CC BY
216
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
УДК 667. 612. 6 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-1-117-120
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ КАЛЬЦИТНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И ИХ СООТНОШЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ВОДОЭМУЛЬСИОННЫХ
АКРИЛОВЫХ КРАСОК
© 2018 г. Н.П. Котенко, Н.П. Павлова
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
EFFECT OF FINENESS OF CALCITE FILLERS AND THEIR RATIO ON THE PERFORMANCE OF WATER-BASED ACRYLIC PAINTS
N.P. Kotenko, N.P. Pavlova
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Котенко Наталья Петровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химические технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Павлова Наталья Павловна - студентка, кафедра «Химические технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: pana.pavlova@yandex.ru
Kotenko Natalya Petrovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Pavlova Natalya Pavlovna - student, department «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: pana.pavlova@yandex.ru
Предложен тип кальцитных наполнителей производителей Omyacarb, Agacgalcit различного фракционного состава для частичной замены дорогостоящего диоксида титана в акриловой водоэмульсионной краске. Определено массовое соотношение кальцитных наполнителей. Проведен анализ физико-химических свойств лакокрасочных материалов. Установлено, что введение смесей наполнителей существенно улучшает качественные показатели краски - укрывистость и долговечность покрытия - и не изменяет белизну.
Ключевые слова: наполнитель; кальциты; водоэмульсионная акриловая краска; дисперсия; показатели - белизна, укрывистость, истираемость.
A type of calcite fillers of manufacturers Omyacarb, Agacgalcit of different fractional composition for partial replacement of expensive titanium dioxide in acrylic water-based paint is proposed. The mass ratio of calcite excipients is determined. The analysis of physical and chemical properties of paint and varnish materials is carried out. It is established that the introduction of filler mixtures significantly improves the quality of the paint - hiding power and durability of the coating and does not change whiteness.
Keywords: filler; calcite; latex paint; acrylic dispersion; performance; whiteness; hiding power; abrasion.
Введение
В настоящее время водоэмульсионные краски получили широкое распространение для создания архитектурно-декоративного вида и защиты материалов от воздействия окружающей среды. Водоэмульсионные краски представляют собой эмульсию из воды, пигментов и высоко-
молекулярных соединений, выступающих в качестве основы, пребывающих в водной среде во взвешенном состоянии. Водоэмульсионные краски выпускаются на базе трех видов полимерных дисперсий: поливинилацетатные (ПВА), бутади-енстирольные (БС), акриловые (АК). Акриловые дисперсии наиболее универсальны при производстве красок. Краски содержат целый ряд
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 1
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
специальных добавок (стабилизаторы, эмульгаторы, антисептики, фунгициды и т.д.), предназначенных для повышения их технологических характеристик.
Наполнители являются целевой добавкой. Это - неорганические природные или синтетические вещества, применяемые для улучшения малярно-технических и эксплуатационных свойств покрытий и экономии пигментов. Они механически укрепляют структуру покрытия. Наполнители характеризуются такими показателями: фракционный и химический состав, значение рН, маслоемкость, белизна, яркость, влажность, твердость [1].
Целью данных исследований является подбор наполнителей для частичной замены дорогостоящего диоксида титана и изучение влияния полидисперсности наполнителей на основные показатели краски - белизну, истираемость и укрывистость.
Исследования проводились на акриловой краске для внутренних работ Ак4 - белая. Белизна и укрывистость определялись по стандартным методикам [2] на высокоточном ручном подключаемом спектрофотометре DTP22 X-Rite Digital Scwatchbook. Истираемость определялась согласно методикам [3].
От фракционного состава и белизны наполнителя зависит укрывистость ЛКМ. Укры-вистость определяет способность пигмента или наполнителя делать невидимой поверхность, на которую наносится ЛКМ и характеризует расход лакокрасочного материала на 1 м2 окрашиваемой поверхности. Таким образом, укрывистость и экономическая эффективность лакокрасочных материалов - два неразрывно связанных понятия. В рецептурах отечественных производителей водоэмульсионных красок наиболее часто используются наполнители на основе карбоната кальция: либо натурального молотого, либо синтетического, производимого путем химического осаждения. Они обладают нейтральным тоном и высокой белизной (L* > 95) и поэтому могут использоваться в качестве заменителя более дорогого диоксида титана. Белизна диоксида титана колеблется в пределах 94 - 96 %. Поскольку средний размер частиц у кальцитов больше, чем у диоксида титана, а показатель преломления ниже, необходимо контролировать укрывистость краски при частичной замене диоксида титана на кальцитные наполнители [4].
