2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПИГМЕНТИРОВАННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Переходя к технологии производства композиционных пигментированных лакокрасочных материалов, кратко сформулируем важнейшие выводы из ранее рассмотренных теоретических положений.

1.Для эффективного использования оптических свойств пигментов в покрытиях необходимо, чтобы частицы имели оптимальные размеры и активные центры их поверхности могли адсорбционно взаимодействовать с функциональными группами пленкообразующих веществ. Эти свойства определяются технологией изготовления пигментов и модифицированием их поверхности.

2.Пленкообразующие вещества, как правило, полидисперсны; их низкомолекулярные полярные фракции являются поверхностноактивными смачивателями и диспергаторами, более высокомолекулярные – стабилизаторами пигментных дисперсий. Дефицит тех

идругих ПАВ в системе должен быть восполнен добавками недостающих веществ.

3.Диспергирование пигментов является совокупностью процессов смачивания и дезагрегации пигментов, а также формирования на частицах стабилизирующих адсорбционно-сольватных слоев, препятствующих повторной коагуляции и флокуляции. Формирование таких слоев происходит путем последовательной адсорбции низкомолекулярных фракций и вытеснения их более высокомолекулярными с изменением конформации молекул в адсорбционных слоях.

Задачей технологии производства пигментированных лакокрасочных материалов является создание оптимальных гидродинамических и адсорбционных условий для каждой стадии процесса, чтобы с минимальными затратами энергии и труда осуществ-

46

лять диспергирование пигментов до экономически обоснованных размеров частиц и их равномерное распределение, не допуская их последующей необратимой флокуляции. Пигментирование различных современных пленкообразующих систем имеет свои специфические особенности.

2.1. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ПИГМЕНТОВ

Пленкообразующую систему для лакокрасочной композиции выбирают в зависимости от назначения покрытия, условий его эксплуатации и планируемого срока службы, способа нанесения и отверждения, экономических и экологических требований. В соответствии с пленкообразующей системой и назначением лакокрасочного материала выбирают пигменты и наполнители, их количество, а также вспомогательные компоненты: отвердители (сиккативы), пластификаторы, ПАВ и др.

Для эмалей и красок, предназначенных для верхних покровных слоев, требуются пигменты, обладающие хорошими защитнодекоративными свойствами, высокой свето- и атмосферостойкостью, четкой цветовой характеристикой, высокой укрывистостью, а следовательно, и высокой дисперсностью. Объемное наполнение, особенно для глянцевых покрытий, составляет 60–65% от ϕкр.

Сохраняя заданное объемное наполнение, целесообразно часть дорогостоящих пигментов (особенно диоксида титана) заменять наполнителями, например микронизированным тальком или баритом.

При этом полнее используется оптическая эффективность пигмента и снижается стоимость лакокрасочного материала, даже с учетом установки дополнительных бисерных мельниц. Зависимость укрывистости покрытий от ОСП с изменением их толщины показана на рис. 2.1. При используемой на практике толщине покрытий более 30 мкм объемного содержания диоксида титана 9,5– 10,0% вполне достаточно. Только при получении очень тонких покрытий, например в случае печатных красок, объемное содержание диоксида титана следует повысить до 23%. Более высокое наполнение диоксидом титана совершенно не оправдано.

Для грунтовок наиболее часто используют специальные противокоррозионные пигменты и наполнители, предпочтительно

47

пластинчатой (чешуйчатой) формы (тальк, железную слюдку, каолин). Цвет и укрывистость пигментов в этом случае решающего значения не имеют, хотя удобно, чтобы по цвету грунт и покровный слой различались.

Основные требования к шпатлевкам – низкая маслоемкость, малая усадка и способность к шлифованию. В них вводят дешевые низкодисперсные пигменты и наполнители при высоком, близком к критическому, объемном наполнении.

Рис. 2.1. Зависимость коэффициента отражения R (на черной подложке) от объемного наполнения

диоксидом титана покрытий различной толщины

В лакокрасочные материалы, предназначенные для окраски предметов, соприкасающихся с пищевыми продуктами, упаковочных материалов, игрушек, карандашей, санитарными нормами не допускается или жестко ограничивается введение пигментов, содержащих ртуть, мышьяк, свинец, медь, кадмий, хром, канцерогенные органические соединения; также не следует применять пигменты, способные мигрировать из пленки.

