Функциональные добавки как средство совершенствования рецептур ЛКМ

Современные ЛКМ способны эффективно решать сложные задачи защиты поверхностей, возникающие при эксплуатации конструкций и оборудования в жестких условиях, придавать специфические свойства металлическим и деревянным поверхностям, строительным материалам. В наибольшей степени прогресс в области ЛКМ связан с применением в лакокрасочной технологии функциональных добавок, позволяющих эффективно и экономично управлять технологическими процессами производства и населения материалов, а также эксплуатационными свойствами покрытий.

Отечественная химическая промышленность производит крайне мало спецефических продуктов, которые можно использовать в качестве добавок при производстве ЛКМ. Поэтому российская лакокрасочная промышленность широко применяет импортируемые в страну добавки, выпускаемые мировыми производителями: Dow Chemical, BASF, Troy Corp. и другими компаниями. Основными видами используемых в отечественной лакокрасочной промышленности функциональных добавок являются загустители (модификаторы реологии), биоциды, поверхностно-активные вещества (ПАВ), диспергаторы, пеногасители, светостабилизаторы. Функциональные добавки в составе ЛКМ могут выполнять около 40 функций. Современные специалисты–лакокрасочники должны хорошо разбираться в ассортименте добавок, знать физико-химические основы действия и технические приемы их эффективного применения.

Компания BYK Chemie предлагает добавки для стабилизации неорганических пигментов в водных системах. Функциональные и неорганические пигменты имеют высокий удельный вес и поэтому склонны к оседанию в процессе хранения. Новые смачивающие и диспергирующие добавки отлично стабилизируют водные суспензии неорганических пигментов. Стабилизирующие добавки содержат полимеры полифункциональной структуры с большим количеством групп, имеющих сродство к пигментам. В то время как одни группы адсорбируются на поверхности пигмента, другие за счет водородных связей образуют обратимую трехмерную структуру, проявляющую в зависимости от силы сдвига псевдопластичные или тиксотропные свойства. Кроме хорошей стабилизации, пространственная структура предохраняет пигментную суспензию от оседания. Образующийся в небольшом количестве осадок мягкий и легко перемешивается.

Для производства высококачественных водно-дисперсионных (ВД) ЛКМ необходимы эффективные добавки, улучшающие смачивание подложки . В Evonik Tego Chemie GmbH разработаны модифицированные полиэфиром смачивающие добавки, улучшающие многие свойства покрытий на основе различных типов пленкообразователей. Новые добавки позволяют оптимизировать в первую очередь свойства при нанесении. Они обеспечивают отсутствие кратеров, хорошее смачивание подложки и образование очень тонкой сплошной пленки. Новые продукты применяют для получения индустриальных покрытий, в частности по пластику и металлу, а также в сочетании с пленкообразователями в отсутствие или при незначительном содержании коалесцентов.

Преимущества разработанных добавок является легкое введение в материал, хорошее смачивание различных пластиковых и металлических подложек, в том числе при нанесении очень тонких покрытий, отсутствие образования кратеров, возможность перекрашивания изделий.

ВД-ЛКМ занимают значительную часть рынка. Использование ассоциативных модификаторов реологии позволяет улучшить текучесть этих материалов и снизить образование наплывов. Обычно неионные загустители обеспечивают наилучшие текучесть ЛКМ и блеск покрытий. Однако в случае применения модификаторов реологии этого класса при добавлении  колеровочных составов происходит существенная потеря вязкости.

Компания Dow разработала модификатор реологии Acrysol RM-895 снижающий потерю вязкости при колеровке и обеспечивающий отличную текучесть и разравнивание.