В качестве наполнителей испытывались кальцитные наполнители таких производителей,
как Omyacarb, Agacgalcit. Они различны по своему гранулометрическому составу, упаковке частиц, форме кристаллической решетки, совместимости с полимерами и стоимости. Известно, что чем меньше фракция наполнителя, тем плотней его упаковка в покрывной пленке, расход краски при этом снижается. В табл. 1 приведены наиболее важные тесты, характеризующие поведение кальцитов в красках [5].
Таблица 1 / Table 1
Тесты кальцитных наполнителей / Tests of calcite fillers
Тест Стандарт Показатель
Отражающая способность DIN 53163 Белизна
Воздухопроницаемость Solvay Размер частиц
Поверхность по ВЕТ DIN 66132 Внешняя и внутренняя площадь поверхности
Точка загустения Solvay Текучесть дисперсии
ИК- спектроскопия - Содержание арагонита
Остаток на сите ISO 787/18 Диспергируемость
Водный индекс DIN 53608 Связываемость для дисперсий
Объём 1 г Solvay Седиментационный объём
Электронная микроскопия - Размер частиц
Чем выше белизна и плотность упаковки мелкодисперсных частиц наполнителя, тем больше показатель укрывистости краски и меньше расход более дорогого пигмента - диоксида титана. Для получения качественной краски следует использовать наполнители с минимальной маслоемкостью и максимальным показателем белизны. При исследованиях фирм-производителей размер частиц наполнителей определен ситовым методом, белизна - на высокоточном ручном подключаемом спектрофотометре DTP22 X-Rite Digital Scwatchbook, по стандартным методикам, маслоемкость определялась согласно литературным данным [6]. Показатели наполнителей представлены в табл. 2.
Таблица 2 / Table 2
Показатели кальцитных наполнителей / Indicators of calcite fillers
Средний
Наполнитель размер частиц (d50), мкм Маслоемкость, % (ISO-787-5) Белизна L, %
Agacgalcit 5 3,4 17 > 98,0
Agacgalcit 20 4,5 15 > 98,0
Agacgalcit 40 6,0 12 > 98,0
Omyacarb 2KV 3,0 17 > 98,0
Omyacarb 5 4,7 14 > 97,8
Omyacarb 5KA 5,0 14 > 97,5
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
Как следует из экспериментальных данных, наполнителями с оптимальным светорассеянием и укрывистостью являются: Omyacarb 2KV с фракционным составом 3,0 мкм, Agacgalcit 5 с размером фракции 3,4 мкм и Agacgalcit 40 с размером фракции 6,0 мкм. Согласно [7], наиболее эффективным является применение смеси наполнителей. В ходе исследований испытывали композиции наполнителей следующих составов: Omyacarb 2KV+Agacgalcit 40 в соотношениях 70+30 (% по массе), 50+50 и 30+70 (% по массе) от общей массы наполнителей. Основные показатели красок с такими составами наполнителей приведены в табл. 3.
Таблица 3 / Table 3 Основные показатели краски / Key indicators paint
Наименование наполнителей Количество наполнителя, % Условная вязкость, МПа/c Время высыхания до степени 3, ч Коэффициент белизны lis е с g с и в ы & ^ Коэффициент истираемости Прочность к истиранию, кг/мкм Водостойкость (продолжительность отмеливания),ч
Omyacarb 2KV 100 9200 (4/10) 13 94,16 158 6 3,5 8
Agacgalcit 40 100 6000 (4/10) 17 92,79 184 4 2,5 6
Omyacarb 2KV+Agacga lcit 40 70+30 8800 (4/10) 17 93,03 168 5,5 3,5 8
Omyacarb 2KV+Agacga lcit 40 50+50 6200 (4/10) 15 93,28 160 5 3,0 8
Omyacarb 2KV+Agacga lcit 40 30+70 5260 (4/10) 15 93,53 170 5 3,0 7
Agacgalcit 5 100 9300 (4/10) 14 93,80 160 6 2,5 7
2KV+Agacgalcit 40 в соотношении 50+50 (% по массе). В табл. 4 приведена рецептура водоэмульсионной краски Ак-4 для внутренних работ со смесью наполнителей Omyacarb 2KV+ Agacgalcit 40 в равных соотношениях.
