Наномодификация водных стирол-акриловых лакокрасочных составов кремнийорганическими добавками

Сорокина А.С., Комарова Л.Ю., Копылов Н.И. Наномодификация водных стирол-акриловых лакокрасочных составов крем-нийорганическими добавками. Нанотехнологии в строительстве. 2026; 18(4):545–554. – EDN: QRGTFF.

Sorokina A.S., Komarova L.Yu., Kopylov N.I. Nanomodification of water-based styrene–acrylic paint and coating compositions with organosilicon additives. Nanotechnologies in Construction. 2026; 18(4):545–554. – EDN: QRGTFF.

В современном мире строительства и промышленности лакокрасочные материалы выполняют важнейшие функции защиты конструкций от разрушающего воздействия окружающей среды и придания им эстетически привлекательного внешнего вида. Среди всего многообразия лакокрасочных материалов особое место занимают водные дисперсионные составы стирол-акриловых сополимеров. Стирол-акриловые составы сочетают в себе свойства акриловых и стирольных полимеров, способных образовывать гладкие, в меру эластичные и прочные покрытия. Важными аспектами их свойств являются экологичность, вследствие низкого содержания летучих органических соединений, и пожаробезопасность [1, 2, 16]. Кроме того, водные лакокрасочные составы легко наносятся с помощью распылителя, валика и кисти, не обладают резким запахом, что повышает комфортность процесса окрашивания, быстро сохнут и сокращают необходимость длительного проветривания помещений. Покрытия, которые формируют эти составы, обладают высокой износостойкостью, устойчивостью к химическим веществам, что делает их подходящими для применения на промышленных и коммерческих объектах, а также для наружных строительных работ как по деревянным

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 545–554

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

конструкциям, так и по пористым минеральным основаниям – бетону и штукатурке [5].

Несмотря на очевидные преимущества, водные стирол-акриловые покрытия обладают рядом ограничений, связанных с недостаточной гидрофобностью, склонностью к загрязнению и ограниченной стойкостью к продолжительному воздействию влаги [3–6, 17, 20]. Эти недостатки приводят к преждевременной деградации покрытий, снижению их защитных и декоративных свойств, что особенно критично для фасадных конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности, перепадов температур и атмосферных загрязнений [7, 18]. В связи с этим актуальной задачей является поиск усовершенствованных способов модификации стирол-акриловых композиций, чтобы они обеспечивали повышенную гидрофобность, адгезионную прочность и эстетичный внешний вид покрытий.

Одним из наиболее перспективных направлений является использование кремнийорганических соединений в качестве наномодифицирующих добавок: силиконов, силоксанов, силанов [8, 9, 19, 21]. Благодаря своей уникальной гибридной структуре, сочетающей органические и неорганические фрагменты, кремнийорганические соединения способны целенаправленно изменять поверхностные свойства покрытий. В ряде литературных источников [10, 11, 22] показано, что введение силиконовых добавок позволяет снизить поверхностную энергию покрытия, придать ему водоотталкивающие свойства, улучшить адгезию и регулировать реологическое поведение лакокрасочных материалов. Наиболее эффективными оказываются комплексные составы, сочетающие несколько типов добавок, что позволяет достичь синергетического эффекта [12].

Несмотря на значительное количество исследований, посвящённых модификации лакокрасочных составов кремнийорганическими соединениями [13–15], пока нет систематизированной информации о совокупном воздействии разнообразных типов добавок на эксплуатационные свойства водных стирол-акриловых дисперсий, применяемых как для наружных, так и для внутренних отделочных работ. Особую актуальность приобретает необходимость определения оптимального баланса между гидрофобными характеристиками, механической устойчивостью и эстетическими качествами финишных покрытий.

Целью данной работы являлось исследование влияния кремнийорганических добавок на гидрофобные, физико-механические и декоративные свойства покрытий на основе водной стирол-акри-ловой дисперсии и разработка рецептур с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В качестве объекта исследования использовалась базовая водно-дисперсионная композиция № 1 на основе стирол-акрилового сополимера с содержанием сухого остатка 50 ± 1%, вязкостью по Брук-фильду 3860 сПз и минимальной температурой плен-кообразования, равной 20 °C.

В стирол-акриловый состав вводили следующие добавки:

• •    гидрофобизатор: водная эмульсия функциональных полисилоксанов;

• •    смачиватель: полиэфир-модифицированный полисилоксан;

• •    восковая силиконовая эмульсия: эмульсия воска для дополнительной модификации тактильных и водоотталкивающих свойств.

Во все составы образцов, включая базовый, вводились силиконовый пеногаситель в количестве 0,1%, для подавления пенообразования, и технологические добавки в количестве 3,2%: загуститель, коалесцент, биоцид, буферный агент*.

