Изучение свойств пленок и покрытий на основе гибридных акрилат-уретановых латексов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 667.663.62.062.11

А.В. Крылов1, И.А. Толмачев2, В.К. Васильев3, Т.В. Степанова4, С.К. Курлянд5, А.Н. Омельченко6,

К.И. Леонтьева7.

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПЛЕНОК И ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ АКРИЛАТ-УРЕТАНОВЫХ ЛАТЕКСОВ.

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26

ООО «Норд-Синтез»

195027 Санкт-Петербург, Магнитогорская ул., д. 51

ФГУП Научно-исследовательский институт

синтетического каучука

198035, Санкт-Петербург, Гапсальская ул., д. 1

Изучены различные свойства пленок и покрытий на основе водных ак-рилат-уретановых пленкообразующих систем, полученных смешением и синтетическим путем. Выявлена взаимосвязь природы пленкообразо-вателя с изменением свойств пленок и покрытий на их основе.

Ключевые слова: пленкообразующие системы, акрилат-уретаны,

гибридные латексы, взаимопроникающие сетки.

Модификация акрилатных пленкообразователей полиуретанами широко используется для повышения физико-механических свойств пленок и покрытий. Преимущественно она осуществляется путем смешения пленкообразующих систем, в случае водных - смешением латек-сов [1]. При этом достигается ряд эффектов: повышение эластичности, износостойкости, адгезионной прочности.

В последнее время появилось сравнительно новое направление получения таких модифицированных систем - синтетическое. Оно осуществляется путем проведения полимеризации акрилатных сомономеров в полиуретановых латексах с получением, так называемых, ак-рилат-уретановых гибридных латексов [2]. В данной работе проведено сопоставление свойств пленок и покрытий, получаемых из смесей полиакрилатного и полиуретанового латекса и гибридных латексов различного состава.

Исследованные в работе латексы были синтезированы в лаборатории ООО «Норд-Синтез», их характеристики приведены в таблице 1:

1. латекс сополимера стирола, бутилакрилата и метакриловой кислоты

2. полиуретановый латекс получали, так называемым, ацетоновым методом [4] - эмульгированием в воде ацетонового раствора полиуретанового полимера на основе тетрагидрофурана, содержащего ионизированные группы, вводимые в состав полимера за счет конденсации с дигидроксикарбоновой кислотой

3. гибридный акрилат-уретановый латекс получали путем привитой сополимеризации при различном соотношении полиакрилатной и полиуретановой составляющей. Для этого первоначально получали полиуретановую дисперсию, по описанной выше методике, затем в эту дисперсию вводили акрилатные мономеры, диффун-

1 Крылов Андрей Владимирович , аспирант каф. химической технологии органических покрытий СПбГТИ(ТУ), andrew_krylov@inbox.ru

2 Толмачев Игорь Андреевич, д-р техн. наук, профессор каф. химической технологии органических покрытий СПбГТИ(ТУ), orgpokr@lti-gti.ru

3 Васильев Вячеслав Константинович, канд. хим. наук, нач. лаборатории латексов ООО «Норд-Синтез», vasiliev1552@mail.ru .

4 Степанова Татьяна Васильевна, науч. сотр. лаборатории латексов ООО «Норд-Синтез», vasiliev1552@mail.ru

5 Курлянд Сергей Карлович, д-р техн. наук, профессор , зав. лабораторией физики полимеров ФГУП НИИСК, ikurland@webox.ru

6 Омельченко Анастасия Николаевна, мл. науч. сотр. лаборатории физики полимеров ФГУП НИИСК, ikurland@webox.ru

7 Леонтьева Ксения Игоревна, студентка каф. химической технологии органических покрытий СПбГТИ(ТУ), orgpokr@lti-gti.ru

Дата поступления - 18 мая 2012 года

дирующие в частицы полиуретана, где происходила их сополимеризация.

_______________Таблица 1. Характеристика синтезированных латексов

Латекс рн Минимальная температура пленко-образования , °С Содер- жание нелетучих веществ, % Условная вязкость, с Диаметр частиц, нм Твердость по маятниковому прибору ТМЛ 2124

1 7,7 60 47,1 14,0 150 0,45

2 9,0 10 27,9 15,0 20 0,35

3 7,7 17 40,5 14,5 100 0,45

Была проведена оценка деформационно-

прочностных показателей: модуля упругости (Е), предела прочности (стр) и относительного удлинения (е) при растяжении пленок, полученных из смесей полиакрилатного и полиуретанового латексов (рисунок 1).

Как видно, изменение деформационно-

прочностных характеристик пленок на основе смесей ла-тексов имеет характер преимущественно близкий к аддитивному. Введение уретанового латекса приводит к возрастанию деформационной прочности, как в области малых деформаций, так и в области разрывных деформаций, при значительном увеличении эластичности, что является характерным для пленкообразующих систем содержащих полиуретановые компоненты.

