Після Другої світової війни у виробництві лакофарбових матеріалів стався революційний стрибок. У Німеччині перехід на синтетичні полімери (поливинилацетаты і полиарилаты) стався ще під час війни. Це було пов'язано з недоліком натуральних сировинних матеріалів (рослинних масел і алкідних смол). Оскільки у післявоєнний час у США різко впав попит на синтетичну стирол-бутадиеновую гуму, частина виробничих потужностей була переорієнтовано на випуск стирол-бутадієновий латексу для фарб (латексних фарб). В даний час дисперсійні фарби, зазвичай звані емульсійними, складають найбільшу групу продуктів у світовому виробництві лакофарбових матеріалів. У Німеччині, наприклад, у 1996р. загальний обсяг виробництва внутрішніх робіт – 450 тис. т. Емульсійні фарби для зовнішніх робіт – 150 тис. т., емульсійні даки 25 тис. т. і воднодисперсионно штукатурні розчини – 180 тис. т. Плівкоутворювальні речовини складаються з полімерних дисперсій, які використовується для виготовлення як матових, так і на глянсове покриття, а також штукатурок (синтетичні штукатурки на основі синтетичних смол, DIN 18550).
Покривні матеріали, виготовлені на основі полімерних дисперсій, наносяться на різного роду підкладки, наприклад: штукатурку, бетон, зв'язані цементом плити, гіпсову штукатурку, штукатурну плиту, шпалери, цегляну кладку і силікатна цегла, цементні або бетонні даху, підлоги, тротуари, дерево і матеріали з дерева (наприклад, дошку з пресованої тирси і тверду деревно-волокнисту плиту), а також на безліч інших підкладок. Багато покривні матеріали, що містять дисперсії полімерів, затвердіння яких відбувається при підвищеній температурі, (більше 40), використовується в якості покриттів, що наносяться промисловим способом, для пластмасових виробів (наприклад, корпуси звукової апаратури, приладові щитки і приладові панелі автомобілів), металевих виробів, віконних рам і т. д. Незаперечною перевагою водорозчинних покриттів, що містять дисперсії полімерів, є те, що для організації процесу їх нанесення не потрібно дотримання суворих заходів безпеки, оскільки основним рідинним компонентом служить вода. Сушка більшості таких покриттів відбувається фізичним способом: випаровуванням води при температурі навколишнього середовища, зазвичай складової вище 5 С (зазвичай користуються значеннями мінімальної температури формування плівки (МТП) без постійного виділення запахів. Величина МТП залежить від допоміжних речовин і статочных мономерів в дисперсій полімерів. Емульсійні фарби в рідкому стані негорючі, що полегшує їх зберігання і транспортування, а також дозволяє очищати обладнання, видаляти розливи і мити руки звичайною водою. Згідно DIN55 947, дисперсія полімерів складається з частинок полімеру, розподілених у рідкій фазі (стосовно до емульсивних фарб – у воді). Дисперсії полімерів бувають трьох видів: - тонкі (діаметр частинок 0,1 – 0,3 мкм), середні (діаметр частинок 0,3 – 2 мкм) та грубі (діаметр частинок 2-5 мкм). Тонкі і середні дисперсії використовуються, в основному, в якості плівкоутворюючих речовин емульсійних фарб. При необхідності дисперсії з діаметром частинок 0,004 – 0,1 мкм. Дисперсії полімерів, частинки яких мають порівняно однакові розміри, називаються монодисперсными, а дисперсії, частинки яких не однакові за розмірами або їх розміри різняться в широкому діапазоні, називається гетеродисперсными або полидисперсными. Тонкі дисперсії (0,1-0,3 мкм) зазвичай мають досить високу в'язкому здатність пігменту (тобто при однаковій величині концентрації пігменту (ВКП), пігменти зв'язуються краще, ніж у великих дисперсій). Пігменти, що володіють поліпшеними властивостями, можуть входити до складу рецептур дисперсій з розміром частинок більше 0,3 мкм. За допомогою тонких і гетеродисперсных дисперсій з виготовляються покриття, що володіють цілком задовільною здатністю розподілу фарби по поверхні і глянцем. Емульсійні фарби складаються з дисперсій полімерів, які виступають в ролі зв'язуючих речовин, пігментів, наповнювачів і невеликої кількості добавок (в деяких випадках менше 1%). Водорозчинні дисперсії полімерів утворюються в результаті емульсійної полімеризації. Відбувається полімеризація крапельок мономеру в поверхнево-активних речовин (ПАР) і захисних колоїдах. Розмір і гранулометричний склад розподілених полімерних частинок можна контролювати за допомогою регулювання інтенсивності перемішування в полимеризационном реакторі і підбором відповідних захисних колоїдів.
