Строительные материалы и изделия

СВЯЗУЮЩИЕ, РАСТВОРИТЕЛИ И РАЗБАВИТЕЛИ

Пленкообразующие (связующие) вещества. В качестве пленкообра­зующих веществ применяют самые разнообразные материалы. Это могут быть как неорганические вяжущие (известь, цемент, жидкое стекло), так и органические вещества (природные смолы, битум, пек, животные клеи, эфиры целлюлозы, олифы, синтетические смолы в виде олигомеров и полимеров). Ниже рассмотрены основные виды связующих.

332 ■ : ' , . '• > ' .

Минеральные вяжущие — известь, жидкое стекло, цемент; их опи­сание дано в гл. 8. “

Растительные клеи — среди них чаще других используется крахмал. Перед использованием крахмал обрабатывают 1 %-ным раствором NaOH и вводят в полученную смесь 5...7 % (от массы крахмала) канифольного масла и 0,5... 1 % антисептика. Так как крахмальные пленки не устойчивы к трению и легко размываются водой, они не получили широкого распространения. Чаще используют близкие по составу водорастворимые эфиры целлюлозы.

Животные клеи —- растворимые в воде высокомолекулярные веще­ства белковой природы, способные образовывать из водных растворов пленки с хорошей адгезией к подложке. К этим видам клеев относятся: глютиновые клеи (костный, желатиновый и т. п.), получаемые вывариванием отходов от переработки животных и рыб; эти клеи не

водостойки и склонны к загниванию;________________________________

казеиновый клей получают из снятого молока, обработанного кис­лотами; его обычно используют в сочетании с гашеной известью или другими щелочными реагентами, так как он растворяется только в щелочных средах. Краски на казеиновом клее имеют довольно высокую атмосферостойкость (срок службы окраски фасадов 4...5 лет) и хоро­шую адгезию к силикатным материалам (бетону, штукатурке и т. п.).

Смолы природные — твердые слабоокрашенные прозрачные про­дукты растительного происхождения (за исключением шеллака), пла­вящиеся при нагревании до 110...200° С и растворяющиеся в соответст­вующих растворителях. Их использовали для получения лаков, а также для модификации других пленкообразующих веществ. Главнейшие смолы, применяемые в лакокрасочных материалах: канифоль, копалы, шеллак.

Канифоль — остаток от отгонки скипидара из смолистого сока хвойных деревьев (живицы); растворяется почти во всех органических растворителях, хорошо совмещается с растительными маслами. Кани­фоль в основном применяют д)ля модификации других пленкообразу­ющих веществ с целью повышения адгезионных свойств.

Копалы, янтарь — ископаемые смолы, использовавшиеся для по­лучения высококачественных лаков; в настоящее время их применяют ограниченно.

Шеллак — продукт в виде тонких чешуек, получаемых очисткой смолистых выделений мелких тропических насекомых. Шеллак хорошо растворим в спирте; такие растворы используют как мебельный лак и политура.

Битумы и пеки описаны в § 9.2.

Водорастворимые эфиры целлюлозы (метилцеллюлоза — МЦ; кар­боксиметилцеллюлоза — КМЦ и др.) используют для внутренних ра­бот, так как атмосферостойкость их невысока. Они образуют вязкие

растворы, а после высыхания — пленку, обладающую не очень высокой адгезией.

Нитроцеллюлоза — сложный эфир целлюлозы, получаемый при обработке ее азотной кислотой. В лакокрасочной промышленности используют продукт неполной этерификации — коллоксилин с молеку­лярной массой 40... 150 тыс. Нитроцеллюлоза хорошо растворяется в ацетоне и других полярных растворителях и не растворима в углево­дородных растворителях. Стойкость нитроцеллюлозы в кислых и ще­лочных средах невысокая. Теплостойкость 50...60° С; при более высо­ких температурах возгорается. Для улучшения свойств нитроцеллюлозу совмещают с алкидными смолами.