На рисунке 2 приведены данные, характеризующие адгезионную прочность покрытий на алюминиевой фольге и износостойкость. Как видно, показатели покрытий изменяются приблизительно пропорционально содержанию полиуретанового латекса: возрастание адгезионной прочности связано с более высокими адгезионными

свойствами полиуретана, обусловленными образованием водородных связей с субстратом, возрастание устойчивости к истиранию, обусловлено особенностями деформационно-прочностных свойств полиуретана, при истирающем воздействии.

Рисунок 1. Деформационно-прочностные показатели смешанных пленок при различном соотношении полиакрилата и полиуретана в покрытии: 1 - модуль упругости пленок; 2 - предел прочности пленок при растяжении; 3 - относительное удлинение пленок при разрыве;

Содержание П

Рисунок 2. Адгезионная прочность покрытий на А1 фольге (1) и эрозионный износ покрытий (2), полученных из смесей акрилатного и полиуретанового лактесов.

Было установлено, что наряду с улучшением эластичности, адгезионных свойств, стойкости к истиранию, царапанию, модификация полиуретановыми фрагментами приводит к значительному возрастанию гидрофильности (рисунок 3а). Поглощение воды пленками сопряжено с уменьшением их прозрачности (рисунок 3б), что связано с образованием микрофаз воды вокруг полярных, гидрофильных групп полиуретана.

На рисунке 4 приведены аналогичные данные для пленок, сформированных из гибридных латексов.

Сопоставление показателей, характеризующих гидрофильность - величины водопоглощения и снижения прозрачности пленок, полученных из смесей и гибридных латексов, при выдержке в воде показало, что при одном и том же содержании полиуретанового компонента, величина водопоглощения для пленок, полученных из смесей, колеблется в интервале 25-30%, а для пленок, полученных из гибридных латексов - 15-18%. Величина прозрачности после выдержки в воде пленок, полученных из смесей латексов, колеблется в интервале 40-45%, для пленок, полученных из гибридных латексов - 70-85%.

Время,ч

Рисунок 3. Водопоглощение (а) и прозрачность (б) пленок на основе смесей акрилатного и полиуретанового латекса.

Время,ч

Рисунок 4. Водопоглощение (а) и прозрачность (б) пленок на основе гибридного акрилат-уретанового латекса.

По литературным данным отличие сорбционных свойств пленок, сформированных из смесей латексов и гибридных латексов обусловлено различным уровнем гетерогенности [2], что для исследованных систем подтверждено данными сопоставления температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь (рисунок 5), из которой следует, что полиуретановая составляющая в пленках, сформированных из гибридных латексов, не

формирует самостоятельную дискретную фазу, а равномерно распределяется в матрице полиакрилата:

I

I

I

А і У і А і

і /1 і і У і і /4 і

і А і У 1 і А і

т -А-А- А

-А-А-А -А -А -А -М -А -А -А -А -

-У—У—У—У-У-

I

У

I

У

]

■У-УЛ^У-А I

А

I

-У-

1G 15 2G

Адгезионная прочность покрытии на алюминиевой фольге, Н/м Гибридный акрилат-уретановый латекс 5G 6G 11G

Смесь акрилатного и полиуретанового латексов 3G 45 67

Потеря массы при эрозионном износе покрытий после 150 двойных ходов истирающего устройства, г/м2 Гибридный акрилат-уретановый латекс 1,23 1,3G 1,42

Смесь акрилатного и полиуретанового латексов 4,7 4,4 4,2

Содержание полиуретанового ком-

Присутствие такой протяженной полярной полиуретановой составляющей в матрице полиакрилата приводит к более эффективному возрастанию адгезионной прочности и снижению эрозионного износа покрытия при истирающем воздействии, по сравнению с покрытиями полученными из смесей (таблица), при одинаковом содержании полиуретана.

Таблица 2. Адгезионная прочность и эрозионный износ покрытий, сформированных из смесей акрилатного и полиуретанового латексов и _________________________гибридных акрилат-уретановых латексов.

Рисунок 5. Тангенс угла диэлектрических потерь пленок на основе смесей акрилатного и полиуретанового латексов и гибридного акрилат-уретанового латекса.

Полученные данные создают предпосылки для использования гибридных акрилат-уретановых латексов в качестве пленкообразующих систем в составах для покрытий с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Литература

1. Потапочкина И.И., Логинова С.Е. Свойства покрытий на основе смесей водных дисперсий полиуретана и полиакрилата // Лакокрасочные материалы. 2009. № 5. С. 34-37.

2. Adrian Thomas. Polyurethane dispersions and polyurethane/acrylic hybrid dispersions for coating and printing applications / Surface Coatings Australia. September. 2008. Р. 16-24.

3. Крылов А. В., Толмачев И.А., Васильев В. К., Степанова ТВ., Баулина А.Г., Климчук В.И. Акрилат-уретановые пленкообразующие системы для воднодисперсионных лакокрасочных материалов // Лакокрасочные материалы. 2011. № 11. С. 14-17.

4. Фибель Ш., Филипп К. Маленький прилежный помощник // Лакокрасочные материалы. 2011. № 4. С. 2630.