Использование 2К ПУ водных пленкообразователей

В последнее время успешное развитие рынка покрытий для полов связано с замещением органорастворимых материалов. Внедренные более 10 лет назад водные эпоксидные материалы, не содержащие органических растворителей, в течение нескольких лет успешно заменяют водными 2К ПУ-ЛКМ, также не содержащими органических растворителей.

Раньше такие материалы успешно применялись для окраски пластмасс и древесины, но они не удовлетворяли особым требованиям, предъявляемым к покрытиям для промышленных полов, получаемым на основе реактивных полимерных смол, в частности, трудновыполнимыми были требования к химстойкости покрытий. Воздействие воды на отвержденные лаковые покрытия приводило к их значительному разрушению, так как гидрофильные пленкообразователи под действием воды набухали и теряли механические свойства. Поскольку почти всегда в качестве коалесцентов приходилось использовать органические растворители, дискуссия о применении органических растворителей в составе ЛКМ не прекращалась и с появлением водных ПУ-пленкообразователей. В связи с этим в последнее время появилась потребность в ЛКМ с низким содержанием органических растворителей или их отсутствием, применение которых не представляло бы опасности ни для окружающей среды, ни для здоровья человека.

Выполнение этих требований стало возможным в последние годы благодаря разработке новых пленкообразователей. Характеристики покрытий на их основе улучшились настолько, что это позволило создавать не содержащие органических растворителей смешиваемые вручную материалы с отличными механическими свойствами и химстойкостью, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым, в том числе, к промышленным полам. Рецептуры на основе этих пленкообразователей благодаря отсутствию растворителей в настоящее время соответствуют требованиям экологического законодательства будущего, а также требованиям к строительным материалам для внутренних работ, не выделяющим летучих органических соединений (ЛОС), в частности, например, AgBB (Германия).

Высокая химстойкость в сочетании с отличной атмосферостойкостью покрытий позволяет применять эти продукты для окраски внутренних и наружных стен зданий, получая легко очищаемые поверхности.

Одинаковый механизм сшивки водных и традиционных полиуретанов

Реакции, лежащие в основе химии ПУ, следует учитывать и в случае водных пленкообразователей. На образование ПУ или полимочевины влияют применяемые сырьевые компоненты и условия отверждения. Важной предпосылкой для получения оптимальных свойств лакокрасочного покрытия, помимо химической структуры пленкообразователя, является образование однородной плотной полимерной сетки. Этого можно добиться только в том случае, если гидроксифункциональная полимерная дисперсия и полиизоцианат смешаны друг с другом как можно более однородно, т.е. решающим фактором является тщательное распределение полиизоцианата в водной фазе. В значительной степени этому способствует снижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз, применение значительных механических усилий и низкая вязкость используемого полиизоцианата.

Во время жизнеспособности и отверждения гомогенной смеси, состоящей из водной полиольной фазы и полиизоцианата, одновременно протекают несколько химических реакций. В качестве основной реакции, как правило, можно рассматривать взаимодействие полиизоцианата с гидроксильными группами полиола с образованием ПУ. В ходе медленно протекающей побочной реакции полиизоцианата с водой образуются полимочевина и диоксид углерода. За счет этого технические характеристики системы во время жизнеспособности, которое может составлять до 8 ч, остаются относительно неизменными.

В случае анионно стабилизированных полиольных дисперсий с полиизоцианатом могут также взаимодействовать карбоксильные группы. Однако эта реакция становится заметной лишь после испарения агента нейтрализации из лаковой пленки. Благодаря пониженной гидрофильности эта химическая сшивка приводит к улучшению свойств отвержденного покрытия.

В ходе отверждения pH системы постоянно снижается за счет образования диоксида углерода. Этот эффект можно скомпенсировать путем составления правильной рецептуры, таким образом чтобы вязкость композиции не менялась в течение нескольких часов.

Практически постоянное качество пленки независимо от времени года

Известно, что на свойства покрытий могут влиять условия нанесения ЛКМ. Например, при устройстве пола в подземном или наземном гараже во время строительства воздух может быть не кондиционирован. Поэтому важно знать, как климатические условия влияют на реакцию сшивки и, следовательно, на стойкость получаемого покрытия.

Если отверждение покрытия происходит при комнатной температуре, то вода испаряется из пленки относительно быстро до тех пор, пока не установится равновесие с влагой, содержащейся в воздухе. Вода, оставшаяся в пленке, реагирует затем с полиизоцианатом. Отсюда следует, что необходимо использовать избыток полиизоцианата по отношению к гидроксильным группам полиола.

Соотношение уретановых и мочевинных структур в лакокрасочной пленке, отвержденной при 23 °C, составляет 1,6:1,0. В результате отверждения при повышенной температуре (40 °C) формируется пленка с соотношением 1,9:1,0. Таким образом, повышение температуры отверждения способствует значительному увеличению доли ПУ.

Установлено, что полимер, отвержденный при 40 °C, химически отличается от отвержденного при 23 °C. Поэтому было необходимо выяснить, как это влияет на практическое применение.

Технические испытания пленкообразователей показали, что используемые в составе ЛКМ полиизоцианаты однородно смешиваются с водой вручную с помощью стеклянной палочки. Благодаря низкой вязкости используемых полиизоцианатов это возможно даже при низких температурах. Было установлено, что образование пленки в этих условиях протекает довольно быстро. Эти результаты подтвердились при изучении кинетики реакции в зависимости от температуры с помощью пленочного реометра. В первой фазе процесса отверждения за счет испарения воды происходит быстрое усиление межмолекулярных взаимодействий. Образуется не липкое на ощупь покрытие. Во второй фазе за счет химической сшивки повышается модуль сдвига, достигая максимального значения. Данная фаза реакции однозначно зависит от температуры. При температуре 5 °C лишь примерно через 72 ч достигаются механические свойства, аналогичные тем, что при температуре 40 °C достигаются через 24 ч (рис. 2). Измерение твердости по маятниковому прибору при повышенных температурах показывает, что конечные свойства достигаются за сутки и образующаяся пленка значительно мягче, чем при комнатной температуре.

В то же время прикладные исследования показывают, что зависимость скорости реакции от температуры и различные условия отверждения незначительно влияют на стойкость или механические свойства образующихся лакокрасочных покрытий.

Кроме того, не отмечено сколько-нибудь значительных различий в стойкости к действию пластификаторов, масел и бензина, что имеет решающее значение при выборе материалов для устройства полов в гаражах и автосалонах. Используемые полиизоцианаты не содержат растворителей и различаются типом гидрофилизации. Продукт Bayhydur XP 2547 обладает особенно низкой вязкостью.

д-р Т. Штингль, Bayer MaterialScience AG, Германия;  М. Н.  Буланов,к. х. н.,  А/О Байер, Россия