Алкидная технология производства водоразбавляемых краскок

Более 50 лет алкидные смолы, поставляемые в уайт-спирите, повсеместно используются при производстве декоративных красок. В настоящее время наблюдается тенденция к использованию низкоароматичных растворителей и приготовлению высоконаполненных красок, что позволяет обеспечивать конечного потребителя менее вредным продуктом и снижать влияние на окружающую среду.

Осознание конечным потребителем неблагоприятного эффекта от воздействия растворителей ускоряет процесс перехода к водоразбавляемым продуктам. Алкидные эмульсии дают возможность сохранить преимущества алкидных смол, при этом заменяя органические растворители водой.

В данной статье показаны преимущества использования водных алкидных эмульсий как в качестве основного связующего, так и в сочетании с другими водными связующими, а также их влияние на конечные свойства краски.

Свойства алкидных эмульсий

Обратимся к химической природе и процессу пленкообразования. Водоразбавляемые алкиды являлись одним из путей удовлетворения потребностей рынка в водных ЛКМ. Это первое поколение алкидных систем, разбавляемых водой, которое, однако, требует введения летучих аминов и сорастворителей. Последние исследования в области технологий эмульгирования позволили разработать алкидные эмульсии с чрезвычайно низким содержанием растворителей, которые при этом обеспечивают технические характеристики, сопоставимые со свойствами традиционных органосодержащих ЛКМ.

Особенности пленкообразования алкидных эмульсий

Алкидные смолы представляют собой полимеры с относительно низкой молекулярной массой, получаемые в результате реакции этерификации многоосновной кислоты и многоатомного спирта и модифицированные маслами и жирными кислотами. Естественная сушка происходит путем окисления ненасыщенных жирных кислот, приводящего к образованию поперечно-сшитой системы. Алкидные эмульсии получают в ходе процесса постэмульгации с использованием специального высокотехнологичного оборудования. Так как специфический процесс пленкообразования алкидных эмульсий является ключевым фактором, объясняющим все преимущества данной технологии, необходимо обратить особое внимание на различные этапы этого механизма.

Благодаря низкой молекулярной массе пленкообразование алкидных эмульсий представляет собой не такой комплексный многостадийный процесс, как в случае акриловых дисперсий (включающих этап коалесцирования частиц полимера). В частности, как только вода испаряется из пленки алкидной эмульсии, происходит инверсия фазы. Высокая вязкость акриловых полимеров препятствует такому инвертированию фазы, граница раздела частиц пропадает не так быстро, Таким образом, пленка, получаемая на алкидных эмульсиях, более гомогенная. Заключительная стадия процесса пленкообразования состоит в реакции окисления алкидной цепи кислородом воздуха с образованием поперечно-сшитых связей. Так как данная реакция при нормальных условиях протекает достаточно медленно, катализаторы или сиккативы на основе металлов добавляются при приготовлении рецептуры для ускорения данного процесса.

Создание высокого блеска

Эстетический аспект — это ключевой показатель для декоративного рынка, в связи с этим производители краски зачастую стараются обеспечить высокий глянец своих покрытий наряду с образованием гладкой равномерной пленки. Достижение уровня
глянца органорастворимых покрытий с помощью водорастворимых покрытий — одна из первоочередных и сложно осуществимых задач, которая стоит сегодня перед производителями водных красок. Однако характерное пленкообразование алкидных эмульсий позволяет производителям решать эту задачу и достигать очень высоких показателей глянца. Так, существует корреляция между топографией поверхности и уровнем глянца краски: чем выше гладкость поверхности пленки, тем сильнее отражение света, что приводит к более высокому блеску покрытия. Обеспечение гладкости поверхности является ключевой задачей для достижения высокого глянца.

С помощью атомной силовой микроскопии (AFM) можно описать поверхность пленки краски, и в данном случае она наглядно демонстрирует, почему алкидные смолы обладают потенциалом для обеспечения такого высокого уровня блеска. Алкидные эмульсии образуют качественную пленку с небольшими неровностями поверхности и высоким показателем глянца, сопоставимым с традиционными органоразбавляемыми алкидными смолами.

Обычно уровень глянца от 85 единиц при угле 20° и выше легко достижим на алкидных эмульсиях, тогда как для акриловых водных дисперсий характерен только глянец от 50 до 60 единиц при 20°. Хотя за последние годы новые разработки в области акриловых дисперсий продвинулись достаточно далеко, механизм пленкообразования таких типов связующих никогда не позволит достичь того уровня глянца, что возможен на алкидных смолах. Несмотря на то что данные продукты представляют собой водные эмульсии, их механизм пленкообразования ближе к органоразбавляемым алкидам, чем к акриловым дисперсиям, поэтому они демонстрируют аналогичные характеристики и свойства. Глянец, несомненно, является одним из наиболее заметных показателей, однако другие преимущества алкидной технологии, например, проникающая способность, адгезия и химическая стойкость, могут быть получены с помощью алкидных эмульсий.

