Опасный пластик: как синтетические полимеры захватили мир. Акриловые полимеры Акриловый полимер

Многие потребители задаются вопросом какие негорючие панели выбрать для внутренней отделки. И тут вам на помошь приходит интернет чего в нем только не найдешь, но мы остановимся на негорючих панелях. Сейчас на рынке появился такой материал как стекломагнезитовый лист или сокращенно СМЛ. Многие компании предлагают уже декорированные листы (окрашенные Акриловой краской, нанесением HPL пластика высокого давления, нанесением полимерного покрытия, пленки ПВХ и т.д). Но давайте остановмся на двух из них сделаем сравнительные характеристики и выводы.

АКРИЛОВОЕ ПОКРЫТИЕ

Негорючие декоративные панели Оптиплит Акрил

Производятся путём нанесения на лицевую сторону стекломагнезитового листа(CМЛ Премиум-Эталон) декоративного покрытия из акриловой краски на водной основе.

При возникновении пожара данные панели не только не горят, но и само покрытие не выделяет ни каких запахов и дыма. Заслуженно этим панелям присвоен класс горючести НГ негорючие, а так же они полностью соответствуют гигиеническим требованиям.

Образец фото негорючей панели ОПТИПЛИТ после прямого воздействия огня при помощи горелки. Все испытанные образцы подвергались горению в течении одной минуты .

ПОЛИМЕРНОЕ ПОКРЫТИЕ

"Негорючие декоративные панели с Полимерным покрытием"

Производятся путём нанесения на лицевую сторону стекломагнезитового листа декоративного покрытия из акриловой краски на водной основе и полимера.

При возникновении пожара данные панели не горят, но само покрытие выделяет очень едкий дым и неприятный запах. Эти панелям не проходят по классу горючести НГ негорючие, и соответственно гигиеническим требованиям не соответствуют.

- 37.19 Кб

1. Акриловые полимеры и сополимеры и их получение

Сырьем для получения акриловых полимеров и сополимеров служат различные мономеры. Полимеризацию акриловых мономеров можно проводить различными методами. Для изготовления лаков наиболее пригоден лаковый метод; метод эмульсионной полимеризации применяется для получения латекса.

При эмульсионной полимеризации акриловых мономеров инициаторами служат растворимые в воде пероксиды (пероксид аммония, пероксид водорода и т. п.). В реактор загружают дистиллированную воду и мономер в соотношении около 1:3, эмульгатор (около 3% от массы мономера) и инициатор (около 0,5%). В качестве эмульгатора применяют соли жирных высокомолекулярных кислот (олеиновая), соли органических сульфокислот и другие поверхностно-активные вещества. Реакцию ведут в нейтральной или слабокислой среде. Процесс полимеризации протекает при 60–90 °С за 2–4 ч. Окончание процесса определяют по содержанию остаточного мономера в полимере, которое не должно превышать 1 – 2 %. Получаемый латекс может служить полуфабрикатом для производства клеев, водоэмульсионных красок и других композиций.

Если необходимо выделить полимер из эмульсии, к латексу добавляют серную кислоту и отгоняют воду. При этом эмульсия разрушается, и полимер выпадает в осадок в виде дисперсного порошка. Осажденный полимер отфильтровывают и промывают от эмульгатора водой или спиртом и сушат при 40-70 °С.

При лаковой полимеризации акриловых мономеров в качестве растворителей применяют бензол, изопропилбензол, хлорбензол, толуол, циклогексанон и др. Инициаторами служат органические пероксиды и динитрил азобис(изомасляной) кислоты. Процесс полимеризации ведется при температурах около 70 °С. Окончание полимеризации устанавливают по содержанию мономера в полимере, которое не должно превышать 2%. Если процесс получения полимера проводится в среде растворителя, не растворяющего полимер, то последний выпадает в осадок в виде тонкого порошка, подвергаемого затем очистке и сушке.

1.1 Общие свойства

Полимеры могут быть твердыми, растворимыми в органических растворителях или воде, а также в виде эмульсий или дисперсий.

Полиакрилаты, по сравнению с другими пленкообразующими веществами для красок, обладают рядом преимуществ:

1) устойчивостью к воздействию химических веществ;

2) бесцветностью, прозрачностью, устойчивостью к пожелтению даже при длительном воздействии неблагоприятных температур;

3) устойчивостью к поглощению излучения с длиной волны свыше 300 нм (УФ облапь спектра, в том случае, если полиакрилаты не содержат стирол или схожие с ним ароматические соединении);

4) отсутствием двойных связей;

5) способностью к сохранению глянца;

6) стабильностью акрилатов и особенно метакрилатов к гидролизу.

Считается, что наличие перечисленных свойств у покрытий обусловлено свойствами индивидуальных мономеров, из которых получен полимер. Метилметакрилат способствует повышенной атмосфероустойчивости, светопрочности, жесткости и сохранности глянца в течение длительного периода. Стирол увеличивает прочность и устойчивость к воде, химическим веществам, солевому туману, по уменьшает светопрочность и сохранность глянца. Алкилированные акрилаты и метакрилаты придают покрытию гибкость и гидрофобность, а акриловая и метакриловая кислоты способствуют улучшению адгезии с металлами.