Экспериментальные образцы готовили путем смешения компонентов в лабораторном диссольвере объемом 1,0 л. Концентрации исследуемых добавок варьировались исходя из массы композиции в каждом варианте: гидрофобизатор – от 1,5 до 5,0% (образцы Г-1, Г-2, Г-3), смачиватель – 0,1–0,5% (образцы С-1, С-2, С-3), восковая силиконовая эмульсия – 1,0–3,0% (образцы В-1, В-2, В-3). В рамках исследования влияния индивидуальных модификаторов на свойства дисперсии были составлены две полимодифицированные композиции. Образец № 2 представлял собой сбалансированное сочетание адгезионной прочности и гидрофобности, а образец № 3 был специально разработан для достижения максимальной гидрофобности. Модифицированные составы стирол-акриловой дисперсии приведены в таблице 1.

Моно- и полимодифицированные составы проходили первичный контроль вязкости на вискозиметре Брукфильда (ГОСТ 25271) и наносились на стеклянные пластины размером 9×12 см аппликатором с толщиной мокрого слоя 120 мкм для визуальной оценки покрытия на наличие каких-либо дефектов. Сушку осуществляли в специализированном климатическом шкафу при температуре 23 ± 2 °C и относительной влажности 50 ± 5%.

Сформированные покрытия оценивали в соответствии со стандартными методиками: определяли блеск под углом 60° (ГОСТ 31975), твердость – по маятниковому прибору (ГОСТ 5233), адгезию к стеклу – методом решетчатого надреза (ГОСТ 31149). Стойкость к статическому воздействию воды оценивали по ГОСТ 9.403. Краевой угол смачивания водой

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 545–554

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

измеряли методом лежачей капли (ГОСТ 7934.2), а поверхностную энергию рассчитывали по методу Оуэнса-Вендта с использованием воды и глицерина в качестве тестовых жидкостей [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сначала были проведены наномодификации стирол-акриловых составов отдельными добавками. Было отмечено, что добавление смачивателя в сти-рол-акриловую дисперсию приводит к снижению начальной вязкости и значительному улучшению растекания состава. Это обусловлено снижением поверхностного натяжения на границе раздела фаз и формированием более гладкой поверхности пленки. Кроме того, блеск поверхности покрытия увеличился с 14,9 до 35,3 GU (таблица 2). Адгезия на всех образцах была максимальной и составляла 0 баллов.

Наиболее значительное влияние на свойства покрытий оказывает гидрофобизатор (таблица 3). При увеличении его содержания с 1,5% до 5,0% наблюдается рост вязкости до 1,9 раз, по-видимому, это связано с взаимодействием силоксановых цепей с полимерной матрицей и формированием поверхностного мономолекулярного слоя. Данное явление обусловлено миграцией и ориентацией гидрофобных

силоксановых фрагментов на границе раздела «покрытие – воздух», что создает энергетически невыгодный барьер для смачивания водой. Ключевым результатом является кардинальное снижение поверхностной энергии покрытия с 45,9 до 9,6 мН/м и рост краевого угла смачивания с 54° до 106°.

Одновременно с этим явлением наблюдали пластифицирующий эффект, выражающийся в закономерном снижении твердости покрытия по маятниковому прибору с 0,28 до 0,12 отн. ед. и увеличении блеска до 39,0 GU.

Восковая силиконовая добавка увеличила вязкость в 1,4 раза; в то же время, как и гидрофобизатор, она способствовала повышению гидрофобности покрытия, существенно увеличив краевой угол смачивания с 54° до 92° при содержании 3,0% (представлено в таблице 4). Воск привел к росту блеска до 39,3 GU. В полимодифицированных составах данная добавка использовалась для усиления водоотталкивающего эффекта и улучшения тактильных свойств поверхности покрытия.

На основе анализа влияния индивидуальных добавок на свойства стирол-акриловой дисперсии были разработаны полимодифицированные составы: образец № 2 – сбалансированный по адгезии и гидрофобности; образец № 3 – с максимальной

Таблица 1. Составы моно- и полимодифицированных дисперсий (содержание основных компонентов, масс. %)

Компонент	Образцы
	№ 1	С-1	С-2	С-3	Г-1	Г-2	Г-3	В-1	В-2	В-3	№ 2	№ 3
Вода дистиллированная	71,7	71,6	71,4	71,2	70,2	68,7	66,7	70,7	69,7	68,7	67,4	64,2
Пеногаситель	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
Гидрофобизатор	–	–	–	–	1,5	3,0	5,0	–	–	–	3,0	5,0
Смачиватель	–	0,1	0,3	0,5	–	–	–	–	–	–	0,3	0,5
Восковая эмульсия	–	–	–	–	–	–	–	1,0	2,0	3,0	1,0	2,0
Стирол-акриловая дисперсия	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0	25,0
Технологические добавки*	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2
Итого	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100

Таблица 2. Свойства стирол-акриловых дисперсий, наномодифицированных смачивателем

Параметр	Образцы
	№ 1	С-1 (0,1%)	С-2 (0,3%)	С-3 (0,5%)
Вязкость по Брукфильду, сПз	3860	2700	3180	3040
Блеск под углом 60°, GU	14,9	19,0	21,8	35,3
Адгезия к стеклу, балл	0	0	0	0

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 545–554

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

Воздух

Рис. 1. Схема миграции и ориентации гидрофобных силоксановых фрагментов на границе раздела «покрытие — воздух»

гидрофобностью. Их свойства сравнивались с не-модифицированным составом № 1 (таблица 5).

