ЦіЛЬОВЕ МОДИФіКУВАННЯ КАРБОНАТНИХ НАПОВНЮВАЧіВ ДЛЯ ВОДНО-ДИСПЕРСіЙНИХ ФАРБ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ISSN 222Б-3780

ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ, ЛЕГКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК ББ7.Б

Б01: 10.15587/2312-8372.2015.40242

ЩДЬОВЕ М0ДНФ1КУВАННН КАРБОНАТНИХ НАП0ВНЮВАЧ1В ДЛЯ ВОДНО-ДНСПЕРС1йННХ ФАРБ

З метою максимального використання потенцгалу украгнських родовищ карбонатгв у вигля-д1 бших мгнеральних наповнювачгв у складг водно-дисперсшних фарб були вивченг властивостг та можливгсть гх модифгкування методом механохгмгчног активацгг поверхнг в присутностг поверхнево-активнихречовин. Встановлено, що за допомогою оптимальних концентрацш модификатора змгнюеться лгофгльний баланс наповнювачгв, збгльшуеться площа гх поверхт, а також полтшуються фгльтрацшнг властивостг по вгдношенню до органгчних матергалгв.

Клпчов1 слова: карбонатний наповнювач, питома поверхня, полгмерофгльнгсть, модифша-цгя, ПАР.

Комаха В. 0., Свщерський В. А.

1. Вступ

Природна крейда — один з найпоширетших бших пiгментiв-наповнювачiв для полiмерних композицшних матерiалiв [1]. Для використання крейди в якосп функщ-онального наповнювача водно-дисперсшних фарб (ВДФ) з покращеними експлуатацшними властивостями необхщно досягти високого ступеня змочування крейди полiмером, пщвищити адгезiю на межi подшу фаз полiмер — наповнювач, зменшити схильнiсть 11 частинок до агломерацп.

В зв'язку iз цим, модифжування карбонатiв каль-цiю е досить актуальним, оскiльки дозволить бшьш ефективно використовувати потенцiал крейди як наповнювача ВДФ [2].

2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми

У хiмiчнiй технологи накопичений багатий досвiд використання поверхнево-активних модифiкаторiв для розробки композицiйних матерiалiв [3, 4]. Так, в робота [5] показано, що полiпшити властивост композитiв на основi стирол-бутадiеновий латекав можна шляхом 1х наповнення нанодисперсними карбонатами кальщю модифiкованими силанами в безводному етанол! При цьому кремншоргашчш агенти проявляли найбiльшу ефективнiсть тшьки при великих концентрацiях (до 5 мас. %). Питанням дослiдження взаемодп в системах карбонат кальцiю — полiмер також присвячена публжа-щя [6]. Авторами вивчено вплив модифжацп карбонату кальцiю компаундом стеариново'1 кислоти i силану на його взаемодш з полiдиметилсилоксановими смолами. Однак цей споаб е досить енерговитратним, так як вщбуваеться при високих температурах 105-125 °С.

В розглянутих випадках активащя поверхнi напов-нювачiв дозволяе цшеспрямовано змiнювати властивостi композицiйних матерiалiв на 1х основi: пiдвищувати мщшсть, стiйкiсть до ударiв та стирання, тощо. Однак, детальних дослiджень попереднього модифжування мь неральних наповнювачiв з метою 1х введення до складу ВДФ не проводилось.

При поверхневш обробщ крейди необхiдно врахову-вати кшьюсть введеного модифiкатора для максимального тдвищення взаемодп в системi полiмер-наповнювач, з одного боку, та попередження утворення агломерапв у розчиннику, з шшого [7]. Можливiсть регулювання властивостей модифiкованих крейд та ощнка 1х пливу на якiсть ВДФ вимагае детального вивчення.

3. Об'скти, мета та задач1 дослщження

Об'ектами дослгдження виступали карбонатш напов-нювачi вiтчизняних родовищ, представленi природними осадовими збагаченими крейдами.

Мета дослгджень — встановити закономiрностi та особливост змiни властивостей карбонатних наповню-вачiв в залежностi вiд концентрацп модифiкатора.

