ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ПИГМЕНТОВ

Пигментированные лакокрасочные материалы

Пигментированные лакокрасочные материалы пред­ставляют собой высококонцентрированные суспензии пигментов и наполнителей в растворах пленкообразую­щих олигомеров и полимеров. С течением времени та­кие олеофильные коллоидные системы испытывают не­прерывные изменения, вызываемые процессами структу­рирования и флоккуляции^1-3.

Более двух тысячелетий основную массу лакокрасоч­ных материалов получали механическим перетиром при­родных и искусственных пигментов в среде олиф и ла­ков на основе растительных масел. При взаимодействии свежеобразованных поверхностей пигмента с эфирами жирных кислот, свободными кислотами и лецитином, обладающими высокой поверхностной активностью, по лучали по своему времени хорошие краски.

Успехи научных исследовании, особенно в области физической химии полимеров, физико-химической меха­ники, механохимии, физики твердого тела позволили разработать новые высокопроизводительные способы по­лучения красок и эмалей на основе синтетических про­дуктов.

Диспергирование пигментов, требовавшее ранее боль­ших затрат механической работы, в свете современных научных воззрений, может быть достигнуто направлен­ным регулированием физико-химического взаимодейст­вия компонентов красочных систем на поверхности раз­дела фаз и рациональным использованием поверхност­ных сил пигментных частиц.

В работах школы академика П. А. Ребиндера по теории диспергирования⁴ найдены термодинамические условия, определяющие существование устойчивых рав­новесных дисперсных систем, а также самодиспергирую- щихся систем при малых значениях свободной межфаз­ной энергии. Уменьшение свободной межфазной энергии в .красочных «системах является результатом адсорбции •на твердой «поверхности пигментов пленкообразующих веществ. Поэтому изучение всех видов взаимодействия, «начиная со смачивания и образования хемосорбционного слоя молекул пленкообразующего на поверхности пиг­мента¹»², имеет фундаментальное значение не только для процесса изготовления эмалей, но и для свойств получаемых на их основе лакокрасочных пленок.

На поверхности раздела фаз пигмент — связующее концентрируются поверхностно-активные молекулы из состава пленкооб.разующего, связывающие твердую по­верхность пигмента с основной массой структурирован­ного раствора пленкообразующего. Если количество та­ких молекул в составе связующего недостаточно для соз­дания оболочки на поверхности пигмента, нарушается адсорбционное и связанное с ним дисперсионное равно­весие, в результате чего «происходит коагулирование пигментов⁵»^б.

Величина поверхности раздела фаз в красочных системах дог паточно большая. Например, общая поверхность раздела фаз в 1 к- эмали ПФ-133 (содержит 310 г двуокиси титана с удельной поверх­ностью 10 м²1е) составляет 3100 м², а в 1 кг черной эмали У-417 (со­держит 18% сажи с удельной поверхностью 120 м²/г) — II 600 м^% (в сухой пленке более 20 000 м²). Внутренняя поверхность раздела фаз в сформировавшейся пленке цинковых белил с толщиной, необ­ходимой только для минимальной укрывистости, достигает 400 м² на I jk² покрытия. Практически же эта величина всегда в 1,5—2,5 раза выш .

Адсорбционные свойства пигментов определяются •строением и дефектами кристаллической решетки, на­личием примесей, а также текстурой поверхности, за­висящей от технологического процесса получения пиг­мента. Поверхность пигментов мозаична и в различных точках имеет .неодинаковые адсорбционные свойства⁷.

В состав лаков входят растворители, пластификато­ры, поверхностно-активные вещества, пленкообразующие различного молекулярного веса и строения. Олигомер­ные и полимерные молекулы пленкообразующего в за­висимости от гибкости цепей и величины сил внутримо­лекулярного и межмолекулярного взаимодействия об­разуют в растворах надмолекулярные структуры⁸-⁹:

глобулы, пачки, фибрилля-рные структуры, которые влия­ют на кинетику адсорбции и строение адсорбционного слоя^9-11.

При смешении растворов лаковых смол с «пигментами на поверхности пигментных частиц сначала адсорбиру­ются наиболее подвижные небольшие молекулы, а За­тем—большие молекулы пленкообразующего. Функцио­нальные группы молекул, входящих в надмолекулярные структуры, адсорбируясь на активных центрах пигмен­тов, закрепляют тем самым всю надмолекулярную структуру на поверхности пигмента. Под влиянием си­лового поля пигментов, которое служит матрицей, орн- ' еитирующей расположение и конфигурацию адсорбируе­мых молекул, полимеры изменяют свою конфигурацию и закрепляются иа твердой поверхности «пигмента одно­временно несколькими сегментами. При этом полимер­ные звенья, находящиеся между адсорбированными функциональными группами образуют петли, обращен­ные в раствор¹²-¹³ и взаимодействующие с ним. По мере протекания процесса адсорбции большая часть ранее адсорбированных низкомолекулярных веществ вытес­няется обратно в раствор^{5, и}. Перестройка адсорбцион­ного слоя заканчивается при установлении равновесного состояния — «созревания» красочной системы. Вокруг прочно адсорбированных непосредственно на нескольких точках поверхности пигмента молекул полимеров фор мируются ориентированно расположенные молекулы по лимеров и надмолекулярных структур, образуя доста точно толстую (100—400 А) оболочку. Эта оболочка обеспечивает стабильность дисперсий и определяет мно гие ценные свойства лакокрасочного материала и полу­чаемой на его основе защитной пленки. Одновременно частицы пигмента с адсорбционными оболочками явля­ются источником внутренних напряжений в высохшей пленке, приводящих к ее старению и деструкции¹⁵. Счи­тают¹⁸, что максимальная прочность пленки достигается при толщине полимерных прослоек между твердыми у частицами, равной толщине пачек макромолекул, ад­сорбированных на поверхности пигмента.

Таким образом, стабильность дисперсий пигментов в красочных системах о«пределяется строением и свойства­ми адсорбционного слоя, которые в свою очередь за­висят от свойств пигментов и связующих, рецептуры

п

лакокрасочного материала и технологии его тюлучения.

Углубленное изучение процессов, протекающих на разделе фаз пигмент — пленкообразующее, только на­чинается. Обобщение накопленных экспериментальных данных, разрозненных отрывочных гипотез, сопоставле­ние с уже известными идеями и теориями из других об­ластей науки позволяет более глубоко понять процессы, протекающие при диспергировании пигментов в связую­щем, объяснить отдельные сложные явления и предска­зать свойства лакокрасочных материалов на основе но­вых синтетических материалов.

Развитие теоретических представлений процессов диспергирования должно привлечь внимание широкого круга специалистов лакокрасочников и -помочь им в ре­шении ряда задач, к которым могут быть отнесены: получение пигментов с оптимальным фракционным составом и необходимой кристаллической структурой;

создание методов направленного изменения адсорб­ционных свойств пигментов;

разработка способов получения связующих для от­бивки воды из водных паст пигментов;

синтез полифункциональных модификаторов, диспер­гаторов и пленкообразующих с высокой поверхностной активностью;

разработка методов количественной оценки и регули­рования степени флоккуляции красочных систем;

создание методов диспергирования с минимальной затратой энергии, основанных на рациональном исполь­зовании свободной поверхностной энергии пигментов, а также сил внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействия компонентов красочных систем;

создание высокопроизводительной аппаратуры не­прерывного действия;

разработка принципиально новых методов изготовле­ния и нанесения защитных 'пигментированных пленок.