Функциональные добавки для производства экологически безопасных ЛКМ

Несмотря на то, что добавки составляют незначительную часть лакокрасочных материалов, они должны отвечать всем требованиям экологического законодательства, также как и сам материал в целом. В последние годы на рынке сырья для ЛКМ появились «зеленые» добавки. В данной области также сформулированы критерии, позволяющие отнести продукт к категории «зеленых».

Содержание ЛОС

Снижение содержания летучих органических соединений (ЛОС) является основной задачей производителей добавок. Низкое содержание ЛОС — хороший показатель для «зеленых» добавок. Следует отметить, что методы определения содержания ЛОС в Европе и США различны.

Различные экоэтикетки — наиболее простой путь информирования потребителя об экологической безопасности продукта. Эти системы основаны на различных критериях оценки в зависимости от страны или области применения продукта. Хотя этикетки, как правило, используют для конечных продуктов, добавки тоже должны удовлетворять аналогичным критериям. Примером экологических этикеток могут служить  EU Ecolabel в Европе и Green Seal США. 

Использование возобновляемого сырья

Применение в лакокрасочном производстве возобновляемого сырья обычно ассоциируется с понятием «устойчивое развитие». Природный источник является возобновляемым, если он восстанавливается в результате природных процессов со скоростью, сравнимой или большей, чем скорость его потребления человеком. Вода и диоксид кремния классифицируются как «нейтральные», если они не подвергаются сжиганию или биоразложению.

Возобновляемым сырьем для смачивающих и диспергирующих добавок являются эфиры или амиды жирных кислот, фосфолипиды или высокомолекулярные спирты, а для ПАВ — природные воска.

Биоразложение

Биоразложение — химический распад материалов в результате биологических процессов, протекающих в природе. Биоразлагаемый материал после завершения жизненного цикла возвращается в природу. Например, амиды ненасыщенных жирных кислот для смачивающих и диспергирующих добавок являются на 100 % биоразлагаемыми.

Разработка экологически безопасных материалов находится пока в начальной стадии, но уже существует широкий ассортимент материалов с пониженным содержанием ЛОС, полученных из возобновляемого сырья, с «экологическими» этикетками и биоразлагаемых.

В последнее время были сделаны первые шаги по разработке и сбору специфических данных для оценки жизненного цикла добавок, что стало достаточно важной характеристикой. Предполагают, что в дальнейшем спрос на экологически безопасные добавки увеличится.

Фторированные поверхностные вещества (ПАВ), благодаря их прекрасным смачивающим свойствам, способности придавать растекаемость и предотвращать образование кратеров, широко используют при разработке рецептур ЛКМ. Однако известно, что длинноцепные молекулы ПАВ аккумулируются живыми организмами и являются экологически устойчивыми. Полученные новые ПАВ с разветвленной структурой и очень короткими перфторированными цепями, обладающие отличными смачивающими свойствами; некоторые из них являются полностью биоразлагаемыми. Разветвленные ПАВ обладают существенными преимуществами перед традиционными фторированными ПАВ, имеющими, как правило, линейную структуру. Первые результаты определения поверхностного напряжения и смачивания показали, что разветвленные фторированные ПАВ с короткими боковыми цепями более эффективны в реальных лакокрасочных системах.

Одним из основных недостатков фторированных ПАВ является их тенденция к пенообразованию. Согласно теории пенообразования, фторированные ПАВ разветвленной структуры менее склонны к пенообразованию, чем линейной. Экспериментально показано, что высота пены при использовании нелинейных ПАВ меньше, чем при применении ПАВ линейной структуры. Кроме того, разветвленные ПАВ могут быть экологически более безопасной альтернативой линейным продуктам.

В настоящее время потребители стремятся приобрести высококачественные и экологически безопасные лакокрасочные материалы. Для удовлетворения этих требований был разработан новый ассоциативный полиуретановый загуститель. Модификаторы реологии являются важнейшими компонентами водно-дисперсионных ЛКМ. Гидрофобно-модифицированные этоксилированные уретановые загустители (HEUR) обеспечивают наилучший контроль вязкости водно-дисперсионных материалов. Действие ассоциативных загустителей основано на неспецифических взаимодействиях гидрофобных концевых групп друг с другом и с компонентами ЛКМ с образованием временной пространственной структуры, повышающей вязкость. Была разработана серия ассоциативных загустителей для водно-дисперсионных ЛКМ, не содержащих ЛОС. Они позволяют получать лакокрасочные материалы с заданными реологическими свойствами, соответствующие строгим требованиям экологического законодательства. Вязкость таких красок может быть как ближе к ньютоновской (для нанесения кистью, валиком или наливом), так и иметь более выраженный псевдопластичный характер (для нанесения распылением).

