Особенности водоразбавимых лакокрасочных материалов

Cвойства водоразбавимых систем лакокрасочных материалов

При 0°С замерзает вода. При данной температуре дисперсии и эмульсии меняются настолько, что происходит разделение фаз, т.е. разделение компонентов, и продукт становится непригодным к использованию. Этот эффект как правило необратим. По этому при хранении необходимо гарантировать защиту от мороза.

Для испарения воды необходимо достаточно много энергии, а для сушки водных систем необходимы более высокие температуры, чем для систем на растворителе (нитроразбавление или подобное). Отсюда температура 18- 20°С и 55-77% относительной влажности воздуха являются оптимальными. Решающим моментом здесь является минимальная температура образования плёнки (МТОП) вяжущего лак средства, вследствие чего рекомендуется температура сушки выше 15°С.

Высыхание водных систем

При определённой температуре воздух может забирать только определённое количество водяных паров. Избыток выпадает в виде капель воды (конденсата). Сильнее нагретый воздух принимает больше водяного пара, чем холодный воздух (при 100%-ной влажности воздух содержит 9,4г/м³ при 10°С, тогда как при 20°С - 17,3г/м³). Относительная влажность (отн. вл.) — это величина, показывающая содержание влаги воздуха относительно максимального количества водяных паров, которые может принять воздух при заданной температуре ( 50% отн. вл. воздуха при 10°С = 4,7г/м³, или при 20°С = 8,65 г/м³). Достаточным компромиссом между растеканием краски и её высыханием является отн. вл. воздуха в 55-77% при 18-20°С.

Физическое высыхание плёнки протекает от поверхности внутрь лакокрасочного материала (ЛКМ), что означает, что только свободные от воды слои могут образовать плёнку. Из-за очень низкой теплопроводности воды более толстые слои требуют более продолжительного времени для сушки, основное правило: увеличение толщины слоя в 2 раза увеличивает время сушки в 4 раза. Характер образования плёнки - из-за более высокого поверхностного натяжения воды по сравнению с растворителем затрудняется её проникновение в структуру дерева. Введением средства для снятия напряжения в водные системы обеспечивается достаточная глубина проникновения в структуру дерева, что очень важно для грунтовок.

Растворимые вещества, содержащиеся в древесине, могут в процессе испарения выноситься из материала на окрашенную поверхность вызывая, таким образом, нежелательное изменение цвета (требуется изолирующий лак).

Реология и устойчивость

Свойство текучести (реология) окрашивающего материала, что означает, в какой форме он представлен: густой или жидкотекучий, имеет огромное значение при нанесении. Обычно различают три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное. В то время как, в твёрдом состоянии внутреннее притяжение частиц очень высокое, а в газообразном состоянии, напротив, очень мало или вообще отсутствует, в жидкостях же наблюдается более или менее сильное внутреннее переменное притяжение (вязкость) между частицами жидкости, что представляет нам жидкое или густое состояние, которое также может зависеть от температуры (масло при более высоких температурах жидкотекучее). Жидкая текучесть - измеряется так называемая кинематическая вязкость ν (ню) например капиллярным вискозиметром, который в обиходе выглядит как мерный стаканчик. Жидкотекучие материалы, такие как грунтовки, могут характеризоваться следующим образом: при постоянной температуре замеряется время (сек), необходимое для того, чтобы определённый объём жидкости (100 мл) вытек через отверстие определённого диаметра. Обычно для обозначения вязкости используют «DIN-секунды» - значения вязкости для водоразбавимых грунтовок лежат в пределах 14-20 сек по DIN-4-стакану. При вязкотекучем состоянии применяют ротационный вискозиметр Brookfield для измерения динамической вязкости. Имеются также материалы, которые настолько вязки, что она не может быть замерена обычным DIN-4-стаканом. Здесь вязкость измеряется различными ротационными вискозиметрами - динамическая вязкость n («Эта»). При этом берется специальный металлический цилиндр (шпиндель), который вращаясь в лаке замеряет «степень торможения», типичную для данных условий измерения. Жидкотекучие материалы (грунтовки) имеют большую склонность к стеканию,

чем вязкие (лаки, краски). Кроме того вязким материалам необязательно иметь хорошую устойчивость на поверхности. При использовании ЛКМ они должны наноситься напылением и в то же время иметь устойчивость. Поэтому ЛКМ с высокой устойчивостью зачастую делаются тиксотропными, что означает, что такие материалы изменяют свою вязкость под специальным силовым воздействием и становятся жидкотекучими. Если силовое воздействие уменьшается, вязкость снова резко увеличивается. Подобные ЛКМ под давлением легко распыляются, как только они попадут на покрытую поверхность и успокоятся, они снова становятся вязкими («память о вязкости») и при этом можно наносить толстые слои краски. Этот тиксотропный эффект играет также определённую роль при нанесении водных лаков кистью. Здесь ЛКМ через режущие силы плоской кисти становятся жидкими, но несмотря на это вполне возможно нанести достаточно толстые слои краски на вертикальные поверхности окон и рам. Для хорошего растекания ЛКМ при нанесении кистью играют также не последнюю роль составляющие структурной вязкости (растекание лака), так что тиксотропия (временное влияние сил) и структурная вязкость (величина прилагаемой силы) находятся в состоянии равновесия.

