3. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ПИГМЕНТИРОВАННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам красок и эмалей, качества используемого сырья, масштаба производства и его технического уровня применяют периодический мелкосерийный или непрерывный поточный способ производства. Различают три следующих способа введения пигментов в пленкообразующие системы.

1.Многопигментный способ, при котором все входящие в состав композиции пигменты и наполнители одновременно смешивают с пленкообразующей системой или ее частью, например в шаровых мельницах, и подвергают диспергированию, которое может продолжаться сутки и более, требует большой затраты энергии и редко позволяет получить дисперсность выше 5 мкм.

2.Однопигментный способ, при котором с пленкообразующей системой или ее частью смешивают и диспергируют только один пигмент или пигмент с наполнителем. В этом случае можно создать оптимальные физико-химические и гидродинамические условия для диспергирования данного пигмента, что в 2–3 раза повышает производительность оборудования и улучшает дисперсность. При поточном производстве устраняются потери и простои на зачистку и промывку оборудования, неизбежные при переходе с одного вида или цвета красок к другому. Белые однопигментные пасты являются базовыми для дальнейшего изготовления серии однотипных белых и цветных красок добавлением в них недостающего количества пленкообразователей и цветных паст, получаемых отдельно также по однопигментной технологии.

3.На практике часто используют комбинированный способ введения пигментов. Базовые однопигментные пасты изготавливают непрерывным поточным способом. Колеровочные цветные

ичерные пасты и другие полуфабрикаты выпускают малыми сериями на периодически работающем оборудовании, наиболее

75

эффективном для данных пигментов. Полученные легкодиспергируемые пасты совмещают с базовыми эмалями на последней стадии поточного производства или непосредственно у потребителей.

Технологический процесс производства пигментированных лакокрасочных материалов состоит из ряда последовательных операций. Первой является приемка, проверка качества, хранение, транспортирование и дозирование пигментов, наполнителей, пленкообразующих веществ, растворителей и вспомогательных материалов. Пигменты и наполнители поступают в виде сухих порошков или гранул в мягких или жестких контейнерах, переносных бункерах, бочках, мешках или пакетах. Некоторые пигменты изготовители лакокрасочных материалов получают в виде полуфабрикатных паст, в которых пигменты смешаны с пластификаторами, мономерами, олигомерами или полимерами, а также в виде водных суспензий, содержащих 65–80% сухого пигмента.

Перевозка водных суспензий пигментов в специализированных железнодорожных цистернах находит все более широкое распространение, так как исключает необходимость сушки и размола пигментов и полностью механизирует погрузку и разгрузку с помощью насосов. Водные пасты непосредственно используются для водоразбавляемых красок, наполнения бумаги и других материалов. После вытеснения воды с применением ПАВ такие пасты пригодны для изготовления большинства красок.

Из расходных бункеров пигменты через дозирующие устройства непрерывно загружаются в шнековые питатели, которые могут служить и смесителями пигментов с наполнителями, поступающими через дозаторы из других бункеров. Шнековые питатели непрерывно подают сухие продукты в замесочные машины для смачивания пленкообразователями.

Операцией приготовления замесов называют механическое смешивание и смачивание сухих пигментов и наполнителей лаками, олифами, пластификаторами, растворителями, растворами ПАВ, расплавами полимеров и другими жидкими компонентами, предусмотренными рецептурой. В зависимости от консистенции получаемых замесов выбирают тип оборудования. При смачивании и разрушении агрегатов пигментов происходит десорбция газов и частично адсорбированной воды; для ускорения этого процесса смешение иногда проводят при вакуумировании. В начале смачивания желателен подогрев жидкости до 40–50°С, а при разогреве массы свыше 60°С производится охлаждение замесочных

76

машин водой. При перемешивании происходит частичная дезагрегация частиц до размеров 50–100 мкм (по прибору «Клин»), что в отдельных случаях, например при изготовлении водно-диспер- сионных строительных красок, может быть достаточным. Полученные однородные вязкотекучие или тестообразные пасты шестеренчатыми насосами подаются в диспергирующие машины.

Основная операция – диспергирование пигментов (по тради-

ции еще иногда называемая «перетиром») – в зависимости от свойств пленкообразующей системы, требований к качеству дисперсий и свойств пигментов имеет свои особенности.

Составление красок и эмалей заключается в совмещении пигментных паст с недостающим количеством лаков или их основы, растворителей и разбавителей; введении колеровочных паст, отвердителей (сиккативов) и других компонентов, чтобы обеспечить соответствие требованиям стандартов по цвету, вязкости, содержанию нелетучих веществ, времени высыхания, твердости пленки и другим показателям. При совмещении паст возможны различные виды флокуляции. Следует предупреждать и устранять причины, вызывающие флокуляцию.