Химическая совместимость пигментов с компонентами пленкообразующих систем. Пигменты должны хемосорбционно реагировать лишь своей поверхностью с компонентами пленкообразующих систем. Химические реакции в объеме с образованием растворимых солей, например оксидов цинка и свинца со свободными кислотами пленкообразователей, приводят при хранении к загустеванию и затвердеванию красок. Поэтому при выборе пигментов исключают химически реагирующие с пленкообразовате-

48

лем. Так, если в составе пленкообразующей системы имеются вещества основного характера (органические аммониевые основания, щелочные стабилизаторы латексов и др.) или если краска предназначается для окраски по штукатурке, то исключается применение нестойких к щелочам пигментов, в частности железной лазури, которая превращается в гидроксид железа (III) грязножелтого цвета (ржавчина).

В пигментах для водоразбавляемых композиций, предназначенных для нанесения методом электроосаждения, жестко ограничивается содержание водорастворимых солей, особенно солей двух- и трехвалентных металлов, вызывающих коагуляцию систем.

Для поливинилхлоридных полимеров и сополимеров ограниченно пригодны или не пригодны пигменты, содержащие координационно ненасыщенные металлы (цинк, кадмий), так как они ускоряют дегидрохлорирование полимеров. Пигменты, содержащие Рb, Ва, Са, наоборот, являются светостабилизаторами поливинилхлоридных пленкообразователей.

Адсорбционное соответствие. Главным критерием при вы-

боре пигментов является возможность установления кислотноосновного баланса между активными центрами поверхности пигментов и функциональными группами пленкообразователей в однофазных системах или ПАВ в двухфазных системах. Молекулы пленкообразователей с кислотными протоно-донорными (элек- троно-акцепторными) функциональными группами и анионоактивные ПАВ хемосорбируются на основных центрах поверхности пигментов, и наоборот. Только при таком соответствии может быть достигнута высокая дисперсность пигментов при диспергировании и агрегативная устойчивость красочных композиций при хранении, а следовательно, сохранение высокой укрывистости и красящей способности и получение высококачественных покрытий. Так, кислые пигменты дают хорошие дисперсии и глянцевые покрытия в полиамидных и не пригодны в виниловых пленкообразователях. Основные пигменты наиболее эффективны в кислых, амфотерные пигменты одинаково пригодны как в кислых пленкообразователях, так и в основных пленкообразователях, а нейтральные малоэффективны в любых пленкообразователях.

Следует учитывать, что химические свойства поверхности любых пигментов могут быть изменены модифицированием, поэтому необходимо на каждую партию пигментов иметь подробные паспортные данные или проводить контрольную аналитическую

49

проверку химической характеристики поверхности. В противном случае результатом будет получение низкокачественных пигментированныхматериаловизхорошихпигментовипленкообразователей.

Термическая стойкость и светостойкость пигментов. При выборе пигментов необходимо учитывать температурные условия отверждения и эксплуатации пигментированных покрытий. По группе термостойкости пигменты должны соответствовать температурным условиям отверждения пленок:

Даже при кратковременном нагреве многие пигменты (за исключением прокалочных), особенно органические, могут разрушаться, у них изменяются цвет и кристаллическая структура. При отверждении покрытий из мономеров и олигомеров под действием УФ-облучения, быстрых электронов и т. п. могут изменяться цвет и другие свойства пигментов, сами же пигменты могут поглощать лучи и препятствовать пленкообразованию в глубине покрытия.

Фотоактивные пигменты, поглощая световую энергию и выделяя атомарный кислород, вызывают разрушение полимерных пленкообразователей и, следовательно, покрытий.

2.2. СОСТАВЛЕНИЕ РЕЦЕПТУР ДЛЯ ПИГМЕНТИРОВАНИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Исходя из назначения пигментированных материалов, свойств пленкообразующих систем и с учетом ограничительных условий пригодности пигментов проводят качественный отбор пигментов, принципиально пригодных для заданных покрытий.