Отекание и устойчивость (текучесть лаков)

Грунтовки должны быть по возможности жидкотекучими, чтобы обеспечивалась глубина проникания (внесение защитной грунтовки, обеспечение сцепления древесины с последующим покрытием). Далее должно обеспечиваться беспроблемное отекание, чтобы не было потёков, что означает, что вяжущие материалы должны иметь слабое внутреннее трение. Краски, которые должны образовывать плёнку, должны иметь совсем другую текучесть (реологию). Можно придать материалу более высокую вязкость путём более сильного сцепления вяжущих материалов, здесь вяжущие материалы путём добавления специальных присадок сцепляются между собой, образуя более крупные частицы, которые менее подвиджны и в жидком состоянии, увеличивается плотность: чем больше сгустителя, тем интенсивнее взаимное сцепление вяжущих материалов, а значит и выше вязкость. Можно использовать также тиксотропные сгустители, так называемый «внутренний сгуститель», который под воздействием внешних сил (перемешивание, давление, нанесение кистью) кратковременно разрушаются, материал становится жидкотекучим. Таким образом облегчается распыление красок - как только сила воздействия исчезает, сгустители снова приводят систему в первоначальное состояние, вязкость растёт. Следовательно могут быть наложены более толстые слои влажной плёнки, которые не стекают, а показывают высокую устойчивость на поверхности, как только снимается давление с распылительного оборудования на краску. Оба вида сгустителя находятся в состоянии равновесия в зависимости от того какой материал необходим: под распылительное оборудование или для нанесения кистью.

Вяжущее средство

Вяжущее средство является стержнем рецептуры ЛКМ и образует в определенной степени скелет сухой плёнки. Кроме того оно связывает в слое наполнители и пигменты или красители. В лаках на основе растворителя применяемая алкидная смола (сложный эфир) разводится в растворителе («нитроразбавление»). В водоразводимых рецептурах встаёт вопрос, как полиакрилат (плексиглас) в принципе пластик, может быть внесён в воду. Обычно пластик в воде не растворяется. В этом случае помогают эмульгаторы, посредничающие между частицами вяжущего средства и водой, аналогично как мыло переводит жирную грязь в воду. Частицы эмульгатора с одной стороны взаимодействуют с вяжущим средством, а с другой с водой. Согласно положения «подобное растворяется в подобном» эмульгаторы ориентируются таким образом, что их водорастворимые концы проникают также в окружающую их воду. Если сравнить шарики алкидного и акрилатного вяжущего средства, то алкид существенно меньше, чем акрилат. Следствием этого является то, что алкиды. т.е. грунтовки на основе растворителя, глубже проникают в поры древесины, чем относительно более крупные акрилаты. Чтобы придать акриловой грунтовке такую же проникающую способность были разработаны гибриды, которые имеют такую же проникающую способность, что и алкиды, но сохраняют при этом хорошую эластичность акрилатов — АЛКИД АКРИЛАТ ГИБРИД, в котором разумно комбинируются преимущества систем на основе растворителя с водоразбавимыми системами. Наряду с этим существуют рецептуры, при которых водоразбавимые алкиды и видоизменённые акрилаты располагаются вместе и при обработке имеют соответствующую им проникающую способность. При этом, конечно, время высыхыния (ввиду наличия алкидов) немного увеличивается. Достаточное проникновение грунтовки в древесину необходимо, чтобы:

• гарантировать оптимальное сцепление структуры дерева с последующим покрытием;
• обеспечить глубокое проникание в древесину защитных средств.

Образование плёнки

Для производителя важен вопрос, когда считать слой влажной краски сухим, а окрашенную деталь - способной к дальнейшей обработке? При этом решающим является то, какое покрытие было нанесено - водоразбавимое или на основе растворителей. Как только классический слой лака на основе растворителя становится сухим на ощупь, он считается полностью затвердевшим. Химическая реакция, вызванная сушащими веществами (сиккативы), позволяет частицам вяжущего средства образовать очень тесную решётчатую структуру. Это происходит от основания к поверхности. Покрытие становится более твёрдым и устойчивым, но также и более хрупким.

