Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А. А. Мартинкевич

ПИГМЕНТИРОВАНИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано учебно-методическим объединением по химико-технологическому

образованию в качестве учебно-методического пособия для студентов учреждений высшего образования по специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» специализации 1-48 01 02 03 «Технология лакокрасочных материалов»

Минск 2014

1

УДК 667.63(075.8) ББК 57.710я73

М29

Рецензенты:

кафедра высокомолекулярных соединений Белорусского государственного университета (доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой Л. П. Круль);

доктор химических наук, профессор кафедры технологии Белорусского государственного экономического университета, заведующий лабораторией химии лакокрасочных и вяжущих материалов ГНУ «Институт общей и органической химии НАН Беларуси» В. Д. Кошевар

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или ее части не может быть осуществлено без разрешения учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет».

Мартинкевич, А. А.

М29 Пигментирование лакокрасочных материалов : учеб.- метод. пособие для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» специализации 1-48 01 02 03 «Технология лакокрасочных материалов» / А. А. Мартинкевич. – Минск :

БГТУ, 2014. – 121 с.

ISBN 978-985-530-402-0.

Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с учебной программой одноименного курса и включает сведения о технологических основах пигментирования лакокрасочных материалов, способах, технологии производства пигментированных лакокрасочных материалов, принципах выбора пигментов и составления рецептур, процессах диспергирования пигментов и стабилизации пигментных дисперсий.

УДК 667.63(075.8) ББК 57.710я73

ISBN 978-985-530-402-0 ♥ УО «Белорусский государственный технологический университет», 2014

♥ Мартинкевич А. А., 2014

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Пигментирование лакокрасочных материалов» базируется на основных разделах общеобразовательных дисциплин: общей и неорганической химии, физической, коллоидной, органической, аналитической химии, процессах и аппаратах химической технологии, общей химической технологии, химии и физике пленкообразующих веществ и непосредственно предваряет изучение дисциплин «Оборудование для производства лакокрасочных материалов и окрасочных цехов» и «Химия и технология лакокрасочных материалов и покрытий».

Главная цель дисциплины – повышение уровня профессиональной подготовки будущих специалистов лакокрасочной промышленности в вопросах технологии производства пигментированных лакокрасочных материалов. Основной задачей изучаемой дисциплины является ознакомление будущих специалистов со способами применения в промышленности пигментов с целью получения пигментированных лакокрасочных материалов и лакокрасочных покрытий на их основе.

Преобладающая часть продукции лакокрасочной промышленности, предназначенной для непосредственного использования в промышленности и быту, – пигментированные лакокрасочные материалы (эмали, краски, грунтовки). Соответственно, цехи, изготавливающие пигментированные лакокрасочные материалы, являются основными цехами лакокрасочных заводов.

Применение пигментированных лакокрасочных материалов с целью противокоррозионной защиты и декоративной обработки различных поверхностей постоянно расширяется, что вызывает необходимость увеличения объемов производства высококачественных пигментированных лакокрасочных материалов, которые представляют собой суспензии пигментов и наполнителей в растворах или дисперсиях пленкообразующих веществ.

В производстве этих материалов наиболее энергоемкой операцией считается диспергирование пигментов, на нее расходуется около 80% энергии. Таким образом, изучение технологии этого процесса и снижение его энергоемкости является крайне важным.

3

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПИГМЕНТИРОВАНИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Введение пигментов в лакокрасочные материалы (ЛКМ) является основным методом регулирования декоративных свойств покрытий – цвета и непрозрачности. Кроме того, добавление минеральных пигментов и наполнителей позволяет регулировать и другие важнейшие свойства ЛКМ – деформационно-прочностные, изолирующие, противокоррозионные, адгезионную прочность, а также получать покрытия со специальными свойствами (электропроводящие, электроизолирующие, теплостойкие, огнезадерживающие, антифрикционные, противообрастающие и т. д.).

