Получение лаковых покрытий на основе водоразбавляемых эпоксидных материалов

Лакокрасочные материалы на основе эпоксидных олигомеров обладают комплексом таких ценных свойств, как высокая адгезия к металлическим и не- металлическим поверхностям, стойкость к действию воды, щелочей, кислот, ионизирующего излучения, малая пористость, незначительная влагопоглощае-мость и высокие диэлектрические показатели, их применяют для получения ответственных покрытий самого различного назначения, в том числе в машиностроении.

В связи с ужесточением требований по охране окружающей среды, в последнее время становятся все более актуальными водоразбавляемые и воднодисперсионные пленкообразующие вещества. Поэтому задачей данных исследований явилось создание водоразбавляемого пленкообразующего вещества на основе эпоксидных олигомеров.

По методике описанной в [1, с. 256-258] для придания эпоксидным олигомерам способности растворяться в воде в них вводят свободные карбоксильные группы по реакции с малеиновым или фталевым ангидридом. Затем полученный продукт растворяют в монобутиловом эфире этеленгликоля, нейтрализуют раствором аммиака и разбавляют водой.

Известно, что аминные группы также позволяют получать водоразбавляемые материалы. Поэтому в нашей работе проводили взаимодействие эпоксидного олигомера с диэтаноламином по пропиленокисдным группам. Предварительно эпоксидный олигомер растворялся в этилцеллозольве при температуре 60-70 0С. Затем загружали расчетное количество диэтаноламина (или диэти-ламина). Температуру повышали до 60-70 0С и выдерживали в течении 3 часов, полученный продукт нейтрализовали уксусной кислотой, разбавляли дистиллированной водой и вводили отвердитель. Отверждение проводилось при различных температурах.

Необходимым требованием для перевода эпоксидного олигомера в водоразбавляемое состояние было то, что продукт реакции должен иметь аминное число в диапазоне 55-100 мг КОН/г. Поэтому с учетом молекулярной массы эпоксидного олигомера и доступности в качестве последних использовались олигомеры марки Э-40 и Э-44. В качестве отвердителя использовался водоразбавляемый отвердитель марки Luwipal 073.

На первом этапе исследований проводили определение необходимого количества отвердителя. Для этого определяли гель-фракцию отвержденных пленок с различным содержанием отвердителя. В результате было получено, что оптимальная степень сшивки достигается при соотношении про-дукт:отвердитель - 70:30 по массе в пересчете на сухое вещество. Снижение количества отвердителя приводит к значительному снижению гель-фракции -более 50 %.

На втором этапе исследовали влияние температуры на степень отверждение полученного продукта. Был проверен диапазон температур от 130 до 180 0С и времени отверждения от 20 до 60 минут. Степень отверждения также определялась по гель-фракции пленок на основе полученных продуктов [2]. Время отверждения и температура влияют на степень сшивки аналогично, т.е. с увеличением температуры и времени отверждения она возрастает. Однако после 30 минут отверждения гель-фракция возрастает не более 3-5 %. При изменении температуры отверждения от 130 до 150 0С гель-фракция значительно увеличивалась (более 40%), однако последующие увеличение до 180 0С не приводит к значительному увеличению гель-фракции (не более 10%). Поэтому в дальнейшем проводили отвержедние полученных продуктов в течении 30 минут при 150 0С, результаты приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы, покрытия на основе продукта 1 обладают высокой степенью сшивки и твердостью, но имеет низкую эластичность. Покрытия на основе второго продукта напротив, обладает хорошей эластичностью, но низкой твердостью. Было предложено смешением этих продуктов улучшить показатели покрытий на их основе. В результате было получено, что введение продукта 2 в продукт 1 снижает твердость получаемых покрытий (приблизительно на 0,1) и гель-фракцию (приблизительно на 30%), однако эластичность при этом не увеличивается (таблица 1).

