Влияние термической активации каолина на защитные свойства водно-дисперсионных стирол-акриловых покрытий Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 691.175.5/.8

Строганов В.Ф. - доктор химических наук, профессор

E-mail: svf08@mail.ru

Амельченко М.О. - аспирант

E-mail: colbasa-disabled@mail.ru

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1

Влияние термической активации каолина

на защитные свойства водно-дисперсионных стирол-акриловых покрытий

Аннотация

Установлено что, введение термоактивированного каолина способствует увеличению ряда защитных характеристики стирол-акриловых полимерных покрытий. Показана возможность увеличения уровня защитных характеристик стирол-акриловых лакокрасочных покрытий при введении термоактивированных наполнителей. Установлено, что повышенное содержание метакаолина в защитном покрытии приводит к увеличению когезионной прочности.

Ключевые слова: термическая активация, защитные покрытия, стирол-акриловые сополимеры, водно-дисперсионные лакокрасочные материалы.

Известно, что приоритетным направлением в лакокрасочной промышленности является разработка композиций на водной основе. Однако данные ЛКМ уступают по ряду технологических и эксплуатационных характеристик органорастворимым. Нивелировать данный недостаток можно введением различных наполнителей, но не все они способны к активному межмолекулярному взаимодействию (ММВ) с полимерной матрицей. Одним из доступных и распространенных способов является активация минерального наполнителя при высоких температурах (650-700 оС). В этой связи актуальными является исследования по активации наполнителей с целью увеличения ММВ, и как следствие, повышение уровня защитных характеристики лакокрасочных покрытий.

Методы и объекты исследования

В качестве объектов исследования использовали полимерные стирол-акриловые дисперсии марки «Лакротэн®»: Э-21, Э-25 и Э-244 (ООО ПКФ «Оргхимпром»). Для наполнения выбран каолин исходный (ТУ 5729-016-48174985-2003), а также каолин термообработанный (Т-каолин). Получение Т-каолина заключалось в выдержке его при 650-700 оС в течение 2 часов (переход в метакаолин).

Для подтверждения влияния активированного наполнителя (АН) на свойства защитных покрытий проводили частичную замену исходного каолина в рецептуре ЛКМ на 25, 50, 75 и 100 %.

Основные характеристики защитных покрытий определяли согласно методикам ГОСТ: укрывистость (ГОСТ 8784-75), смываемость (ГОСТ 52020-2003), водо- и влагопоглощение (ГОСТ 21513-76), когезионная прочность (ГОСТ 27890-88). Измерение адгезии защитных покрытий проводили на адгезиметре ПСО-5МГ4С (грибок 50х50 мм) и к различным субстратам: цементно-песчаный раствор (ЦПР) и сталь марки 3 (Ст3).

Результаты и обсуждение

Наполнение защитных композиций Т-каолином позволяет снизить значение укрывистости (табл.) на 50 % при 50 % наполнении. Затем происходит увеличение данного показателя до первоначальных значений, что очевидно, происходит в связи со сближением частиц друг с другом, что соответствует литературным данным [2, 3].

Таблица

Укрывистость защитных композиций на Т-каолине

Дисперсия Укрывистость, г/м

0 % 25 % 50 % 75 % 100 %

Э-21 136,03 100,23 71,91 82,26 92,32

Э-25 107,69 84,56 75,68 79,13 83,82

Э-244 111,34 95,22 79,73 92,78 104,51

Исследование смываемости (рис. 1) защитных покрытий показало, что замена исходного каолина свыше 25-30 % метакаолином приводит к ее повышению, что, как отмечалось выше, обусловлено сближением частиц. Содержание Т-каолина в количестве 75-100 % приводит к выравниванию значений смываемости по отношению друг к другу. Это, очевидно, можно объяснить тем, что первоначально происходит нарушение сплошности полимерной матрицы, а затем более твердого наполненного слоя, что и объясняет выравнивание значений. При этом стоит отметить, что результаты защитных покрытий на Э-25 и Э-21 свидетельствуют об усиленном межмолекулярном взаимодействии с активированным наполнителем.

