Лако-красочные материалы — производство

Наполнители являются активными компонентами пигментированных. лакокрасочных материалов. Они оказывают положительное влияние на распределение частиц пигментов, структуру и реологические свой­ства красок, увеличивают твердость, атмосферостойкость покрытий. Наполнители вводят в краски и грунтовки в количестве 25—100% от массы пигментов. В шпатлевках, как правило, они применяются само­стоятельно. В грунтовках и шпатлевках могут применяться и окрашен­ные наполнители, но основное значение имеют белые наполнители, не обладающие способностью селективно поглощать свет.

Наполнители отличаются от пигментов относительно низким показа­телем преломления света (nD = 1,45ч-1,75), поэтому в органических пленкообразователях, имеющих такой же показатель преломления, они неукрывисты — (прозрачны). В водных красках, после испарения воды и замещения пор воздухом, наполнители имеют достаточную укрыви — стость (например, мел в клеевых побелках) и применяются самостоя­тельно как пигменты. Следовательно, разделение на пигменты и напол­нители условно и часто такие наполнители называют пигментами — наполнителями. Но наполнители имеют и свои собственные особые функции в красочных системах и наполненных лакокрасочных покры­тиях (например, изменяют реологические свойства красок, армируют пленки), поэтому их часто называют функциональными пигментами.

Наполнители классифицируют по разным признакам.

1. По происхождению наполнители делят на природные (минераль­ные) и синтетические. К природным относят горные породы и рыхлые осадочные (глины), а также остатки микроорганизмов и водорослей, раковины, панцири и скелеты (мел, диатомит, инфузорная земля); к синтетическим — карбонат кальция (мел), сульфат бария (бланфикс), карбонат бария, оксид и гидроксид алюминия (типографские белила), алюмосиликат, гидроксид кремния (белая сажа) и др.

2. По форме частиц различают зернистые, чешуйчатые, пластинча­тые, игольчатые и волокнистые наполнители.

3. Ло происхождению частиц различают природно дисперсные — рыхлые продукты выветривания и гидросепарации горных и осадочных ТТород (глины, каолин, бентонит, маршалит, доломит и др.) и механи­чески измельчаемые монолитные горные породы (барит, кальцит, мел, гипс и др.).

4. По степени измельчения наполнители разделяют на обыкновен­ные — с размером частиц 5—50 мкм (пластинчатые до 100 мкм) и микронизированные,— содержащие до 90 % частиц с размерами менее 1 мкм при полном отсутствии частиц более 10 мкм.

5. По химическому составу. Диоксид кремния: природные — кварц, песок, кремнеземы (диатомит, кизельгур, инфузорная земля), синтети­ческие — белая сажа, аэросил; карбонаты кальция: мел, мрамор, каль­цит; карбонат магния — магнезит; карбонат кальция и магния — доло­мит; карбонат бария — витерит; сульфаты бария: природный — барит (тяжелый шпат), синтетический — бланфикс; сульфаты кальция: ангид­рит (легкий шпат), гипс; силикаты магния: тальк, асбест; силикаты алюминия: природные — каолин, бентонит, синтетический силикат алю­миния; силикат алюминия и калия — слюда (мусковит); силикат каль­ция — волластонит.

6 По характеру взаимодействия с пленкообразователями различают наполнители активные и инертные.

Основные показатели наиболее часто применяемых белых наполни­телей приведены в табл. 2.2.

Свойства и функции наполнителей в лакокрасочных материалах и покрытиях. Белые наполнители имеют плохую укрывистость, однако аддитивности в изменении укрывистости в смесях пигментов с наполни­телями не наблюдается. Наполнители начинают заметно ухудшать укрывистость только при содержании их в смесях более 25 — 30% (по массе) (рис. 2.6). Это позволяет частично заменять пигменты деше­выми наполнителями.