Полімери. Властивості і кількість використаної дисперсії багато в чому визначають якість емульсійної фарби. Властивості дисперсії полімерів залежать від мономеру, використаного для полімеризації емульсії. Нижче наводяться найбільш поширені полімери, які використовуються для виготовлення емульсійних фарб, у порядку зростання стійкості до впливу лугів (це може мати дуже важливе значення при їх застосуванні в якості атмосферостійких покриттів на мінеральних основах). Сополімери вінілацетату використовуються у всьому світі в складі дисперсій полімерів. Сополімери з дибутилмалеинатом володіють високою еластичністю, а сополімери зі складними вініловими ефірами кислот володіють високою стійкістю до впливу атмосферних явищ, що має неабияке значення для розробки рецептур. Важливе місце займають також сополімери зі складними ефірами акрилатів і його потрійні сополімери вінілацетат-етилен-вінілхлорид. Сополімери винилпропионата (наприклад, складні ефіри акрилатів) використовуються так само, як і сополімери вінілацетату. Сополімери акрилат-метакрилату (власне акрилати) використовуються, зокрема, для виготовлення фарб для дому, інших емульсійних фарб, що володіють високою стійкістю до впливу атмосферних явищ, а також для виготовлення водорозчинних фарб промислового призначення. Сополімери стиро-акрилату активно використовуються в якості плівкоутворюючих речовин в фарбах, призначених для внутрішніх робіт, штукатурних розчинах, фарбах, призначених для зовнішніх робіт. Чим вище вміст стиролу, тим ні ж водопоглинання і еластичність.
Сополімери стирол - бутадієну володіють дуже низьким ступенем допоглащения, але володіють невисокою атмосферостійкістю. Тому вони використовуються у складі рецептур фарб для внутрішніх робіт (латексних фарб), які володіють стійкістю до миючих засобів. Пігменти
В емульсійних фарбах використовується більшість доступних кольорових пігментів. Діоксид титану впливає на криючу здатність фарби, білизну і залежно від типу, використовуваного TiO2(рутил або анатаз) - здатність лакофарбового покриття до руйнування. Поверхнево-оброблений ратил рекомендується використовувати для виготовлення стійких до руйнування фарб, тоді як анатоз набирає фотокаталітичну реакцію з киснем і вологою, що викликає радикальні реакції, викликають розкладання плівкоутворювальної речовини на межі розділу TiO2, що в свою чергу призводить руйнування плівки лакофарбового покриття.
Наповнювачі використовуються для коригування властивостей лакофарбових покриттів (наприклад, товщини шару і структури). Присутність наповнювачів впливає на водопоглинання, проникність для водяної пари, діоксиду вуглецю, діоксиду сірки і оксидів азоту. Неорганічні наповнювачі виготовляються з натуральних мінералів шляхом дроблення, подрібнення, класифікації та сушіння. Найбільш широко розповсюдженими наповнювачами є: кальцит, крейда, доломіт, каолін, кварц, тальк, слюда, диатомитовая земля (кізельгур) і барит. Синтетичні неорганічні наповнювачі виготовляються з неорганічних продуктів шляхом осадження відпалу. Найбільш широко відомими неорганічними наповнювачами є: рсажденный карбонат кальцію, барит (баритові білила, він же бланкфикс) і силікати (аеросил). Синтетичними органічними наповнювачами є полімерні волокна, а також порожнисті синтетичні кульки, які можна використовувати для створення рецептур фарб, що володіють дуже низькою щільністю.
Допоміжні речовини
Дисперсійні речовини застосовуються для того, щоб окремі частинки в складі емульсії не злипалися і не утворювали агломерати. Захисні колоїди та емульгатори використовуються в процесі отримання емульсії і служать для стабілізації полімерних частинок водної фази і для запобігання їх агрегації між собою. Вони надають вплив на утворення плівок з емульсійних фарб і можуть викликати піноутворення. Захисними колоїдами є полівінілові спирти та ефіри целюлози. В якості емульгаторів використовують аніонні та неіонні ПАР.