Проникающая способность и адгезия к пористым субстратам

Для того чтобы добиться наилучшей защиты подложки, необходимо обеспечить хорошую адгезию покрытия. Наряду с другими показателями, аналогичными алкидным смолам, алкидные эмульсии благодаря своей относительно низкой молекулярной массе глубоко проникают в пористые субстраты, такие как древесина или штукатурка, вследствие чего являются наиболее подходящими связующими для пропиток, грунтов и морилок по древесине. Ключевыми критериями, регулирующими данную проникающую способность, являются жирность алкида, размер частиц, молекулярная масса, а также вязкость наносимого покрытия.

Древесина — это очень сложный субстрат. Одна из основных функций фасадных покрытий по древесине — ее защита от грибковой и бактериальной атаки и доступа влаги. Благодаря своей высокой проникающей способности алкидные эмульсии позволяют сохранить приятное восприятие древесины, а также гарантировать доставку фунгицидов глубоко внутрь поверхности и обеспечить хорошую адгезию системы покрытий за счет механического сцепления.

Самосшивающиеся водоразбавляемые связующие

В отличие от стиролакриловых дисперсий алкидные эмульсии являются действительно самосшивающимися водоразбавляемыми технологиями. В процессе окисления алкидной цепи при комнатной температуре и с помощью катализаторов, ускоряющих процесс, образуется система поперечно-сшитых 3D-связей. Это свойство присуще химической природе алкидных смол, в то время как в акриловых дисперсиях самосшивающийся механизм необходимо создавать с помощью функциональных мономеров. Алкидные эмульсии
вследствие этого позволяют получать покрытия, которые можно наносить при пониженных температурах и которые не требуют коалесцентов, что также приводит к быстрому набору твердости и химической стойкости за счет самосшивающегося механизма.

Следующее свойство, улучшенное у алкидных эмульсий за счет образования ими более равномерной пленки, — это водопроницаемость. Формирование пространства поперечных связей в процессе высыхания усиливает барьерные свойства для проникания воды. Однако не стоит забывать, что за счет специфического процесса синтеза алкидных эмульсий, независимо от их химической природы, гидрофильные группы необходимы для эмульгирования алкидной смолы и стабилизации системы. Такие гидрофильные группы, внутренние или внешние (ПАВы), не позволяют достигать степени гидрофобности, присущей традиционным органоразбавляемых алкидным смолам. Однако в результате тестирования наблюдается, что водо- и паропроницаемость алкидных эмульсий ближе к аналогичным показателям для алкидов на основе растворителей, чем для стандартных акриловых дисперсий. Устойчивость таких покрытий в камере соляного тумана оказывается выше по сравнению с покрытиями на акриловых дисперсиях, что дает производителям ЛКМ возможность использовать алкидные эмульсии при создании антикоррозионных покрытий.

Свойства нанесения

Как правило, профессиональные маляры неохотно используют водоразбавляемые краски в связи с их плохой растекаемостью и специфическими свойствами нанесения.

Для органоразбавляемых алкидных систем характерен ньютоновский реологический профиль, который обеспечивает легкость и удобство при нанесении. Более того, значительный набор вязкости у таких покрытий происходит только после испарения растворителя, при этом процесс является обратимым, и полимер легко растворим в течение всего времени формирования пленки. Когда маляр наносит второй слой для корректировки дефектов поверхности, происходит взаимодействие растворителя с первым слоем покрытия, он может повторно растворять алкидную смолу и, таким образом, обеспечивать гомогенизацию обоих слоев. Это приводит к образованию очень гладкой пленки краски и очень длительному открытому времени. Водные дисперсии отличаются реологическим профилем, для которого характерно разжижение при усилии сдвига. Для таких систем вязкость при низких скоростях сдвига обычно достаточно высока и ее сложно регулировать, в результате этого наблюдаются плохое растекание и выравнивание краски, что особенно критично при нанесении покрытия кистью.

Вследствие плохого растекания после высыхания покрытия на поверхности зачастую остаются следы от кисти. Это связано с резким набором вязкости при испарении воды, в результате которого критичный объем жидкой фракции приближается к максимальному объему упакованной фракции полимера. В этом случае частицы полимера могут образовывать агрегаты, не растворимые в воде, и этот процесс необратим. Таким образом, поверхность краски больше не может быть доработана, дефекты не могут быть сглажены — следы от валика или кисти обязательно останутся.

Алкидные эмульсии SYNAQUA^® обладают реологическим профилем, необходимым для обеспечения превосходных свойств нанесения, в результате чего образуется равномерная гладкая пленка с улучшенными эстетическими показателями. Хорошие характеристики нанесения краски, в частности текучесть и выравниваемость, высоко ценятся профессиональными рабочими. Более равномерная пленка будет обеспечивать формирование зеркальной поверхности, высокий глянец, яркость и отражающий эффект.

Комбинирование алкидных эмульсий с акриловыми дисперсиями

В приведенной таблице эксплуатационные качества алкидных эмульсий SYNAQUA^® сравниваются с акриловыми дисперсиями и органоразбавляемыми алкидами. Акриловые дисперсии, широко используемые в водных декоративных покрытиях, обладают своими
преимуществами, в частности устойчивостью к пожелтению, атмосферостойкостью при наружном использовании, быстрой физической сушкой и хорошим сохранением глянца.