В свете того что защита окружающей среды становится псе более актуальной, к смолам красок стали применяться новые требования, что существенно расширило ассортимент лакокрасочных систем. Современные лаки и краски должны содержать малое количество растворителя (высокий сухой остаток) или совсем не содержать растворителя (порошковые покрытия), должны разбавляться водой (водно-дисперсионные краски), быть термопластичными или реакционноспособными. Все эти свойства должны быть получены за счет полимерной структуры пленкообразующих веществ. Ниже описаны наиболее важные технические параметры полимером.

Температура стеклования (Т) влияет на адгезию, хрупкость и отслаивание от подложки, образование трещин и устойчивость к высоким ударным воздействиям. Отрегулировать Т в акрилатах относительно легко, например, при помощи изменения соотношения метилированного метакрилата (Т g гомополимера – 105 °С) к n-бутил-акрилату (Т g гомополимера – 54 °С). Т также влияет им свойства дисперсий и вязкость растворов. При высоких значениях Т увеличивается время сушки. При низких значениях молекулярной массы (< 6000), что весьма важно особенно для красок с высоким содержанием сухого остатка, температура стеклования зависит от молекулярной массы. Последующее структурообразование приводит к повышению температуры стеклования, который не зависит от плотности образования поперечных межмолекулярных связей.

Наличие стирола в составе пленкообразующих веществ снижает устойчивость к УФ-облучению и к атмосферным воздействиям, но при этом повышает устойчивость к воздействию химически активных веществ, улучшает адгезию и смачиваемость пигмента. Поэтому производители стараются не использовать стирол в красках, которые применяются в качестве верхнего слоя при наружной окраске и для получения прозрачных покрытий.

Разработка красок с низким количеством растворителя (с высоким содержанием сухого остатка) напрямую связана с использованием полимеров, обладающих очень низкой вязкостью. Для таких пленкообразующих веществ принципиально важными параметрами, определяющими вязкость, являются молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение (ММР). Для изготовления красок с высоким содержанием сухого остатка необходимы олигомеры с молекулярной массой около 1000-3000. Акрилатное пленкообразующее вещество с молекулярной массой 100 000 можно использовать для получения краски с содержанием сухою остатка около 12,5 % и с низкой вязкостью, достаточной для ее нанесения. Пленкообразующее вещество с молекулярной массой около 6000 дает возможность получись краску с содержанием сухого остатка рапным 50 %. Для получения низкой вязкости достаточно минимального ММР. Однако с увеличением молекулярной массы физико-механические свойства краски улучшаются. Поэтому пленкообразующие вещества с низкой молекулярной массой, которые сшиваются после нанесения, используются для изготовления красок с низким содержанием твердого сухого остатка. Исходная краска состоит из низкомолекулярных олигомеров, а прочные полимерные пленки образуются после поперечной сшивки и в процессе высыхания. Дальнейшие возможности по уменьшению вязкости связаны со специфическими взаимодействиями между молекулами пленкообразующего вещества и с выбором низковязкого растворителя, который практически не взаимодействует с полимером. Для порошковых покрытий особенно важна вязкость расплава. В этом отношении акриловые полимеры находятся в невыгодном положении по сравнению с полиэфирами.

Для промышленного производства дисперсий необходимо введение функциональных групп в полимерную цепь. Большинство водно-дисперсионных систем представляют собой полимеры со свободными карбоксильными группами. Способность к разбавлению водой достигается посредством нейтрализации кислотных групп водной щелочью или аминами. Пленкообразующие вещества могут также содержать группы азота. Последующее образование дисперсии может происходить после нейтрализации (например, уксусной или молочной кислотой). Так как вязкость дисперсий очень слабо зависит от молекулярной массы, то обычно используются полимеры с очень высокой молекулярной массой. Поэтому дисперсии идеально подходят для получения покрытий, высыхаемых физическим способом. Структурообразование происходит за счет введения функциональных групп.

При использовании безводных дисперсий можно уменьшить выделение растворителя из красок без понижения молекулярной массы. Акрилаты были описаны выше как пленкообразующие вещества для безводных дисперсий, но кроме низкой вязкости они обладают еще некоторыми преимуществами над обычными покрытиями и, более того, должны конкурировать с красками с высоким содержанием сухого остатка и с порошковыми покрытиями.

1.2 Структурообразование полиакрилатов

В отличие от термопластических полимеров структурированные полимеры нерастворимы, обладают более высокой твердостью и устойчивостью к воздействию химических веществ. Эти свойства чрезвычайно важны для изготовления высококачественных покрытий. Реакции структурообразования приобрели значимость в 1950-х годах после внедрения акриловых смол в автомобильную промышленность.

Следующий импульс и области создания ЛКМ был связан с ужесточением законодательства об охране окружающей среды. Появление требований к понижению содержания растворителей в красках и замене традиционных красок на растворителях красками со средним и высоким сухим остатком означало, что молекулярная масса пленкообразующих веществ может быть снижена до такого уровня, при котором невозможно сохранить требуемые свойства красок (например, получение покрытий с оптимальным пленкообразованием, твердостью и эластичностью). Эти свойства возможно получить путем увеличения молекулярной массы в результате структурообразования после нанесения покрытия. Химическая реакция после нанесения также дает преимущества дисперсиям с высокой молекулярной массой. У них повышается температура стеклования и прочность пленки.