Таблица 4 / Table 4 Рецептура краски / The composition of the paint
Компонент Вид сырья Общее количество, % по массе
Пленкообразователь 50 %-я водная дисперсия 10
Пигмент Диоксид титана 8
Наполнители Натуральный карбонат кальция Смесь ОтуасагЬ 2KV+Agacgalcit 40 в равных соотношениях 30 12
Функциональные добавки (суммарно) Диспергаторы, загустители, консерванты, коалесценты, нейтрализующие агенты, пеногасители 3
Другие Вода Этиленгликоль 36 1
Всего 100
С увеличением концентрации мелкодисперсных наполнителей в системе снижается вязкость и растекаемость краски, что увеличивает расход краски. При увеличении содержания наполнителя с более крупной фракцией в системе, усиливается меление краски, на поверхности покрытия появляются открытые поры (пустоты), снижается ее водостойкость, возрастает водопо-глощение, снижается укрывистость и устойчивость покрытий к влажному истиранию, что ухудшает эксплуатационные свойства краски.
Согласно данным табл. 3, наилучшую укрывистость и белизну обеспечивают композиции наполнителей Omyacarb 2KV+Agacgalcit 40 в соотношении 70+30 (% по массе) и Omyacarb
Использование синтетических кальцитных наполнителей экономически целесообразно особенно в рецептурах водоэмульсионных ЛКМ для внутренних работ, так как это позволяет значительно снизить концентрацию пигмента диоксида титана [8]. Исходная рецептура содержит 10 % ТО и 40 % натурального карбоната кальция. При сокращении концентрации ТЮ2 до 8 % аналогичная белизна достигается при 10 % и аналогичная укрывистость при 12 % смеси Omyacarb 2KV+ +Agacgalcit 40 в равных соотношениях при соответственно сниженном содержании натурального карбоната кальция.
При микроскопическом исследовании пленок покрытий оптическим универсальным микроскопом Celestron Micro360 установлено, что в присутствии кальцитов частицы диоксида титана равномерно распределяются по объему [9].
Возможность снижения расхода диоксида титана без ухудшения свойств ЛКМ можно объяснить следующими причинами:
- благодаря тонкой структуре частицы Omyacarb 2KV с фракционным составом 3,0 мкм и Agacgalcit 40 с размером фракции 6,0 мкм обладают большей поверхностью рассеивания, чем более грубые продукты;
- соответствие степени наполнения и структуры армирования краски Ак-4 частицами наполнителей Omyacarb 2^ и Agacgalcit 40 с определенным количеством частиц ТЮ2. Методом оптической микроскопии [10] определено: совместно частицы Omyacarb 2^ и Agacgalcit 40 обепечи-
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
вают равномерное распределение частиц TiO2, при котором пигменты более полно проявляют свою отражающую способность. Результатом является хорошая укрывистость краски при минимальном расходе;
- разница коэффициентов преломления на границе раздела наполнитель - воздух. Используя специальный прибор - рефрактометр и расчетный метод укрывистости покрытия [10], установили: большая разница коэффициентов преломления на границе раздела наполнитель -воздух обеспечивает повышение укрывистости покрытия.
Выводы
1. Наиболее оптимальными для применения в рецептуре краски Ак-4 являются кальцитные наполнители производителей: Omyacarb 2KV с фракционным составом 3,0 мкм и Agacgalcit 40 с размером фракции 6,0 мкм.
2. Композиции наполнителей Omyacarb 2KV+Agacgalcit 40 в соотношении 70+30 (% по массе) и Omyacarb 2KV+Agacgalcit 40 в соотношении 50+50 (% по массе) обеспечивают наилучшую укрывистость влажного и высушенного покрытия, обладают стойкостью к истиранию. При этом показатель белизны колеблется в допустимых пределах, позволяющих колеровать данную краску.
