Химия и технология лакокрасочных покрытий

ПРОПУСКАНИЕ, ПОГЛОЩЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА ПОКРЫТИЯМИ

Оптическую область спектра электромагнитных колебаний, в ос­новном воздействующих на лакокрасочные покрытия, составляют видимые лучи (пределы X = 7,2 • 102—3,8 • 102 нм), инфракрасное (X = 4 • 105-7,2 • 10 нм) и ультрафиолетовое (X = 3,8 • 102—2 • 10 нм) излучение. Закономерности преломления, поглощения и отражения этих лучей при прохождении через систему внешняя среда - пленка - подложка одинаковы; результаты различаются лишь в количествен­ном отношении.

Оптические свойства лакокрасочных покрытий, как и любых ма­териалов, характеризуются коэффициентами отражения р, пропус­кания т и поглощения а:

Р = Фр/Фа; т = Фт/Ф0; а = Фа/Ф0,

Где Ф0, Ф0, Фт и Фа - падающий, отраженный, пропущенный и поглощенный потоки излучения соответственно.

При оценке терморегулирующих свойств и укрывистости по­крытий важное значение имеют также коэффициенты излучения е и преломления П (отношение скоростей света в вакууме и в среде).

Лакокрасочные покрытия по оптическим характеристикам дале­ки от идеальных тел, их следует рассматривать как оптически неод­нородные среды. Неоднородность покрытий может быть вызвана особенностями их структуры, наличием пигментов и наполнителей, присутствием несовместимых компонентов и примесей. Поэтому для них свойственно объемное светорассеяние. Изменение светового потока (отражение, поглощение, рассеяние) вызывает и подложка; ее проявление особенно заметно при небольшой толщине покрытий (до 20 мкм). Важным фактором, влияющим на оптические свойства, является рельеф поверхности покрытий. В зависимости от свойств поверхностей покрытия и подложки может преобладать диффузное или зеркальное отражение. В целом в реальных условиях оптическое поведение покрытий весьма сложно (рис. 4.36).

Рис. 4.36. Схема преломления, отражения и рассеяния света лакокрасоч­ным покрытием в идеальном (а) и реальном (б) случаях:

I- Воздух; II- Пленка; III - Подложка

Блеск покрытий. Блеск (или глянец) определяется отражатель­ной способностью покрытий. Этот показатель в равной степени ва­жен как в случае пигментированных (непрозрачных), так и непиг - ментированных (прозрачных) покрытий. Как правило, наибольшая заинтересованность возникает в покрытиях с предельными значе­ниями отражательной способности: высокоглянцевых, когда она мак­симальна, и глубокоматовых, когда минимальна.

О блеске покрытий обычно судят по коэффициенту отражения р, который является суммой двух составляющих - поверхностной р5 и объемной р^:

Р = Р5 + РУ-

Поверхностное отражение, будучи определяющим, связано с микрорельефом (шероховатостью) поверхности (рис. 4.37) и коэффи­циентом преломления материала пленки, объемное - с отражением и рассеянием проникающего в пленку излучения. Облагораживание - шлифование и полирование поверхности - один из наиболее распро­страненных приемов получения высокоглянцевых как пигментирован­ных, так и непигментированных покрытий. С уменьшением высоты неровностей поверхности наступает момент, когда рассеяние практиче­ски исчезает и наблюдается преимущественно зеркальная составляю­щая отраженного света. Это условие выполняется, когда высота не­ровностей К будет значительно меньше длины волны падающего света X: к « X, или

. 1+со$(ср+и)

К--------- ——-<£,

СОБСр

Где ф и и - углы падения света и наблюдения соответственно.

Рис. 4.37. Зависимость блеска покрытий от шероховатости их поверхности

Блеск зависиг от природы лакокрасочного материала. Наилучший блеск имеют покрытия, сформированные из растворов и расплавов пленкообразователей. Флокуляция пигментов в момент пленкообра - зования, приводящая к отслаиванию лака в поверхностном слое, увеличивает блеск покрытий. Напротив, применение дисперсионных материалов, красок с повышенной тиксотропией, большим содержа­нием пигментов и наполнителей вызывает образование полумато - вых, матовых или нередко глубокоматовых покрытий.

Повышенный интерес к матовым покрытиям послужил основани­ем для разработки специальных матирующих агентов и приемов для получения таких покрытий. Ими служат в основном высокодисперс­ные несовместимые с пленкообразователем вещества неорганической и органической природы - аморфная кремниевая кислота, силикагель, синтетические природные воска, дисперсии полиэтилена и полипро­пилена, стеараты металлов и др. Матирующий эффект при их введе­нии достигается за счет всплывания и формирования рассеивающего свет тонкого приповерхностного слоя и гетерогенности покрытия.

Матирования можно достигнуть и чисто технологическими прие­мами: нанесением лаков и красок пневмораспылением при повы­шенном давлении, обработкой покрытий мягкими абразивами и др.