Широко используемый метод структурообразования пленок краски состоит из реакции между гидроксилсодержащими акрилатами и меламинформальдегидными смолами или мочевиноформальдегидными смолами. Гидроксилсодержащие акрилаты получают при помощи сомономеров, таких как гидроксиэтилметакрилат или моноакрилат бутандиола. Аминосмолы являются в некоторой степени самоструктурирующимися, они также образуют межмолекулярные связи с акрилатами через гидроксильные группы. Структурообразование может происходить в процессе отверждения при температуре около 130 °С, либо при наличии кислотных катализаторов. Такие краски обладают замечательным глянцем и устойчивостью к атмосферным воздействиям.

Другой важный метод структурирования - это взаимодействие гидроксилсодержащих акрилатов с полиизоцианатами, которые выступают в качестве отвердителей. Такая смесь структурируется при комнатной температуре и, следовательно, должна изготовляться и храниться как двухкомпонентная система, состоящая из основы и отвердителя. Реакция между ароматическими изоцианатами и гидроксилсодержащими акрилатами происходит очень быстро. Поскольку алифатические изоцианаты вступают в реакцию гораздо медленнее, то реакцию катализируют путем добавления дибутилоловодилаурата, аминов или кислот. Свойства таких полиуретановых красок превосходят свойства большинства других лакокрасочных материалов, и их сфера применения постоянно растет. Имеются также однокомпонентные полиуретановые краски, созданные на основе гидроксилсодержащих акрилатов. В них в качестве отвердителя используются блокированные изоцианаты. Для таких систем обычно требуется относительно высокая температура сушки (более 150 °С).

Третья группа реакций структурообразования затрагивает акриловые смолы, содержащие свободные группы карбоновой кислоты. Полиэпоксиды в основном используются как структурообразующие вещества для производства органорастворимых красок или порошковых покрытий. В отношении стойкости к щелочам и растворителям такие соединения превосходят другие, например, отвержденные изоцианатами, или меламиноформальдегидными смолами. Для этого им требуется очень высокая температура отверждения (более 200 °С). Температуру отверждения можно уменьшить до 120-150 °С, если в качестве катализатора использовать иодид тетрабутиламмония или третичные амины. Однако использование катализаторов снижает стабильность при хранении до нескольких недель.

Если к химической устойчивости, истиранию и прочности предъявляются менее жесткие требования (за это ответственна полнота сшивки), то карбоксилсодержащие акрилаты можно отверждать путем использования диаминов или комплексов металлов. Этот метод широко применяется, особенно при изготовлении водных дисперсий. Сообщалось также о структурообразонлиии с бисоксазолином.

Водные акриловые дисперсии активно применяются в производстве покрытий для дерева или антикоррозийных покрытий. Такие краски чаще не требуют сушки при повышенных температурах и их механические свойства улучшаются, если структурообразование происходит при комнатной температуре. Азиридины или дигидраиты обычно используют в качестве сшивающих агентов, которые смешивают с дисперсиями после окончания производственного процесса.

Существует много других структурообразующих процессов, но они не нашли широкого применения, либо появились лишь недавно как результаты научных разработок. Сообщается о структурообразовании зпоксидсодержащих акрилатов с аминосмолами и реакциях с полисульфоназидами.

Альтернативой отверждаемым краскам является получение самосшивающихся акриловых полимеров, которые реагируют между собой при пониженных темперах без добавления внешних структурирующих веществ. Такие покрытия нашли применение благодаря устойчивости к химическим веществам, прочности и эластичности, но они менее разнообразны по составу и могут создавать проблемы из-за своей нестабильности в процессе хранения. Кроме того, для достижения высокой степени структурообразования необходимо, чтобы минимальная молекулярная масса была больше, чем у смол, которые не являются самоструктурирующимися. Соответственно, при использовании таких систем невозможно получить краски с высоким содержанием сухого остатка.

1.3 Области применения

Акриловые краски и лаки используются в разных областях и их наносят всеми обычно применяемыми методами. Недавние исследования красок с низким содержанием растворителей и водных дисперсий показали, что возникла необходимость в создании новых специальных рецептур.

Описание работы

К этому типу пленкообразующих веществ относятся олигомеры, полимеры и сополимеры акриловой, метакриловой кислот и их производных: эфиров, амидов, нитрилов и др. В зависимости от применяемых мономеров и сомономеров можно получить термо¬пластичные или термореактивные полимеры с разнообразными фи¬зическими свойствами.
Сырьем для получения акриловых полимеров и сополимеров служат различные мономеры. Полимеризацию акриловых мономеров можно проводить раз¬личными методами. Для изготовления лаков наиболее пригоден лаковый метод; метод эмульсионной полимеризации применяет¬ся для получения латекса.

Полиакрилаты – полимеры и сополимеры акриловой и метакриловой кислот и их производных.

В качестве пленкообразующих используют сополимеры акриловых мономеров с различными непредельными соединениями.

Мономеры:

акриловая кислота

метакриловая кислота

и их производные общей формулы

В том числе эфиры, амиды, нитрилы, например:

метилметакрилат

бутилметакрилат

акриламид

акрилонитрил

Применяют также эфиры метакриловой (акриловой) кислоты, в алкильном заместителе R¢ которых имеются функциональные группы (гидроксильные, эпоксидные): моноакриловые эфиры гликолей, глицидиловые эфиры акриловых кислот, например:

гидроксиэтилакрилат

глицидилметакрилат

Из мономеров других типов при синтезе полиакрилатов чаще используют стирол:

и винил-н-бутиловый эфир:

Схематически полиакриловый сополимер можно представить следующей формулой:

Звенья производных акриловой кислоты в составе сополимера придают пленке эластичность, причем этот эффект усиливается с увеличением длины алкильного радикала.