Для усреднения показателей отдельных партий и выдержки определенного времени, необходимого для установления адсорбционного равновесия («созревания») готовых композиций, при медленном перемешивании осуществляется стадия, называемая «постановкой на тип». В случае необходимости на этой стадии корректируют отдельные показатели, вводя соответствующие добавки.

Заключительной операцией является очистка от сорности. Для удаления крупных частиц и агрегатов, сгустков, лаковых пленок, флокул, осколков бисера и случайных загрязнений диспергированные пасты пропускают через сетки или регулируемые щелевые зазоры при выходе из бисерных мельниц, а затем после постановки на тип проводят предварительное фильтрование эмалей через металлические сетки, на которых задерживаются частицы размером более 40 мкм. Последующая более тонкая очистка осуществляется фильтрованием через ткани, бумагу, картон, намывные волокнистые фильтры.

Наибольшее применение находят сменные патронные фильтры одноразового использования с калиброванными каналами размером 5, 10, 25 и 50 мкм. Отдельные трубчатые патроны группируют в блоки и под давлением около 0,5 МПа прокачивают

77

через них эмали. При прохождении эмали последовательно через сетки и патронные фильтры с уменьшающимися каналами происходит не только удаление сорности, но и некоторая дефлокуляция, в результате чего заметно улучшается блеск, укрывистость, яркость тона, но может несколько изменяться цветовой оттенок покрытий, что необходимо учитывать при постановке эмалей на тип.

Для доставки готовой продукции потребителям в зависимости от объема потребления и дальности перевозок эмали расфасовывают в тару или загружают в контейнеры объемом от 0,5 до 3,0 м3 или цистерны. Расфасовка в мелкую безвозвратную тару (жестяные, алюминиевые или полимерные банки, ведра, барабаны) или возвратные фляги, бочки и контейнеры производится автоматами на конвейерных линиях.

С повышением дисперсности и седиментационной устойчивости, а также с выпуском однопигментных базовых эмалей появилась реальная возможность массового перехода на бестарную перевозку в авто- и железнодорожных цистернах. Для этого необходимо и экономически оправдано создание специализированных участков налива и слива цистерн у производителей и всех потребителей, получающих более 1000 т эмалей в год.

3.1. ПИГМЕНТИРОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ОРГАНОРАСТВОРИМЫХ ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ

Традиционные лаки и олифы, содержащие летучие органические растворители, при использовании загрязняют атмосферу, токсичны, пожаро- и взрывоопасны и поэтому планомерно вытесняются водорастворимыми, водоразбавляемыми и порошковыми красками. Однако в ближайшие десятилетия эмали и краски на основе растворов пленкообразователей в органических растворителях будут еще оставаться наиболее распространенными благодаря удобству их производства и применения. Изготовление пигментированных полуфабрикатов для экологически полноценных одно- и двухфазных пленкообразующих систем, как правило, осуществляется диспергированием пигментов в среде олигомеров, мономеров и малолетучих пластификаторов. Этот технологический процесс был и остается важнейшим.

78

Диспергирование в концентрированных растворах. Ранее производство пигментированных лакокрасочных материалов осуществлялось смешением всех предусмотренных рецептурой сухих пигментов и наполнителей с рабочими растворами пленкообразователей (45–55%-ными), и замес подвергался механической обработке («перетиру»).

При этом олигомеры и полимеры вследствие большой структурированности и высокой вязкости растворов плохо смачивают пигментные агрегаты. В этом случае только затратив значительную энергию и время на разогрев и частичную механическую деструкцию вторичных надмолекулярных структур пленкообразователей, можно создать условия для смачивания и адсорбции их на диспергируемых пигментах.

Из концентрированных растворов пленкообразователей на поверхность крупных пигментных агрегатов переходят существующие в растворах вторичные надмолекулярные структуры. На поверхности пигментных агрегатов создаются толстые оболочки из налипших больших надмолекулярных структур. Образовавшиеся сгустки задерживают диспергирование и засоряют эмали. Они могут быть удалены при фильтровании эмалей, но при этом теряется часть пигментов и нарушается цвет и состав ЛКМ.

Интенсификация диспергирования пигментов по методу

«тощих паст». Создавая оптимальные условия для смачивания, диспергирования и отдельно для стабилизации дисперсий раздельно во времени, а часто и в разных аппаратах, удается в 2–5 раз повысить производительность оборудования и снизить энергозатраты на диспергирование. Для смачивания и диспергирования используют разбавленные слабоструктурированные низковязкие растворы олигомеров, обладающие ньютоновским течением и расклинивающим действием. Для этого берут лишь часть (0,25–0,60) от предусмотренного рецептурой количества лака и разбавляют его растворителем. В этом растворе и диспергируют пигменты.