Принятые при использовании жидких лакокрасочных составов принципы матирования во многом непригодны при получении по­крытий из порошковых красок. Введением матирующих агентов в их рецептуры в лучшем случае удается получать полуматовые покры­тия с коэффициентом отражения 30 % и более. Для получения мато­вых и глубокоматовых покрытий термореактивного типа использу­ются иные рецептурные подходы, а именно:

1) применение смеси двух и более отвердителей (или ускорите­лей отверждения), обладающих разной реакционной способностью по отношению к пленкообразователю;

2) применение смесей пленкообразователей, реагирующих с раз­ной скоростью с отверждающим агентом.

Примером могут служить эпоксидные составы с бинарной сме­сью аминного и ангидридного (кислотного) типов или составы из двух смол с единой отверждающей системой, отличающейся по вре­мени гелеобразования в два и более раза.

В соответствии с ГОСТ 9.032-74 покрытия по внешнему виду (по блеску в %) делятся на следующие классы (измерение под углом

А = 45°):

Высокоглянцевые

Глянцевые

Полуглянцевые

Полуматовые 20-36

Матовые 4-19

Глубокоматовые < 3

Покрытия с высоким блеском служат для отделки мебели, музы­кальных инструментов, бытовой техники, автомобилей и других машин. В матовых покрытиях особенно заинтересованы оптическое приборостроение и спецтехника. Отечественной промышленностью выпускается большой ассортимент матовых и полуматовых эмалей на мочевиноформальдегидной, алкидной, эпоксидной, виниловой и по - лиакрилатной основе. Их обозначение обычно сопровождается индек­сами "М" и мПМ", что обозначает: для получения матовых и полумато­вых покрытий. Например, эмаль ПФ-19М, эмаль МЧ-240ПМ и др.

Прозрачность покрытий. В видимой области спектра прозрач­ными могут быть только непигментированные покрытия, однако за ее пределами прозрачность может проявляться и у пигментирован­ных покрытий. Факторами прозрачности в видимой области являют­ся чистота лицевой и оборотной поверхностей пленки (или подлож­ки) и степень ее однородности. Присутствие несовместимых с плен - кообразователем веществ (воздух, выпавший сиккатив и другие при­меси, кристаллические дискретные образования и т. д.) с показателем преломления, отличным от показателя преломления пленкообразо - вателя, снижает светопропускание покрытий, делает их опалесци - рующими или недостаточно прозрачными.

Важные требования к пленкообразователю для таких покрытий - чистота, однородность состава, бесцветность; эти свойства должны длительно сохраняться при эксплуатации покрытий.

По комплексу показателей наилучшими являются полиакрилат - ные, полиарилатные, полистирольные, полиэфирные, поливинил - ацетатные, этилцеллюлозные, мочевино - и циклогексанонформаль - дегидные пленкообразователи. Лаки на их основе в первую очередь зарекомендовали себя при отделке полиграфической продукции, из­делий из древесины, при лакировании картин, защите оптики.

В ИК-области наиболее прозрачными являются полимеры, не имеющие структурных групп (связей), способных к проявлению больших колебаний: полимеры и сополимеры фторолефинов, по - лиолефины, поливинилхлорид. Так, диапазон прозрачности (инте­гральное светопропускание >80%) простирается у политетрафтор­этилена на область до 8300 нм, других полифторолефинов и поли­винилхлорида - до 7000 нм, большинства полиолефинов - примерно до 6500 нм (исключая область 3300-3600 нм). При этом указанные полимеры нередко показывают большее светопропускание, чем в видимой области спектра. В ближней ИК-области хорошо пропус­кают лучи и многие другие пленкообразователи, при этом спек­тральные характеристики пленок мало зависят от присутствия пла­стификаторов и остаточного растворителя. В отличие от них пигменты

Рис. 4.38. Кривые светопропуска - ния в УФ-области спектра плен­ками, полученными из лаков:

1 - полиакрилатного; 2 - ацетилцел- люлозного; 3 - меламиноалкидного;

4 - ацетилцеллюлозного с 0,3 % 2- гидрокси-4-метоксибензофенона; 5 - ацетилцеллюлозного с 0,55 % 2,2'- дигидрокси-4-метоксибензофенона

И наполнители существенно изменяют характер интегрального све- топропускания покрытий, при этом, чем больше степень наполне­ния, тем меньше прозрачность.

Пропускание света пленками в УФ-области спектра подчиняется иным закономерностям (рис. 4.38, кривые 1-3). Степень поглощения пленкообразователями лучистой энергии резко увеличивается в ко­ротковолновой области спектра, при X < 340 нм. Исключение состав­ляют полифторолефины, прозрачность которых простирается на область до 250 нм. Введением пигментов и специальных химических веществ можно в широких пределах регулировать спектральную ха­рактеристику покрытий. Так, цинковые белила, сульфат бария, суль­фид цинка, диоксид титана поглощают основную массу УФ-излуче­ния. Технический углерод, напротив, более прозрачен в УФ-области спектра, чем в видимой и инфракрасной. Поэтому белое покрытие с оксидом цинка в УФ-свете кажется черным, а черное с техническим углеродом - наоборот, белым. Наряду с пигментами интенсивно уве­личивают светопоглощение в УФ-области, главным образом между 300 и 400 нм, соединения, представляющие собой производные гид - роксибензофенона (рис. 4.38, кривые 4, 5) и ферроцена, бензотриазо - лы, арилсалицилаты, бензидин, фенолят меди и др.