Производные метакриловой кислоты придают сополимеру твердость и жесткость. По мере увеличения длины R от С1 до С14 и его разветвленности алкилакрилат превращается в пластифицирующий сомономер.

Неакриловые компоненты также изменяют в широких пределах свойства пленкообразователя. Так, стирол придает ему жесткость, винилбутиловый эфир – эластичность. Подбором компонентов и регулированием их соотношения можно получать сополимеры, удовлетворяющие различным требованиям.

Полиакрилаты, используемые в качестве пленкообразующих, принято делить на две группы – термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полиакрилаты – продукты сополимеризации мономеров, не содержащих иных функциональных групп, кроме двойных связей. Это сополимеры метилметакрилата с метил - и бутилакрилатом, бутилметакрилатом и др. Формирование покрытий на основе термопластичных полиакрилатов не сопровождается химическими превращениями и быстро протекает при комнатной температуре, но полученные лаковые покрытия при повышенной температуре размягчаются.

Термореактивные полиакрилаты получают сополимеризацией двух или более сомономеров, по крайней мере один из которых, помимо двойной связи, имеет какую-либо функциональную группу. Отверждение таких материалов происходит в результате химических превращений, в которых участвует эта функциональная группа, например, при введении отвердителей.

По типу таких функциональных групп термореактивные полиакрилаты подразделяются:

с N-метилольными группами;
с эпоксидными группами;
с гидроксильными группами;
с карбоксильными группами.

Полиакрилаты с N-метилольными группами получают при использовании акрил - или метакриламида в качестве сомономера. Так получают, например, сополимеры этих амидов с бутилметакрилатом, акрилонитрилом, стиролом и др.

При последующей обработке сополимеров формальдегидом образуются N-метилольные производные амидов. Для увеличения стабильности этих сополимеров часть их этерифицируют н-бутиловым спиртом. Схематически образование полиакрилатов с N-метилольными группами и их этерифицированных производных можно представить следующим образом:

Здесь М – сомономер.

Метилолированные сополимеры акрил - и метакриламида при 160-170°С могут отверждаться по обычным реакциям конденсации N-метилольных производных или их эфиров. Для отверждения этих полимеров могут быть использованы и отвердители – феноло-, карбамидо-, меламиноформальдегидные и эпоксидные олигомеры, полиизоцианаты и гексаметоксиметилмеламин.

Массовая доля амидных звеньев в сополимере не должна превышать 30%, в противном случае резко повышается хрупкость покрытий.

Полиакрилаты с эпоксидными группами получают полимеризацией смеси мономеров, один из которых содержит эпоксидную группу (глицидилакрилат, глицидилметакрилат). Эти сополимеры отверждаются всеми обычными отвердителями эпоксидных олигомеров. Но их применение ограничено дефицитностью глицидиловых эфиров.

В состав гидроксилсодержащих полиакрилатов входят гидроксиэтил - или гидроксипропилметакрилаты. Они отверждаются полиизоцианатами, а также меламино - и карбамидоформальдегидными олигомерами.

Карбоксилсодержащие сополимеры получают введением в состав акрилового сополимера от 3 до 25% одноосновных ненасыщенных карбоновых кислот, например акриловой или метакриловой. Применяют и двухосновные непредельные кислоты или их ангидриды (например, малеиновый). Сополимеры, содержащие до 5% непредельных кислот, иногда используют как термопластичные. Небольшое количество полярных карбоксильных групп придает покрытиям на их основе повышенную адгезию.

Покрытия на основе сополимеров акрилового ряда оптически прозрачны, с высоким блеском, химической стойкостью, стойкостью к старению. Покрытия на основе термопластичных полиакрилатов обладают высокой атмосферо- и светостойкостью. Они бесцветны, хорошо шлифуются и полируются, сохраняют блеск в течение длительного времени.

Термореактивные полиакрилаты образуют пленки с высокой механической прочностью, сохраняющейся в условиях повышенных температур, высокой водо - и атмосферо-, бензо - и химической стойкостью, высокой адгезией к металлам, а также хорошими декоративными свойствами.

Покрытия на основе полиакрилатов с метилольными группами характеризуются особенно высокой адгезией к различным металлам и грунтовкам, очень высокой механической прочностью и высокой водостойкостью. Полиакрилаты с эпоксидными группами обладают исключительными антикоррозионными свойствами.

На основе полиакрилатов получают различные лакокрасочные материалы:

растворы в органических растворителях (лаки);
неводные дисперсии;
водные дисперсии;
водорастворимые системы;
порошковые материалы.

В качестве пленкообразующего при изготовлении лаков применяют как термопластичные, так и термореактивные полиакрилаты. Растворители: сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды. Полиакрилаты для лаков получают полимеризацией мономеров в суспензии или в растворителе. Растворы непосредственно используют в виде лаков.

Лаки на основе полиакрилатов применяют в автомобилестроении, для окраски рулонного металла, алюминиевых строительных конструкций, а также бытовых приборов (стиральных машин, холодильников).