Олифы (от греч. aleipha — масло) — традиционные пленкообразую­щие вещества на основе жидких растительных масел или алкидных (глифталевых или пентафталевых) полимеров (часто неправильно на - зываемых смолами), модифицированных растительными маслами. Все олифы — олигомерные продукты. Для олиф используют ненасыщен­ные масла, т. е. имеющие двойные связи в углеводородной цепи. Благодаря двойным связям олифы могут отвердевать (а не высыхать!) за счет окислительной полимеризации, т. е. сшивки кислородом воз­духа. Образующиеся эластичные пленки со временем, особенно под действием УФ-излучения, становятся хрупкими и растрескиваются. Процесс отвердевания необратимый, т. е. «высохшая» масляная краска не растворяется повторно.

По составу и технологии приготовления олифы могут быть: нату­ральные, олифы-оксоль и алкидные (табл. 18.1).

Олифу натуральную получают из ненасыщенных растительных ма­сел (льняного и конопляного) двумя способами: «окислением» — продувкой воздуха через подогретое до 150...160° С масло или «поли­меризацией» — нагревом масла до температуры 270...280° С. При этом происходит частичная полимеризация молекул масел благодаря нали - 334

чию в них двойных связей, т. е. натуральная олифа — олигомерный ' продукт. Как уже говорилось, олифы или краски на ее основе, нане­сенные тонким слоем, способны под действием кислорода воздуха отвердевать. Для ускорения отвердевания олифы в нее вводят сикка­тивы (лат. siccativus — высушивающий) — соли жирных кислот РЬ, Мп, Со, катализирующие окислительную полимеризацию ненасыщенных масел. Количество вводимого сиккатива 0,01...0,1 % (по сухому веще­ству) от массы масел. При отсутствии кислорода процесс полимериза­ции практически не идет. Например, краска, залитая водой, не отвердевает.

В настоящее время натуральную олифу применяют редко, в основ­ном, для красок, используемых в живописи.

Олифу-оксоль (полунатуральную олифу) получают более глубокой окислительной полимеризацией растительных масел до получения вязкой жидкости. Ее растворяют уайт-спиритом в соотношении 1:1. _0лифу-оксоль получают^как-изг-лвняного-или-конопляного-масла: (марка В), так и из подсолнечного, соевого (марки ПВ и СМ) и др.

Краски на олифе марки «В» используют как для наружных, так и для внутренних работ; краски на олифе марки «ПВ» годятся только для внутренних работ. Краски на олифе-оксоль менее долговечны и дают более хрупкую пленку, чем краски на натуральной олифе.

Алкидные олифы представляют собой растворы низковязких жирных алкидных смол (60...65 % масла) в уайт-спирите. Их выпускают двух типов: глифталевая (ГФ) и пентафталевая (ПФ). Получают их путем олигомеризации глицерина (или пентаэритрита), фталевого ангидрида и ненасыщенных растительных масел. Последние являются внутрен­ними пластификаторами, придающими пленке, получаемой из этих олиф, эластичность.

По атмосферостойкости алкидная олифа почти не уступает нату­ральной, а по физико-механическим показателям пленки во многом превосходит ее. При этом расход пищевых масел в таких олифах минимальный.

Из рассмотренных олиф в строительстве в основном используют алкидные, на базе которых выпускают широкий ассортимент красок.

Синтетические полимерные связующие — эпоксидные, полиэфир­ные, полиуретановые описаны в § 9.4. Лучшие краски и лаки с самыми разнообразными свойствами получают на полиуретановых связующих путем регулирования их состава при синтезе.

Перхлорвиниловые полимеры (их часто называют смолами) — приня­тое в России название продукта ограниченного хлорирования поливи­нилхлорида — ПВХ (см. § 9.3). Перхлорвинил содержит 62,5...64,5 % связанного хлора. В отличие от ПВХ перхлорвинил хорошо растворя­ется во многих органических растворителях (хлорсодержащих, арома­тических, ацетоне). Пленки, получаемые из раствора перхлорвинила, атмосферостойкие, теплостойкие (до 100° С) и морозостойкие (до

*4' . ' • ' ■ "

. Р и с. 18.2. Диспергирующее действие поверхностно-активных веществ

(ПАВ) на пигмент

— 45° С). Перхлорвинил широко используют для получения фасадных красок.