Совсем по другому ведут себя водоразбавимые системы, после испарения воды шарики вяжущего средства, как маленькие клубки шерсти, плотно складываются один к одному на основании и спрессовываются в пространственную структуру, подобную пчелиным сотам. На ощупь покрытие уже сухое, одновременно волокна вяжущего вещества (как нити в клубках шерсти) начинают сплетаться друг с другом и образуют эластичный слой, который не так твёрд, как слой лака на основе растворителя и поэтому лучше работает с деревянным основанием. Важным для процесса сплетения, а также для образования плёнки является определённая температура (МТОП - минимальная температура образования плёнки). Если температура ниже МТОП, то плёнка образуется, но не имеет достаточной стабильности. Поэтому водоразбавимые лаки не должны наноситься ниже этой специальной температуры, чтобы во время высыхания образовывался равномерный оптимальный слой.

Системы на основе растворителя образуют плёнку за счёт химической реакции (окисления), в то время как водоразбавимые системы высыхают за счёт тепла, т.е. физическим путём. В гибридных системах в различном соотношении возникают оба эффекта. Исключением являются водоразбавимые двухкомпанентные лаки, у которых после испарения воды плёнка образуется в результате химической реакции между отвердителем и основным лаком.

Блокировка

Если при окрашивании водоразбавимой краской слой краски недостаточно отвердел, так как было слишком холодно и/или был нанесён слишком толстый слой, то это может привести к склеиванию таких, хотя и сухих, но неполностью образовавшихся поверхностей. При неблагоприятных условиях окончательное отвердевание при более высоких температурах может проходить ещё и через несколько недель и приводить к повреждениям. Если такие «наполовину» отвердевшие поверхности соприкасаются друг с другом (рама и створка), то частицы лака не различают, где рама и где створка, и сцепляются дальше во всех направлениях, результатом чего является образование общей поверхности у двух деталей. Достаточный зазор между рамой и створкой не допускает образования общей пленки. В зависимости от условий (температура, малый зазор, давление прижима и т. д.), при которых протекает дальнейшее образование пленки, могут последовать более или менее существенные повреждения. В экстремальном случае при открывании окна лак, отрываясь, вырывает частицы древесины, что, несмотря на досаду, доказывает то, что сцепление водоразбавимых лаков с древесиной может быть очень сильным.

Пена в водных лаках

Пеной обозначают крупнодисперсные пузырьки воздуха в пограничных поверхностно активных жидкостях. Они обволакивают тонкой, но относительно стабильной оболочкой пузырьки воздуха, которые всплывают на поверхность. Воздух попадает при изготовлении (процесс смешивания), наполнении (движение помпы) и при нанесении (облив, напыление) в грунтовку/лак и образует пену.

Образование пены

Как раз в эмульсиях и дисперсиях путём добавления эмульгаторов, действующих между компонентами лака, повышающих силы притяжения между составными частями дисперсии, достигается необходимое посредничество. Поднимающиеся на поверхность пузырьки все еще находятся в тонкой оболочке материала. Стабильность оболочек тонкостенных пузырьков пены должна быть разрушена до исчезновения пены. Средство от пенообразования поддерживает этот процесс, в котором целенаправленно нарушается стабильность между пузырьком и жидкостью, что приводит к лопанью пузырьков пены (масло или жир могут разрушить пену в водных растворах)

Этот способ разрушения пузырьков при пропитке и грунтовке протекает относительно быстро.

Микропена/Микропузырьки

Подобные маленькие пузырьки воздуха образуются зачастую при напылении (лак перед употреблением интенсивно перемешивается, высокое давление при напылении, в облаке лака много воздуха). Эти маленькие пузырьки воздуха, размером около 50 мк, зачастую имеют недостаточно силы, чтобы выйти из начинающего сохнуть слоя лака. Это приводит к тому, что многочисленные мельчайшие пузырьки просматриваются в лаковой пленке. Вследствие этого тон краски в лазурях из-за преломления света кажется слегка измененным, эффективная толщина плёнки тоньше, что приводит к её более быстрому разрушению (разрушенная до пузырьков плёнка образует шероховатую поверхность).

В других случаях пузырьки ещё в состоянии подняться и оставить слой лака, но если поверхность в этом месте быстро сохнет, то растекание будет неполным (образование кратеров) или возникают восходящие каналы, которые выглядят как «иголочные проколы» на поверхности. Их, однако, нельзя путать с вскипающими пузырями в порах дерева. Вытяжная вентиляция ускоряет поднятие пузырьков воздуха, а эмульгаторы помогают вышедшей к поверхности пене лопаться.

Этих помех можно избежать, если отн. вл. в области поверхности для напыления не низкая, и параметры для напыления: размеры форсунок, типы фильтров, давление - оптимально подобраны и выдержаны.

Вклад участников

Тупицын А.П.