Неводные дисперсии полиакрилатов с размером частиц 0,1-30 мкм могут быть, например, получены путем сополимеризации акриловых мономеров со стабилизатором в летучих органических растворителях, не растворяющих сополимеры (алифатические углеводороды). В качестве стабилизаторов используют акриловые мономеры с заместителями, имеющими высокое сродство с жидкостью, выполняющей роль реакционной среды, например лаурил-метакрилат.

Основная область применения водных дисперсий акрилатов – автомобильная промышленность. Их используют также для получения высококачественных покрытий с хорошей адгезией к различным подложкам – ткани, бумаге, дереву, бетону, кирпичу и т. д. Кроме того, применяют в строительных красках (из-за малой проницаемости в подложку и высокой тиксотропности).

Водные дисперсии (латексы) получают эмульсионной полимеризацией в присутствии водорастворимых инициаторов и ПАВ (эмульгаторов). На их основе выпускают эмульсионные краски для защиты изделий из черных и цветных металлов и для наружной и внутренней отделки помещений.

Водорастворимые полиакрилаты
синтезируют сополимеризацией нескольких мономеров, из которых, по крайней мере, два имеют разные полярные реакционноспособные группы, обеспечивающие растворимость полимера в воде и его отверждение на подложке.

Их получают:

сополимеризацией акриловых мономеров в смешивающихся с водой органических растворителях;
эмульсионной сополимеризацией с последующим переводом латекса в водный раствор нейтрализацией карбоксильных групп сополимера аминами.

Водорастворимые полиакрилаты используются для получения лакокрасочных материалов, наносимых методом электрофореза. Образующиеся пленки отличаются лучшей адгезией к подложке, чем покрытия из полиакрилатов, нанесенные другими методами.

Для получения порошковых материалов используют только термореактивные полиакрилаты с карбоксильными, гидроксильными и эпоксигруппами. В порошковых материалах сополимеры применяют в сочетании с отвердителями. Полиакрилатные порошковые материалы наносят методом электростатического распыления и используют для окраски кузовов автомобилей, бытовых электроприборов и т. д.

На рис. 57 представлена схема производства акрилового сополимера эмульсионным способом.

В реакторе 6, снабженном пароводяной рубашкой, готовят водную фазу, состоящую из воды, нагретой до 50°С, и эмульгатора, и при интенсивном перемешивании загружают смесь мономеров, очищенных от ингибитора, и предварительно приготовленный раствор водорастворимого инициатора (например, персульфата аммония). Сополимеризацию проводят в токе азота при 75-80°С. По окончании синтеза эмульсию сополимера при непрерывном перемешивании передают в аппарат 9, в котором находится 10%-ный раствор хлорида натрия, нагретый до 60-70°С; при этом происходит разрушение эмульсии сополимера. Затем реакционную смесь, предварительно охлажденную до 30°С, подают на горизонтальную промывочную центрифугу 10 со шнековой выгрузкой осадка, в которой полимер отжимается от водной фазы и промывается водой. Сушку отжатого и промытого полимера проводят в сушилке «кипящего слоя» 12, после чего готовый сополимер через приемный бункер 13 направляется на фасовку.

Рис. 57. Технологическая схема процесса производства полиакрилата эмульсионным способом:

1, 2, 7 – весовые мерники; 3 – объемный мерник; 4, 8 – конденсаторы; 5 – жидкостный счетчик; 6, 9 – реакторы; 10 – промывочная центрифуга; 11 – шнек;

12 – сушилка «кипящего слоя»; 13 – приемный бункер

Схема производства акрилового сополимера в растворителе приведена на рис. 58.

Синтез сополимера по этой схеме проводится в реакторе 10, снабженном рубашкой для обогрева водяным паром. В него загружают растворитель (через жидкостный счетчик 6) и из весового мерника 5 предварительно приготовленную смесь мономеров, содержащую необходимое количество органорастворимого инициатора. Смесь мономеров с добавкой инициатора готовят в аппарате 7, в который все необходимые компоненты подаются из весовых мерников 1 и 2 и объемного мерника 3. Сополимеризацию проводят при 60-90°C (в зависимости от вида исходных мономеров и инициатора) в токе инертного газа. Полученный раствор сополимера (лак) сливают в промежуточную емкость 11, откуда направляют его вначале на очистку фильтрацией, а затем на фасовку.

Рис. 58. Технологическая схема процесса производства полиакрилата в растворителе:

1, 2, 5 – весовые мерники; 3 - объемный мерник; 4, 8- конденсаторы; 6- жидкостный счетчик; 7 – смеситель; 9 - центробежный насос; 10 - реактор; 11-промежуточная емкость; 12, 14 – шестеренчатые насосы; 13 - тарельчатый фильтр

Содержание статьи

КРАСКИ И ПОКРЫТИЯ. Краски – или, в более широком значении, покровные материалы – это суспензии, которые после нанесения на поверхности превращаются в твердые защитные пленки (покрытия). Рисунки на стенах доисторических пещер доказывают, что краска – одно из древнейших изобретений человека. В древнем искусстве рисования природные смолы и масла использовались как связующие, окрашенные грунты – как пигменты, камни применялись для измельчения пигментов, а волосяные кисти – для нанесения на поверхность дисперсии этих материалов в воде.

