Полиэфирные смолы являются продуктом поликонденсации ди- или полифункциональных мономеров, содержащих гидроксильные и карбоксильные группы…

Насыщенные полиэфирные смолы могут иметь различные составы, высокую или низкую молекулярные массы, быть линейными или разветвленными, твердыми или жидкими, эластичными или жесткими, аморфными или кристаллическими. Такая изменчивость в сочетании с хорошей устойчивостью к воздействию света, влаги, температуры, кислороду и многим другим веществам является причиной того, что насыщенные полиэфирные смолы играют важную роль в качестве пленкообразующих веществ для ЛКМ. Помимо этого, насыщенные полиэфирные смолы используются в различных областях промышленности, таких как производство стеклопластиков, пластмассовых изделий, полиуретанов, искусственного камня и пр.

Свойства НПС и технические характеристики

Синтетические полиэфирные смолы представляют собой синтетические полимеры. Свое название они исторически получили благодаря тому, что первоначально синтезированные полимеры по структуре и свойствам сходны были с природными смолами, такими как шеллак, канифоль и др. Вещества, которые объединены названием «смолы», имеют аморфную структуру и состоят из родственных молекул неодинакового размера и разной структуры (гомологов и изомеров). Смолы — хорошие диэлектрики. Для них типично отсутствие определенной температуры плавления (постепенный переход из твердого состояния в жидкое), нелетучесть, растворимость в органических растворителях, нерастворимость в воде, способность образовывать пленки при испарении растворителя.

Изучение насыщенных полиэфиров началось в 1901 году с получением “глифталевой смолы”, состоящей из глицерина и фталевого ангидрида. Промышленное производство этих алкидных смол началось в 1920-х гг. в США. Дальнейшее развитие производства насыщенных полиэфирных смол для красок и других целей значительно зависит от изучения новых видов сырья.

Насыщенные полиэфирные смолы также иногда называются алкидными смолами, не содержащими жирнокислотных радикалов (oil-free alkyds),  поскольку они содержат большинство компонентов, используемых в традиционных алкидных смолах за исключением жирнокислых радикалов.

Структура НПС, используемых в производстве ЛКМ, может быть разветвленная или неразветвленная (линейная). Предпочтительная структура смол в этом случае – аморфная (для достижения лучшей способности к растворению).

Рассмотрим основные характеристики насыщенных полиэфирных смол, применяемых в производстве ЛКМ.

Молекулярная масса. Сополимеры с большой молекулярной массой (10000-30000) обычно имеют линейную структуру. Они образуются из терефталевой и изофталевой кислот, алифатических дикарбоновых кислот и различных диолов. Хорошая растворимость в обычных растворителях достигается подбором соответствующей рецептуры краски. В некоторых случаях (лаки для фольги, полиграфические краски и др.) полиэфиры с большой молекулярной массой используются как пленкообразующие вещества, высыхаемые физическим способом. Однако оптимальные свойства пленок краски получаются только при модификации со структурообразующими смолами. Особые кристаллические полиэфиры с большой молекулярной массой измельчают и используют как порошковые краски, которые в последнее время все чаще находят применение не только в окраске готовых изделий, но и в покрытии рулонного и листового металла.

Для обычных ЛКМ применяются полиэфиры с Мr 1500-4000. Линейные полиэфиры с низкой молекулярной массой могут иметь молекулярную массу до 7000; разветвленные полиэфиры имеют молекулярную массу до 5000. Такие смолы не пригодны для получения красок, сушка которых происходит физическим способом. Их следует рассматривать как преполимеры для реакционных систем со структурообразующими смолами. Классы преполимеров и применение представлены в таблице.
 