Еще более разбавленные растворы олигомеров еще лучше смачивают и диспергируют, но не предохраняют от немедленно наступающей необратимой флокуляции. Поэтому в производстве используют растворы некоторых оптимальных концентраций, еще достаточно хорошо диспергирующие и на какое-то короткое время стабилизирующие дисперсии. В зависимости от поверхностной активности и молекулярно-массового распределения олигомеров оптимальные концентрации различны. Наименьшие (15–20%)

79

характерны для глифталевых, пентафталевых и фенолоформальдегидных олигомеров, большие (20–42%) – для алкидно-карбамид- ных и эпоксидных олигомеров.

Оптимальную концентрацию растворов для диспергирования приближенно определяют по изотерме возрастания вязкости лака с повышением концентрации. Область перехода от линейного роста вязкости к параболическому будет соответствовать оптимальной концентрации. Более точно, с учетом изменения активности олигомеров оптимальная концентрация отвечает максимальной удельной объемной электрической проводимости растворов.

Пасты с малым содержанием пленкообразователя и высоким наполнением пигментами называют «тощими», в отличие от «жирных», содержащих полностью необходимое количество пленкообразователя для формирования глянцевых покрытий.

Объемное наполнение пигментом паст для диспергирования берут высоким, близким к ϕкр, что обеспечивает хорошую передачу срезывающих механических усилий, уменьшая рассеяние энергии – диссипацию.

Диспергированные «тощие» пасты вследствие недостатка пленкообразователя для формирования достаточно толстых адсорбционных слоев нестабильны, и в течение непродолжительного времени пигменты в них флокулируют. Поэтому вслед за диспергированием в разбавленных лаках необходимо вводить в «тощие» пасты недостающее количество пленкообразователя, продолжая механическое диспергирование. Поскольку для диспергирования использовались разбавленные растворителем лаки, то для сохранения состава конечной эмали при стабилизации приходится применять высоковязкие лаки с повышенным содержанием нелетучих веществ.

При совмещении диспергированной «тощей» пасты с раствором пленкообразователей повышенной концентрации, стабилизирующих дисперсию, часто имеет место быстропротекающая флокуляция с выпадением пигмента в виде плотного, трудно редиспергируемого осадка. Это явление объясняется тем, что концентрированный раствор пленкообразователя отсасывает из адсорбци- онно-сольватных оболочек пигментных частиц растворитель. Утонченные оболочки уже не в состоянии противодействовать сближению, и происходит флокуляция частиц. Для предотвращения этого концентрированный раствор пленкообразователя вводят в «тощую» пасту подогретым до 50°С небольшими порциями

80

(лучше непрерывно) при непрерывном перемешивании, при этом диспергирование продолжается в последовательно работающей второй бисерной мельнице.

Метод «тощих паст» улучшает дисперсность, однако полной дезагрегации до первичных частиц не достигается, так как количество и свойства активных полярных олигомеров в полидисперсных лаках для дезагрегации не соответствуют оптимальным условиям.

Повышение использования оптической эффективности пигментов. Более полную дезагрегацию пигментов – в пределе до первичных частиц, – а следовательно, и большую их оптическую эффективность в покрытиях можно достичь, осуществляя смачивание и дезагрегацию в поверхностно-активных слабоструктурированных растворах олигомеров-диспергаторов. Так, специально синтезированные алкидные олигомеры-диспергаторы (молекулярная масса 800–1000, к.ч. 10–25 мг KОН/г, поверхностное натяжение 100%-ного сухого олигомера 28–32 мН/м, вязкость 50%-ного раствора в ксилоле 15–20 с по ВЗ-4) дают возможность за короткое время (5–8 мин) пребывания в бисерной мельнице диспергировать диоксид титана до нулевого показателя по прибору «Клин» (0,2–0,5 мкм). С течением времени такие пасты постепенно флокулируют, но их жизнеспособность 12–24 ч, что вполне достаточно для последующей стабилизации добавлением 5–8-кратного (по отношению к лаку-диспергатору) количества 50–60%-ного раствора лака-стабилизатора такого же алкидного, эпоксидного или другого олигомера, но с молекулярной массой не менее 2500–4000.

В результате блеск, твердость, атмосферо- и водостойкость покрытий из ЛКМ более высоки в случае использования метода «тощих паст». В реальных производственных условиях усложненная технология раздельного диспергирования и стабилизации в специально синтезированных лаках используется далеко не всегда.

Повышение оптической эффективности пигментов при более полной дезагрегации позволяет сократить расход красок и эмалей массового применения на 10–15% за счет улучшения укрывистости. Максимальный эффект может быть получен при увеличении дисперсности пигментов в эмалях до оптимальных размеров частиц 0,2–0,5 мкм. Однако и частичное повышение дисперсности пигментов дает значительный экономический эффект, позволяя получать более тонкие, но высококачественные покрытия и тем самым снижать расход красок на 1 м2 окрашиваемой поверхности.

81