Для досягнення мети було поставлено наступш зав-дання:

1) провести модифжування карбонатних наповню-вачiв;

2) порiвняти вихiднi та модифiкованi наповнювачi за показниками коефiцiента фiльтрацii, питомо'1 ефек-тивно'1 поверхнi та коефщента гiдрофiльностi;

3) встановити залежностi мiж концентрацiею моди-фiкатора та властивостями модифжованих матерiалiв.

4. Матер1али та методи дослщження властивостей модифжованих карбонатних наповнпвачш

В якостi карбонатних наповнювачiв обрано вггчиз-нянi осадовi крейди: МТД-2 (ВАТ «Сумиагропромбуд»); ММС-1 (ЗАТ «Новгород-Иверський завод будiвельних матерiалiв»); ММС-2 (ВАТ «Слов'янський крейдовап-няний завод»); КН-5 (ЗАТ «Волчеяровський завод карбонатних наповнювач1в»).

Як модифiкатор використано водно-спиртовий роз-чин метилсилжонату калт (CHзSi(OH)2OK), що являе собою кремншоргашчну анiонну ПАР.

Модифiкування карбонатiв проводили в лаборатор-них кульових млинах (потужшсть — 300 Вт, швид-кiсть — 200-600 об/хв.) шляхом 1х диспергування

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 2/4(22], 2015, © Комаха В. □., Свщерський В. А.

с

ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОИ, ЛЕГКОЙ И ХИМИНЕСКОИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ISSN 2226-3780

у присутност1 р1зних концентрац1и моди-фжатора протягом 45-50 хв.

Ефект модифжування креИди визнача-ли шляхом вим1рювання коефщ1ента пдро-ф1льност1, коефщ1ент1в ф1льтрацп по вод1 та бензолу, ефективно! питомо! поверхш по вод1 та бензолу за методиками [8, 9]. Вим1рювання проводили на прилад1 для ви-значення коефщ1ента ф1льтрацп 1 катляр-ного просочування пористих 1 дисперсних матер1ал1в [10].

5. Результати дослщжень

властивостей модифшованих карбонатних наповнпвач1в

Виб1р модифжатора обумовлениИ пози-тивним зарядом поверхш креИди. Метилси-лжонат кал1ю е анюноактивною ПАР, яка у водних розчинах дисощюе на пдроксид калш 1 кремншоргашчниИ анюн. Останнш може взаемод1яти з поверхнею наповнювача з утворенням нерозчинних солеИ.

На процеси змочування карбонатних на-повнювач1в як полярними, так 1 неполярни-ми рщинами суттево впливае мжрострукту-ра частинок (форма, розм1ри, пориспсть). Ощнку впливу цих фактор1в визначали за змшою коефщ1ента фшьтраци (Кф) дисперсних систем. Значення Кф для дослщжуваних креИд змшюються в межах вщ 0,191 до 0,243 та 0,454 до 0,541 ■ 10-6 см3 ■ с/г вщповщно по вод1 та по бензолу. Для неполярних рщин Кф дещо вищиИ, шж для полярних, що пов'язано з р1зною в'язюстю води та бензолу (0,600 1 0,894 ■ 103 Па ■ с вщповщно). Для модифжованих креИд значення Кф для полярних рвдин зменшуються на 10-20 % вщ початкового р1вня, а для неполярних — навпаки, зростають на 8-15 % (рис. 1).

Зменшення Кф по вод1 можна поясни-ти тдвищенням дисперсност 1 шдльносп упаковки частинок карбонапв, зменшенням ступеня !х агрегованост та розм1ру капшя-р1в у м1жчастинковому простор! З цього випливае, що модифжування карбонапв ме-тилсилжонатом калш змшюе енергетичниИ стан !х поверхш, а це прямо пропорцшно впливае на !х питому поверхню. На рис. 2 наведет крив1, що описують залежшсть зна-чень питомо! ефективно! поверхш по в1д-ношенню до води та бензолу в1д масово! частки модифжатора.

За показником ефективно! питомо! по-верхш як за водою, так 1 за бензолом ви-хщш карбонати утворюють наступниИ ряд в порядку зменшення: ММС-1 > КН-5 > > МТД-2 > ММС-2. Значення питомо! ефективно! поверхш модифжованих креИд по вщ-ношенню до неполярних рщин збшьшуеться на 25-35 % в залежност вщ марки креИди. При чому, як видно з рис. 2, максимально ефективною е концентращя модифжатора — 0,5 мас. %.