Структура	Класс	Средняя Мr	Структурообразующее вещество	Применение
	Линейные, большая молекулярная масса	10000-30000	Меламиновые, бензогуанаминовые смолы	Coil/can coating(покрытия для рулонного металла/ тары, гибкой упаковки)
	Линейные, малая молекулярная масса	1000-7000	Меламиновые, блокированные полиизоционатные смолы	Coil/can coating(покрытия для рулонного металла/ тары, гибкой упаковки)автомобильные и промышленные краски
	Разветвленные, малая молекулярная масса, гидрокси-функциональные	1000-5000	Меламиновые, блокированные/свободные полиизоционатные смолы	Автомобильные/ промышленные краски, порошковые краски
	Разветвленные, малая молекулярная масса, карбокси-функциональные	1000-5000	Триглицидилизоцианат,эпоксидные, меламиновые смолы	Порошковые покрытия, водорастворимые краски
	Малая молекулярная масса, содержит акрилатные группы	1000-5000	Электролучевое и УФ отверждение	Бумажные/пластиковые покрытия, полиграфические краски

Источник: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, 2002

Температура стеклования. Температура стеклования Т_g полиэфирных смол может изменяться при помощи подбора соответствующих алифатических сырьевых материалов. Т_g непластифицированных ароматических сополиэфиров составляет примерно 70°С, а сополиэфиров, образованных из циклоалифатических гликолей, превышает 100°С. Алифатические полиэфиры с длинными метиленовыми цепями между эфирными группами имеют Т_g ниже -100°С. Для процесса койл-коутинга предпочтительнее использование смол с температурой перехода из высокоэластичного состояния в стеклообразное более 45°С. Смола, имеющая температуру перехода более 45°С, имеет неупорядоченную (аморфную) структуру и растворима в большом числе органических растворителей.

Растворимость, кристалличность и совместимость. Растворимость полиэфира в значительной степени определяется природой и количественным соотношением входящих в него мономеров. Полиэфиры с упорядоченной структурой являются кристаллическими. Примерами сильно кристаллизованных полиэфиров являются полиэтиленгликольтерефталат и полибутилентерефталат. Хотя средне или сильно кристаллизованные сополимеры нерастворимы в растворителях, их можно применять в порошковых красках. Слабо кристаллизованные сополимеры растворяются, например, в кетонах и используются главных образом для получения многослойных клеев.

Низкая молекулярная масса и низкая Т_g благоприятно отражаются на совместимости полиэфирных смол с другими пленкообазующими веществами (акриловыми, эпоксидными, аминосмолами, сложными эфирами целлюлозы). Не все НПС совместимы между собой. Например, полиэфиры, полученные на основе фталевой кислоты, не всегда совместимы с другими НПС.

В таблице 1.2 сведены основные характеристики НПС и оценены их преимущества и недостатки как сырья для производства покрытий для рулонного металла.

Основные характеристики насыщенных полиэфирных смол, применяемых для производства покрытий для рулонного металла (coil/can coating)

Общая химическая формула
Свойства	Молекулярная масса	1000-25000
	Температура стеклования	-70°С ÷110 °С
	Твердое состояние	аморфное или кристаллическое(Тпл 100-250°С)
	Структура	линейная или разветвленная
	Реакционные группы	ОН/СООН
	Растворимость в аморфных формах	сложные эфиры, ароматические УВ, кетоны
Преимущества	Большое разнообразие составовХороший баланс между прочностью и эластичностьюХорошая адгезия к металлу (наивысшая – у высокомолекулярных линейных НПС)Хорошая устойчивость к атмосферным воздействиям
Недостатки	Толщина пленки ограничивается примерно 30 мкмВ нек. случаях невозможно достичь необходимой степени сшивки в конечном покрытии

Источник: Degussa. Basic resin for coil coating

Технические характеристики выпускаемых смол (спецификация) должны включать в себя такие основные параметры, как вязкость, кислотное число, гидроксильное число, содержание твердого вещества, цвет (по цветовой шкале Гарднера), растворители. Дополнительными параметрами, указываемыми в спецификации, могут быть плотность продукта,  температура воспламенения, температура стеклования, молекулярный вес, содержание нелетучих веществ. Также указываются эксплуатационные характеристики и области применения продукта. В спецификации приводятся методы испытаний/стандарты, по которым определялись показатели.

