Оптимизация состава наполнителей водно дисперсионных красок с целью повышения их качества

Ранее* мы подробно рассматривали вопрос, почему современное производствоводнодисперсионных (ВД) красок невозможно представить без использования талька в качестве одного из наполнителей. Тальк способствует улучшению внешнего вида и долговечности покрытий, обеспечивает хорошиевлаго и атмосферостойкость, улучшает их антикоррозионные свойства, отличается высокой белизной и стойкостью к

действию УФизлучения. Наконец, тальк улучшает реологические характеристики ЛКМ, снижает потечность и препятствует образованию тяжелых пигментных осадков.

И.Д. Кулешова, к.х.н.

О.Н.Скороходова, к.т.н.

Известно, что не все тальковые наполнители одинаково воздействуют на свойства покрытий. В частности, было показано, что их минеральный состав влияет нарастрескиваемость, смываемость,влагопоглощение и паропроницаемость покрытий, их белизну и стойкость к действию УФ излучения.

Наличие в тальке примесей других минералов (магнезита, доломита, тремолита, хлорита) существенно снижает положительное влияние этого наполнителя на свойства ЛКМ и покрытий. Лучшие качественные показатели покрытий можно обеспечить, применяя чистый тальк стеатит.

Разработчиком единственного в России месторождения талька стеатита — Онотского — является компания «Байкальские минералы», выпускающая широкий ассортимент тальковых продуктов для различных отраслей промышленности, в том числе и для производства ЛКМ. Cледует отметить, что минеральный и химический состав талькового наполнителя влияет не только на свойства ВД_ЛКМ, а также на декоративные, физико-механические и защитные свойства покрытий. От полидисперсности наполнителя (средний и максимальный размер частиц) во многом зависят реологические характеристики материалов. Чем выше дисперсность наполнителя, т.е. чем меньше его частицы, тем значительней он влияет на реологические свойства ЛКМ. Однако мелкодисперсные наполнители стоят дороже. Не секрет, что производители ЛКМ стремятся использовать более грубодисперсные марки талька для снижения себестоимости конечного продукта. Вместе с тем высококачественную лакокрасочную продукцию можно получить и без существенного увеличения затрат.

Установлено, что сочетание в рецептурах ЛКМ наполнителей с различной степенью дисперсности позволяет существенно улучшить реологические свойства материалов и сохранить их относительно невысокую себестоимость.

Реологические свойства материалов чрезвычайно важны как в процессе производства, так и при нанесении ЛКМ, так как они обуславливают такие важные технологические свойства, как образование плотных пигментных осадков, способность к нанесению кистью, образование потеков, розлив и др.

Однако вязкость краски, измеренная при одних условиях, не дает полного представления об ее реологических характеристиках и недостаточно информативна при создании новых рецептур ЛКМ для прогнозирования способности краски к нанесению кистью или ее склонности к образованию потеков.

Очень важны изменения вязкости ВД_ЛКМ при изменении скорости сдвига, так как эти материалы по характеру течения не являются ньютоновскими жидкостями, т.е. их вязкость не постоянна при различной скорости сдвига. Известно, что реологическое поведение дисперсных систем может зависеть от величины скорости сдвига и продолжительности его воздействия. Вязкость тиксотропных жидкостей снижается при приложении сдвиговой нагрузки и постепенно восстанавливается до исходного состояния при ее снятии.

Зависимость вязкости от скорости сдвига чрезвычайно важна на практике. При производстве ВД_ЛКМ (диспергирование, перемешивание), так же как и при нанесении их различными методами (валиком, кистью, пневмораспылением), усилие сдвига больше, чем при хранении и транспортировке материала (рис. 1).

При хранении вязкость краски должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить седиментационную устойчивость материала и препятствовать образованию осадка пигментов и наполнителей. В то же время краска в результате перемешивания должна быстро становиться способной к нанесению, хорошо растекаться по окрашиваемой поверхности и образовывать качественное покрытие.

В современном лакокрасочном производстве применяют многочисленные реологические добавки, предотвращающие расслоение краски, улучшающие вязкость и декоративные свойства покрытия.

ВД_ЛКМ, наполненные кальцитом или мелом, по характеру течения ближе к ньютоновским жидкостям,что благоприятствует осаждению пигментов и наполнителей.

Кроме того, при нанесении краски на вертикальную поверхность возможно образование большого числа потеков.

Тальк, благодаря пластинчатой форме частиц и способности создавать коагуляционные структуры, в определенной мере может выполнять функции реологических добавок. Он придает ВД_ЛКМ четко выраженный псевдопластический эффект (высокая вязкость при низких скоростях сдвига и низкая — при увеличении скорости сдвига).

Таким образом, тальк относится к эффективным агентам реологического контроля с точки зрения соотношения затрат и достигаемого эффекта. При высоких скоростях сдвига материал приобретает низкую вязкость, что упрощает процесс производства и применения. При снижении сдвигового усилия, например во время хра нения, вязкость увеличивается настолько, что исключается образование плотного пигментногоосадка. При этом устойчивость к образованию потеков при нанесении на вертикальные поверхности возрастает.

Реологические свойства ВДЛКМ, содержащего тальковый наполнитель, оценивали путем измерения вязкости фасадной краски, содержащей в качестве наполнителя кальцит и тальк, на вискозиметре Брукфильда RVDV II+. В качестве образцов талька использовали микротальки Талькон Т 20 (максимальный размер частиц 20 мкм) и Талькон ММ-10 (максимальный размер частиц 10 мкм), а также их смесь в соотношении 1:1. Рецептуры фасадных красок приведены в табл. 1. Рецептура № 1 содержала только кальцит, в рецептуре № 2 — 10 % кальцита заменили Тальконом Т 20, № 3 — 10 % кальцита заменили Тальконом ММ-10, № 4 — 10 % кальцита заменили смесью Тальконов Т-20 и ММ-10.

На рис. 2 показано изменение вязкости фасадной краски, содержащей различные наполнители, при изменении скорости сдвига. Из приведенных данных видно, что псевдопластический эффект ВД-ЛКМ,содержащих тальк, возрастает при уменьшении частиц наполнителя.Использование тонкодисперсного талька Талькон ММ-10 приводит к резкому увеличению вязкости при низкой скорости сдвига, а для обеспечения необходимой седиментационной устойчивости достаточно применения Талькона Т-20 или его смеси

с ММ-10. При высоких же скоростях сдвига вязкость всех композиций уменьшается до одинаковых значений, что позволяет легко вести процесс деспергирования.

Для тиксотропных материалов характерно также быстрое восстановление вязкости во времени при уменьшении усилия сдвига.

На рис. 3 показано изменение вязкости фасадной краски во времени при незначительном усилии сдвига (0,01 с-1), например при хранении. Как и в первом случае, тиксотропный эффект выражен сильнее для композиции, содержащей более мелкий наполнитель.Следует обратить особое внимание на то, что в обоих случаях(рис. 2 и 3) поведение ВД-ЛКМ, содержащего смесь наполнителей с размером частиц 20 и 10 мкм, незначительно отличается от материала, наполненного только Тальконом ММ-10 (размер частиц 10 мкм).

Из полученных данных следует, что применение в составе ВД-ЛКМ тальков различной дисперсности позволяет достигать требуемых реологических характеристик материалов.

В табл. 2 приведены данные об изменении вязкости исследуемых фасадных красок при незначительном разбавлении водой, допускаемом при их нанесении, а также результаты исследования потечности мокрого слоя краски, нанесенной на вертикальную поверхность с одинаковой толщиной, характеризуемой количеством и длиной потеков. На рис. 4 показан внешний вид образцов. Краска, наполненная кальцитом, образует покрытие с большим числом потеков. При использовании в качестве наполнителя талька с размером частиц 20 мкм количество потеков заметно снижается, а при наполнении фасадной краски смесью тальков с размером частиц 20 и 10 мкм потеки при нанесении на вертикальную поверхность не образуются.

Проведенная работа также показала, что применение талька способствует улучшению седиментационной устойчивости ВД-ЛКМ. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Как видно из данных табл. 3,самое сильное расслоение и образование наиболее плотного осадка происходит в ЛКМ, наполненном кальцитом. Хорошей седиментационной устойчивостью характеризуется краска, содержащая в качестве наполнителя тальк с размером частиц 20 мкм (образец № 2).Наименьшее расслоение и образование незначительного легкого осадка наблюдалось в ЛКМ, изготовленном с использованием смеси тальков с дисперсностью 20 и 10 мкм (образец № 4).

Таким образом, применение смеси тальковых наполнителей различной дисперсности, Талькон Т-20 и Талькон ММ-10, позволяет не только существенно улучшить технологические, декоративные и защитные свойства материалов, но и их седиментационную устойчивость, снизить потечность, оптимизировать реологические характеристики при сохранении относительно невысокой себестоимости продукции.