Двухкомпонентные полиуретановые ЛКМ с низким содержанием ЛОС медленно отверждаются и образуют покрытия с низкой твердостью. Эти недостатки являются следствием использования низкомолекулярных полиолов. При получении двухкомпонентных полиуретановых ЛКМ используют различные типы полиолов: полиэфир-, полиуретан- или полиакрилаптолиолы. Благодаря высокой гибкости и подвижности полиолы с низкой температурой стеклования и молекулярной массой позволяют получать материалы с высоким содержанием нелетучих веществ, но медленно отверждающиеся и образующие покрытия с недостаточной твердостью. Для устранения этих недостатков в качестве отвердителей применяют полиизоционаты.

Алифатические полиизоционатные отвердители в промышленности получают путем олигомеризации диизоционатов. Применение диизоционатных блоков различной природы, а также изменение структуры, образующейся на стадии олигомеризации, позволяет регулировать свойства покрытий. Так, использование полиизоционатов на основе изофорондиизоционата позволяет получить быстровысыхающие покрытия с высокой твердостью, сохраняя при этом низкое содержание ЛОС.

 Для разработки новых отвердителей синтезировали аллофанаты на основе изофорондиизоционата. Для получения продукта строго определенного состава, обеспечивающего требуемые свойства покрытий, при синтезе необходим строгий контроль условий реакции. Точное соблюдение разработанной технологии позволяет получать лаки очень хорошего качества с высоким содержанием нелетучих веществ.

Новые виды лакокрасочных материалов

Требования к экологической безопасности при производстве и применении ЛКМ отличаются в разных странах. В последние годы сначала в западной прессе, а затем и в профессиональных изданиях для обозначения экологически безопасных, менее токсичных материалов, стали использовать общий термин «зеленые». Так постепенно сформировалось понятие  «зеленая химия» и «зеленые ЛКМ». Под этими терминами подразумевается соответствие материалов вполне конкретным требованиям.

Согласно классификации правительственных организаций, ЛКМ с низким содержанием летучих органических соединений (ЛОС) должны содержать их не более 50 г/л.

В «зеленые» лакокрасочные материалы, соответствующие экологическим стандартам, входит 20-30 % ЛОС от количества, содержащегося в традиционных ЛКМ.

Но низкое содержание ЛОС не является единственным критерием экологической безопасности.  «Зеленые» ЛКМ должны иметь определенные показатели качества: минимальный запах, хорошую укрывистость, бактерицидные свойства, исключающие рост микроорганизмов в лакокрасочном материале и на покрытии. Покрытия на «зеленой» основе должны быть устойчивы к образованию пятен, истиранию и смыванию.

Экологическое законодательство постоянно изменяется и становится все более строгим. Залогом успеха производителей ЛКМ является возможность идти в ногу с «зелеными» тенденциями и предлагать потребителям экологически безопасные продукты.

В течение последних десятилетий для исключения вредных веществ из рецептур ЛКМ и минимализации воздействия на окружающую среду все больше используют компоненты «зеленой» химии, т.е. вещества, соответствующие экологическим стандартам. Многие продукты считают «зелеными» только на основании пониженного содержания ЛОС, а не по характеристикам качества и не по химическому составу. Но это не верно.

Для выпуска действительно «зеленых» материалов в ближайшем будущем в лакокрасочном секторе потребуются серьезные инициативы и инвестиции в научные исследования, т.к. производство таких материалов предполагает использование не только экологически безопасных компонентов, но и экологически благоприятных технологий. Поэтому за рубежом считают важным отмечать производителей, которые применяют в рецептурах ЛКМ возобновляемые биоматериалы, повышая качество продукции и снижая вредное влияние на окружающую среду в целом. 

Для лакокрасочной продукции используется независимая официальная маркировка. В частности, в европейских странах — EU Ecolabel (цветок), означающая, что материал соответствует строгим требованиям экологической безопасности в течение всего цикла производства и применения. Эта маркировка стала популярной в Европе.

Комплексный «зеленый» подход к производству экологически безопасных продуктов может повысить его эффективность, т.к. в результате позволяет снизить количество отходов и потребление энергии. Такой подход зачастую требует разработки и внедрения новых технологий, но позволяет получать серьезные конкурентные преимущества. Кроме того, снижение потребления энергии в промышленном цикле не только очень выгодно, но и дает возможность сдерживать рост цен на лакокрасочные материалы.