Краски, лаки, эмали

Краски, лаки, эмали

Полезная информация по лакокрасочной технологии

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ЛАКОКРАСОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Конечной целью лакокрасочной технологии является получение органических покрытий, выполняющих защитную, декоративную, защитно - декоративную или специальную функцию. Такое покрытие получают из лакокрасочного материала, пленочно распределенного на поверхности окрашиваемого изделия.

Окрашенные изделия могут эксплуатироваться в самых различных условиях (атмосферостойкие покрытия автомобилей и другого наземного транспорта, подводные «необрастающие» покрытия кораблей, термостойкие покрытия ракет, электроизоляционные покрытия в электро- и радиотехнике, защитные покрытия химического оборудования, отделочные покрытия в строительстве, покрытия деревянной мебели, искусственных кож и т. д.). В соответствии с этим к ним предъявляется комплекс специфических требований, в частности по атмосферостойкости, водостойкости, термостойкости, химической стойкости, твердости, эластичности, адгезии, цвету, глянцу и т. д. Отсюда вытекают и соответствующие требования к лакокрасочному материалу, который должен обеспечить получение покрытия с заданными свойствами.

Как известно, защищать металлы и другие материалы от разрушающего воздействия внешней среды могут не только лакокрасочные покрытия. Широко используются в технике гальванические покрытия, анодирование и фосфатирование, металлизация, электрохимические методы антикоррозионной защиты и др. Однако лакокрасочные покрытия обладают рядом преимуществ:

1) невысокая стоимость в сравнении с гальваническими покрытиями в промышленности, облицовкой — в строительстве и т. д.;

2) простота получения вплоть до возможности окраски изделий в сборе;

3) возможность защиты различных подложек одними и теми же лакокрасочными материалами;

4) возможность варьировать защитные и декоративные свойства покрытия, применяя разные материалы.

Однако при всем различии свойств лакокрасочных покрытий их связывает единство технического решения задачи изоляции поверхности изделия от внешнего воздействия без существенного изменения ее профиля, придания поверхности определенного внешнего вида и фактуры, а также некоторых специальных свойств (электроизоляционных, теплопроводящих, термо - или радиоиндикаторных и т. д.). Эта задача решается нанесением на поверхность изделия умеренно тонкой (20—200 мкм) адгезированной твердой пленки на основе органических веществ, составляющих ее сплошную фазу. В свою очередь, сплошная (континуальная) органическая фаза может быть модифицирована включением дисперсных фаз, роль которых в большинстве случаев выполняют неорганические пигменты и наполнители. Кроме того, лакокрасочное покрытие может быть одно-, двух- и многослойным.

Лакокрасочными материалами называют композиции, способные обеспечить формирование на подложке сплошных полимерных покрытий с заданным комплексом свойств (адгезия, механическая прочность, термо- и химическая стойкость, цвет и пр.).

Среди производств различных компонентов лакокрасочных материалов первое место по объему и важности занимает производство пленкообразующих веществ; этот компонент также в наиболь¬шей степени определяет свойства лакокрасочного покрытия.

Пленкообразующим веществом (пленкообразователем) называют полимеры, олигомеры, мономеры или их композиции, способные формировать адгезированную пленку (покрытие) в результате физико-химических или химических превращений на подложке.

Основная часть пленкообразующих веществ предназначена для получения лакокрасочных покрытий; некоторое количество расходуется для других целей — пропитка бумаги и картона, аппретирование тканей, электроизоляционная пропитка, получение свободной пленки, клеенки, искусственной кожи и т. д.

Существуют различные способы классификации пленкообразующих веществ — по химической природе, молекулярной массе, способности к химическим превращениям при формировании покрытия, происхождению и т. д.
Переходя в состояние адгезированной пленки, пленкообразующее вещество обычно подвергается химическим и структурным изменениям; для того чтобы отличить это новое состояние на подложке от исходного, можно пользоваться термином связующее вещество. Таким образом, критерием в определениях пленкообразующего и связующего вещества являются их состояние и техническая функция. Термины же «пленкообразующее вещество» и «пленкообразователь» равноценны.

