Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы составления рецептур

Агенты смачивания

Рис. 1.15. Контролируемая флокуляция:

• - группы, ориентированные на пигмент (пигментофиль-

Ные); о - группы, способные к побочным взаимодействиям ® данном разделе описаны «класси­

Ческие» низкомолекулярные агенты сма­чивания. Это в основном поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз или разнородных поверхностей и улучшающие их смачивание.

Первыми агентами смачивания были соли жирных кислот (мыла). Типичным приме­ром такого соединения является стеарат натрия (рис. 1.16), содержащий гидрофильную (карбоксильную) и гидрофобную (длинноцепную алкильную) группы. Наличие одновре­менно гидрофильных и гидрофобных свойств (структура «голова-хвост») в одной моле­куле называют амфифилией.

Максимальная длина молекулы стеариновой кислоты составляет около 2,2 нм. Полную стерическую стабилизацию дисперсии пигментов обеспечивают соединения с длиной цепи не менее 10 нм [7, 8].

Агенты смачивания, осаждаясь на поверхности, снижают поверхностное на­тяжение и облегчают смачивание. На рис. 1.17 показана ориентация агента смачивания на границе раздела вода - воздух. Гидрофильная часть ориентиру­ется в сторону воды, гидрофобная - в сторону воздуха. Таким образом, на по­верхности воды ее молекулы с высоким поверхностным натяжением замещаются на углеводородные радикалы с низким поверхностным натяжением.

Агенты смачивания (ПАВ) в зависи­мости от заряда гидрофильной группы подразделяют на анионные, катионные, амфотерные и неионные (рис. 1.18).

Их делят также по химическому стро­ению гидрофобной группы (хвоста) на уг­леводородные, силиконовые, перфори­рованные. При добавлении агента сма­чивания в воду ее поверхностное натя­жение снижается тем больше, чем выше гидрофобность углеводородного радика­ла ПАВ (хвоста). По этому показателю можно судить об эффективности действия агента смачивания (табл. 1.5).

Таблица 1.5

Влияние гидрофобных групп на поверх­ностное натяжение

Типичным углеводородным ПАВ яв­ляется упомянутый стеарат натрия; при­меры силиконовых и перфорированных ПАВ показаны на рис. 1.19.

Воздух Молекулы агента смачивания

Шш

Ооооооооо

Гидрофильная

Часть

Вода

Влияние гидрофильной составляю­щей (голова) на эффективность действия агента смачивания (поверхно­стное натяжение) показано в табл. 1.6 на примере нонилфенолэтоксилана (рис. 1.20). С увеличением длины цепи поли­эфира (головы) неионнье агенты смачи­вания становятся более гидрофильными: при их введении повышается поверхно­стное натяжение водны:« растворов. Та­ким образом, с увеличением гидрофиль­ное™ цепи снижается эффективность действия данного агента смачивания.

Таблица 1.6

Влияние гидрофильной группы нонилфе­нолэтоксилана на поверхностное натяжение

SHAPE \* MERGEFORMAT

Примечание. Применение нонилфенолэтокси­лана в последнее время ограничено по токсиколо­гическим причинам.

В табл. 1.6 на примере нонилфенолэ­токсилана показано влияние концентра­ции агентов смачивания на поверхностное натяжение растворов. Из приведенных данных видно, что с увеличением концентрации поверхностное натяжение водных раство­ров снижается, т. е. эффективность действия агентов смачивания с увеличением концент­рации усиливается. Наиболее высокая эффективность их действия прояЕшяется в области концентрации 0,1 г/л, дальнейшее повышение концентрации дает незначителный эффект.

Таким образом, для агентов смачивания (как и для всех других добавок, применяе­мых в лакокрасочных материалах) существует оптимальная концентрация, которую не следует превышать, так как это приводит к нежелательным побочным эффектам, на­пример увеличению гидрофильное™ покрытий или пенообразованию водных раство­ров, для предотвращения которого используют антивспениватели.

Считают, что агенты смачивания тем эффективнее, чем более гидрофобен «хвост» и менее гидрофильна «голова» молекулы ПАВ. Однако могут возникнуть ограничения по растворимости агента смачивания в воде, если «голова» ока­жется недостаточно гидрофильной. На­пример, нонилфенолэтоксилан с п = 4 не растворяется полностью в воде.

Агенты смачивания адсорбируются на поверхности твердых частиц, в резуль­тате чего иг меняется ее полярность и, со­ответственно, смачиваемость. Например, катионный агент смачивания может гид - рофобизировать гидрофильную отрица­тельно заряженную поверхность оксида металла, как показано на рис. 1.21.

В водно-дисперсионных лакокрасоч­ных материалах нередко требуется гид - рофилизирэвать и, соответственно, улучшать смачивание гидрофобных ор­ганических пигментов водой, для чего применяют соответствующие агенты смачивания (рис. 1.22). Из рис. 1.22 видно, что при адсорбции анионного агента смачивания поверх­ность органического пигмента заряжается отрицательно, что способствует достижению электростатической стабилизации пигмента. Агенты смачивания используются не толь­ко в водных, но и органорастворимых лакокрасочных композициях.

Смачивание пигмента является непременным условием его успешного диспергиро­вания. Свойства лакокрасочного покрытия, такие, как блеск и интенсивность цвета, мо­гут быть улучшены за счет применения агентов смачивания; при этом также сокраща­ется длительность процесса диспергирования.

В Западной Европе, США и Японии в 1986 г. произведено в общей сложности 4,5 млн. т агентов смачивания, из них около 5% (примерно 225 ООО т) - для лакокрасоч­ной промышленности и производства пластмасс.

Рассмотрим три важнейших для лакокрасочной промышленности агента смачива­ния. Первый — амфотерный лецитин (рис. 1.23), имеющий две гидрофобные группы. Лецитин получают из соевого масла (соевый лецитин) и обычно используют в лакокра­сочных материалах, содержащих растворители. По химическому строению лецитин представляет собой сложный эфир аминоспирта холина и диглицерилфосфорных кис­лот; относится к классу фосфолипидов. В образовании молекулы лецитина участвуют также многие жирные кислоты, входящие в состав соевого масла, что обеспечивает ле­цитину способность не кристаллизоваться.

Й7Л~4їГсн’

Сн3

Сложный эфир жирной кислоты (гидрофобный радикал)

Нафтеновые

Кислоты

(СН2)„-СООН

Н

Нафтенаты (например, кальциевые соли нафтеновых кислот) — другой рас­пространенный тип агентов смачивания. Их получают из нефти в виде техниче­ской смеси соединений (рис. 1.24) V при­меняют в лакокрасочных материалах, со­держащих органические растворители в качестве агента смачивания и сиккатива одновременно. Так как эти добавки име­ют двойную функцию, это необходимо учитывать при их использовании.

В производстве водно-дисперсион­ных лакокрасочных материалов широко применяют неионные агенты смачивания на основе бутиндиола (рис. 1.25). Это слабопенящиеся агенты смачивания, вы­полняющие также функцию агента роз­лива. Две гидрофобные относительно короткие группы бутиндиола особенно благоприятствуют высокому сродству к пигментам.