ЗДерзкянне наполните

Рис. 1. Смываемость защитных покрытий наполненных Т-каолином

Анализ результатов водопоглощения (Wп) защитных покрытий на водной дисперсии Э-21 и Э-244 показал (рис. 2), что повышение значения Wп, а затем замедление, характеризуемое выходом на «плато» может свидетельствовать об образовании более плотной структуры препятствующей ускоренному проникновению воды.

Влагопоглощение (Wпл) защитных покрытий (рис. 3) снижается при замене исходного каолина на Т-каолин, а затем происходит выход на постоянное значение. Стоит отметить, что наиболее заметное влияние активированный наполнитель оказывает на ЗПк на дисперсии Э-25 - снижение Wп ~ 17 %, а Wпл ~ 70 %, что, по-видимому, обусловлено аморфной структурой Т-каолина [4, 5] и химическим строением самой дисперсии, которые способствуют образованию более плотной структуры при повышенном содержании в покрытии АН.

. i. I

1 I i i

(1 15 50 75 100

Содержит нимпжкла,

Рис. 2. Водопоглощение защитных покрытий наполненных Т-каолином

Рис. 3. Влагопоглощение защитных покрытий наполненных Т-каолином

Анализ результатов исследования адгезионной прочности защитных покрытий к цементно-песчаному раствору показал (рис. 4), что для ЗПк на дисперсии Э-25 максимальное значение адгезии наблюдается при 25 % наполнении, для ЗПк на Э-21 - при 100 %. Менее заметен эффект от введения Т-каолина у защитных покрытий на дисперсии Э-244. Объяснить такое поведение кривых можно проанализировав результаты испытаний по определению адгезионной прочности к субстрату другой природы.

I 8

J .6 1.4

BL-

Е 0.3 ■5 О б IV4

о.: о

■гот 52 i ^ i s_J

ы 55 1 и

1.09 1 - - i.: :5

" 1 i 21

1,65 1.55

1.15

-3-2Í ■5-244

35 50 75

Сфжфжшс нюпкпедя, %

L00

Рис. 4. Адгезионная прочность модифицированных образцов защитных покрытий к ЦПР

Кривые зависимости адгезионной прочности к Ст-3 от содержания в защитных покрытиях активированного наполнителя (рис. 5) в полимере имеют экстремальный характер: 50-60 % (для ЗПк на Э-21) и 60-70 % (для ЗПк на Э-25 и Э-244).

Известно [6, 7], что контакт между защитным покрытием и полимерной матрицей происходит по атомам металла и функциональным группам полимерной матрицы, а введение активированного наполнителя, по-видимому, приводит к «переориентации» функциональных групп полимера к активным центрам наполнителя (т.е. увеличение когезионной прочности материала), что как следствие приводит к понижению адгезионного контакта.

9"

I

| 1

0 5

75

< ![)Дфжн н V е К и ио.ин ктрпн,

1.42 л 1 ****! "Г ¿4_ 62 Б-- ±2,

Гзв —^

1.24 1.5

10'.

■Э-21

■Э-25 -Э-244

100

Рис. 5. Адгезионная прочность модифицированных образцов защитных покрытий к Ст3

Для подтверждения предположения о «переориентации» функциональных групп полимера к активным центра АН, при увеличении его содержания, проводили испытания по определению когезионной прочности (рис. 6) защитных покрытий. На графиках можно заметить, что понижение адгезионной прочности характеризуется повышением когезионной (оро), при этом стоит отметить, что значения оро превышают значения адгезионной прочности, что может свидетельствовать о значительном влиянии активированных наполнителей на формирование защитных покрытий.

£ 1.3

ич:

0.5

..83 1<> >

1 79 1 б.5 1.31

!1.4 1

зб 1 Ч 1. 5 Г7

25 50 75

СОДЦИКЛНКС КЙП0,1НВТ£ЛЯ, %

■Э-21 -Э-244

100

Рис. 6. Когезионная прочность модифицированных защитных покрытий

Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы:

1. Частичная замена исходного каолина на Т-каолин позволяет улучшить ряд защитных характеристик покрытий (водо- и влагопоглощение), а также снизить значение показателя укрывистости на 50 %.