рис. 1. Залежшсть коефiцiEнтiв фшьтрацй карбонатних наповнювачгв модифшованих CH3Si(DH)2DK по вод (а) та бензолу (б) вiд масово! частки модифiкатора

рис. 2. Залежшсть питомо! ефективно! поверхнi карбонатних наповнювачiE модифiкованих CH3Si(DH)2DK визначених за водою (а) та бензолом (б) вщ масово! частки модифшатора

I 10

технологический аудит и резервы производства — № 2/4(22], 2015

ISSN 2226-3780 ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОИ, ЛЕГКОЙ И ХИМИНЕСКОИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

J

Рис. 3. Значения коефгщЕнта л1оф1льност1 (ß) для не модифшованих та модиф1кованих CHjS^DH^DK карбонатних наповнювач1в

змiнюeться енергетичний баланс поверхш в сторону люфШзаци.

Таким чином, проведет дослщження показали, що при наповнент воднодисперсiйних фарб карбонатами украшських родовищ доцiльно проводити 1х попередню механоактивацiю i3 застосуванням водно-спиртового роз-чину CH3Si(0H)20K в концентрацп 0,5 мае. %, оскiльки така обробка дозволяе наблизити природу поверхш карбонапв до плiвкоутворюва-ча, покращити змочування i розподiл часток наповнювача в структурi покриття.

Штература

1. Merezhko, N. Expanding of raw material base of mineral fillers for water-dispersion paints in Ukraine [Text] / N. Merezhko, V. Sviderskyi, V. Komakha, O. Shulga; Ed.: R. Salerno-Kochan // Commodity Science in Research and Practice — Non-food products' quality and innovations. — Cracow: Polish Society of Commodity Science, 2014. — Р. 113-117.

2. Gysau, D. Fillers for Paints [Text] / Detlef Gysau. — Hannover/Germany: Vincentz Network, 2006. — 199 p.

3. Goldschmidt, A. BASF Handbook on Basics of Coatings Technology [Text] / Arthur Goldschmidt, Hans-Joachim Streitberger. — Ed. 2. — Munster/Germany: Vincentz Network, 2007. — 769 p.

4. Брок, Т. Европейское руководство по лакокрасочным материалам и покрытиям [Текст]: справочник / Т. Брок, М. Гро-тэклаус, П. Мишке. — М.: Стандарт, 2007. — 548 c.

5. Zhiyuan, Y. Surface modification of CaCO3 nanoparticles with silane coupling agent for improvement of the interfacial compatibility with styrene-butadiene rubber (SBR) latex [Text] / Y. Zhiyuan, T. Yanjun, Z. Junhua // Chalcogenide Letters. — April 2013. — Vol. 10, № 4. — P. 131-141.

6. Xiaoming, X. Influence of surface-modification for calcium carbonate on the interaction between the fillers and polydimethyl-siloxane [Text] / X. Xiaoming, T. Xiao-le, Z. Qiang // Chinese Journal of Polymer Science. — 2008. — Vol. 26, № 2. — P. 145-152. doi: 10.1142/S0256767908002777

7. Mikanovic, N. Influence of Surfactant Chemical admixtures on the Stability and rheological Properties of Calcium Carbonate and Cement Pastes [Text] / N. Mikanovic, C. Jolicoeur, M. Page // Proceedings of conference «Recent developments in superplasticizers». — October 2006. — Vol. 239. — P. 321-344.

8. Пащенко, А. А. Гидрофобный вспученный перлит [Текст] / А. А. Пащенко, М. Г. Воронков. — К.: Наукова думка, 1977. — 202 с.

9. Bentley, J. Introduction to Paint Chemistry and principles of paint technology [Text] / J. Bentley, G. Turner. — London/UK: Chapman & Hall, 1997. — 298 p. doi:10.1007/978-1-4899-3180-1

10. Дерягин, Б. В. Прибор для определения коэффициента фильтрации и капиллярной пропитки пористых и дисперсных тел [Текст] / Б. В. Дерягин, Н. Н. Захаева, М. В. Талаев. — М.: АН СССР, 1955. — 11 с.

Модифжащя поверхш карбонатних наповнювачiв також призводить до змши ii люфшьно-люфобного балансу. На рис. 3 представлена пстограма змш кое-фщента люфшьносп карбонатних наповнювачiв моди-фжованих водно-спиртовим розчином CH3Si(OH)2OK в концентрацп 0,5 мас. %.