1.1. СТРУКТУРА НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ

Влияние пигментов и наполнителей на структуру покрытия и изменение его свойств обусловлено действием двух факторов:

1)наполнением полимерной органической фазы дисперсной минеральной фазой и характером ее распределения в полимерной;

2)взаимодействием дисперсных частиц минеральной фазы

спленкообразующим.

Впигментированных лакокрасочных материалах имеет место межмолекулярное взаимодействие как внутри фаз (образование коагуляционных структур – агрегатов и агломератов пигментных частиц, первичных и вторичных надмолекулярных структур олигомеров и полимеров, мицелл низкомолекулярных ПАВ), так и межфазное взаимодействие. Пленкообразователи и вспомогательные вещества, адсорбируясь на поверхности пигментов и наполнителей, образуют граничные межфазные слои, отличающиеся по структуре и свойствам от исходного пленкообразователя. Эти межфазные прослойки влияют на многие свойства лакокрасочных

4

материалов и получаемых из них покрытий. Большое значение имеет количественное соотношение между твердыми частицами и пленкообразователями, т. е. объемное наполнение органической пленки покрытий пигментами.

Количество пигментов и наполнителей в составе пигментированного лакокрасочного материала колеблется в широких пределах (от 8 до 80 мас. %) в зависимости от назначения материала и свойств пленкообразователей и пигментов. Поскольку плотность разных пигментов сильно различается (например, плотность технического углерода и органических пигментов – 1600–2000 кг/м3, диоксида титана – 4200 кг/м3, свинцового сурика – 9000 кг/м3), о наполнении судят по выраженному в процентах объемному содержанию пигментов (ОСП) ϕ.

(Ранее применявшийся термин «объемная концентрация пигментов (ОКП)» представляется неудачным, так как количество твердой фазы – это лишь среднестатистическое содержание ее в общем объеме пленки, а не концентрация.)

ОСП вычисляют по следующей формуле:

где Vтв, Vпл – соответственно общий объем пигментов и наполнителей и объем нелетучей части пленкообразующей системы.

При увеличении ОСП выше определенного для каждой пигментной системы значения вследствие недостатка пленкообразователя происходят изменения структурных элементов в межфазных прослойках, уменьшение их толщины вплоть до нарушения непрерывности среды пленкообразователя. Область перехода структуры наполненного полимерного покрытия называют критическим объемным содержанием пигмента (КОСП) ϕкр. В области перехода структур резко изменяются реологические свойства лакокрасочных материалов (например, их текучесть), блеск, механические и защитные свойства покрытий (рис. 1.1).

Теоретически для монодисперсных сферических частиц, независимо от их диаметра, при наиболее плотной гексагональной упаковке ϕкр должно составлять 0,74 общего объема. С учетом наличия граничных слоев толщиной δ при размере частиц а:

ϕкр = 0,74 1−δ 3 .

a

5

Рис. 1.1. Зависимость свойств лакокрасочных покрытий от объемного содержания пигментов:

1 – паропроницаемость; 2 – блеск; 3 – прочность при разрыве

Практически полидисперсные частицы упакованы не идеально плотно, и ϕкр составляет обычно 0,45–0,55 общего объема.

Величину δ определить сложно, но, зная маслоемкость первого рода пигмента МI, косвенно характеризующую упаковку и толщину межфазных слоев, и плотность пигмента, можно приближенно вычислить ϕкр, пользуясь формулой

Полученные результаты всегда завышены, так как МI определяют для недиспергированных пигментов. При изменении природы пленкообразователей и растворителей значение ϕкр меняется на 5–10%.

Значение ϕкр можно определить экспериментально по точке падения прочности на диаграмме испытания на разрыв пленок с различным объемным наполнением или по изменению твердости пленок на подложке, измеряемой маятниковым прибором.

В реальных пигментированных лакокрасочных материалах содержание пигментов и наполнителей составляет некоторую часть от ϕкр, %:

6