Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы составления рецептур
Материалы, формирующие покрытия за счет физических процессов Особенности формирования покрытий
Основой этих материалов служат латексы синтетических полимеров. По эксплуатационным характеристикам покрытий наилучшими являются латексы акрилового и стирол-ак - рилового типов. Они и получили наибольшее распространение во всех странах. Массовая доля пленкообразователя (полимера) в промышленных продуктах составляет 35 - 55%.
Другой важный компонент водно-дисперсионных красок - пигменты и наполнители. В зависимости от их природы, стоимости и объемной концентрации получают покрытия с разной фактурой поверхности, блеском, различного назначения (для внутреннего или наружного применения) (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Внешний вид покрытий и назначение составов с различным соотношением
Пигмент / пленкообразователь
|
Наименование |
Материал |
Окп, % |
Массовая доля пленкообразователя, % |
|
Низкопигментированные составы (лаки) |
|||
|
Внешний вид покрытия |
Глянцевые |
10 -15 |
70-65 |
|
Полуглянцевые |
15-30 |
65-38 |
|
|
Шелковисто-матовые |
30-40 |
38-33 |
|
|
Высокопигментированные составы (краски) |
|||
|
Назначение |
Для наружных работ |
40-60 |
33-21 |
|
Для внутренних работ (стандартный вариант) |
О Со 1 О СО |
21-10 |
|
|
Для внутренних работ (удешевленный вариант) |
Со 0 1 Со О |
10-5 |
Водно-дисперсионные составы, как правило, содержат много компонентов. Кроме пленкообразователя и пигментов, в них присутствуют многочисленные добавки, обеспечивающие стабилизацию, консервацию, регулирующие пенообразование составов, улучшающие пленкообразование и свойства покрытий.
В табл. 3.2 указан перечень компонентов, входящих в состав типовых водно-дисперсионных красок.
|
Таблица 3.2 Компоненты водно-дисперсионных красок
|
*При изготовлении водно-дисперсионных красок диспергируют только диоксид титана (рутил) и наполнители; краски других цветов получают путем колерования белых красок колеровочными пастами (концентратами пигментов).
|
О0 000о0 “°°о о°о О О О О о |
|
Первичная дисперсия |
|
1 |
|
Испарение и концентрирование Упаковка шаров |
Формирование покрытий на основе водно-дисперсионных красок подчиняется другим закономерностям, чем из органорастворимых материалов. При испарении воды полимерные частицы сначала уплотняются до образования упаковки шаров (рис. 3.1), затем круглые полимерные частицы под влиянием капиллярного давления жидкости деформируются до ромбических додекаэдров, которые в результате диффузии молекул пленкообразователя постепенно теряют границу раздела (коалесцируют).
|
1 |
|
Деформация за счет капиллярных сил |
|
Упаковка ромбических додекаедров |
|
1 |
|
Внутренняя диффузия Рис. 3.1. Процесс пленкообразования водных дисперсий полимеров |
Водные дисперсии термодинамически нестабильны, при формировании пленки система необратимо переходит в термодинамически устойчивое состояние. При этом образуются несшитые термопластичные покрытия, набухающие в растворителях.
Коалесценция частиц при формировании пленки из вод
ных полимерных дисперсий происходит лишь при температурах, превышающих мини - мальную температуру пленкообразования (МТП), ниже которой полимер находится в стеклообразном состоянии и не способен образовывать пленку. МТП полимерных дисперсий, как правило, составляет от - 5 до 25°С. Для водных дисперсий, применяемых в составе красок промышленного назначения, МТП значительно выше. Низкое значение МТП указывает на эластичность полимера; такие дисперсии формируют покрытия с пониженными прочностными свойствами. Дисперсии, у которых температура стеклования (Т0) полимера выше комнатной, условно называют некоалесцирующими. Такие дисперсии требуют внешней пластификации (например, введения фталатов) или добавления вспомогательных веществ - коалесцентов (труднолетучих органических растворителей). В присутствии пластификаторов процесс образования пленки нередко может проходить без добавления коалесцентов.