Полиакрилаты — группа полимеров сложных эфиров акриловой кислоты. В зависимости от состава полиакрилаты могут иметь вид от клейких каучукоподобных продуктов до твердых стеклообразных по­лимеров. В последние годы полиакрилаты все чаще начинают исполь­зовать в производстве лакокрасочных материалов высокого качества.

Водные дисперсии полимеров — одна из возможных форм синтеза самых различных полимеров, позволяющая получать вододисперсион­ные краски. Водные дисперсии полимеров представляют собой мель­чайшие частицы полимера (1...100 мкм), взвешенные в воде. Концентрация полимера 40...50 %. От агломерации (слипания) частицы полимера защищены тонкой пленкой эмульгатора (стабилизирующего поверхностно-активного вещества) ПАВ. Схему действия ПАВ см. рис. 18.2.

Первыми в строительстве стали использовать дисперсию поливи - нилацетата — ПВА (см. § 9.3) и латексы каучуков. В принципе любой полимер может быть получен в виде водной дисперсии. Основную долю современных вододисперсионных красок получают на основе полиак - рилатных дисперсий.

Высушенные с помощью распылительной сушки водные дисперсии превращаются в сухие порошки, которые могут быть редиспергированы в воде, т. е. из них вновь может быть получена дисперсия.

Растворители и разбавители. Растворители — летучие жидкости, образующие со связующими (полимерными, масляными) истинные растворы, стабильные во времени. Разбавители — хорошо совмещаю­щиеся с красочным составом жидкости, образующие с ним устойчивые смеси (суспензии или эмульсии).

Способность растворителя растворять связующее {растворяющая способность) зависит от его молекулярного строения и определяется в основном соотношением полярностей растворителя и связующего. Здесь действует закономерность «подобное растворяется в подобном». Так, алкидные связующие, имеющие в своих молекулах бензольные кольца, хорошо растворимы в ароматических растворителях (бензоле,
толуоле) и не растворяются в кислородсодержащих растворителях (спирте, ацетоне); краски на олифе, молекулы которой имеют длинные углеводородные цепи, хорошо растворяются в алифатических углево­дородах.

При выборе растворителей помимо их растворяющей способности необходимо руководствоваться и другими свойствами. Главнейшее из них — скорость испарения. Ее можно характеризовать относительной летучестью, показывающей, во сколько раз медленнее испаряется наш растворитель по сравнению с эталоном.

Относительная летучесть (эталон ацетон-1):

SHAPE * MERGEFORMAT

этилацетат — 1,4 бензол — 1,4 бензин «галоша» — 1,7

2,0

дихлорэтан толуол — 2,9 этиловый спирт

ксилол — 6,5 уайт-спирит — 20... 30 скипидар — 30...40

Если скорость испарения велика и выше скорости миграции рас­творителя в объеме красочного слоя, то возможно формирование твердой пленки на поверхности незатвердевшего покрытия с образо­ванием поверхностных дефектов, в частности, типа «шагрень» (уська­ющая кожа).

Если скорость испарения мала, то замедляется формирование твердого лакокрасочного покрытия, возрастает вероятность дефектов; особенно нежелательно это в случае «твердеющих» (термореактивных) связующих, так как в этом случае растворитель частично остается в покрытии, ухудшая его свойства.

Как правило, от растворителей и разбавителей требуется химическая инертность к связующему и другим компонентам лакокрасочного материала. Однако в некоторых случаях, наоборот, растворителем выбирают вещество, входящее при твердении в состав лаковой пленки (например, стирол в лаках на основе ненасыщенных полиэфиров).

Органические растворители токсичны, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать меры безопасности: проветривать помещение, где ведугся работы, и применять защитные приспособления: перчатки, респираторы и даже противогазы. По степени повышения токсичности растворители располагаются в такой последовательности: скипидар, уайт-спирит, этилацетат, ацетон, бензол, толуол, ксилол, дихлорэтан.