Главное назначение окраски – защита поверхности от воздействия окружающей среды. Эта защита необходима для столь различающихся объектов, как дом, велосипед и мост. Чтобы служить защитой, краска должна обладать нужной совокупностью свойств. Скажем, краска, используемая на открытом воздухе, должна выдерживать действие солнца, изменений температуры и влажности, обычных и кислотных дождей, града и снега. Краска, применяемая в помещении, должна быть моющейся и иметь удовлетворительные характеристики старения и износа. Покрытия металлических деталей самолетов, автомобилей, судов и мостов должны защищать металл от коррозии.

КОМПОНЕНТЫ ПОКРЫТИЙ

Покрытие состоит из связующего (пленкообразователя), сшивающего агента, пигмента, растворителя и добавок. После нанесения покрытия на поверхность растворитель испаряется, а пигмент остается в прочной пленке, удерживаемой связующим (например, смолой).

Связующее.

Полимерное связующее (слово «полимер» образовано от греч. poly – много и méros – часть) состоит из гигантских молекул, образованных многими мономерными звеньями. При использовании в покрытии полимер образует прочную пленку, которая остается на поверхности, когда растворитель испаряется. (Слово «связующее» используется и потому, что полимер связывает в одно целое компоненты покрытия.) Химическая природа полимера определяет свойства покрытия, в том числе атмосферостойкость и силу сцепления с поверхностью. Разработка основных свойств покрытия – задача для химика-полимерщика, который синтезирует полимер, используя такие мономеры, которые позволяют получить, скажем, твердое и хрупкое или мягкое и эластичное покрытие. Полимеры бывают натуральными или синтетическими. До Второй мировой войны большинство покрытий получали с использованием натуральных полимеров, извлекаемых из растительных масел, например льняного или соевого. Успех в разработке синтетических полимеров, достигнутый благодаря работам Г.Штаудингера в Германии (1920), а также У.Карозерса (1929) и П.Флори (1939) в США, позволил превзойти характеристики и свойства натуральных полимеров. В настоящее время большинство покрытий изготавливают на основе разнообразных синтетических полимеров, получаемых из мономеров, которые являются нефтепродуктами.

Латексные полимеры.

Эти полимеры используются в качестве связующих в латексных красках для помещений и составляют наибольший объем среди полимеров, применяемых в покрытиях. Латексный полимер эмульгируют в воде, а не растворяют в растворителе. Латексные частицы слипаются с образованием пленки покрытия по мере того, как вода испаряется. Для получения латексных полимеров используют такие мономеры, как метилметакрилат, бутилакрилат, стирол, винилацетат, винилхлорид, акриловая и метакриловая кислоты. Типичный состав латексных белил для жилых помещений приведен в табл. 1.

Таблица 1. ТИПИЧНЫЙ СОСТАВ АКРИЛОВЫХ ЛАТЕКСНЫХ БЕЛИЛ ДЛЯ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Компонент	Вещество	Объем, л
Пигмент	Двуокись титана Слюда Силикат магния Карбонат кальция	7,29 1,28 4,21 3,70
Связующее	Акриловый латекс как 46%-я эмульсия в воде
Растворитель	Вода
Загуститель	Гидроксиэтилцеллюлоза – вода
Диспергатор	Неионный эмульгатор в виде 25%-ого водного раствора
Смачиватель	Алкиларильное поверхностно-активное вещество
Противовспениватель	Промышленный препарат
Термостабилизатор	Этиленгликоль
pH-стабилизатор	Гидроксид аммония в виде 29%-ого водного раствора
Фунгицид	Ртутьорганический фунгицид
Итого:

Акриловые полимеры.

На основе этих полимеров изготавливают прочные, гладкие, атмосферостойкие покрытия. Акриловые полимеры получают из тех же мономеров, что и перечисленные выше для латексных полимеров. Акриловые полимеры используются либо сами по себе, либо в смеси с изоцианатами для образования полиуретанов. Покрытия из полиуретанов широко применяются на легковых и грузовых автомобилях, судах, самолетах и вообще в тех приложениях, где нужна долговечность на открытом воздухе.

Алкидные полимеры.

Алкидные полимеры получают из смеси растительных масел, например соевого и подсолнечного, и синтетических мономеров, скажем, адипиновой кислоты, фталевого ангидрида, этиленгликоля и пентаэритрита. Алкидные полимеры дают гладкие покрытия, которые имеют хорошую влагостойкость и часто используются в душевых или для изготовления навесов. Поскольку они относятся к наиболее дешевым полимерам, их применяют в разнообразных красках.

Эпоксидные смолы.

Эти связующие образуют пленки, которые влаго- и коррозионностойки и хорошо прилипают к металлам. Их часто используют в сочетании с аминосмолами, чтобы получить прочные твердые покрытия для промышленных установок, самолетов, мостов и подводных лодок.

Сложные полиэфиры.

Сложные полиэфиры, применяемые в покрытиях и синтетических тканях, весьма похожи друг на друга. Они также похожи на алкидные полимеры: действительно, алкидный полимер можно рассматривать как модифицированный маслом сложный полиэфир. Эти полимеры дают прочные гибкие покрытия для конторской мебели и оборудования.

Фторированные и кремнийорганические полимеры.

