Как производители красок справляются с проблемами, внутренне присущими технологии на водной основе? Являются ли эти недостатки фундаментальными и обязательными, или же 'фундаментальные недостатки', в основном, возникают из-за недостатка воображения? В этой статье мы пытаемся дать ответ на эти вопросы. Раздвигая границы
По имеющимся оценкам в экономике стран Запада почти 90% общего объема красок типа DIY («сделай сам») являются в настоящее время красками на водной основе. Вне этого поля картина очень пестрая. Покрытия на водной основе успешно доминируют на рынке красок для внутренней покраски стен, а также внешних покрытий каменных сооружений, но в других областях им приходится конкурировать с системами с веществами высокой твердости, не содержащими растворителя и способных подвергаться радиационному отверждению, которые представляют собой не наносящие ущерба окружающей среде и соответствующие всем постановлениям покрытия.
Некоторые проблемы, связанные с использованием покрытий на водной основе, считаются неизбежными, но некоторые из них, которые также казались неизбежными, оказались, в конечном итоге, преодолимыми. Итак, каковы же перспективы преодоления этих предполагаемых границ? Вспенивание по сравнению с увлажнением: конец парадокса?
Двумя наиболее хорошо известными и почти универсальными проблемами, которые ограничивают рабочие параметры красок на водной основе, являются вспенивание и плохая адгезия. Обе они возникают по одной и той же причине: у воды значительно более высокое поверхностное натяжение, чем у любого другого растворителя, используемого для изготовления покрытий. Растворы имеют тенденцию вступать в конфликты друг с другом, поскольку высокоэффективные поверхностно-активные вещества, которые повышают способность к адгезии часто являются прекрасными вспенивателями, в то время как противовспенивающие вещества могут стать причиной возникновения проблем с увлажнением поверхности, и многие из них медленно выводятся из строя во время хранения жидкой краски поверхностно-активными веществами.
Последниее разработки в области молекулярного инжиниринга позволили создать многочисленные типы сложных поверхностно-активных веществ, которые способны усилить и контроль вспенивания, и увлажнение подложки. Общим для всех этих материалов является то, что две или более частицы поверхностноактивного вещества прочно связаны в одну молекулу, и противовспенивающее воздействие реализуется на молекулярном уровне, а не зависит от размера частицы противовспенивающего вещества. Стабильность при хранении также повышается за счет того, что противовспенивающее воздействие более не зависит от сохранения оптимального размера частицы. Самые простые типы, которые называются 'гемини ПАВ' включают две молекулы поверхностно-активного вещества, связанные молекулой спейсера. Другие компании предлагают более сложные 'звездные' молекулы и дендримеры. Улучшение проникновения и связывания подложки
Тесно связана с проблемой увлажнения подложки и проблема ограничения проникновения эмульгированных смол в пористые подложки, хотя основной причиной этого является тот факт, что размер частиц эмульсии значительно превышает размер самих молекул. Алкиды на водной основе с их небольшим размером молекул и медленным закреплением окислением, часто вводятся в состав эмульсионных красок для улучшения проникновения лаков для дерева, хотя это делается за счет времени высушивания.
Одним из способов преодоления проблемы с размером частиц является использование стирол-акрилатной смолы, частицы эмульсии которой включают алифатический углеводород, который является настоящим растворителем для смолы. По мере того, как вода испаряется, образуется краска с высоким содержанием твердых частиц и на основе растворителя. По имеющимся данным, покрытия на основе этого продукта проникают в пористые каменные стены на вдвое большую глубину по сравнению с традиционными акриловыми эмульсиями, а, в результате, повышается адгезия. Для использования системы не нужны дополнительные коалесцирующие растворители, и можно создавать рецептуры красок с содержанием летучих органических соединений 75 г/л или менее.
Были разработаны алкидные/акриловые гибриды, в которых ядро из алкидной смолы защищено в период хранения акриловым слоем, который, тем не менее, позволяет (нерастворимому в воде) алкиду проникать через деревянные подложки после высушивания и отверждаться окислением. Современный вариант этой технологии страдает от неудачного сочетания ограниченного времени влажности краев и слишком длительного периода высыхания покрытия по всей толщине слоя. Тем не менее, сообщается, что разработано усовершенствованное высушивание для модификации, в которой вторичные гидроксильные группы присутствуют в эфирных связях алкидов.
