Некоторые аспекты технологии получения ЛКМ и покрытий на основе принципа водовытеснения

Поверхность твердых гидрофильных материалов – пигментов, наполнителей, а также многих подложек (древесина, бетон, другие строительные материалы) содержит воду и газы, адсорбированные из воздуха. Не исключается также наличие связанной воды [1]. Смачивание такой поверхности гидрофобными пленкообразователями связано с вытеснением указанных адсорбентов. Это происходит равным образом, как при получении пигментированных ЛКМ, так и при изготовлении покрытий, например при окрашивании влажных и мокрых поверхностей и объектов, эксплуатирующихся в воде.

В статье приведены сведения о применяемых ЛКМ и технологии окрашивания, сопровождающейся водовытеснением.

Получение пигментированных материалов посредством водовытеснения

Большинство неорганических пигментов и наполнителей – металлов, оксидов, гидроксидов, солей, комплексных соединений, применяемых для производства ЛКМ являются достаточно полярными веществами. Частицы их мозаичны и содержат (в зависимости от влажности окружающего воздуха) до 2 % и более адсорбированной воды. Этому способствуют их высокая удельная поверхность и большие значения поверхностной энергии. Они хорошо смачиваются водой и водными растворами и достаточно легко диспергируются в этих средах.

Этого нельзя сказать о гидрофобных пленкообразователях, доля которых в составе органорастворимых ЛКМ достаточно велика. Для изготовления таких материалов более рациональным может оказаться способ диспергирования с обращением фаз, известный под названием «отбивки воды» или фляшинг-процесса. Он известен давно и подробно описан в литературе.

Первоначально его применяли для получения органорастворимых красок и грунтовок на основе свинцовых и медных пигментов (свинцовые белила и крона, медянка), как мокрый, менее токсичный процесс. В настоящее время этим путем получают полиграфические, художественные и некоторые другие краски, в первую очередь, на основе железной лазури, сажи, органических пигментов.

Фляшинг-процесс можно рассматривать как процесс самопроизвольного вытеснения воды из водяной пасты пигмента с помощью «масляного» пленкообразователя. В его основе лежат коллоидно-химические процессы избирательного смачивания поверхности твердых частиц жидкой дисперсионной средой. Главную роль при этом играет поверхностное натяжение составных компонентов этой среды, не смачиваемых друг другом.

Исходным материалом для получения готовых ЛКМ этим способом служат промышленные или специально изготовленные водные суспензии пигментов (пасты). Важным компонентом составов, влияющим на скорость и степень вытеснения воды, являются ПАВ. В основном это водорастворимые соединения, способные адсорбироваться на пигментах и повышать их гидрофобность. Они должны флокулировать пигмент в водной среде и быть пептизатором в масляной, а также не вызывать эмульгирования воды в пленкообразователе и пленкообразователя в воде.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют соли четвертичных аммониевых оснований. Предпочтение отдается катионактивным ПАВ, способным хемосорбироваться на поверхности частиц пигментов и повышать их гидрофобность. В ряде случаев наибольший эффект водовытеснения достигается при применении бинарных смесей разных ПАВ.

Водовытеснение при окрашивании влажных поверхностей

В технологии лакокрасочных покрытий часто возникает необходимость окрашивания объектов и изделий, которые в той или иной степени обводнены, при этом их невозможно осушить. К их числу относятся, в частности, нефтепромысловые и портовые сооружения, ГЭС, строительные конструкции метро, тюбинги, смотровые и угольные шахты, трюмы теплоходов и др.

Поверхности могут быть слабо увлажненными, мокрыми и капельно-мокрыми. Окрашивание слабо увлажненных поверхностей может быть основано на принципе связывания воды, например, введением в краску водопоглотителей (цемента, изоцианатов, отверждаемых влагой полиуретанов), или ее эмульгирования; окрашивание поверхностей других типов должно основываться только на принципе водовытеснения.

Гидрофобные пленкообразователи и ЛКМ на их основе обычно не смачивают такие поверхности: краевой угол смачивания превышает 90⁰, а при сильном увлажнении достигает 120-150⁰. При интенсивном растирании на поверхности краска собирается в капли, сплошного покрытия получить не удается.

В литературе предлагается много различных низкомолекулярных и олигомерных ПАВ, обеспечивающих водовытеснение при окрашивании влажных поверхностей. К ним относятся соли аминов и различных кислот, четвертичные аммониевые основания, бетаины, жирные кислоты, фторированные спирты, некоторые ингибиторы коррозии, имидазолины, силаны, аминосиланы, титанорганические, фосфониевые соединения, металлические мыла, т.е. в основном те же соединения, что и для получения ЛКМ фляшинг-процессом.

В ХК НПФ «Пигмент» для окрашивания влажных и мокрых поверхностей разработана двухупаковочная эпоксидная грунтовка «Влагокор», содержащая латентный отвердитель, который взаимодействует с эпоксидной смолой только в присутствии воды. Грунтовка пригодна для нанесения при любой погоде, в том числе во время дождя. Окрашивание проводят кистью или безвоздушным распылением.

Водовытеснение при окрашивании под водой

Смачивание твердой поверхности под водой – наиболее сложный вид поверхностного взаимодействия. Большинство ЛКМ, хорошо смачивающих поверхность на воздухе или в увлажненном виде, не пригодны для окрашивания под водой. Полное ее вытеснение происходит только в том случае, когда работа адгезии лакокрасочного материала к твердой поверхности равна или превышает работу адгезии воды.

Кроме того, к ЛКМ для подводного нанесения предъявляется ряд других требований. Они не должны содержать растворителей и не растворяться в воде, быть способными к химическому отверждению под водой, не всплывать (быть тяжелее воды), образовывать адгезионнопрочные покрытия с комплексом защитных свойств.

Создание водовытесняющих материалов связано с композиционным использованием специально подобранного пленкообразователя и добавок: отвердителей, ускорителей отверждения, пластификаторов, ПАВ, смачивающих и других веществ. Как правило, ЛКМ содержат пигменты и наполнители.

За 40 лет, прошедшие после появления первых работ по окрашиванию под водой, разработаны многие виды лакокрасочных и клеевых составов, удовлетворяющих этим требованиям. Прежде всего, это материалы на эпоксидной, полиэфирной, полиакриловой и кремнийорганической основе.

А. Д. Яковлев, д. т. н, проф.,  Н. З. Евтюков, д. т. н., проф.