Анализ полученных данных показывает, что на-номодифицированные водные стирол-акриловые составы создают покрытия, превосходящие по свойствам базовый состав:

• 1.    Гидрофобность и водостойкость: поверхностная энергия снижается с 45,9 до 21,2 мН/м (образец № 2) и 16,3 мН/м (образец № 3). В отличие от базового покрытия, которое вспучивается и мутнеет после статического воздействия воды из-за частичной диффузии ее в покрытие, модифицированные покрытия не имеют таких изменений, что подтверждает повышенные защитные свойства благодаря гидрофобному барьеру.

• 2.    Физико-механические свойства: твердость покрытий снижается с 0,28 отн. ед. до 0,16 (образец № 2) и 0,10 (образец № 3), что является следствием пластификации полимерной матрицы гидрофоби-затором и восковой эмульсией, адсорбирующимися на поверхности полимерной матрицы. При этом

• 3.    Декоративные свойства: блеск покрытий возрастает в 3–4 раза (до 52–56 GU), что связано с улучшенным растеканием композиции и формированием более гладкой полимерной поверхности.

адгезия к стеклу остается практически неизменной, составляет от 0 до 1 балла.

По результатам исследований даны рекомендации для модификации серийных водных лакокрасочных составов по выбору добавок и их содержанию в зависимости от требуемого баланса «гидрофобность – адгезионная прочность – твердость»: для наружных покрытий предпочтительнее состав № 3, для внутреннего назначения – состав № 2.

Результаты исследования сопоставимы с данными в работах [11, 12], где также отмечается положительное влияние силиконовых добавок на гидрофобность покрытий. Однако отличие данной работы заключается в комплексном подходе к наномодификации, обеспечивающем синергетический эффект от сбалансированного введения нескольких добавок.

Таблица 3. Свойства стирол-акриловых дисперсий, наномодифицированных гидрофобизатором

Параметр	Образцы
	№ 1	Г-1 (1,5%)	Г-2 (3,0%)	Г-3 (5,0%)
Вязкость по Брукфильду, сПз	3860	4100	5840	7780
Блеск под углом 60°, GU	14,9	15,1	18,9	39,0
Адгезия к стеклу, балл	0	0	0	1
Краевой угол смачивания, °	54	79	86	106
Поверхностная энергия, мН/м	45,9	25,8	20,2	9,6
Твердость покрытия, отн. ед.	0,28	0,21	0,15	0,12
Стойкость к статическому воздействию воды	помутнение, вспучивание	помутнение	незначительное помутнение	без изменений

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 545–554

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 2. Фотоснимки капель дистиллированной воды на поверхности образцов с гидрофобизатором, полученные методом лежачей капли: а – № 1; б – Г-1 (1,5%); в – Г-2 (3,0%); д – Г-3 (5,0%)

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 545–554

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 3. Влияние концентрации гидрофобизатора на поверхностную энергию покрытия

Рис. 4. Фотоснимки капель дистиллированной воды на поверхности образцов с восковой добавкой, полученные методом лежачей капли: а – № 1; б – В-1 (1,0%); в – В-2 (2,0%); д – В-3 (3,0%)

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 545–554

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

Таблица 4. Свойства стирол-акриловых дисперсий, наномодифицированных восковой силиконовой эмульсией

Параметр	Образцы
	№ 1	В-1 (1,0%)	В-2 (2,0%)	В-3 (3,0%)
Вязкость по Брукфильду, сПз	3860	3620	4440	5420
Блеск под углом 60°, GU	14,9	14,6	25,2	39,3
Адгезия к стеклу, балл	0	0	0	0
Краевой угол смачивания, °	54	64	75	92
Поверхностная энергия, мН/м	45,9	31,2	24,5	16,8

Рис. 5. Фотоснимки капель дистиллированной воды на поверхности образцов полимодифицированных составов, полученные методом лежачей капли: а – образец № 2; б – образец № 3

Таблица 5. Свойства немодифицированного и полимодифицированных составов стирол-акриловых дисперсий

Параметр	Образцы
	№ 1	№ 2	№ 3
Вязкость по Брукфильду, сПз	3860	4280	4740
Блеск под углом 60°, GU	14,9	52,0	56,0
Адгезия к стеклу, балл	0	0	1
Краевой угол смачивания, °	54	82	92
Поверхностная энергия, мН/м	45,9	21,2	16,3
Твердость покрытия, отн. ед.	0,28	0,16	0,10
Стойкость к статическому воздействию воды	помутнение, вспучивание	без изменений	без изменений

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 545–554

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ)

Проведенные исследования показали высокую эффективность применения кремнийорганических добавок для направленного регулирования свойств водных стирол-акриловых лакокрасочных составов.

Разработанные полимодифицированные составы представляют практический интерес для получения полимерных покрытий, обеспечивающих улучшенные эксплуатационные и декоративные свойства и продлевающих срок их использования в неблагоприятных атмосферных условиях.