Проведенные исследования показали, что покрытия, полученные на основе синтезированных пленкообразующих вещества, имеют недостатки, в частности низкая твердость (Э-40) и эластичность (Э-44). Кроме того, смеше- нием этих продуктов не удается исключить эти недостатки. Поэтому было предложено провести пластификацию продукта 1 широко используемыми пластификаторами в качестве которых использовали дибутилфталат (ДБФ) и касторовое масло. Другим способом, изменения свойств полученных продуктов, было предложено модифицировать продукты химическим взаимодействием с ЖКТМ. Однако продукты взаимодействия Э-44, диэтаноламина и ЖКТМ образуют геле – образное вещество при растворении водой. При взаимодействии продукта 2 с ЖКТМ получилось водорастворимое пленкообразующие вещество, однако проведенная модификация не улутшила свойства получаемых покрытий (таблица1), поэтому от химической модификации пришлось отказаться.

При введении ДБФ более 10% заметно снижаются относительная твердость и содержание гель-фракции, однако увеличивается эластичность (таблица 1). Введение касторового масла снижает относительную твердость и содержание гель-фракции, но повышает прочность при изгибе. При содержании в пленке 5 % касторового масла покрытия обладают удовлетворительными свойствами, однако дальнейшее увеличение касторового масла приводит к резкому ухудшению свойств покрытий, что связано, по видимому, с плохой совместимостью компонентов композиции. Поэтому становится возможным использовать ДБФ и касторовое масло в качестве пластификаторов для водоразбавляемого пленкообразующего вещества, синтезированного на основе эпоксидного олигомера Э-44.

Таблица 1 – Свойства покрытий

Одним из не маловажных этапов создания лакокрасочного материала является отработка методики его нанесения, особенно это относится к вододисперсионным и водоразбавлаемым материалам. Поэтому на следующем этапе работы проводили отработку методов нанесения. В настоящее время существует множество методов нанесения лакокрасочных материалов, однако из всех существующих было выбрано три метода: наливом, пневмонанесение и электроосаждение.

Первый метод является одним из самых простых с точки зрения инструментальной базы, однако при использовании этого метода для пленкообразующих веществ содержащих воду возникают трудности связанные с растеканием материала по подложке, особенно по металлу и стеклу. Представленные материалы не были исключением, но проблему частично удалось решить посредством уменьшения содержания воды в композиции, т.е. увеличением содержания основного вещества до 40-45%.

Второй метод позволял получать покрытия с более однородной поверхность, по сравнению с первым, однако возникали трудности с нанесением многослойных покрытий.

Третий метод сложнее с точки зрения выполнения, но достаточно широко используемой в промышленности, особенно в автомобильной. При нанесении электроосаждением различают катофорезные и анодофорезные материалы, синтезированные продукты относятся к катофорезным материалам. Для нанесения этим методом приготавливали 15 % растворы и нейтрализовали их диэтаноламином до рН 7.5-8. Затем проводили элетроосаждения на заранее зачищенных пластинках при различном значении напряжения и продолжительности осаждения. После получения покрытия его сушили в печке в течении 1 часа, а затем отверждали при различных температурах.

В процессе нанесения в некоторых случаях на поверхности покрытия наблюдалось выделение пузырей, что по видимому связано с «пробоем» формируемых покрытий. Для решения этой проблемы необходимо более точно подбирать параметры нанесения, а именно, напряжение подаваемое на образец и содержание в растворе основного вещества.

В таблице 2 приведены результаты исследования свойств покрытий полученных элетроосаждением при различных параметрах нанесение. Критерием по которому оценивались покрытия было выбрано содержание гель-фракции.

Данные приведенные в таблице подтверждают высказанные выше проблемы, кроме того, в результате нанесения получались термопластичные покрытия.

Таблица 2 – Свойства покрытий, полученных электросаждением

В результате проведенных исследований показано, что синтезированные продукты можно наносить методом электроосаждения, но требуется дальнейшая проработка метода.