Литература
1. Казакова Е.Е., Скороходова О.Н. Водно-дисперсионные акриловые лакокрасочные материалы строительного назначения. М.: Изд-во ООО «Пэйнт-Медиа», 2003. 136 с.
2. ГОСТ 8784 - 75. Материалы лакокрасочные «Методы определения укрывистости». М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002.
3. Яковлев А.Д., Яковлев С.А. Лакокрасочные покрытия функционального назначения. СПб.: Химиздат, 2016. 272 с.
4. Химически осажденный карбонат кальция - ценное сырье для производства водно-дисперсионных лакокрасочных материалов / Dr. Gerd Aumann, А. Степанов // ЛКМ. 2002. № 2-3.С. 50 - 53.
5. Стойе Д., Фрейтаг В. (ред.). Краски, покрытия и растворители: пер. с англ. / под ред. Е.Ф. Ицко. СПб: Профессия, 2007. 528 с.
6. Бондалетова Л.И., Бондалетов В.Г., Новиков В.Т., Алексеев Н.А. Лакокрасочные материалы и покрытия на их основе: метод. пособие по выполнению практических заданий для студентов специальности 320700, 250100. Томск: Изд-во ТПУ, 2002. 41с.
7. Мюллер Б., Пот У. Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы составления рецептур, 2007. 240 с.
8. Ламбурна Р. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика. СПб.: Химия, 1987, с. 512.
9. Лакокрасочная промышленность. 2017. № 5.
10. Миронова Г.А., Ратников В.Н. Влияние технологических факторов получения лакокрасочных покрытий на их долговечность // Промышленная окраска. 2003. № 2. С. 14 - 16.
References
1. Kazakova E.E., Skorokhodova O.N. Vodno-dispersionnye akrilovye lakokrasochnye materialy stroitel'nogo naznacheniya [Waterborne acrylic coating materials for building purposes]. Moscow, Izd-vo OOO «Peint-Media», 2003, 136 p.
2. GOST 8784 - 75. Materialy lakokrasochnye «Metody opredeleniya ukryvistosti» [State Standard 8784 75 Materials «Methods for the determination of opacity»]. Moscow, IPK Izd-vo standartov, 2002.
3. Yakovlev A.D., Yakovlev S.A. Lakokrasochnye pokrytiya funktsional'nogo naznacheniya [Paintwork functionality]. St. Petersburg, Khimizdat, 2016, 272 р.
4. Dr. Gerd Aumann, Stepanov A. Khimicheski osazhdennyi karbonat kal'tsiya - tsennoe syr'e dlya proizvodstva vodno-dispersionnykh lakokrasochnykh materialov [Chemically precipitated calcium carbonate - a valuable raw material for the production of water-dispersion paintwork materials]. LKM, 2002, no. 2-3, pp. 50-53.
5. Stoie D., Freitag V. (red.). Kraski, pokrytiya i rastvoriteli [Paints, coatings and solvents]. Translation from English, Edit by E.F. Itsko. St. Petersburg, Professiya Publ., 2007, 528 р.
6. Bondaletova L. I., Bondaletov V. G., Novikov V. T., Alekseev N. A. Lakokrasochnye materialy ipokrytiya na ikh osnove [Paint materials and coatings on their basis]. Tomsk, Izd-vo TPU, 2002, 41 р.
7. Myuller B., Pot U. Lakokrasochnye materialy i pokrytiya. Printsipy sostavleniya retseptur [Sweat coating materials and coatings. The principles of formulation]. 2007. 240 p.
8. Lamburna R. Lakokrasochnye materialy ipokrytiya. Teoriya ipraktika [Coating materials and coatings. Theory and practice]. St. Petersburg, Khimiya Publ., 1987, 512 p.
9. Lakokrasochnaya promyshlennost' [The magazine «Paint and varnish industry»]. 2017, № 5.
10. Mironova G.A., Ratnikov V.N. Vliyanie tekhnologicheskikh faktorov polucheniya lakokrasochnykh pokrytii na ikh dolgovech-nost' [Influence of technological factors of obtaining paint coatings on their durability]. Promyshlennaya okraska, 2003, no. 2, pp. 14-16. (In Russ.)
Поступила в редакцию / Received 2 7 октября 2017 г. / October 27, 2017