Покрытия, содержащие такие и подобные им соединения, ис­пользуют в качестве светофильтров. Например, стекла, покрытые ла­ками с УФ-адсорбентами, предотвращают проникновение УФ-лучей в витрины магазинов и других помещений.

Изучение спектрального поведения материалов в широком диа­пазоне длин волн важно для создания Маскирующих покрытий. Све­томаскировка нужна не только в видимой области спектра, но и в УФ - и особенно в ИК-области. Она реализуется тогда, когда отраже­ние световой энергии от объекта приблизительно совпадает с отра­жением окружающей его местности. Разработка таких покрытий, однако, представляет значительные трудности, особенно для широ­кого диапазона длин волн.

Белизна и яркость покрытий. Эти оптические характеристики пигментированных покрытий определяются отражательной способ­ностью поверхности пленок. Высокой степенью отражения отлича­ются покрытия с белыми пигментами (диоксид титана, оксид маг­ния), а также пигментами чешуйчатого строения (алюминиевая пуд­ра, бронзы). Коэффициент отражения белых светоотражающих покрытий достигает 85 %.

Особенно высокая степень светоотражения может быть достиг­нута при многослойном построении покрытий: светоотражающий грунт, слой из стеклянных микросфер, слой лака или эмали, связы­вающий микросферы. Так, при применении светоотражающей плен­ки, называемой Катафот, видимость дорожных знаков в темное вре­мя суток обеспечивается на расстоянии 200-300 м, тогда как без нее - всего на 30-50 м.

Яркость покрытий существенно увеличивается при введении в их состав флюоресцентных веществ. Наиболее применимы вещества, флюоресцирующие при дневном освещении, т. е. возбуждающиеся излучением с длиной волны не менее 300 нм. К ним относятся, в ча­стности, производные бензоксазинов (люминор желто-зеленый 540Т, люминор зеленый 525Т, люмоген желтый и оранжевый), родамин, аурамин, профлавин, тиофлавин и др. Отличительная их особен­ность - способность трансформировать коротковолновое световое излучение в более длинноволновое, полнее воспринимаемое челове­ческим глазом. Суммарный коэффициент отражения таких покры­тий р' равен:

Р' = р + Ар,

Где р - коэффициент отражения; Ар - приращение отражения.

В зависимости от типа люминофора максимум отражения при­ходится на область 500-620 нм. Флюоресцентные краски, обычно по - лиакрилатные (АС-554, АС-560), наносят на отражающую поверх­ность в виде подслоя из эмали белого цвета (например, АС-131, АС - 1115) с высокой отражательной способностью; толщина покрытия 70-80 мкм. Для повышения светостойкости флюоресцентных по­крытий их перекрывают лаком, содержащим светостабилизатор.

Флюоресцирующие покрытия гораздо заметнее при дневном ос­вещении, чем нефлюоресцирующие такого же цвета. Они нашли применение для исполнения предупреждающих надписей и как сред­ство оформления реклам, витрин, выставочных стендов; флюорес­центные краски, особенно красно-оранжевого цвета, широко исполь­зуют на транспорте (самолего-, тепловозо - и судостроение), при ок­раске бакенов и других объектов. Их можно применять также в качестве УФ-фильтров.

Рис. 4.39. Кривые спектрального отражения цветных покрытий в видимой области спектра:

1 - синий; 2 - зеленый; 3 - желтый;

4 - красный

Цвет и видимость покры­тий. Цветовые характеристики покрытий (за исключением, по­жалуй, битумных) создаются в основном за счет пигментов или газонаполнения. При этом крою­щая способность определяется разностью показателей прелом­ления пигмента (или газа) Щ и пленкообразователя П2 [по Фре­нелю доля монохроматического светового потока Я, прошедшего через границу раздела, равна Я = 1 - ~{п - п2)21(п + П2)2], а цвет покрытий - степенью избирательного (селективного) поглощения и отражения падающего на них света.

Показатель преломления большинства непигментированных пле­нок на границе с воздухом находится в пределах 1,48 (для поливи­нил ацетатных) - 1,60 (для эпоксидных), для белых пигментов и на­полнителей 1,6-2,7.

При постоянном составе пигментной части кроющая и отража­тельная способности выше у тех покрытий, которые изготовлены на пленкообразователях с более низкими показателями преломления. Это определяет видимость покрытий.

На рис. 4.39 приведены спектральные кривые ряда цветных по­крытий в видимой области спектра.