К веществам, способствующим пленкообразованию, предъявляются следующие требования:
• обеспечивать растворение или набухание полимерных частиц;
• не влиять на стабильность полимерной дисперсии;
• иметь низкую растворимость в воде;
• быстро испаряться из пленки после ее формирования;
• отсутствие запаха;
• безопасность для окружающей среды.
Границу между веществами, способствующими растворению, и веществами, благоприятствующими пленкообразованию, можно провести лишь условно (табл. 3.3). Например, бутилгликоль может вести себя как вещество, способствующее и растворению, и пленкообразованию одновременно.
Таблица 3.3
Соединения, способствующие формированию покрытий
|
Вещество |
Скорость испарения* |
Растворимость в воде, % (по массе) |
|
Вещества, способствующие пленкообразованию: 2,2,4-Триметил-1,3-пентадиол-1-изобутират (тексанол, рис. 3.2) |
5000 |
0,05 |
|
- бутилгликольацетат |
137 |
1,5 |
|
- бутилдигликольацетат (БДГА) |
>3000 |
6,5 |
|
Вещества, способствующие растворению: |
||
|
- бутилгликоль |
119 |
Неограниченная |
|
- бутилдигликоль (БДГ) |
1200 |
То же |
|
Прочие 1,2-пропиленгликоль* * |
1000 |
Неограниченная |
|
*Диэтиловый эфир = 1; ** - не является веществом, способствующим пленкообразованию и растворению полимера. В водно-дисперсионных красках часто используется как средство для удержания воды, его присутствие удлиняет время формирования покрытия. |
|
Сн3 он |
|
НзСч О СН—С- Н3с/ |
|
,сн3 |
|
I I / ГПЛ СН3 |
|
СН3 |
|
Рис. 3.2. 2,2,4-Триметил-1,3-пентадиол- 1-изобутират (тексанол) |
|
Вязкость, мПа • с |
|
Тексанол |
|
Рис. 3.3. Влияние гидрофобно-модифицированных этиленоксидурета - нов (HEUR) на вязкость водно-дисперсионных красок |
|
Веществом, способствующим пленкообразова - нию, может служить даже нерастворимый в воде обычный бензин, применяемый самостоятельно или в сочетании с другими растворителями (например, смесь 1:1с тексанолом). Следует учитывать возможное влияние этих добавок на вязкость составов. Оно может происходить как за счет набухания полимерных частиц, так и взаимодействия с реологическими добавками, в особенности с гид - рофобно-модифицированны- ми этиленоксидуретанами (HEUR) [2, 3]. Такое влияние на вязкость поясним на примере модели водно-дисперсионных красок (рис. 3.3). Испытание проводили на модельной белой краске (с разными реологическими добавками и одинаковым содержанием воды) следующего состава: • соотношение пигмент : пленкообразователь = 4:1; • дисперсия стирол-акриловая (Acronal 290 D); • добавки, способствующие пленкообразованию - 4,0 ч. (по массе); • реологические добавки на основе полиэфирмочевиноуретана HEUR 1 или HEUR 2 [по 1,0 ч. (по массе) в торговой форме]. Измерение вязкости краски при низких сдвиговых нагрузках показало, что применение наименее растворимого в воде тексанола приводит к наибольшему повышению вязкости, так как он вызывает сильное набухание как полимерных частиц, так и HEUR - мицелл [2] (рис. 3.3). При использовании водорастворимого бутилдигликоля вязкость краски наиболее низкая, так как полимерные частицы и HEUR-мицеллы очень слабо набухают в нем. Бутилдигликоль также водорастворим и, как любой водорастворимый органический растворитель, снижает поверхностное натяжение воды и тем самым влияет на мицеллообразование (образование ассоциатов), что обычно ведет к снижению вязкости. Частично растворимый в воде бутилдигликольацетат, как ожидалось, занимает среднее положение (рис. 3.3). |