Задаваемый по эталону или цветовым координатам цвет и оттенок будущего покрытия в большинстве случаев достигается смешением нескольких неорганических и органических пигментов с добавлением наполнителей. На цвет покрытий заметное влияние может оказать и собственный цвет пленкообразователей, чаще всего светло-желтый или коричневый. Тип пленкообразующей

50

системы также может влиять на цвет покрытий. Так, природные железооксидные пигменты в органоразбавляемых и масляных пленкообразователях имеют более яркий и чистый тон, чем в водоразбавляемых. Некоторые органические пигменты, наоборот, в водоразбавляемых системах дают более яркие тона.

Состав смесей пигментов для достижения заданного цвета и подгонки оттенка может иметь несколько различных вариантов. Обычно выбор пигментов и их количественного соотношения производят опытные специалисты эмпирически, «на глаз», составляя пробные рецептуры, на что затрачивается много времени и сил. Задачу выбора наилучшего из возможных вариантов и расчета рецептур следует решать приборно-математическим методом с использованием компьютера.

Приборно-математический метод расчета рецептур для по-

лучения заданного цвета. Методика расчета рецептур для получения пигментированных лакокрасочных материалов заданного цвета основанана использовании теории Гуревича – Кубелки – Мунка.

Для расчета рецептуры лакокрасочного материала, в который может входить несколько цветных паст, кроме базовой белой, исходными данными являются основные оптические характеристики всех исходных красочных паст с заданным содержанием в них пигментов. Координаты цвета и значения функции Гуревича – Кубелки – Мунка рассчитываются по спектрам диффузного отражения эталонного образца, полученным с применением спектрофотометра. Определяют координаты цвета и спектральное распределение функции K / S. На основании оптических характеристик исходных компонентов находят количества исходных паст для получения лакокрасочного материала заданного цвета.

Расчет рецептуры основан на аддитивности коэффициентов рассеяния:

K = C1K1 + C2K2 +…+ Ci Ki , S C1S1 + C2S2 +…+ Ci Si

где расчет коэффициентов поглощения K и рассеяния S проводится для определенных длин волн.

Содержание каждого из входящих в рецептуру пигментов определяют, решая систему уравнений, составленных для 16 длин волн видимой части спектра. Для расчета используют значения относительных коэффициентов рассеяния S' и поглощения K' пигментов, входящих в состав рецептуры:

51

Si′= Si , Sб

Ki′= Ki , Kб

где Sб, Kб – соответственно коэффициенты рассеяния и поглощения белого пигмента.

Для уточнения расчета пользуются поправками к коэффициенту отражения покрытия, которые берут в расчет внутреннее и внешнее отражение светового потока. Эти поправки учитывают отражение от поверхности, обусловленное разностью показателей преломления пленкообразователя и воздуха, и отражение светового потока, падающего на нижнюю сторону верхней границы покрытия.

После расчета рецептуры определяются ее цветовые показатели и, если они отличаются от эталонных, проводится уточнение рецептуры.

Экономическое обоснование рецептур. В настоящее вре-

мя стоимость высококачественных легкодиспергируемых неорганических пигментов сопоставима со стоимостью пленкообразователей, а в большинстве случаев значительно превосходит ее. Многие органические пигменты в десятки раз дороже пленкообразователей.

Однако применение высококачественных пигментов позволяет не только значительно уменьшить их расход путем частичной замены наполнителями, но и улучшить защитно-декоративные свойства покрытий и увеличить срок их эксплуатации. Поскольку одинакового результата по объемному наполнению и вязкости лакокрасочных материалов, цвету, глянцу или матовости покрытий можно достичь, используя смеси различных неорганических и органических пигментов и наполнителей с введением структурирующих и других добавок, то всегда разумно проводить техникоэкономический обсчет всех возможных вариантов рецептур для выбора наиболее экономичного. При этом следует учитывать стоимость каждого компонента, его количество, затраты на диспергирование и фильтрование, а также эксплуатационный срок службы покрытия данного состава. По выбранным рецептурам изготавливаются опытные партии красок и проводятся их испытания на соответствие предъявленным требованиям по ГОСТам или ТУ.

52