Более стабильную вязкость состава обеспечивает новый механизм изменения вязкости. Загустители, обеспечивающие высокий (HS) и средний (MS) сдвиг, адсорбируются на поверхности части латекса. Одни из адсорбированных загустителей могут связывать соседние частицы, а вторые — ассоциироваться с другими молекулами загустителя, образуя развитую сеть у поверхности латексных частиц. Acrysol RM-895 заменяет традиционный MS загуститель, но требует присутствия HS загустителя. Различие в молекулярной массе приводит к тому, что два компонента занимают разный пространственный объем, адсорбируясь на поверхности частиц латеса и затрудняя подход к низкомолекулярному компоненту. Такое стерическое препятствие делает Acrysol RM-895 недоступным для формирования сетки. При добавлении колеровочных составов в ВД-ЛКМ вводят ПАВ, которые благодаря конкурентной адсорбции вытесняют некоторое количество полимерных цепей модификаторов реологии с поверхности частиц латекса. Поскольку обычно в системе присутствует большее количество HS компонента и он из-за меньшей гидрофобности адсорбируется слабее, достаточно большое количество HS цепей замещается низкомолекулярным ПАВ. Это устраняет стерические препятствия для цепей Acrysol RM-895, который может участвовать в формировании пространственной структуры. Таким образом, колеровочный состав запускает новый механизм, повышающий вязкость путем добавления ПАВ.

Выбор подходящей реологической добавки является решающим фактором для оптимизации ориентации эффективных пигментов в ВД-ЛКМ. Добавка должна обеспечивать псевдопластичный характер течения, минимальную вязкость и достаточно выраженные высокоэластические свойства. Для оптимальной ориентации эффективных пигментов в составе ВД-ЛКМ необходимо использовать реологические добавки, способствующие оптимизации высокоэластических свойств композиции. В частности, получения хороших результатов можно добиться, применяя восковые добавки — модификаторы реологии.

Эффективные пигменты имеют хорошую ориентацию в органорастворимых ЛКМ даже без использования специальных реологических добавок. Покрытие отверждается так быстро, что эффективные пигменты сразу ориентируются в горизонтальном направлении. В ВД-ЛКМ вода испаряется значительно дольше, чем растворитель. Поэтому эффективные пигменты остаются подвижными в течении более длительно времени и могут потерять свою начальную ориентацию.

Вязкость композиции должна обеспечивать равномерное нанесение. Кроме того. Большое значение имеют вязкоупругие свойства. Поэтому для хорошей ориентации эффектных пигментов решающее значение имеют эластичные компоненты, способствующие фиксации частиц пигмента в структуре слабого геля и сохранению их ориентации в процессе сушки. Хотя глины и акриловые загустители в основном подходят для достижения минимальной вязкости и повышения эластичности, они сложны в использовании. Глины трудно диспергируются, а акриловые загустители часто вызывают снижение белизны покрытий, даже если они предварительно разбавлены и нейтрализованы. Полиуретановые (ПУ) загустители просты в переработке, но не обеспечивают достаточных эластических свойств.

Абсолютно новым классом добавок для ВД-ЛКМ являются восковые добавки — модификаторы реологии (RM добавки), обладающие псевдопластичным течением и достаточной эластичностью. Продукты просты в применении и хорошо совместимы с компонентами ВД-ЛКМ. Новый класс восковых RM добавок обеспечивает очень хорошую ориентацию эффективных пигментов, особенно в сочетании с ПУ - загустителями.

Сообщается о разработке в компании Southern Clay Products нового неионного ассоциативного загустителя NAT, который обеспечивает более эффективное достижение вязкости Кребса, чем другие загустители этого типа. Его можно использовать с латексами многих типов, включая сложные для загущения латексы с частицами с небольшой площадью поверхности. Новый загуститель экологически безопасен, не содержит формальдегида и алкилфенолэтоксилатов. Его поставляют в виде 17,5%-ного раствора, не содержащего летучих органических соединений (ЛОС).