Очень серьезный недостаток органических растворителей — горю­честь. Их пары при определенных концентрациях с воздухом образуют взрывоопасные смеси. В помещениях, где хранятся материалы с рас­творителями или работают с ними, необходимо строго соблюдать противопожарные правила: нельзя разводить открытый огонь; подсо­единения электроприборов должны исключать искрообразование; при открывании металлических емкостей с растворителями следует исполь­зовать инструмент, не вызывающий искрообразование.

В зависимости от химического состава органические растворители делятся на углеводородные (алифатические, ароматические, нефтяные и терпеновые), кислородсодержащие (кетоны, спирты, эфиры) и гало­геносодержащие углеводороды.

Алифатические углеводороды С„Н2„ + 2 (пентан, гексан и др.) — лег­колетучие бесцветные жидкости со слабым запахом. Они обладают низкой растворяющей способностью и относительно дороги. В чистом виде применяют редко.

Ароматические углеводороды (бензол, ксилол, толуол и др.) — бес­цветные жидкости с характерным запахом. Они обладают значительно большей, чем алифатические углеводороды, растворяющей способно­стью, однако их применение ограничивает высокая токсичность. Аро­матические углеводороды хорошо смешиваются с другими углеводо­родными растворителями. Их обычно применяют в смесях. Например, часто используемый сольвент нефтяной или представ-

ляет собой смесь ксилола с другими ароматическими и алифатическими углеводородами.

Нефтяные растворители — один из самых дешевых и доступных видов растворителей, получаемый при фракционировании нефти. Со­стоят они из смеси алифатических углеводородов с некоторой при­месью ароматических. В зависимости от температуры кипения различают следующие виды нефтяных растворителей:

Температура кипения, ° С

Петролейный эфир

Бензин-растворитель «галоша»

Бензин-растворитель — уайт-спирит

Терпеновые растворители содержат ненасыщенные углеводороды состава (С5Н8)„. Из них в основном применяют скипидар (терпеновое масло); он хорошо растворяет масляные и глифталевые краски.

Кетоны — кислородсодержащие растворители, из которых наибо­лее широко используют ацетон — легкокипящая жидкость с темпера­турой кипения 56° С. Он хорошо растворяет многие полимеры и олигомерные смолы (эпоксидные, полиэфирные). Обычно его приме­няют в смеси с другими растворителями. Недостаток ацетона — гигро­скопичность, так как при поглощении воды его растворяющая способность падает.

Спирты — кислородсодержащие растворители. Используются низ­шие одноатомные спирты: бутиловый, этиловый и метиловый (мета­нол). Из-за высокой токсичности применение последнего ограничено.

Сложные и простые эфиры — кислородсодержащие растворители. Чаще всего используют эфиры низших спиртов и уксусной кислоты (ацетаты): этилацетат (Т^ = 75° С) и бутилацетат (Ткип = 125° С) —

прозрачные жидкости с фруктовым запахом. Они хорошо растворяют большинство синтетических эмалей.

Правильный выбор вида и количества растворителя — серьезная задача, во многом определяющая качество лакокрасочного покрытия. Как правило, для конкретных лакокрасочных материалов применяют не один растворитель, а специально подобранную смесь растворителей.

Пожароопасность и токсичность органических растворителей, при­сутствие которых в лакокрасочном материале необходимо только на стадии нанесения, делает использование материалов с такими раство­рителями крайне нерациональным. Лучший растворитель с точки зрения минимальной токсичности и пожаробезопасности — вода. Но и у нее есть недостатки: с ней нельзя работать при температуре ниже 0° С и она не способна растворять большинство масляных красок и эмалей. Последний недостаток преодолим путем замены растворов полимеров на их водные дисперсии, в которых вода является не раство - ритслем, а разбавителем.-----------------------------------------

Современные тенденции развития лакокрасочной промышленно­сти связаны именно с разработкой материалов, не содержащих органи­ческих растворителей, например, водоразбавляемых или порошковых.