Эмульсионные краски (воднодисперсионные краски) - все аспекты и сферы применения.

После Второй мировой войны в производстве лакокрасочных материалов произошел революционный скачок. В Германии переход на синтетические полимеры (поливинилацетаты и полиарилаты) произошёл еще во время войны. Это было связано с недостатком натуральных сырьевых материалов (растительных масел и алкидных смол). Поскольку в послевоенное время в США резко упал спрос на синтетическую стирол-бутадиеновую резину, часть производственных мощностей была переориентирована на выпуск стирол-бутадиенового латекса для красок (латексных красок). В настоящее время дисперсионные краски, обычно называемые эмульсионными, составляют самую большую группу продуктов в мировом производстве лакокрасочных материалов. В Германии, например, в 1996г. общий объем производства внутренних работ – 450 тыс. т. Эмульсионные краски для наружных работ – 150 тыс. т., эмульсионные даки 25 тыс. т. и воднодисперсионно штукатурные растворы – 180 тыс. т. Плёнкообразующие вещества состоят з полимерных дисперсий, которые используется для изготовления как матовых, так и на глянцевые покрытия, а также штукатурок (синтетические штукатурки на основе синтетических смол, DIN 18550).

Покровные материалы, изготовленные на основе полимерных дисперсий, наносятся на разного рода подложки, например: штукатурку, бетон, связанные цементом плиты, гипсовою штукатурку, штукатурную плиту, обои, кирпичную кладку и силикатный кирпич, цементные или бетонные крыши, полы, тротуары, дерево и материалы из дерева (например, доску из прессованных опилок и твердую древесно-волокнистую плиту), а также на множество других подложек. Многие покровные материалы, содержащие дисперсии полимеров, отверждение которых происходит при повышенной температуре, (более 40 С), используется в качестве покрытий, наносимых промышленным способом, для пластмассовых изделий (например, корпуса звуковой аппаратуры, приборные щитки и приборные панели автомобилей), металлических изделий, оконных рам и т.д. Неоспоримым преимуществом водорастворимых покрытий, содержащих дисперсии полимеров, является то, что для организации процесса их нанесения не требуется соблюдение строгих мер безопасности, поскольку основным жидкостным компонентом служит вода. Сушка большинства таких покрытий происходит физическим способом: испарением воды при температуре окружающей среды, обычно составляющей выше 5 С (обычно пользуются значениями минимальной температуры формирования плёнки (МТП) без постоянного выделения запахов. Величина МТП зависит от вспомогательных веществ и статочных мономеров в дисперсиях полимеров. Эмульсионные краски в жидком состоянии негорючие, что облегчает их хранение и транспортировку, а также позволяет очищать оборудование, удалять разливы и мыть руки обычной водой. Согласно DIN55 947, дисперсия полимеров состоит из частиц полимера, распределённых в жидкой фазе (применительно к эмульсионным краскам – в воде). Дисперсии полимеров бывают трех видов: тонкие (диаметр частиц 0,1 – 0,3 мкм), средние (диаметр частиц 0,3 – 2 мкм) и грубые (диаметр частиц 2-5 мкм). Тонкие и средние дисперсии используются, в основном, в качестве плёнкообразующих веществ эмульсионных красок. При необходимости дисперсии с диаметром частиц 0,004 – 0,1 мкм. Дисперсии полимеров, частицы которых имеют сравнительно одинаковые размеры, называются монодисперсными, а дисперсии, частички которых не одинаковы по размерам или их размеры разнятся в широком диапазоне, называется гетеродисперсными или полидисперсными. Тонкие дисперсии (0,1-0,3мкм) обычно обладают довольно высокой вяжущей способностью пигмента (то есть при одинаковой величине концентрации пигмента (ВКП), пигменты связываются лучше, нежели у крупных дисперсий). Пигменты, обладающие улучшенными свойствами, могут входить в состав рецептур дисперсий с размером частиц более 0,3 мкм. С помощью тонких и гетеродисперсных дисперсий с изготавливаются покрытия, обладающие вполне удовлетворительной способностью распределения краски по поверхности и глянцем. Эмульсионные краски состоят из дисперсий полимеров, выступающих в роли связующих веществ, пигментов, наполнителей и небольшого количества добавок (в некоторых случаях менее 1%). Водорастворимые дисперсии полимеров образуются в результате эмульсионной полимеризации. Происходит полимеризация капелек мономера в поверхностно-активных веществах (ПАВ) и защитных коллоидах. Размер и гранулометрический состав распределенных полимерных частичек можно контролировать с помощью регулирования интенсивности перемешивания в полимеризационном реакторе и подбором соответствующих защитных коллоидов.