Особо ценными свойствами отличаются наполнители с пластинчатой (чешуйчатой) формой частиц: каолин, тальк, слюда, вепмикулит и лп Пни

способны легко раскалываться вдоль листочков-пакетов и с большим трудом поперек. Это обусловлено строением их кристаллов, состоящих из двойных кремнекислородных слоев, образующих пакеты, связан­ные атомами алюминия или магния. Внутри пакетов связи ковалент­ные, а между пакетами действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса. Схема­тично строение пакета талька показано на рис. 2.7. Внешние плоскости пакетов состоят из атомов кислорода и это придает им жирность на ощупь, способность к скольжению и укладке параллельно друг другу. Такая упаковка частиц в покрытии является наиболее плотной (высо­кое ОСП) и создает черепичное перекрывание зазоров между слоями, а это, в свою очередь, понижает газо-, водо — и светопроницаемость покрытий, повышает их твердость и атмосферостойкость, препятствует образованию сквозных трещин.

Наполнители, имеющие игольчатую или волокнистую форму частиц (асбест, волластонит), армируют покрытия и придают им эластичность, вибро — и звукопоглощающие свойства.

Оптимальное содержание наполнителей определяют по минималь­ному значению маслоемкости смесей с пигментами, характеризующей плотность совместной упаковки частиц.

Находящиеся на боковых частях пластин — изломах пакетов — ионы Si4 + , Al3+, Mg2+ , K+, ОН — и другие активно взаимодействуют как с функциональными группами пленкообразователей и модификаторов, так и с соседними частицами, образуя коагуляциояные цепочечные и сетчатые структуры, которые придают красочным системам повышенную вязкость и тиксотропность. Подбирая различные наполнители можно регулировать реологические свойства красок. Микронизированные као­лин, доломит, тальк и особенно аэросил и бентонит значительно увели­чивают вязкость и тиксотропность. Малоактивные зернистые наполни­тели такие, как барит и бланфикс, молотые кварц и слюда с низкой маслоемкостью (пластерит), уменьшают вязкость красок и вызывают потерю тиксотропности.

Введение в лакокрасочные материалы добавок высокомаслоемких аморфных наполнителей (аэросил, диатомит, кизельгур, микронизиро — ванные каолин и тальк) резко снижает глянец покрытий, делает их матовыми, что иногда используют для устранения неприятного неравно­мерного блеска покрытий на волнистых подложках.

Наполнители широко ис­пользуют в качестве носите­лей — субстратов для осаж­дения на них интенсивных ор­ганических красителей и пиг-

Рис 2 7 Mo,»vli. i. iiiiiuiini строения

ментов и в качестве основы — ядер для производства оболочковых (кер­новых) пигментов. Прозрачные неукрывистые наполнители применяются в шпатлевках-порозаполнителях для дерева, не закрывающих природ­ной текстуры древесины. Для этого используют аэросил, сульфат каль­ция, оксид и гидроксид алюминия. Для увеличения трения, например при окраске палуб судов, в краски вводят такие наполнители, как молотые кварц, пемзу и вулканический пепел.

Каолин, тальк, слюда и кварц снижают электрическую проводимость покрытий, барит устраняет их проницаемость для рентгеновских лучей, магнетит и маггемит придают покрытиям магнитные свойства, графит и магнетит — электрическую проводимость.

Технология производства наполнителей. Наполнители получают из горных или осадочных пород, подвергая их отборке, обогащению, отму — чиванию гидросепарацией от абразивных примесей, сушке, измельче­нию, сепарации и микрониэации. Минералы и породы, имеющие изо­метрическое строение, при измельчении дают вполне определенные по форме спайности обломки. Так измельченный кальцит (искусственный мел) обязательно будет иметь частицы, имеющие форму ромбоэдра, частицы барита — всегда прямоугольники. Из тонких пластинок — че­шуек всегда состоят частицы слюды, талька, пирофиллита, графита. Пластинки и волокна сохраняются при измельчении истиранием на бегунах и в стержневых мельницах. В шаровых мельницах получаются более короткие обломки. Измельчение их до размеров менее 3 мкм нецелесообразно.