Змочувальні речовини використовуються для диспергування наповнювачів і пігментів. Ними є: поліфосфати натрію, а також натрієві і амонійні солі поліакрилових кислот з низькою молекулярною масою. Поліфосфати мають схильність вступати у вторинні реакції, тому з точки зору забезпечення стійкості при зберіганні, збереження глянцю і т. д. перевага віддається полиарилатам. Чим вище вміст допоміжних речовин в дисперсії, тим вище стійкість покриттів до води, що знижує вымываемость барвника і стійкість до впливу атмосферних явищ. Оптимальна кількість і склад диспергуючих агентів мають вирішальне значення для визначення якості рецептури. У процесі виробництва і транспортування емульсійних фарб диспергуючі агенти і емульгатори можуть викликати утворення піни, що приводить до того, що в покривних плівках виникають кратери і пори. Піногасники знижують поверхневий натяг рідини на таку величину, при якій бульбашки повітря в піні руйнуються. В якості піногасників використовують силіконові масла, різні види воску, жирні кислоти, і, при необхідності нанесення на носії, силікати. Консерванти служать для запобігання емульсійних фарб, що зберігаються в тарі, від розмноження мікроорганізмів. Гриби і бактерії присутні в складі сировинних матеріалів (особливо в воді) та у процесі виробництва потрапляють до складу емульсійних фарб. В якості консервантів найчастіше використовуються: речовини, що вивільняють формальдегід, хлорацетатамид, изотиазолинон і гетероциклічні сполуки азоту і сірки. Зазначені консерванти в основному застосовуються в тарі. З міркувань екологічної безпеки не рекомендуються використовувати сполуки, що містять ртуть та олово. Висока концентрація консервантів має важливе функціональне значення, оскільки не допускає грибкового зараження покриттів і підкладки. До складу покриття можуть також входити альгіциди. Загусники служать для зміни реологічних властивостей водоемульсійних фарб. Введення реологічних добавок впливає на в'язкість покриттів, здатність до різних способів нанесення (валиком, розпиленням, зануренням), здатність до розливу, вкривати гострі кромки поверхонь, стійкість до осідання пігментів і стійкість при зберіганні. Як і всі інші допоміжні речовини загусники впливають на водостійкість покриттів, стійкість до атмосферних впливів і пов'язаною з цим зміною глянцю. Найбільш широко використовуваними загусниками є карбоксиметилцелюлоза та гідроксиетилцелюлоза. При збільшенні ступеня полімеризації целюлози відбувається збільшення в'язкості. Широке застосування знаходять також згущувачі, виготовлені на основі полиметакрилатов, полівінілпіролідону і поліуретанів. В якості неорганічних загусників використовується силікати шаруватої структури монтмориллонитного типу (наприклад, алюмосилікат і силікат магнію). Вони надають покриттю стійкість до вологого стирання і не знижують водостійкість покриття при перебуванні на відкритому повітрі. Допоміжні плівкоутворювальні добавки (коалесценты) являють собою висококиплячі розчинники, які сприяють утворенню плівки і знижують мінімальну температуру плівкоутворення. Вони виступають в якості тимчасових пластифікаторів, діють до закінчення процесу формування плівки і зникають в процесі сушіння. Допоміжними пленкообразующими добавками є: бутілдіглікольацетат, бутилдигликоль, гліколевий ефір і складні ефіри етиленгліколю, які називають пластифікаторами. В якості одного з найбільш поширених пластифікаторів можна назвати дибутилфталат. Утворення плівки воднодисперсійних фарб являє собою процес фізичного затвердіння. В процесі плівкоутворення вода випаровується з вологої плівки, частинки полімеру поступово зближуються і з'єднуються між собою. У процесі подальшого випаровування води виникає капілярний тиск в порожнинах між полімерними глобулами та іншими твердими речовинами (наповнювачами, пігментами). Таким чином, відбувається зливання частинок полімеру, і утворюється покривна плівка. Неодмінною умовою для такого плівкоутворення є те, щоб температура навколишнього середовища була б не нижче мінімальної температури плівкоутворення (МТП) або перевищувала значення на етапі сушіння. Якщо навколишня температура нижче значення МТП, то емульсійна фарба утворює невисохлу плівку , здатну до розтріскування. Значення МТП залежить від структури полімерного плівкоутворювальної речовини, температури склування, а також від кількості і властивостей допоміжних плівкоутворюючих речовин та інших добавок, присутніх в рецептурі покриття. Діапазон значень МТП може виходити за межі від -5 до +50 С, а у випадках фарб для будинку і фасадів від +5 до +10 С.
Виготовлення
Емульсійні фарби виробляють в лопатевих змішувачах, з яких найбільш широко та ефективно використовуються у диспергатори виникає велике зусилля зсуву. Однак у високов'язких емульсійних, фарбах, містять грубі частинки, потрібні високі зусилля зсуву. У цих випадках більш ефективними є багато осьові мішалки.
Властивості
Найбільш важливими властивостями емульсійних фарб є: реологічні (які впливають на нанесення фарб); укрывность; об'ємна концентрація пігменту (впливає на внутрішні напруги; водопоглинання, паропроникність; стійкість до атмосферного впливу); адгезія до підкладки (особливо схильним до частих перепадом вологості і температур); адгезія до підкладки (особливо схильним приватним перепадів вологості й температур) і еластичність (у разі покриттів, що наносяться на бетон і оштукатурені поверхні).
Способи нанесення
Вододисперсійні фарби можна наносити пензлем, валиком, зануренням і розпиленням. В залежності від побажань замовника з наявних у продажу плівкоутворюючих речовин, загусників і допоміжних речовин можна отримати емульсійні фарби з широким розмаїттям властивостей.