Основными требованиями к связующему веществу являются:

1) достаточная химическая инертность после его превращения в адгезированное покрытие; природа «активной» внешней среды определяется, естественно, условиями эксплуатации покрытий (температура, концентрация химических реагентов, активность газовой и жидкой фаз и пр.);

2) низкая проницаемость; необходимо, чтобы компоненты внешней среды не только не разрушали покрытие, но и не проникали через него в течение заданного периода;

3) высокая адгезия; необходимо, чтобы прочность сцепления покрытия с подложкой не изменялась (или изменялась незначительно) при заданных режимах эксплуатации изделия;

4) комплекс физико-механических показателей (прочность, твердость, гибкость и пр.).

Пленкообразующим веществом может служить мономер, олигомер или полимер. Связующее вещество — полимер; высокая молекулярная масса необходима для обеспечения требуемых технических свойств покрытия.

При получении покрытий из мономеров или олигомеров, как правило, применяется специфический технологический прием: создание химических связей между молекулами пленкообразователя, при достаточной частоте которых полимерная часть пленки превращается в одну пространственную молекулу. В результате повышается прочность, твердость, атмосферостойкость, нерастворимость и другие необходимые технические свойства. Такие покрытия называют необратимыми (так как они не растворяются в растворителях).

Еще находят применение покрытия, например битумные, в которых связующее не обладает повышенной молекулярной массой, а межмолекулярные взаимодействия обусловливаются только силами Ван-дер-Ваальса (физической, а не химической природы); такие покрытия относятся к низкокачественным. Полимеры мoгyт формировать покрытия с хорошими прочностными и защитными свойствами также без химических превращений на подложке, приводящих к образованию пространственного полимера; такие пленкообразователи называют термопластичными, а покрытия — обратимыми, так как они смываются с помощью растворителей.

Первым этапом после синтеза или выделения из природного сырья пленкообразующего вещества является его превращение в пленкообразующую систему.

Пленкообразующая система — это состояние пленкообразующего вещества, обеспечивающее возможность его смешения с другими компонентами лакокрасочных составов (пигментами, наполнителями, пластификаторами, отвердителями и т. д.) и последующего пленочного распределения всей композиции на подложке. Пленкообразующая система может быть однофазной (100%-ный пленкообразователь или его раствор — лак) или двухфазной (дисперсия пленкообразователя в водной, органической или газовой фазе — в случае порошковых красок).

Как правило, процесс превращения пленкообразующего вещества в пленкообразующую систему является физико-химическим (растворение, диспергирование). В отдельных случаях пленкообразующая система получается уже при синтезе пленкообразующего вещества (например, при лаковой и эмульсионной полимеризации мономеров). Иногда оба термина совпадают: например, высыхающие масла, некоторые так называемые 100%-ные пленкообразователи и мономеры, не содержащие растворителей, одновременно являются и пленкообразующими системами. Они не содержат «лишних» компонентов, необходимых для перевода пленкообразующего вещества в состояние пленкообразующей системы (например, растворителя или разбавителя).

Лаками называются пленкообразующие системы или лакокрасочные материалы, представляющие собой раствор полимерного или олигомерного пленкообразующего вещества в летучей жидкости. Низкомолекулярные компоненты лаков, испаряющиеся при формировании покрытия, называются растворителями или разбавителями.

Грунтовками называются лакокрасочные материалы, предназначенные для "получения первого (от подложки) слоя лакокрасочного покрытия. Основные функции грунтовки — обеспечение адгезии всего покрытия к подложке и антикоррозионная защита (грунтовки по металлам). Грунтовки по металлам, как правило, содержат пигменты, ингибирующие электрохимическую коррозию металла.

Шпатлевки предназначены для исправления дефектов (выравнивания) окрашиваемой поверхности. Это высоконаполненные материалы (пигментами и особенно наполнителями); шпатлевочные слои обладают малой усадкой и хорошо шлифуются.

Эмали предназначены для получения верхних слоев покрытия, от которых требуется соответствующая микрофактура (глянцевые, матовые покрытия), декоративность (цвет, белизна), физико-механические характеристики (твердость, гибкость) и стойкость к внешним воздействиям.

Все эти три типа лакокрасочных материалов состоят из пленкообразующей системы, пигментов и наполнителей, целевых добавок (ингибиторов, структурирующих добавок, антифлотационных добавок и пр.).