1

0,3

са.

0.8

(J

К 0,

Л

I

0

1

I 0,3

f 0,: о

а 0.1 О

Використання в якосп модифжатора CH3Si(OH)2OK дозволяе значно зменшити гщрофшьшсть поверхш наповнювача. О^м того, рiвень зменшення коефщента гщрофшьносп тим бшьший тсля модифжацп чим ви-щим е даний показник у вихщного матерiалу

6. Обговорення результат1в дослщжень властивостей модифшованих карбонатних наповнпвач1в

На основi отриманих даних можна стверджувати, що поверхнева модифжащя карбонапв водно-спиртовим розчином CH3Si(OH)2OK робить iх поверхню менш гщрофшьною, тдвищуе дисперсшсть, зменшуе розмiр мiжчастинкових капiлярiв, тдвищуе ефективну питому поверхню i дасть змогу покращити властивост готових композицiйних матерiалiв на iх основi.

Однак, вивчення технолопчних, експлуатацiйних, декоративних та захисних властивостей лакофарбових матерiалiв на основi модифiкованих CH3Si(OH)2OK карбонатних наповнювачiв потребують подальших дослщжень.

Недолiком роботи можна вважати використання лише однового виду модифжатора (CH3Si(OH)2OK), що буде враховано в подальших дослщженнях.

7. Висновки

В результат проведених дослщжень:

1) шляхом механохiмiчноi активацii в середовищ1 водно-спиртового розчину CH3Si(OH)2OK отримано модифжоваш карбонатнi наповнювачi на основi вггчиз-няноi сировини;

2) визначено оптимальну концентращю модифжа-тора — водно-спиртового розчину CH3Si(OH)2OK, що склала — 0,5 мас. %;

3) встановлено, що в процес модифжування шд-вищуеться дисперснiсть карбонатних наповнювачiв, зменшуеться розмiр капiлярiв, збiльшуеться '¿х пито-ма ефективна поверхня по вщношенню до неполярних рiдин та зменшуеться по вщношенню до полярних,

ЦЕЛЕВАЯ МОДИФИКАЦИЯ КАРБОНАТНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ КРАСОК

С целью максимального использования потенциала украинских месторождениИ карбонатов в виде белых минеральных наполнителеИ в составе водно-дисперсионных красок были изучены своИства и возможность их модифицирования методом механохимическоИ активации поверхности в присутствии поверхностно-активных веществ. Установлено, что с помощью оптимальных концентрациИ модификатора изменяется лиофильныИ баланс наполнителеИ, увеличивается площадь их поверхности, а также улучшаются фильтрационные своИства по отношению к органическим материалам.

Ключевые слова: карбонатныИ наполнитель, удельная поверхность, полимерофильность, модификация, ПАВ.

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 2/4(22], 2015

ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ, ЛЕГКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ISSN 222Б-37В0

Комаха Володимир Олександрович, асшрант, кафедра това-рознавства та експертизи непродовольчих товарiв, Кшвський нащональний торговельно-економiчний утверситет, Украта, е-mail: [email protected].

Свгдерський Валентин Анатолтович, доктор технгчних наук, професор, завгдувач кафедри xiMiumï технолог^ композицтних ма-терiалiв, Нацюнальний технгчний утверситет Украти «Кшвський полiтехнiчний 1нститут», Украта, e-mail: [email protected].

Комаха Владимир Александрович, аспирант, кафедра товароведения и экспертизы непродовольственных товаров,

Киевский национальный торгово-экономический университет, Украина.

Свидерский Валентин Анатолиевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химической технологии композиционных материалов, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.

Komakha Volodymyr, Kyiv National University of Trade and Economics, Ukraine, e-mail: [email protected]. Sviderskiy Valentyn, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: [email protected]

УДК ББ7.Б

DOI: 10.15587/2312-8372.2015.40247

ОСОБЛИВОСТ1 ВЗАЕМОДН СТИРОЛ-АКРИЛОВИХ ПЛ1ВКОУТВОРЮВАЧ1В З МОДИФ1КОВАНИМИ КАОЛ1НАМИ

Дослгджено особливостi процеав взаемодп в системах каолшв з модифжаторами та сти-рол-акриловим плiвкоутворювачем. Визначено кыьккш параметры основных характеристичных смуг, вiдповiдальнi за валентш коливання реакцшноздатних груп, встановлено характер змт ïх iнтенсывностi та максимальн зсуви вiдносно базових положень.

