он Рис. 1.25. Неионные агенты смачивания на основе бутиндиола Смачивание поверхности пиг­ментов при диспергировании

Смачивание поверхности пигмен­тов - процесс, необходимый для их дис­пергирования. В данном разделе не опи­сано оборудование для диспергирова­ния, так как эти вопросы подробно изло­жены в литературе [10,11].

Диспергирование (тонкое расгреде­ление) порошков пигментов и наполни­телей в жидкой фазе - основной про­цесс при производстве лакокрасочных материалов. На рис. 1.26 изображены различ­ные формы применяемых на практике частиц. Как правило, это смесь первичных частиц, их агрегатов и агломератов. Первичными частицами называют мелкие от­дельные кристаллы, образующиеся при получении пигментов. Агрегаты - поверхно­стно сросшиеся первичные частицы; при диспергировании они, как правило, не раз­деляются. Первичные частицы и агрегаты при хранении слеживаются и образуют аг­ломераты.

Цель процесса диспергирования — разделение агломератов на более мел­кие частицы. В идеальном случае после диспергирования получают дисперсию, состоящую из первичных частиц и агре­гатов. На практике обычно происходит измельчение только крупных агломера­тов до более мелких.

Процесс диспергирования состоит из трех стадий:

• смачивание поверхности пигмен­тов;

• измельчение агломератов пигмен­тов [10,11];

• стабилизация полученной диспер­сии.

Смачивание

Смачивание поверхности пигментов происходит в два этапа: распределение жид­кой фазы на поверхности агломератов и проникновение ее в поры и пустоты агломера­тов за счет вытеснения воздуха.

Термодинамически смачивание происходит, когда краевой угол 0 < 90° (наилучший результат при 0 = 0°). Однако термодинамика не дает зависимостей, характеризующих скорость смачивания. В практических условиях большое значение имеет время этого процесса. Зависимость высоты подъема жидкостей в капиллярах от времени с опреде­ленной долей приближения описывается уравнением Вашбурна [12]:

Где I - время;

У1 - поверхностное натяжение жидкой фазы;

0 - контактный или краевой угол наклона пор (угол смачивания); гр - радиус пор (агломерата пигмента); г) - динамическая вязкость жидкой фазы.

Зависимость высоты подъема И от времени 1 носит параболический характер. Из этого следует, чтэ подъем жидкости с увеличением времени замедляется. В [13] можно
найти уравнение Вашбурна в виде зависимости объема от времени, которая имеет тот же характер.

Из уравнения Вашбурна можно сделать следующие выводы:

• скорость смачивания возрастает с увеличением радиуса капиллярных пор, т. е. пигменты с крупными частицами смачиваются быстрее, чем с мелкими;

• чем ниже вязкость жидкой фазы (пленкообразователя), тем больше скорость смачивания:

• чем длиннее поры, т. е. чем крупнее агломераты, тем меньше скорость смачивания;

• чем больше поверхностное натяжение жидкой фазы и чем меньше краевой угол, тем глубже проникает смачивающий агент в поры агломерата, смачивая частицы.

Это подтверждается также эмпирически правилом Даниэля: «растирать пигмент следует в плохом растворителе, наносить - в хорошем». Молекулы пленкообразовате­ля в плохом растворителе сильно скручиваются, за счет чего вязкость раствора снижа­ется, что ускоряет смачивание.

Радиус гр и длина пор I определяются типом пигмента. Вязкость жидкой фазы т| мо­жет быть снижена лишь естественным путем до той степени, до которой позволяет ра­бота конкретного вида диспергирующего оборудования [10, 11]. Таким образом, изме­няемыми параметрами в процессе смачивания пигментов главным образом остаются поверхностное натяжение жидкой фазы yL и краевой угол 0. Оба фактора зависят от ти­па агента смачивания.

Агенты смачивания, а также некоторые дисперсионные среды позволяют снизить поверхностное натяжение жидкой фазы, однако этот эффект перекрывается уменьше­нием краевого угла, так как его значение в уравнении 1.1 представлено как cos 0. Это означает, что при 0 > 90 возникла бы отрицательная скорость смачивания.

Следует привести также уравнение 1.2 для максимальной высоты подъема hma)< жид­костей в цилиндрических капиллярах, чтобы приблизительно охарактеризовать процесс смачивания агломератов пигментов и наполнителей [14]. При достижении hmax капилляр­ные силы и сила тяжести будут находиться в равновесии:

2 • Yl • cos©

Hmax= ------------------------- . (1-2)

Р • rP • g

Где р - плотность жидкой фазы; g - ускорение силы тяжести.

Зависимость максимальной высоты подъема hmax от краевого угла 0 и поверхност­ного натяжения жидкой фазы yL (с учетом влияния агента смачивания) аналогична при­веденной в уравнении Вашбурна (1.1). Однако зависимость максимальной высоты подъема hmax от радиуса гр противоположна приведенной в уравнении Вашбурна: чем меньше радиус капилляров, тем больше высота подъема, т. е. способность жидкой фа­зы проникать внутрь агломератов пигментов. Таким образом, в тонкодисперсных пиг­ментах (гр малый) жидкая фаза должна проникать глубже, чем в грубодисперсных (гр большой) (1.2).

Однако в уравнении 1.2 не учитывается зависимость Ьтах от времени, за которое про­текает процесс; временная зависимость описана только в уравнении Вашбурна (1.1).

Из приведенных выше уравнений можно сделать вывод, что в случае мелкодиспе­рсного пигмента жидкая фаза проникает не так глубоко, но процесс протекает быстрее. Смачивающие агенты благодаря уменьшению краевого угла 0 положительно влияют на проникновение жидкой фазы.

На практике максимального проникновения раствора пленкообразователя в поры агломератов пигментов достигают за счет предварительной выдержки пигментной сме­си в течение нескольких часов, например ночи.