Основные компоненты красок
Помимо необходимых в каждой краске ингредиентов, составляющих структуру пленки (пленкообразователя, пигментов и наполнителей), воднодисперсионные краски должны включать ряд специфических добавок: эмульгаторы, стабилизаторы, загустители, антивспениватели, антисептики и др.
Пигменты и наполнители. Эти минеральные компоненты воднодисперсионных красок были рассмотрены в предыдущих статьях.
Пленкообразователи. Конкретные пленкообразователи будут рассмотрены при описании различных типов воднодисперсионных красок. Общие же требования к латексным связующим воднодисперсионных красок таковы:
низкая минимальная температура пленкообразования (обычно не выше 5 градусов);
достаточная твердость полимера (для свободной латексной пленки не ниже 0,15 по маятниковому прибору) и прочность (модуль при 10%-ной деформации не менее 200 кгс/см2);
атмосферостойкость полимера (устойчивость к эрозии, перепаду температур, световому воздействию и др.);
достаточно высокое содержание пленкообразователя (как правило, не ниже 45%);
стабильность при хранении и перемешивании, устойчивость к умеренным добавкам электролитов.
При подборе пленкообразователей для воднодисперсионных красок следует исходить из следующих соображений. Очевидно, что с точки зрения эксплуатационных свойств наилучшими пленкообразователями будут полимеры, занимающие промежуточное положение между каучуками и пластиками. Они обладают достаточной твердостью в сочетании с эластичностью. Опыт показывает, что для использования, например, в качестве строительных покрытий, когда планируется постройка и строительство деревянного дома, пленки должны обладать твердостью не ниже 1,5 кгс/мм2, что отвечает твердости непигментированной пленки 0,5-0,8 кгс/мм2. Воднодисперсионные покрытия промышленного назначения должны обладать более высокими прочностными показателями. Однако для обеспечения полноты слипания (коалесценции) и прочности межчастичных контактов необходимо исходить из дисперсий каучуков, характеризующихся меньшей жесткостью. Для преодоления этого противоречия можно наметить следующие пути:
формировать покрытие при более высокой температуре, чем температура его эксплуатации;
использовать пленкообразователи, превращающиеся в процессе формирования покрытия или при его эксплуатации в сшитое состояние;
обеспечить временную, необходимую лишь в процессе пленкообразования, пластификацию полимера.
Если два первых способа используются при получении покрытий из воднодисперсионных систем в промышленности при окраске металла, древесины и других материалов, то третий путь наиболее целесообразен для воднодисперсионных красок строительного назначения. Для временной пластификации полимерного пленкообразователя применяют коалесцирующие добавки, небольшие количества неполярных растворителей, а также введение в полимерную цепь мономеров с гидрофильными группами (метакриловой кислоты и др.). Однако и этот путь имеет недостатки: введение коалесцирушщих добавок и растворителей понижает стабильность красок. Применение гидрофильных мономеров приводит к общему повышению гидрофильное пленки, а, следовательно, и к некоторому снижению защитных свойств.
Эмульгаторы, стабилизаторы, диспергаторы. Эти компоненты по своей природе являются ПАВ и различаются лишь той функцией, которую они выполняют в краске как коллоидной системе. Эмульгатор преимущественно сорбируется на межфазной границе полимер – вода, обеспечивает кинетическую и агрегативную устойчивость водной дисперсии пленкообразователя.
Стабилизаторами обычно называют ПАВ, которые усиливают действие эмульгаторов. Иногда, впрочем, наименование стабилизатора присваивается буферному компоненту (кислого, щелочного или нейтрального характера), который создает условия, обеспечивающие наибольшую эффективность защитного действия эмульгатора.
В качестве эмульгаторов ионного типа применяют различные мыла (соли щелочных металлов и высших жирных кислот С9 и более, канифоли и т. п.), алкилсульфопроизводные (алкилнафталинсульфокислоты, например некаль) и т. д. Катионоактивные эмульгаторы (например, алкамон ОС-2) применяются крайне редко. Неионные эмульгаторы – обычно более или менее высокомолекулярные продукты (молекулярный вес 300 и выше), включающие кислородсодержащие группы: продукты, типа ОП-7 и ОП-10, низкомолекулярный ПВС и пр. В настоящее время имеется ряд эмульгаторов смешанной ионной и неионной природы. Так, для повышения стабильности водных дисперсий, имеющих щелочную среду, часто применяют весьма своеобразное ПАВ – лейканол (натриевую соль продукта конденсации нафтилсульфокислоты с формальдегидом), который является комбинированным ПАВ, содержащим ионо- и неионогенные полярные группы.
Диспергаторы специфически сорбируются на границе пигмент – вода. Они служат для смачивания пигмента в процессе перетира и стабилизации пигментных частиц в готовой краске. Эту функцию выполняют некоторые фосфаты (гексаметафосфат, полиметафосфат и пирофосфат натрия), а также ПВС, альгинат натрия и др.
К сожалению, до сих пор в качестве диспергаторов зачастую используют природные белковые продукты (казеин, лецитин). В интервале рН, где протекает заметный гидролиз анионоактивных эмульгаторов, например, солей жирных кислот, являющихся слабыми электролитами, белковые продукты заметно ассоциируют с этими эмульгаторами. Это необходимо учитывать при составлении рецептур.
Поскольку содержание диспергатора в воднодисперсионной краске сравнительно велико (5% и более), особый интерес представляют системы, в которых этот компонент после высыхания пленки становится водонерастворймым. Например, ПВС, защитный коллоид дисперсий ПВА, в присутствии диметилолмочевины и катализатора типа хлорида аммония образует нерастворимый в воде сшитый продукт, что значительно повышает водостойкость поливинилацетатных покрытий. Вместо диметилолмочевины для этой же цели можно использовать альдегиды.
Одновременно все эти компоненты снижают поверхностное натяжение краски, обеспечивая лучшее смачивание подложки. Обычно поверхностное натяжение воднодисперсионных красок не превышает 45 дин/см, что вполне достаточно даже для смачивания обезжиренных металлов.
Загустители. Эти компоненты повышают вязкость краски вплоть до придания ей небольшой пластичности вследствие высокой собственной, обусловленной гидратацией, вязкости в водном растворе и формирования мостичных связей между дисперсными частицами. В качестве загустителей воднодисперсионных красок обычно применяют водорастворимые высокомолекулярные соединения неионной (ПВС, сольвар, гидроксиэтилцеллюлозу, метилцеллюлозу, и пр.) или полиэлектролитной природы; последние являются более эффективными.
В воднодисперсионных красках наибольшее распространение получили натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы и карбоксилсодержащие сополимеры. Максимальный загущающий эффект, при степени ее полимеризации (числе моносахаридных звеньев в цепи) = 180-320, достигается при концентрации 0,005 г на 100 мл воды. Применением более высокомолекулярной до 1000 можно достигнуть эффективного загущения и при меньшем ее содержании в краске.
Карбоксилсодержащие сополимеры удобны тем, что могут быть добавлены в краску в виде низковязких дисперсий, а затем при повышении рН до 8-10 переведены в состояние раствора. Величина их загущающего действия зависит от молекулярного веса, но в большей степени – от степени ионизации. Максимум загущающего действия карбоксилсодержащих сополимеров, нейтрализованных аммиаком или щелочами, отвечает рН 9,5; при этом степень ионизации максимальна.