Влияние условий пленкообразования на свойства покрытий

Испарение растворителей сопровождается изменением многих параметров системы: уменьшается объем материала в основном за счет толщины слоя, увеличивается поверхностное натяжение, понижается температура пленки вследствие затраты теплоты на парообразование. Эти изменения сказываются на структуре и свойствах образующихся покрытий. Особенно сильно влияют на структурные характеристики и внешний вид покрытий природа растворителя, его термодинамическое «качество» по отношению к пленкообразователю, поверхностное натяжение и летучесть (скорость испарения из пленки). Наиболее качественные покрытия получаются из стабильных растворов, пленкообразование из которых не связано с фазовыми превращениями системы.

Напротив, часто встречающиеся дефекты пленок — шагрень («апельсиновая корка»), лучевидные разводы, сотовая структура (образование так называемых ячеек Бенарда), кратеры (рис. 22)  обычно возникают при применении недостаточно хороших в термодинамическом отношении растворителей с высоким давлением паров и низким поверхностным натяжением.

Рис. 22. Разновидность поверхностной структуры (рельефа) пленок, получаемых из растворов пленкообразователей:

а  шагрень; б  соты; в  лучевые разводы; г  бесструктурная поверхность

Механизм поверхностного структурообразования заключается в следующем. При улетучивании растворителя вследствие неодинаковой концентрации его в поверхностном С₂ и глубинном С₁ слоях создается градиент поверхностного натяжения по толщине пленки:  = ₂₁ (рис. 23). Его значение тем больше, чем больше разность С₁  С₂ и чем сильнее различаются поверхностные натяжения пленкообразователя и растворителя.

Рис. 23. Схема движения растворителя и раствора при пленкообразовании (С₂ < С₁; ₂ > ₁; ₂ > ₁)

Наличие градиента  вызывает образование турбулентных потоков в растворе, которые и создают соответствующий рельеф его поверхности. При достижении высокой вязкости лакокрасочного материала в поверхностном слое этот рельеф фиксируется в пленке в виде соответствующего рисунка, образование которого нежелательно, поскольку снижается блеск и ухудшается внешний вид покрытия. Так, растворы полистирола и поливинилацетата в бутилацетате и метилизобутилкетоне (=2526мДж/м²) формируют покрытия со структурами типа а, б, в (см. рис. 22). Напротив, при использовании менее летучего растворителя  циклогексанона (=34,5 мДж/м²) образуются ровные, лишенные какого-либо рельефа пленки типа г (см. рис. 22). Аналогичным образом замена бутилацетата в полиакрилатных красках на бутилкарбитол или его смеси с бутилцеллозольвом и этиленгликольацетатом, характеризующиеся меньшей летучестью и большим термодинамическим сродством к пленкообразователю (сополимер БМК-5), приводит к резкому снижению волнистости пленки (R_макс снижается с 7 до 2 мкм), повышению глянца и отражательной способности.

Образование кратеров  результат локальной концентрации градиента поверхностного натяжения, вызванного присутствием в пленке инородных включений (микрокапли воды и другие примеси). Для исключения кратеров в состав красок вводят противократерные добавки  вещества, снижающие поверхностное натяжение пленкообразователя (кремнийорганическая жидкость ПЭС-С-1, состав БИК-344 и др.).

При использовании гидрофильных (смешивающихся с водой) и одновременно быстро испаряющихся растворителей (низшие спирты, ацетон, метилэтилкетон и др.) часто возникает дефект нитратцеллюлозных покрытий  побеление (образование белесых пятен). Это явление  результат необратимой коагуляции пленкообразователя при действии воды, сконденсированной из воздуха вследствие охлаждения пленки до температуры росообразования. Побеление не наблюдается при получении покрытий в атмосфере с низкой влажностью, а также при применении растворителей с низким давлением паров.

Особенности формирования покрытий из водных растворов пленкообразователей связаны со специфическими свойствами воды как растворителя: ее низкой температурой кипения и одновременно низким давлением паров (2,38 кПа при 20°С), большим поверхностным натяжением (72,7 мДж/м²) и высокой теплотой парообразования (2,47 МДж/кг). Водные краски характеризуются резким нарастанием вязкости по мере испарения воды. Это затрудняет ее диффузию из внутренних слоев и замедляет пленкообразование. Оптимальным является ступенчатый режим формирования таких покрытий: удаление большей части воды при температурах до 100°С и окончательное обезвоживание и отверждение при более высоких температурах.

При формировании покрытий из растворов, как и из любых жидких лакокрасочных материалов, различают два состояния пленок: высыхание «от пыли», когда пленка утрачивает липкость, и практическое высыхание, когда покрытие приобретает твердость, необходимую для последующей обработки изделий. Время высыхания «от пыли» обычно коррелируется с продолжительностью испарения из пленки примерно 60% растворителей, растекание же лакокрасочного материала на поверхности прекращается уже при испарении 2530% растворителей.

О завершенности процесса формирования покрытий обычно судят по их твердости, липкости, электрическим параметрам. В исследовательской практике также пользуются спектрофотометрическим, хроматографическим и изотопным методами.

Следует учитывать, что сформированные в естественных условиях покрытия всегда содержат некоторое количество (0,12%) остаточных растворителей, которые нередко сохраняются длительное время, отрицательно сказываясь на свойствах покрытий и ухудшая гигиенические условия эксплуатации окрашенных помещений.