Производство водно-дисперсионных красок с использованием эпоксиэфира

Пленкообразование из водных дисперсий полимеров связано с золь-гель-переходом и последующим самопроизвольным сжатием образованного промежуточного геля до состояния монолитной пленки. При этом содержащиеся на поверхности глобул молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ) растворяются в полимере, либо вытесняются из межглобулярного пространства, образуя самостоятельную фазу. Одним из вариантов повышения качества сформированных таким образом покрытий является введение в состав водно-дисперсионных материалов водорастворимых олигомеров, которые после отверждения могут входить в состав полимерной матрицы. Ранее было доказано, что эпоксиэфиры можно использовать в качестве олигомерных ПАВ, в частности для поверхностной обработки пигментов.

Установлено влияние полидисперсности, содержания карбоксильных групп и ненасыщенности остатка жирных кислот таллового масла, используемых при синтезе олигомера, на реологические свойства растворов и изменение этих свойств при разбавлении.

В рассматриваемом случае речь идет не об обычных эпоксиэфирах, а о специальном их типе с высокими значениями кислотного числа для придания свойства водорастворимости синтезируемому продукту.

Для оценки возможности использования эпоксиэфира в качестве диспергатора и стабилизатора водных дисперсий пигментов изучена адсорбция водорастворимого эпоксиэфирного олигомера с кислотным числом 88,4 мг КОН/г на поверхности желтого железооксидного пигмента, оксида хрома и голубого фталоцианинового пигмента.

На рис. 1–3 приведены изотермы адсорбции олигомера на этих пигментах.

Изотермы адсорбции для всех исследованных пигментов свидетельствуют о полимолекулярном характере, причем для желтого железооксидного пигмента имеет место значительная хемосорбция, связанная с образованием на поверхности частиц пигмента нерастворимых поверхностных солей железа. Эти результаты хорошо согласуются с данными по адсорбции стеариновой кислоты на этом пигменте Причина ее хемосорбции аналогична причине хемосорбции эпоксиэфира.

Диспергирование пигментов при получении пигментного полуфабриката проводится в диссольвере в среде, представляющей водный раствор загустителя (гидроксиэтилцеллюлоза), диспергатора (триполифосфат натрия), антифриза (этиленгликоль), пеногасителя (BYK-024) и различного количества водорастворимого эпоксиэфира. Эффективность диспергирования в диссольвере определяется гидродинамическими условиями, зависящими от вязкости среды.

Для оценки влияния эпоксиэфира на реологические свойства среды для диспергирования были получены кривые вязкости для разного его содержания, приведенные на рис. 4.

Рис. 1. Изотерма адсорбции олигомера на поверхности фталоцианинового голубого пигмента

Рис. 2. Изотерма адсорбции олигомера на поверхности желтого железооксидного пигмента

Рис. 3. Изотерма адсорбции олигомера на поверхности оксида хрома

Рис. 4. Реологические свойства среды для получения водных полуфабрикатов при различном содержании эпоксиэфира

• 1 — без эпоксиэфира; 2 — 0,5%; 3 — 1%;4 — 1,5%; 5 — 2%

Рис. 5. Изменение оптической плотности (D) дисперсий пигментов в среде водного полуфабриката

• 1 — ЖЖОП; 2 — УНФ; 3 — оксид хрома; 1' — ЖЖОП + 1,5% Э/Э; 2' — УНФ + 1,5%Э/Э; 3'— оксид хрома + 1,5% Э/Э

Рис. 6. Дифференциальные кривые распределения по размерам частиц в пробах пасты желтого железооксидного пигмента, отобранных через 2 минуты от начала диспергирования в водном полуфабрикате (1) и с добавкой водорастворимого эпоксиэфира (1')

Рис. 7. Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам в пробах пасты голубого фталоцианинового пигмента, отобранных через 10 минут от начала диспергирования в водном полуфабрикате (2) и с добавкой водорастворимого эпоксиэфира (2')

Рис. 8. Дифференциальные кривые распределения по размерам частиц в пробах пасты оксида хрома, отобранных через 5 минут от начала диспергирования в водном полуфабрикате (3) с добавкой водорастворимого эпоксиэфира (3')

Из приведенных данных следует, что среда для полуфабриката проявляет явно выраженные дилатантные свойства. Введение в ее состав эпоксиэфира до 1,5% повышает вязкость, но при этом значительно снижает дилатансию, которая практически исчезает при
скоростях сдвига, превышающих 700 с–1, и характер течения приближается к ньютоновскому. Такой характер течения предпочтителен при диспергировании материалов в диссольвере. При повышении содержания эпоксиэфира до 2% вновь возникает дилатансия.

На примере трех пигментов различной природы желтого железооксидного пигмента (α-FeOOH), оксида хрома (Cr₂О₃) и голубого фталоцианинового пигмента (α-тетрабензотетраазопорфин меди) изучены процессы стабилизации их дисперсий в среде полуфабриката.

Процесс седиментации пигментов в исследуемых средах оценивали по изменению оптической плотности дисперсий во времени. На рис. 5 представлены кривые изменения оптической плотности пигментных дисперсий в водном полуфабрикате, содержащем 1,5% эпоксиэфира. На основании этих данных были рассчитаны начальные скорости седиментации пигментов в этих суспензиях. Результаты расчета приведены в таблице 1. Из приведенных данных следует, что введение водорастворимого эпоксиэфира в водный полуфабрикат, предназначенный для диспергирования пигментов для получения воднодисперсионных материалов, приводит к снижению скорости седиментации и, соответственно, к повышению их устойчивости. Так, для железооксидного пигмента скорость седиментации в присутствии эпоксиэфира снижается в 1,2 раза, для оксида хрома и фталоцианина меди — практически в 2 раза.

Эффективность водорастворимого эпоксиэфира как диспергатора оценивали по результатам дисперсионного анализа и изменению оптической эффективности пигментов в процессе диспергирования. С этой целью через определенные промежутки времени из пигментной пасты отбирали пробы и определяли в них интенсивность цветного пигмента, а также проводили дисперсионный анализ суспензий методом малоуглового рассеяния лазерного излучения на приборе Nanotrac Ultra 151.

На рис. 6–8 приведены результаты дисперсионного анализа в пробах пигментных паст, отобранных в процессе диспергирования, в таблице 2 — параметры процесса диспергирования, определенные по оптической эффективности цветных пигментов. Как следует из приведенных на рис. 5–7 кривых распределения по размерам частиц, для фталоцианина меди и оксида хрома наблюдается значительное смещение кривых в сторону более высокой дисперсности. Дисперсионный состав железооксидного пигмента остается практически неизменным, но значительно повышается устойчивость его дисперсии. И, как показано ниже, снижается расход энергии на его диспергирование (стабилизацию). Иными словами, в этом случае адсорбционный слой модификатора, препятствуя вторичной агрегации, ускоряет увеличении оптической эффективности при диспергировании.

Таблица 1. Начальные скорости осаждения пигментных дисперсий в водном полуфабрикате в присутствии водорастворимого эпоксиэфира

Таблица 2. Параметры процесса диспергирования пигментов в водном полуфабрикате (K_д — константа скорости диспергирования, F_беск— предельное значение функции Гуревича–Кубелки–Мунка (ГКМ), t_0,5— сопротивление диспергированию)

Проведенная оценка процесса диспергирования по изменению функции ГКМ показала значительную эффективность использования эпоксиэфира как диспергатора. Так, сопротивление диспергированию уменьшается в 30 раз для железооксидного пигмента, в 5 раз для оксида хрома и в 1,5 раза для фталоцианинового пигмента, что дает возможность экономии энергии на диспергирование.

По результатам дисперсионного анализа и параметрам диспергирования можно сделать вывод о том, что введение в водный полуфабрикат водорастворимого эпоксиэфира способствует повышению эффективности процесса диспергирования. Таким образом, было показано положительное влияние добавок эпоксиэфира на диспергируемость пигментов и стабильность их водных паст.

Авторы: О.С. Староверова, Е.А Индейкин. 

Список литературы

1. Староверова О.С., Скопинцева М.В., Индейкин Е.А. Адсорбционные и реологические свойства эпоксиэфиров // ЛКМ. — 2011. — № 11. — С. 42–45.
2. Кузнецов С.В., Индейкин Е.А., Мануйлова Е.С. Исследование реологических свойств водных растворов эпоксиэфирных олигомеров//ЛКМ. — 1999. — № 9.— С. 28 – 30.
3. Толстая С.Н., Шабанова С.А. Применение поверхностно-активных веществ в лакокрасочной промышленности. — М.: Химия, 1976.
4. Индейкин Е.А., Лейбзон Л.Н., Толмачев И.А. Пигментирование лакокрасочных материалов. — Л.: Химия, 1986.
5. Куликов Д.А., Индейкин Е.А., Аристов Б.Г., Коничев М.А., Смрчек В.А. Адсорбционные, диспергирующие, стабилизирующие и реологические свойства диспергаторов АС, ДП и лецитина // ЛКМ. — 2009. — № 1–2. — С. 49–53.

По материалам журнала «ЛКМ Лакокрасочные материалы и их применение»