Если невозможно улучшить проникновение полезной альтернативой является усиление адгезии. Изоцианаты способны создавать ковалентную связь с гидроксильными группами на поверхности дерева, и этот процесс может улучшить адгезию грунтовочных покрытий древесины. Тем не менее, когда изоцианаты добавляют в системы на водной основе, они немедленно начинают реагировать, поэтому применение этой концепции к грунтовочным покрытиям на водной основе связано с определенными сложностями. Проводились некоторые испытания с использованием накатной системы при непрерывном добавлении изоцианата для того, чтобы свести эти проблемы к минимуму. Панели, покрытые этим грунтовочным покрытием, имели повышенную степень адгезии (особенно влажной адгезии). Это улучшение адгезии сохранялось при нанесении на грунтовочное покрытие поверхностного слоя, но после длительного старения различия в эксплуатационных характеристиках были менее заметны. Таким образом, было продемонстрировано, что добавление изоцианата снижает риск быстрого повреждения красочного слоя на объектах с покрытиями. «Неразрешимые» проблемы с коалесценцией: 1- получение сильного блеска
Хотя нарушения процесса образования пленки могут возникнуть при нанесении покрытий из раствора, этого легко можно избежать с помощью использования соответствующей рецептуры. Проблема становится значительно более сложной при работе с диспергированными смолами на водной основе. Хорошо известно, что коалесценция отдельных частиц требует наличия у них мягкой поверхности, так, чтобы частицы могли сливаться на поверхности, это требование вступает в противоречие со всеобщим стремлением к получению твердой поверхности без следов и отметин. К числу стандартных решений этой проблемы относятся ядерно-оболочечные частицы (более подробно рассматриваемые ниже), летучие коалесценты, реактивные разбавители и использование сшиваемых смол.
Теоретические исследования пролили свет также и на другие проблемы. Если поверхность высушивается быстро, может образоваться поверхностное покрытие из частично коалесцентных частиц, которое препятствует дальнейшему испарению и ведет к неправильному образованию пленки. Понятие числа Пекле (которое используется в гидродинамике) было применено к этой ситуации. Значение возрастает с возрастанием вязкости непрерывной фазы, толщины пленки, скорости испарения и размера частиц. При низких значениях частицы расходятся достаточно быстро (за счет Броуновского движения) для того, чтобы обеспечить однородное высушивание; при высоких значениях они будут притягиваться к поверхности, вызывая преждевременное стирание покрытия.
Дальнейшие исследования тех же ученых показали, что наличие «свободного» поверхностно-активного вещества и других растворимых в воде материалов с низкой молекулярной массой может препятствовать образованию гладкой пленки даже при температурах, намного превышающих температуру перехода смолы в стеклообразное состояние.
Поэтому для нас не должно быть сюрпризом то, что высушиваемые на воздухе поверхностные покрытия на водной основе с сильным блеском очень редко могут соответствовать уровням глянцевости традиционных алкидов, а, если им это удается дымчатость или четкость изображения, как правило, бывают более низкого качества. Последнее исследование проливает свет на эту проблему.
В целом, образование хорошо заметного глянца зависит от шероховатости поверхности и общего коэффициента преломления пленки. Все попытки уменьшить шероховатость поверхности блестящих эмульсий так, чтобы она соответствовала шероховатости поверхности из алкидов, закончились неудачей, даже при наличии низкой окрашенности, высокой толщины пленки и различий в реологии. Электронная микроскопия выявила основное различие: у поверхности алкидной пленки был непрерывный слой смолы, в то время, как частицы двуокиси титана выступали за пределы поверхности эмульсионной краски. Нанесение неокрашенного слоя смолы на водной основе давало уровень блеска, сопоставимый с уровнем блеска алкида, и в этой ситуации на блеск поверхности существенно повлиял коэффициент преломления связывающего вещества (у стирольного акрила более высокий коэффициент преломления, чем у чистого акрила).
Тем не менее, мало кто захочет принять эту концепцию основного покрытия и прозрачного слоя при изготовлении декоративных применений. В настоящее время разработана алкидно-акрилатная смола на водной основе, которая способна образовывать непрерывный слой смолы во время высушивания, а также способна обеспечить блеск и четкость изображения, соответствующие блеску и четкости изображения традиционных алкидов. |