В свою очередь, такие свойства, как глянец, проникающая способность, адгезия, твердость и поперечная сшивка, не являются сильной стороной акриловых дисперсий. Поэтому возникает вопрос, почему бы не совместить преимущества обеих технологий в одном продукте?

Таблица 1. Сравнение свойств покрытий на основе: а) алкидных смол SYNOLAC™; б) алкидных эмульсий SYNAQUA™; в) акриловых дисперсий ENCOR™.

При правильном выборе алкидной эмульсии и акриловой дисперсии можно объединить преимущества этих технологий и получить комбинированную систему. В зависимости от соотношения алкид/акрилат пленкообразование будет больше напоминать «алкидный» или «акриловый» тип. Конечные свойства покрытия также будут зависеть от этого соотношения. Это еще раз демонстрирует синергизм между данными технологиями. Несомненно, решение не может быть идеальным, но с помощью этих двух технологий можно достигнуть компромиссного решения в характеристиках покрытия, которые на данный момент по отдельности не обеспечит ни одна технология. К тому же это сильно расширяет выбор связующих и решений, доступных производителям ЛКМ, когда встает вопрос о создании высококачественного водоразбавляемого декоративного ЛКМ.

Области применения алкидных эмульсий для декоративных покрытий

Эмали и краски для окон и дверей и высококачественные краски для стен SYNAQUA^® 4804 и 4893 специально созданы для высокоглянцевых эмалей для окон и дверей, предоставляя производителям ЛКМ полный перечень необходимых эксплуатационных характеристик: высокий глянец, быстрый набор твердости, хорошая стабильность к бытовым загрязнителям, хорошая адгезия к деревянным подложкам и, что немаловажно, отличные свойства нанесения.

Разработаны также новые акриловые дисперсии SNAP^® 2142, специально предназначенные для комбинирования с алкидными эмульсиями SYNAQUA^® 4804 и 4893 для составления рецептур качественных красок и эмалей.

Пропитки и морилки по древесине

Производители ЛКМ постоянно ищут решения для создания лучшей защиты деревянных подложек и сохранения эстетических аспектов древесины. При использовании алкидных эмульсий появляется возможность сохранить естественную красоту древесины и обеспечить максимальную и долговечную защиту засчет пропиток и красок по древесине. Алкидная эмульсия на основе масла средней жирности SYNAQUA^® 2070 обеспечивает превосходную проникающую способность в структуру древесины и прекрасные свойства нанесения.

Использование ее в комбинации с акриловой дисперсией ENCOR^® 2502 увеличивает защиту против УФ-излучения. Конечная система отвечает всем требованиям по качеству, предъявляемым к наружным декоративным покрытиям по древесине как прозрачным пропиткам, так и наполненным краскам и эмалям.

Грунтовки

Грунтовки, или первичные покрытия, играют ключевую роль для системы покрытий. Они гарантируют образование равномерной поверхности, позволяющей избежать проблем с адгезией последующих слоев или адсорбции финишного покрытия в подложку.

Хорошее пленкообразование наряду с высокой смачиваемостью субстрата алкидных эмульсий позволяет составлять рецептуры ЛКМ, которые подходят для большинства различных подложек: древесины, металла и ранее окрашенных поверхностей.

Алкидные эмульсии демонстрируют хорошую проникающую способность в пористые субстраты, такие как штукатурки, древесина и т.д., сравнимую с проникающей способностью органоразбавляемых алкидов, что обеспечивает хорошее скрепление субстрата, столь необходимое для грунтовок.

SYNAQUA® 2070 — это практичное решение для рецептур грунтовок и первичных покрытий.

Разработана также самоэмульгируемая алкидная смола SYNAQUA^® 6812, которую можно использовать в качестве сосвязующего с виниловыми или стиролакриловыми дисперсиями. Эта смола улучшает адгезию к рыхлым субстратам (штукатуркам, старым алкидам и др.) и скрепляет их. Кроме того, данная смола помогает увеличивать открытое время покрытий.

Выводы

Алкидные эмульсии — это уникальное техническое решение для производителей ЛКМ. Их можно использовать как самостоятельные связующие для достижения эксплуатационных характеристик, которые трудно достичь с помощью стандартных водоразбавляемых технологий, так и в комбинации с другими водными связующими, в частности правильно подобранными стиролакриловыми дисперсиями для обеспечения максимального синергизма свойств при производстве высококачественных экологически чистых декоративных покрытий.

Не стоит забывать, что алкидные смолы — это по-настоящему «зеленая» технология, производимая в большей мере на основе возобновляемых или биоразлагаемых источников сырья. Алкидные эмульсии не требуют использования коалесцентов и позволяют составлять ЛКМ с очень низким содержанием ЛОС и минимальной нагрузкой на окружающую среду.

О. Аллорант, П. Зосимова / Лакокрасочные материалы и их применение. 2013 — № 10.