В процессах измельчения и микрониэации проводят модифициро­вание — гидрофобизацию поверхности, добавляя 0,5—1,5 % ПАВ. Гидро — фобизация поверхности мела, кальцита, каолина имеет двоякую цель. Прежде всего улучшаются технологические свойства самого наполни­теля: повышается его подвижность — сыпучесть порошка, снижаются влажность, слеживаемость, «зависание сводов» при хранении в бунке­рах, появляется возможность автоматизированного дозирования и пере — возкиЛ в цистернах в виде сухого порошка или водных нефлокулирующих пульп, содержащих 70—90 % твердого вещества. Гидрофобиэирован- ные наполнители легче смачиваются и взаимодействуют с пленкообра — зователями при изготовлении красок и шпатлевок. Так, гидрофобизи — рованный 0,45.% (масс.) синтетических жирных кислот (СЖК) при­родный мел в белой водоэмульсионной краске успешно заменяет 30 % диоксида титана, повышает стойкость эмульсий, укрывистость и блеск покрытий. Наполнители, имеющие основной характер (мел, доломит) модифицируют жирными кислотами С17—С20; нейтральные (барит) — мылами Са, А1, Zn; наполнители кислого характера (каолин, бенто­нит) — аминами и четвертичными аммониевыми основаниями.

Природные наполнители даже после обогащения всегда содержат примеси сопутствующих пород. Особо чистые и высокодисперсные наполнители получают осаждением из очищенных от ионов Fe, Mn и других примесей растворов. Такие наполнители являются синтети­ческими.

Особое место занимает аэросил — синтетический диоксид кремния, содержащий не менее 99,8 % SiOa. Размер его частиц 0,015—0,10 мкм, 5Уд=130-ь380 ми/г — Аэросил получают гидролизом паров тетрахлорида кремния в пламени водорода при температуре более 1100°С. Это произ­водство аналогично получению диоксида титана хлоридным способом.

Прозрачные, непористые, округлой формы коллоидные частицы аэро­сила имеют большой запас поверхностной энергии и легко образуют

обратимые сетчатые коагуляционные структуры. Добавка всего лишь 0,5—1,5% (масс.) аэросила придает тиксотропность лакокрасочным

материалам.

На поверхности частиц аэросила всегда имеются силанольные группы

— Si—ОН, среднестатистическая плотность которых составляет 3 ггЗуппы / 2

на 10 нм2 поверхности. Силанольные группы образуют водородные связи, и аэросил имеет гидрофильный характер; эти группы могут дис­социировать в воде, поэтому рН водной вытяжки 3,6—4,3. На поверхно­сти могут происходить ионообменные реакции. Модифицирование поверх­ности аэросила, например диметилдихлорсиланом, придает ей гидро — фобность. Такой модифицированный аэросил добавляют в количестве 1—2 % (масс.) в противокоррозионные краски, содержащие цинковую пыль, он придает краскам высокую седиментационную устойчивость, а покрытиям — водоотталкивающие свойства.

Аэросил, как и другие содержащие кремний соединения, попадая в легкие, вызывает фиброзные процессы — заболевание силикозом. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочих помещений 1 мг/м3. Для уменьшения пыления аэросил выпускают в гранулиро­ванном виде с размером гранул от 5 до 40 мкм. В краски вводится обычно в виде перетертой пасты, содержащей 10% (масс.) аэросила.

В прошлом использование наполнителей имело целью только удешев­ление лакокрасочных материалов [6] или придание покрытиям необходи­мой толщины в случае применения органических пигментов с высокой красящей способностью; применялись наполнители также для шпатле­вок. По мере выявления и изучения особых свойств наполнителей, способствующих улучшению технологических свойств красок и увеличе­нию срока службы покрытий, значение наполнителей как функциональ­ных пигментов непрерывно возрастает. Потребность в качественных наполнителях приближается к потребности в белых пигментах.

2.2.2. Черные пигменты

К черным пигментам относятся: технический углерод (сажа), черни, смешанный оксид железа (II) и (III) Fe304, а также органические пигменты — черный анилин, нигрозин и индулины.