Клпчов1 слова: каолт, стирол-акриловий плiвкоутворювач, модифжатор, характеристичм смуги поглинання, валентн коливання.

Мережко Н. В., Шульга О. С.

1. Вступ

До прюритетних напрямюв розвитку лакофарбово'1 промисловост Укра'ни належить забезпечення внутрш-нього ринку еколопчно чистими та безпечними лако-фарбовими матерiалами (далi — ЛФМ) з високими екс-плуатацшними властивостями. Тому впродовж останшх роюв активiзувався процес переходу вщ виробництва органорозчинних фарб до водно-дисперсшних [1].

Водно-дисперсшш фарби являють собою багатоком-понентт композицп, кожен iз складниюв яких впливае на властивост ЛФМ, однак найбшьш вагому роль вщ-грають плiвкоутворювачi та наповнювач^ що складають основу будь-яко'1 фарби. Ранiше наповнювачi вводили у лакофарбовi композицп виключно з метою здешевлення останнiх. З огляду на високу варпсть бших пiгментiв, таких як дiоксид титану, 1х часткова замiна наповнюва-чами залишаеться актуальною. Каолiн — нешюдливий, нетоксичний матерiал е альтернативним компонентом водно-дисперсшних фарб. Його використання дозволить знизити собiвартiсть лакофарбово'1 продукцп, а модифжу-вання поверхнево-активними речовинами (далi — ПАР) е одним iз способiв регулювання взаемодп в системi мь неральний наповнювач — плiвкоутворювач [2]. Взаемо-дiя мiж наповнювачем i плiвкоутворювачем е одним iз найважливiших факторiв, якi визначають експлуатацшт властивостi ЛФМ. Це обумовлюе необхщтсть проведення дослiджень в цьому напрямку.

2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми

Поверхня каолшв — шаруватих алюмосилiкатiв — е пдрофшьною i полярною. Це полегшуе змочуван-

ня i проникнення в мiжплощинний простiр сполук, як мiстять полярнi групи, але негативно впливае на взаемодт з неполярними i слабополярними полiмера-ми, перешкоджаючи рiвномiрному розподiлу частинок каолiну в полiмернiй матрицi [3]. З метою створення стшких до коагуляцii систем, в яких неоргашчш час-тинки добре дисперговаш у всьому об'емi полiмеру, поверхню наповнювачiв модифiкують ПАР.

Фiзико-хiмiчнi основи активуючо'1 дп ПАР широко дослщжуються науковцями рiзних кра'н в рамках розвитку технологи композицшних матерiалiв. Вiдомi методики обробки наповнювачiв жирними кислотами [4], четвертинними амошевими солями [5], силанами [6, 7], катюнними, анiонними та неюногенними ПАР [8-10], що знижуе поляршсть поверхнi наповнювачiв, покра-щуе дисперснiсть та зменшуе водопоглинання, суттево зменшуе статичну та динамiчну межi текучостi та до-зволяе тдвищити ступiнь наповнення водних суспен-зш дисперсних матерiалiв. Разом з тим дослвдження охоплюють лише невелику частку асортименту ПАР, що можуть бути використанш в якостi модифiкаторiв, а методи модифжацп наповнювачiв доцiльно розширити для досягнення максимального ефекту.

Отримаш укра'нськими вченими данi щодо власти-востей каолiнiв та способiв '1х регулювання використо-вуються переважно у галузi керамiчноi промисловос-тi [11, 12]. Вплив модифжованих наповнювачiв на реолопчш та адсорбцiйнi властивостi полiмерних вод-но-дисперсiйних систем розширюе сфери використання вичизняних каолiнiв у виробництвi водно-дисперсiйних фарб [13, 14]. Розробка нових водно-дисперсшних фарб i регулювання '1х властивостей неможливе без встанов-лення закономiрностей взаемодп мiж наповнювачем на плiвкоутворювачем. Це питання у бшьшосп робiт

С

12

технологический аудит и резервы производства — № 2/4(22], 2015, © Мережко Н. В., Шульга О. С.