Полимеры. Свойства и количество используемой дисперсии во многом определяют качество эмульсионной краски. Свойства дисперсии полимеров зависят от мономера, использованного для полимеризации эмульсии. Ниже приводятся наиболее распространенные полимеры, используемые для изготовления эмульсионных красок, в порядке возрастания устойчивости к воздействию щелочей (это может иметь очень важное значение при их применении в качестве атмосферостойких покрытий на минеральных подложках). Сополимеры винилацетата используются во всем мире в составе дисперсий полимеров. Сополимеры с дибутилмалеинатом обладают высокой эластичностью, а сополимеры со сложными виниловыми эфирами кислот обладают высокой сопротивляемостью к воздействию атмосферных явлений, что имеет немалое значение для разработки рецептур. Важное место занимают также сополимеры со сложными эфирами акрилатов и его тройные сополимеры винилацетат-этилен-винилхлорид. Сополимеры винилпропионата (например, сложные эфиры акрилатов) используются так же, как и сополимеры винилацетата. Сополимеры акрилат-метакрилата (собственно акрилаты) используются, в частности, для изготовления красок для дома, других эмульсионных красок, обладающих высокой устойчивостью к воздействию атмосферных явлений, а также для изготовления водорастворимых красок промышленного назначения. Сополимеры стиро-акрилата активно используются в качестве пленкообразующих веществ в красках, предназначенных для внутренних, работ, штукатурных растворах, красках, предназначенных для наружных работ. Чем выше содержание стирола, тем ни же водопоглощение и эластичность.

Сополимеры стирол- бутадиена обладают очень низкой степенью допоглащения, но обладают невысокой атмосферостойкостью. Поэтому они используются в составе рецептур красок для внутренних работ (латексных красок), которые обладают устойчивостью к моющим средствам. Пигменты

В эмульсионных красках используется большинство доступных цветных пигментов. Диоксид титана влияет на кроющую способность краски, белизну и в зависимости от типа, используемого TiO2(рутил или анатаз) -  на способность лакокрасочного покрытия к разрушению. Поверхностно-обработанный ратил рекомендуется использовать для изготовления устойчивых к разрушению красок, тогда как анатоз вступает в фотокаталитическую реакцию с кислородом и влагой, что вызывает радикальные реакции, вызывающие разложение пленкообразующего вещества на границе раздела TiO2, что в свою очередь приводи разрушение плёнки лакокрасочного покрытия.

Наполнители используются для корректировки свойств лакокрасочных покрытий (например, толщины слоя и структуры). Присутствие наполнителей оказывает влияние на водопоглащение, проницаемость для водяных паров, диоксида углерода, диоксида серы и оксидов азота. Неорганические наполнители изготавливаются из натуральных минералов путем дробления, измельчения, классификации и сушки. Наиболее широко распространенными наполнителями являются: кальцит, мел, доломит, каолин, кварц, тальк, слюда, диатомитовая земля (кизельгур) и барит. Синтетические неорганические наполнители изготавливаются из неорганических продуктов путем осаждения отжига. Наиболее широко известными неорганическими наполнителями являются: рсаждённый карбонат кальция, барит (баритовые белила, он же бланкфикс) и силикаты (аэросил). Синтетическими органическими наполнителями являются полимерные волокна, а также полые синтетические шарики, которые можно использовать для создания рецептур красок, обладающих очень низкой плотностью.

Вспомогательные вещества

Диспергирующие вещества применяются для того, чтобы отдельные частицы в составе эмульсии не слипались и не образовывали агломераты. Защитные коллоиды и эмульгаторы используются в процессе получения эмульсии и служат для стабилизации полимерных частиц водной фазы и для предотвращения их агрегации между собой. Они оказывают влияние на образование пленок из эмульсионных красок и могут вызывать пенообразование. Защитными коллоидами являются поливиниловые спирты и эфиры целлюлозы. В качестве эмульгаторов используются анионные и неионные ПАВ.