В зависимости от назначения полиэфирных смол, коэффициент кислотности может быть от 0 до 100 мг KOH/г, гидроксидное число -  от 0 до 150 мг KOH/г.

Примерные технические характеристики НПС, выпускаемых для койл-коатинга, можно представить следующим образом:

Технические характеристики НПС

* Приведен интервал значений для наиболее известных смол европейского и китайского производства. В спецификации к каждой смоле указывается интервал значений, соответствующий ее характеристикам (3.5-4.5 Па•с,  100-120 мг КОН/г и т.п.)

В зависимости от технологических характеристик линии по покраске металла, а также свойств конечного продукта, которые планируется получить, выбираются смолы, на основе которых выпускаются соответствующие ЛКМ. В частности, принимаются во внимание температура отверждения, совместимость с другими компонентами ЛКМ, устойчивость к воздействиям, в условии которых планируется эксплуатировать изделие из окрашенного рулонного металла.

Характеристики смолы также определяют тип ЛКМ, который будет получен на его основе. Это могут быть грунтовки, эмали, краски, предназначенные для различных этапов покрытия рулонного металла (см. главу, посвященную описанию процесса койл-коатинга).

Структурообразование НПС

НПС, используемые в производстве лакокрасочных материалов, в большинстве случаев должны быть структурированы путем смешения со структурообразующими амино-, меламино-, бензогуанаминовыми или эпоксидными смолами. По этой причине рецептуры смол могут включать в себя следующие химические соединения, сшивающие линейные полимеры: аминогруппы, изоцианатные группы и эпоксидные группы. Выбор группы зависит от конечного применения смол.

Структурообразование также возможно при использовании катализатора.  В случае необходимости структурообразования при комнатной температуре, в качестве сшивающего агента используются полиизоционатные смолы.

Аминосмолы, модифицированные формальдегидом (меламиновые, бензогуанаминовые смолы и полимочевина) являются наиболее важными смолами, используемыми для термического отверждения полиэфирных смол, содержащих функциональную гидроксильную группу. В отечественной промышленности материалы на основе амино- и полиэфирных смол носят название олигоэираминоформальдегидные смолы. Соотношение полиэфир/аминосмола обычно между 95:5 и 60:40 ( на 100% полиэфира).

Примеры соединений, содержащих эпоксидные группы - дифенилолпропан А  эпоксидных смол (например Epikote 828™, Epikote 1001™ and Epikote 1004™ , производитель Shell), гидрогенизованный дифенилолпропан А эпоксисоединений, алифатитеские эпоксисоединения, эпоксидированные алкиды, эпоксидированные масла (например эпоксидированное льняное масло или соевое масло), эпоксидорованные бораты и триглицидил изоцианурат. Соотношение карбоксил: эпоксид обычно между 0,85:1 и 1:0,85. В порошковых покрытиях обычно применяется   термическое отверждение карбоксифункциональных полиэфирных смол с эпоксидными смолами (данные смеси получили название гибридных смол).

Примеры соединений, сшивающих линейные полиэфиры, содержащих изоцианатные группы - гексаметилендиизоцианат((HDI), толуилендиизоцианат (TDI), изофорон диизоцианат (IPDI), тетраметилксилен диизоцинат (TMXDI), 3,4 изоцианатметил-1метил-циклогексилизоцианат (IMCI), их димеры и триммеры. Комбинирование полиэфирных и полиизоцианатных смол дает двухкомпонентные полиуретановые краски.

Катализаторы (например, бензилтиметиламминийхлорид или 2-метилимидазол) используются для ускорения реакции термического отверждения.  Катализаторы для отверждения полиэфирной смолы – сильные кислоты, такие как сульфокислота, моно- и диалкил кислая соль фосфорной кислоты, бутилфосфат и бутилмалеат.

Содержание катализатора обычно от 0,1 до 5 % (в зависимости от смолы).

Меламиновые смолы
Блокированные полиизоционатные смолы
Эпоксиды

Источник: Degussa. Basic resin for coil coating

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка полиэфирных смол можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок насыщенных полиэфирных смол в России».

Автор:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование