Лако-красочные материалы — производство

Основной процесс изготовления пигментированных лакокрасоч­ных материалов называют диспергированием. Целью этого про­цесса является разрушение агрегатов первичных частиц пигмен­тов (дезагрегация) с замещением газовой адсорбционной обо­лочки на жидкостную (смачивание), достижение равномерного распределения первичных частиц в объеме пленкообразователя и предотвращение вторичных процессов флокуляции (стабили­зация). Размеры первичных частиц при этом не уменьшаются. В результате диспергирования в пределе можно достичь лишь степени дисперсности пигмента, соответствующей полученной в результате синтеза.

При диспергировании протекают процессы, которые нельзя четко разде­лить во времени. Однако в любом случае вначале происходит смачивание плеикообразователем частиц пигментов и их агрегатов. Силы сцепления час­тиц сильно уменьшаются за счет смачивания, и агрегаты разрушаются.

В результате смачивания на поверхности частиц пигмента (наполните­ля) образуются адсорбционные оболочки, состоящие из молекул практиче­ски всех компонентов, входящих в состав дисперсионной фазы.

Характер и легкость взаимодействия дисперсионной среды с пигментами (наполнителями) зависит от молекулярной природы адсорбирующихся ве­ществ и свойств твердой поверхности.

Регулировать процесс смачивания и последующей адсорбции можно, мо­дифицируя поверхность пигмента или вводя поверхностно-активные вещест­ва (ПАВ) непосредственно в диспергируемую систему. Во многих случаях компоненты дисперсионной среды сами могут выполнять функции ПАВ. Так, олигомеры и полимеры, содержащие такие функциональные группы, как —СООН, —ОН, —NH2, = NH, —НС—СН2 и др., по своей структуре дифиль-

У

Ны и являются типичными ПАВ. Пластификаторы и полярные растворители также обладают поверхностной активностью.

Высокое качество пигментированных лакокрасочных материалов соответ­ствует такому состоянию системы, когда мелкие частицы пигментов (на­полнителей) имеют стабильные адсорбционные оболочки, не разрушающиеся при механическом воздействии. Стабильные оболочки образуются лишь при хемосорбции молекул на поверхности частиц.

При диспергировании наблюдается и образование вторичных агрегатов, уменьшающих конечную степень дисперсности. Положительное влияние час­тичной флокуляции на свойства пигментированных материалов уже рассмат­ривалось. В процессе диспергирования вязкость и структурная прочность увеличиваются до определенного предела, что связано с ростом удельной поверхности и, следовательно, с увеличением числа коагуляциониых контак­тов. В некоторых случаях возможно резкое увеличение вязкости за счет коагуляции системы, что снижает эффективность процесса. Такое явление происходит в случае недостатка олигомера для образования адсорбционных оболочек.

Адсорбция олигомеров (полимеров) пигментами определяет­ся не только природой адсорбирующихся веществ и адсорбен­тов, но и природой растворителей, концентрацией растворов, температурой и др.

Для того чтобы макромолекулы олигомеров могли адсорби­роваться на поверхности пигментных частиц, они должны обла­дать достаточной подвижностью, чтобы «подойти» к соответст­вующему активному центру. Такое поведение макромолекул возможно лишь в разбавленных растворах. В концентрирован­ных растворах макромолекулы образуют уже различные над­молекулярные структуры (пачки, глобулы и др.), высвободить­ся из которых они могут только при затрате энергии (например, при повышении температуры). В некоторых случаях надмолеку­лярные структуры целиком адсорбируются на поверхности пиг­мента. В этом случае образуются рыхлые непрочные оболочки, имеющие фактически только отдельные адсорбционные контакты с поверхностью. Вследствие этого диспергирование проводят в разбавленных растворах олигомеров.

Для выбора так называемых «рабочих» концентраций рас­твора олигомера (полимера) при диспергировании необходимо установить его критическую концентрацию. Последнюю обычно определяют по вязкости или электрической проводимости рас­твора.

На рис. 10.3 приведены зависимости этих показателей от концентрации для растворов алкидного олигомера. Критически­ми считают концентрации раствора, соответствующие точке

%Па-схЮ1,°См/н

Рис. 10.3. Зависимость удельной Объемной7 Электропроводимости (/) и вязкости (2) рас­творов алкидного олигомера в ксилоле от его

Концентрации^

Максимума на кривой электропроводи­мости и точке перегиба на кривой 103 вязкости. Они близки по своим значе­ниям и всегда меньше концентраций! выпускаемых промышленностью ла-/ ков. Для эффективного диспергирова — о! ния рекомендуется даже несколько! снизить критические концентрации растворов.

Умеренное нагревание (до 40—50 °С) способствует смачива­нию и адсорбции. Более высокая температура обусловливает увеличение десорбции олигомера с поверхности.

Процесс диспергирования характеризуется большой энергоемкостью. Осу­ществляют его в специальных аппаратах-диспергаторах (валковые машины, шаровые мельницы, бисерные диспергаторы и др.). В них создаются усилия давления и сдвига, под влиянием которых и протекают описанные выше про­цессы. Однако коэффициент использования энергии при таком механическом диспергировании исключительно мал. Подавляющая часть энергии переходит в тепловую и рассеивается в окружающую среду или отводится охлаждаю­щей водой. Между тем прн рассмотрении элементарных процессов, происхо­дящих на поверхности при взаимодействии пигмента с олигомером (смачива­ние, адсорбция), было установлено, что они протекают с выделением тепла. Очевидно, механическая энергия тратится иа разрушение коагуляционных и флокуляционных структур пигментов, а также надмолекулярных структур олигомеров (полимеров). Для снижения энергозатрат наиболее эффективно использование микронизированных пигментов с модифицированной поверх­ностью, которые легко диспергируются в разбавленных растворах олигомеров при энергичном перемешивании. Однако промышленностью эти пигменты вы­пускаются в ограниченном ассортименте.

Интенсифицировать процесс диспергирования «обычных» пигментов мож­но путем правильного выбора компонентов для диспергирования, а также их количественных соотношений. На практике это означает, что олигомер (по­лимер) должен содержать функциональные группы, способные хемосорбиро — ваться на поверхности пигмента. Для облегчения этого процесса в систему можно вводить ПАВ. Концентрация раствора олигомера подбирается не­сколько ниже критической.

Экономически целесообразно диспергировать пигменты при высоких кон­центрациях их в пасте, причем последняя должна сохранять текучесть, иначе под влиянием высоких касательных напряжений и срезывающих усилий, воз­никающих в машинах, они будут крошиться. Следовательно, необходимо учи­тывать реологические характеристики паст в различных динамических усло­виях.

Часто концентрацию пигмента в пасте для диспергирования определяют реологическим методом. На рис. 10.1 были приведены зависимости вязкости суспензий пигментов в алкидном лаке от ОКП. Точки перегиба кривых со­ответствуют критической концентрации пигмента в пасте, когда вязкость на­чинает резко возрастать и количества олигомера уже недостаточно, чтобы предотвратить флокуляцию пигмента. Следовательно, для эффективного дне — пергировання концентрация пигмента должна быть несколько ниже крити­ческой.

Используют и другие способы определения оптимальной концентрации пигмента в пасте для диспергирования.