ПАВ на основе сульфосукцинаматов широко применяют в качестве эмульгаторов и диспергаторов в производстве пигментов, а также для высокощелочных систем. Но сведения об их использовании в качестве первичных эмульгаторов при синтезе латексов ограничены. Компания Cytec Industries применяла сульфосукцинамат Aerosol 22 в процессе синтеза полимерной дисперсии для архитектурных ЛКМ. Было доказано, что продукт, полученный с использованием Aerosol 22, превосходит аналогии, полученные с применением стандартных ПАВ, по пигментоемкости, устойчивости к действию щелочных сред и стойкости покрытий к мокрому истиранию. Преимуществами продукта являются стабильность в кислотных и щелочных средах, возможность получения латексов с размером частиц 180 мкм, незначительное образование коагулюма, устойчивость к циклическому замораживанию — оттаиванию, стабильность при хранении.

Фторированные ПАВ широко используют в рецептурах ЛКМ для улучшения смачивания, растекания и предотвращения образования кратеров. Однако длинноцепные продукты накапливаются биологическими системами. Новые разветвленные ПАВ с очень короткими перфторированными цепями являются очень хорошими смачивающими агентами и полностью биоразлагаемы.

Был синтезирован ряд фторированных ПАВ с очень короткими перфторалкильными цепями (OCF3, C2F5, C3F7) и показано, что по качеству они не уступают, а в некоторых случаях превосходят длинноцепные (C8F17) фторированные ПАВ.

Основным принципом строения фторированных ПАВ с короткими цепями является комбинация разветвленной структуры с двумя или более короткими фторуглеродными алкильными группами гидрофильного компонента, например полигликоля или сульфоната. Такие раветвленные ПАВ обладают существенными преимуществами по сравнению со стандартными преимуществами по сравнению со стандартными ПАВ, которые, как правило, представляют собой молекулы линейной структуры. Нельзя считать, что хорошие результаты можно экстраполировать на все ВД-ЛКМ, но первые испытания показали, что разветвленные короткоцепные фторуглеродные ПАВ эффективны в реальных лакокрасочных системах.

Одним из недостатков использования фторированных ПАВ является пенообразование. В случае применения разветвленных фторированных ПАВ образуется меньшее количество пены, которая стабилизируется с образованием ламел.

Компания Cognis предложила неионные ПАВ для оптимизации, эмульсионной полимеризации, полученные на основе возобновляемого сырья. В соответствии с потребностями рынка в экологически безопасных продуктах была разработана новая серя ПАВ на основе модифицированных природных и возобновляемых жирных спиртов, которые обеспечивают получение высококачественных экологически безопасных продуктов.

Неионные ПАВ перед использованием в процессе эмульсионной полимеризации обычно разбавляют водой, в результате чего часто образуется жидкокристаллическая гелевая фаза. Это может проявляться в виде образования множества твердых частиц разных размеров или массивного блока, который может остановить перемешивание в реакторе. В обоих случаях гелевая фаза нарушает гомогенность латекса и практически не растворяется. Разработанные неионные ПАВ предотвращают образование жидкокристаллической гелевой фазы во всем интервале концентраций при температуре 200C и выше. Кроме того, они обеспечивают быстрое пеногашение как в растворах ПАВ, так и в получаемых латексах. Низкая температура застывания новых ПАВ (для некоторых — ниже минус 150С) делает возможным их применение в различных регионах.

Фторированные материалы в различных формах используют в рецептурах ЛКМ. Так, широко известно применение фторированных ПАВ. В компании Omnova Solutions предлагают использоват фторированные оксетановые олигомеры в качестве универсальнах промежуточных соединений для модификации полимеров и получения нескольких коммерческих продуктов. Их можно применять как самостоятельно, так и в сочетании с другими химическими соединениями в качестве блоков для получения древовидных или гиперразветвленных полимеров. В частности, Omnova Solutions предлагает полифтороксетановые соединения в качестве ПАВ для процесса эмульсионной полимеризации. Они аккумулируются на поверхности частиц полимера за счет физической адсорбции, образуя энергетический барьер, защищающий частицы от флокуляции и необратимой коагуляции.

Концепция использования «немигрирующих» ПАВ существует уже несколько лет. Необратимо закрепленные на поверхности частиц полимера ПАВ образуют латексы с отличной коллоидной устойчивостью. Покрытия на основе таких латексов обладают улучшенными водоотталкивающими свойствами и барьерной защитой.