Смачивающие вещества используются для диспергирования наполнителей и пигментов. Ими являются: полифосфаты натрия, а также натриевые и аммонийные соли полиакриловых кислот с низкой молекулярной массой. Полифосфаты имеют склонность вступать во вторичные реакции, поэтому с точки зрения обеспечения устойчивости при хранении, сохранения глянца и т.д. предпочтение отдается полиарилатам. Чем выше содержание вспомогательных веществ в дисперсии, тем выше стойкость покрытий к воде, что снижает вымываемость красителя и устойчивость к воздействию атмосферных явлений. Оптимальное количество и состав диспергирующих агентов имеют решающее значение для определения качества рецептуры. В процессе производства и транспортировки эмульсионных красок диспергирующие агенты и эмульгаторы могут вызвать образование пены, что приводит к тому, что в покровных пленках возникают кратеры и поры. Пеногасители снижают поверхностное натяжение жидкости на такую величину, при которой пузырьки воздуха в пене разрушаются. В качестве пеногасителей используют силиконовые масла, различные виды восков, жирные кислоты, и, при необходимости нанесения на носители, силикаты. Консерванты служат для предохранения эмульсионных красок, хранящихся в таре, от размножения микроорганизмов. Грибы и бактерии присутствуют в составе сырьевых материалов (особенно в воде) и в процессе производства попадают в состав эмульсионных красок. В качестве консервантов чаще всего используются: вещества, высвобождающие формальдегид, хлорацетатамид, изотиазолинон и гетероциклические соединения азота и серы. Указанные консерванты в основном применяются в таре. По соображениям экологической безопасности не рекомендуются использовать соединения, содержащие ртуть и олово. Высокая концентрация консервантов имеет важное функциональное значение, поскольку не допускает грибкового заражения покрытий и подложки. В состав покрытий могут также входить альгициды. Загустители служат для изменения реологических свойств водоэмульсионных красок. Введение реологических добавок оказывает влияние на вязкость покрытий, способность к различным способам нанесения (валиком, распылением, окунанием), способность к розливу, укрывать острые кромки поверхностей, устойчивость к оседанию пигментов и стойкость при хранении. Как и все другие вспомогательные вещества загустители оказывают влияние на водостойкость покрытий, стойкость к атмосферным воздействиям и связанным с этим изменением глянца. Наиболее широко используемыми загустителями являются карбоксиметилцеллюлоза и гидроксиэтилцеллюлоза. При увеличении степени полимеризации целлюлозы происходит увеличение вязкости. Широкое применение находят также загустители, изготовленные на основе полиметакрилатов, поливинилпирролидона и полиуретанов. В качестве неорганических загустителей используется силикаты слоистой структуры монтмориллонитного типа (например, алюмосиликат и силикат магния). Они придают покрытию устойчивость к влажному истиранию и не снижают водостойкость покрытия при нахождении на открытом воздухе. Вспомогательные пленкообразующие добавки (коалесценты) представляют собой высококипящие растворители, которые способствуют образованию пленки и снижают минимальную температуру пленкообразования. Они выступают в качестве временных пластификаторов, действуют до окончания процесса формирования пленки и испаряются в процессе сушки. Вспомогательными пленкообразующими добавками являются: бутилдигликольацетат, бутилдигликоль, гликолевый эфир и сложные эфиры этиленгликоля, которые называют пластификаторами. В качестве одного из наиболее распространенных пластификаторов можно назвать дибутилфталат. Образование пленки воднодисперсионных красок представляет собой процесс физического отверждения. В процессе пленкообразования вода испаряется из влажной пленки, частицы полимера постепенно сближаются и соединяются между собой. В процессе дальнейшего испарения воды возникает капиллярное давление в пустотах между полимерными глобулами и другими твердыми веществами (наполнителями, пигментами). Таким образом, происходит сливание частиц полимера, и образуется покровная плёнка. Непременным условием для такого пленкообразования является то, чтобы температура окружающей среды была бы не ниже минимальной температуры пленкообразования (МТП) либо превышала это значение на этапе сушки. Если окружающая температура ниже значения МТП, то эмульсионная краска образует невысохшую пленку, , способную к растрескиванию. Значение МТП зависит от структуры полимерного пленкообразующего вещества, температуры его стеклования, а также от количества и свойств вспомогательных пленкообразующих веществ и других добавок, присутствующих в рецептуре покрытия. Диапазон значений МТП может выходить за границы от -5 до +50 С, а в случаях красок для дома и фасадов от +5 до +10 С.

Изготовление

Эмульсионные краски производят в лопастных смесителях, из которых наиболее широко и эффективно используются в диспергаторах возникает большое усилие сдвига. Однако в высоковязких эмульсионных, красках, содержащих грубые частицы, требуются высокие усилия сдвига. В этих случаях более эффективными являются много осевые мешалки.

Свойства

Наиболее важными свойствами эмульсионных красок являются: реологические (которые влияют на нанесение красок); укрывность; объемная концентрация пигмента (влияет на внутренние напряжения; водопоглощение, паропроницаемость; устойчивость к атмосферному воздействию); адгезия к подложке (особенно подверженным частым перепадом влажности и температур); адгезия к подложке (особенно подверженным частным перепадам влажности и температур) и эластичность (в случае покрытий, наносимых на бетон и оштукатуренные поверхности).

Способы нанесения

Вододисперсионные краски можно наносить кистью, валиком, окунанием и распылением. В зависимости от пожеланий заказчика из имеющихся в продаже пленкообразующих веществ, загустителей и вспомогательных веществ можно получить эмульсионные краски с широким разнообразием свойств.