Термин краска ранее применялся преимущественно к пигментированным композициям на основе высыхающих масел и олиф. Начиная с 30-х годов такие составы начали вытесняться эмалями, а с 50-х годов — воднодисперсионными красками; в настоящее время выпуск масляных красок резко сокращается. Однако термин «краска» сохранился применительно к порошковым составам, лакокрасочным составам строительного назначения (клеевые, вод-нодисперсионные, силикатные и другие краски) и материалам для других неметаллических подложек (художественные краски, краски по коже, резине, древесине и т. д.).

Принципиальной разницы между красками и эмалями нет, но эмали содержат большее количество (причем, как правило, синтетического) пленкообразователя на единицу объема пигментов и наполнителей (т. е. это относительно малонаполненные системы) и поэтому образуют более блестящие и декоративные покрытия.

Слой лакокрасочного покрытия в общем случае представляет собой умеренно тонкую пленку из наполненного или ненаполненного полимерного материала. Наполняющая дисперсная фаза в свою очередь может быть многокомпонентной и состоять в общем случае из ахроматического (белого) и одного или нескольких хроматических (цветных) пигментов, а также наполнителя.

Двухфазные пленкообразующие системы (дисперсии) могут формировать покрытие двумя путями:

а) в результате выделения геля на подложке путем адагуляции из объема (т. е. бесконечно толстого слоя исходного лакокрасочного материала), например, при электроосаждении, аэродисперсионном напылении порошков;

б) в результате коагуляции на подложке слоя лакокрасочного материала конечной толщины, например, при высушивании на воздухе слоя, нанесенного наливом, распылением, кистью и пр.

На завершающей стадии пленкообразования из дисперсий возможно физико-химическое или химическое отверждение.

Однофазные пленкообразующие системы — мономерные, безрастворительные олигомерные, лаки (растворы) —распределяют на подложке слоем определенной толщины, поскольку выделить пленкообразователь на подложке из объема ввиду их высокой устойчивости практически невозможно. Теоретически, впрочем, можно представить себе окраску быстрым окунанием в лак пористой подложки, пропитанной нерастворителем (осадителем) полимера, что аналогично нанесению дисперсионной системы методом адагуляции. Далее растворы термопластов претерпевают лишь физико-химическое отверждение, растворы реакционноспособных олигомеров — оба вида отверждения, а безрастворительные системы — химическое отверждение.

Отверждение это совокупность физико-химических или химических процессов, приводящих к формированию полимерного покрытия с определенной структурой., и свойствами. В этих процессах принимают участие пленкообразователь и некоторые целевые добавки (отвердители, инициаторы и др.), а в некоторых случаях и пигменты.

Различают химическое и физико-химическое отверждение.
Химическое отверждение (Х-отверждение) сопровождается химическими превращениями пленкообразователя и приводит преимуще- ственно к формированию пространственного полимера. Физико-химическое отверждение (Ф-отверждение) сводится в основном к удалению растворителя или дисперсионной среды и к образованию пленки в результате межмолекулярных взаимодействий макромолекул пленкообразователя.

Распространенным приемом в лакокрасочной технологии является модификация компонентов покрытия (пленкообразователей, пигментов) на различных стадиях получения покрытия — от синтеза компонентов до формирования пленки на подложке. Под этим термином понимается любое улучшение свойств лакокрасочного материала или его компонентов.

Особое место в лакокрасочной технологии занимает модификация пленкообразующих веществ. Так, полиэфиры химически модифицируют жирными кислотами растительных масел для повышения эластичности, адгезии и придания способности к химическому отверждению при естественной сушке (химическая модификация). Кроме того, их комбинируют (смешивают) с фенолоальдегидами или аминоальдегидами для повышения твердости (физическая модификация); однако некоторые из таких композиций способны к химическому взаимодействию при отверждении на подложке (смешанная модификация).

Выше мы ограничились рассмотрением лишь общей схемы лакокрасочного производства, пояснив при этом основные понятия и термины. Кроме того, многие термины и понятия будут рассмотрены в основных главах, относящихся к теоретическим и технологическим основам производства пленкообразующих веществ и лакокрасочных материалов.