Производство этих связующих обходится дорого, и они применяются, в частности, для нанесения красивого и атмосферостойкого покрытия на некоторые дорогие автомобили, а также в тех приложениях, где цена не имеет существенного значения.

Сшивающие агенты.

Сшивающие агенты – это вещества, вызывающие образование в полимере поперечных связей. В результате получается более прочное и жесткое покрытие. Среди обычно применяемых сшивающих агентов – изоцианаты (образующие полиуретаны), меламины, эпоксиды и ангидриды. Род сшивающего агента может сильно повлиять на совокупность свойств покрытия.

Пигменты.

Пигменты представляют собой окрашенные твердые частицы, которые придают покрытию окраску и укрывистость путем поглощения или рассеяния света . Красители также придают окраску, однако, в отличие от пигментов, они растворяются в жидком покровном материале. Пигменты используются гораздо чаще, чем красители, ввиду их большей укрывистости, зависящей от разности показателей преломления пигмента и связующего. (Показатель преломления есть мера способности вещества отклонять падающие на него световые лучи.) Чем больше упомянутая разность показателей преломления, тем выше укрывистость покрытия. Показатели преломления некоторых типичных пигментов и типичного связующего указаны в табл. 2. В цветной краске красящие пигменты составляют только малую долю всего пигмента; его большую часть образуют белый и инертный пигменты. В качестве белого пигмента наиболее часто применяется двуокись титана – неорганическое твердое вещество, которое придает покрытию хорошую укрывистость; например, с ее помощью можно придать темной основе другой, более светлый оттенок, используя минимальное число слоев покровного материала. Свинцовые пигменты раньше применялись для получения эффекта укрывистости, но были исключены из состава покровных материалов для жилых помещений ввиду своей токсичности. Инертные пигменты, используемые для повышения укрывистости и более дешевые, чем двуокись титана, включают каолин (глину), карбонат кальция (известняк), кремнезем (песок) и окись цинка.

Таблица 2. ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПОКРЫТИЙ
Белые пигменты
Двуокись титана (кристаллы рутила)
Двуокись титана (кристаллы анатаза)
Окись цинка
Свинцовые белила
Инертные пигменты
Силикат магния
Слюда
Связующее
Льняное масло

Хотя у составителя рецептуры покрытия в распоряжении имеются сотни пигментов, только 25–30 из них составляют более 80% всего используемого объема. Когда составитель определился с цветом конкретного покрытия, следующими наиболее важными критериями являются укрывистость и светостойкость. Пигмент, используемый в краске для жилого помещения и покрытии для велосипеда или автомобиля, должен сохранять свой цвет в течение длительного времени.

Специальные пигменты часто применяются для создания зрительного эффекта. Специалисты по отделке часто используют смесь металлического и перламутрового пигментов, которая, взаимодействуя со светом сложным образом, дает неповторимый зрительный эффект от автомобильной краски.

Пигменты на основе хромата, оксида и фосфата цинка применяются в покрытиях металлов, поскольку придают им коррозионную стойкость.

Растворители.

Растворитель представляет собой среду, обеспечивающую перенос компонентов покрытия на покрываемую поверхность. Эти компоненты – полимер, сшивающий агент, пигмент и добавки – либо растворяются в растворителе, либо диспергируются в нем с образованием суспензии. Два наиболее важных свойства растворителя – это способность растворять компоненты и скорость испарения. При растворении полимера растворитель должен уменьшать размер твердых полимерных частиц или вязкость текучего полимера, чтобы облегчить нанесение покровного материала на поверхность. Скорость испарения растворителя определяет скорость сушки покрытия. От скорости испарения растворителя может также зависеть фактура поверхности покрытия: например, слишком высокая скорость может привести к грубой фактуре.

Вода – основной «растворитель» и разжижитель латексных красок. Полимерное связующее не растворяется в воде, а диспергируется в ней в виде мельчайших эмульсионных частиц посредством действия эмульгатора (мыла). В краску добавляется также небольшое количество органического растворителя, чтобы создать среду, с помощью которой эмульсионные частицы соединяются в одно целое в процессе сушки, образуя липкую пленку. Большим достоинством латексных красок является то обстоятельство, что кисти, валики и другие приспособления (а также лужи и брызги краски) могут очищаться водой.

Добавки.

Одной из наиболее распространенных является «ультрафиолетовая» добавка, повышающая стойкость покрытия к действию солнечного излучения. Катализаторы вводятся для ускорения реакции сшивающего агента в покрытии, чтобы быстрее получалась сухая и стабильная покровная пленка. Добавление пластификаторов делает покрытие более гибким, что особенно важно, когда покрытие наносится на нежесткие пластмассовые конструкции. Добавление фунгицидов препятствует образованию грибка и плесени на окрашенных поверхностях жилых помещений. При наличии добавки, повышающей текучесть, покровный материал легко наносится на поверхность и размазывается в гладкую пленку.

ТИПЫ ПОКРЫТИЙ

Характеристики покрытия должны соответствовать его назначению. Высокоглянцевое, отражающее свет покрытие автомобиля не подошло бы для отделки жилого помещения, а густотертая матовая латексная краска – для покраски легкового автомобиля.

Покрытия разделяются на три основные категории в соответствии со своим назначением. Строительные покрытия (красочные покрытия для жилых помещений) составляют примерно половину всех производимых покрытий. Покрытия на изделиях защищают автомобили, велосипеды, суда, самолеты, мебель, металлические предметы обихода и т.д. Специализированные покрытия используются для отделки металлической тары, мостов и промышленных установок.