2. Наиболее оптимальный интервал наполнения при частичной замене ~30-40 %. Ввиду однородности размеров частиц в композиции превышение данного интервала

приводит к укрупнению - агрегации (учитывая высокую активность АН) и, как следствие, к формированию дефектов в защитном покрытии, в виде микротрещин.

3. Наполнение Т-каолином оказывает значительное влияние на адгезионную прочность к исследованным субстратам: цементно-песчаным растворам и Ст3. Установлено, что понижение адгезионной прочности связано с повышением когезинного разрыва, что обуславливается вовлечением функциональных групп полимерной матрицы в межмолекулярное взаимодействие с активными центрами на поверхности наполнителя, ввиду повышенного их содержания в полимере.

Список библиографических ссылок

1. Скороходова О.Н. Итоги работы предприятий лакокрасочной отрасли в 2014 г. // Лакокрасочная промышленность, 2015, № 4. - С. 10-13.

2. Орлова О.В., Фомичева Т.Н. Технология лаков и красок. - М.: Химия, 1990. - 384 с.

3. Ламбурн. Р. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика. - СПб.: Химия, 1987. - 512 с.

4. Либау Ф. Структурная химия силикатов. - М.: Мир, 1988. - 412 с.

5. Пустовгар А.П., Бурьянов А.Ф., Васильев Е.В. Применение метакаолина в сухих строительных смесях // Строительные материалы, 2010, № 10. - С. 78-81

6. Степин С.Н., Николаева Т.В., Катнов В.Е. Водная стирол-акриловая дисперсия для антикоррозионных покрытий // Лакокрасочные материалы и их применение, 2014, № 7. - С. 29-31.

7. Николаева Т.В., Родионов Д.А., Степин С.Н. Новая дисперсия ООО ПКФ «Оргхимпром» для производства высококачественных антикоррозионных грунтовок // Лакокрасочная промышленность, 2008, № 6. - С. 7-10.

Stroganov V.F. - doctor of chemical sciences, professor E-mail: svfP8@mail.ru Amelchenko M.O. - post-graduate student E-mail: colbasa-disabled@mail.ru

Kazan State University of Architecture and Engineering

The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1

Effect of kaolin thermal activation on the protective properties of styrene-acrylic water-borne coatings

Resume

It is known that the priority direction in paint industry is development of water-based compositions. However water-based paints concede on a number of technical and operational characteristics solvent-borne paints. It is possible to level this shortcoming introduction of various fillers, but not all of them are capable to active intermolecular interaction with a polymeric matrix. One of available and widespread ways is activation of mineral filler at high temperatures (650-700 °C). In this regard increase of level protective characteristics of protective coatings is actual researches on activation of fillers for the purpose of increase intermolecular interaction as a result.

It is established that, introduction of the thermoactivated kaolin promotes increase in a row protective characteristics styrene-acrylic polymeric coverings. Possibility of increase in level of protective characteristics styrene-acrylic paint and varnish coverings is shown at introduction of the thermoactivated fillers. It is established that the raised maintenance of a metakaolin in protective coatings leads to increase in cohesive durability.

Keywords: thermal activation, protective coatings, styrene-acrylic copolymers, waterborne paints.

Reference list

1. Skorohodova O.N. The outcome of the coatings industry enterprises in 2014 // Paint & coatings industry, 2015, № 4. - P. 10-13.

2. Orlova O.V., Fomicheva T.N. Technology of paints and lacquers materials. - M.: Himiya, 1990. - 384 p.

3. Lambourne R. Paints and surface coatings: theory and practice. - SPb.: Himiya, 1987. -512 p.

4. Liebau F. Structural chemistry of silicates: structure, bonding, and classification. - M.: Mir, 1988. - 412 p.

5. Pustovgar A.P., Bur'yanov A.F., Vasil'ev E.V. The application of metakaolin in dry mixes // Construction materials, 2010, № 10. - P. 78-81.

6. Stepin S.N., Nikolaeva T.V., Katnov V.E. Water styrene-acrylic dispersion for anticorrosion coatings // Russian coatings journal, 2014, № 7. - P. 29-31.

7. Nikolaeva T.V., Rodionov D.A., Stepin S.N. New dispersion of PKF «Orghimprom» for the production of high-quality anti-corrosion primers // Paint & coatings industry, 2008, № 6. - P. 7-10.