ПОКРАСКА

Даже покровный материал наивысшего качества, нанесенный неподходящими средствами, неудовлетворительным методом либо в неблагоприятных условиях окружающей среды, даст неудовлетворительные результаты.

Нанесение латексной краски при температуре ниже 10° С – пустая трата времени, так как краска не высохнет. Перед употреблением краску надо тщательно перемешать, чтобы гарантировать однородность смеси. Окрашиваемая поверхность должна быть чистой и сухой. Отслоившуюся краску надо соскрести с поверхности; нанесение краски на участки с шелушащейся краской неразумно, потому что старая краска будет продолжать отслаиваться и отпадать вместе с новой. Когда отслаивание происходит на обширном участке поверхности, часто наилучшим способом удаления старой краски оказывается выжигание ее паяльной лампой. Наиболее популярными приспособлениями для нанесения строительных покрытий являются кисть и валик.

Покраска кистью – старейший и простейший метод нанесения краски, но также и самый медленный. Более быстрый способ покраски больших плоских поверхностей вручную – использование валика. Валик состоит из матерчатого плетеного чехла, натянутого на твердый вращающийся цилиндр. Щиток для улавливания брызг обычно является частью приспособления и служит для того, чтобы избежать брака, особенно когда покраска валиком производится очень быстро. Валик чаще всего загружается краской окунанием его в поддон с краской. Валик погружается в краску и прокатывается в ней, пока полностью не наберет ее, а потом прокатывается по откосу или решетке поддона, чтобы удалить воздух, оставшийся в плетеном чехле. Валик надо осторожно прислонять к поверхности и прокатывать по ней на небольшое расстояние, чтобы избежать брызг. Следует не допускать перекрывания слоев краски на соседних участках и не вращать валик, когда краска на нем израсходована. Поскольку тщательная очистка чехла валика трудоемка, после использования его часто выбрасывают.

Большинство содержащих растворители декоративных покровных материалов для автомобилей, самолетов и других аналогичных изделий наносится распылителем. Распыление – быстрый способ нанесения покрытий, дающий наиболее гладкую, глянцевую пленку. Чтобы избежать вдыхания чрезмерного количества паров растворителя во время покраски распылением, маляр должен надевать поглощающий пары респиратор. В некоторых случаях покраска распылением производится в закрытом помещении с вентиляторной вытяжкой паров. Имеются разнообразные устройства для покраски распылением, и выбор конкретного устройства зависит от природы покровного материала и требуемых характеристик изготавливаемого покрытия.

ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ

Безопасность работ.

В прошлом главным компонентом покровных материалов (за исключением латексных) был растворитель. Поскольку пары некоторых растворителей вредны для здоровья, были введены ограничения на количества растворителей, используемых в покровных материалах. Однако, когда количество растворителя в краске уменьшается, характеристики ее течения и нанесения на поверхность, а также свойства покрытия могут ухудшаться. Химики разработали покровные материалы с пониженным содержанием растворителя, не уступающие по качеству старым. Химия формирования пленки из таких покровных материалов часто более сложна, чем для обычных материалов. Другой путь соблюдения ограничений на содержание растворителей – составлять такие рецептуры покровных материалов, в которых растворителем является вода, как в случае латексной краски для жилых помещений. И в этом случае покровный материал часто должен иметь сложный химический состав, чтобы он предварительно образовывал водную эмульсию, а потом, после сушки покрытия, оставался водостойким. Хотя производство красок и других покровных материалов растет со скоростью только 1% в год, ежегодный рост объема производства материалов с пониженным содержанием растворителя и на водной основе составляет 8–10%.

Созданы покровные материалы, по существу не содержащие растворителя, – порошковые краски. Такие материалы наносятся (спеканием) на электроприборы, мелкие металлические изделия, светильники и алюминиевую облицовку. На некоторые части днища автомобиля наносятся прочные порошковые покрытия, стойкие к коррозионному действию солей, которыми посыпают дороги. Порошковый покровный материал состоит в основном из полимера (эпоксидного, акрилового, сложноэфирного) и пигмента. Для нанесения тонкого слоя порошка используется специальное оборудование. Когда изделие, покрытое таким слоем, нагревается в печи до примерно 150–230° С, частицы порошка расплавляются и спекаются в покровную пленку. Для получения прочной пленки часто используются сшивающие агенты. Порошковые покровные материалы – быстро растущий сектор химической промышленности.

Изоцианаты, применяемые для изготовления полиуретановых покрытий, при неправильном обращении могут нанести вред здоровью. Это касается тех работ (например, в мастерских по обработке кузовов автомобилей), где покрытия наносятся распылением. Некоторые поставщики предлагают покровные материалы, не содержащие изоцианата.

Другие вопросы.

Химики-материаловеды проявили замечательную изобретательность в применении химии полимеров к созданию покрытий промышленного назначения. Маскирующее покрытие затрудняет распознавание объекта глазом. Были созданы покрытия для военных самолетов, затрудняющие их обнаружение радаром. Такие полимеры, как полиамиды, не разлагаются при очень высоких температурах. Их применяют для изготовления огнестойкого костюма пожарника и покрытий компонентов космической техники.