Способ получения красок на основе наноструктурированного поливинилового лака

Боев Е.В., Исламутдинова А.А., Касьянова Л.З., Аминова Э.К. Способ получения красок на основе наноструктурированного поливинилового лака. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(3):331–338. –338. – EDN: ZEBVIG.

Лакокрасочные материалы благодаря нанострукту-рированнному составу лучше защищают и покрывают строительные конструкции, изготовленные из различных материалов, позволяя придать им потребительский декоративный вид. Наноструктурирующие добавки для улучшения эксплуатационных характеристик широко используются в строительной индустрии [1–3].

Нанесение лакокрасочных покрытий приводит к образованию на ее поверхности тонкого нано-структурированного защитного слоя.

Приготовление таких лакокрасочных материалов проводят по достаточно простой технологии. Основными компонентами, входящими в состав лак – красок, являются пигменты, различные наполнители и связующие компоненты. Пигменты используются для придания краске определенных оттенков цветовой гаммы. Составы пигментов и их свойства также подбираются в соответствии с материалом строительных конструкций и с учетом воздействия внешних факторов. Пигмент в зависимости от концентрации может влиять на насыщенность цвета лак-краски, установлено, что, как правило, высокие концентрации придают тусклый цвет, и низкие концентрации, наоборот, придают яркость [4–10].

Склеивающее свойство лак-красок является одной из важнейших характеристик, на которые влияет связующая добавка. Функцией связующей добавки яв- ляется склеивание мелких частиц пигмента в единую целостную пленку, образующуюся при высыхании. Наполнители придают лак-краске гладкость и тягучесть. При нанесении лак-краски на поверхность строительных конструкций подобный наполнитель испаряется. Лакокрасочные материалы, изготовленные на базе перхлорвиниловой смолы, позволяют обеспечить более насыщенную цветовую гамму и сохраняют декорирующую функцию до четырех лет. Перхлорвиниловые лакокрасочные композиции находят широкое применение в строительной индустрии, ими покрывают не только металлические и деревянные конструкции, но и бетонные, кирпичные и оштукатуренные поверхности. Такие покрытия сохраняют высокую активность к воздействию сильных кислот, таких как серная и азотная кислоты, концентрированных растворов минеральных солей, органических составов и масел. Необходимо отметить высокие адгезионные свойства, обеспечивающие защиту строительных конструкций от проникновения влаги. Также состав краски уже готов к использованию и не требует разбавления растворителями [11–16].

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В работе разработана рецептура получения на-ноструктурированной лак-краски на основе поливинилхлорида и глины местного месторождения, содержащего в качестве наночастиц алюминий, кремний.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Все основные характеристики лакокрасочных материалов, описывающие их качество, можно найти в паспорте продукции, предоставляемой потребителям.

Полученные в лаборатории образцы прошли тестирование по методикам, соответствующим нормативным документам:

Степень перетира. Данный показатель основан на измерении размеров твердых микрокомпонентов краски. Качество лакокрасочной композиции зависит от их количества, при их увеличении качество снижается. Метод определения степени перетира лакокрасочных материалов вычисляли в соответствии с ГОСТ Р 52753-2007. «Материалы лакокрасочные. Метод определения степени перетира».

Тестирование проводилось при температуре 23– 25 °С. Прибор устанавливали на горизонтальную поверхность. Анализируемые образцы лакокрасочного материала помещали в дальний глубокий конец паза, избегая, таким образом, попадания пузырьков воздуха. Скребок устанавливали перпендикулярно за дальним концом паза, при этом соблюдалось условие, при котором длина скребка находилась параллельно ширине самого прибора. Скребок с несильным нажимом располагают строго вертикально измерительной поверхности таким образом, чтобы скребок полностью удалил избыток, нанесенный вначале, и лакокрасочный материал полностью равномерно распределился. Далее в течение 5–6 с необходимо осмотреть на свету анализируемый материал. Направление взгляда перпендикулярно к длине паза, под углом не больше 30° и не меньше 20°, и начинают определение расположения частиц в пазе, где они становятся видимыми.

Вязкость. Данный показатель анализируют по времени истечения необходимого объема лакокрасочного материала через калиброванное отверстие, характеризующее малярные свойства. Показатель вязкости определяет способ нанесения лакокрасочного покрытия на очищенную поверхность. Нанесение покрытия может проводиться кистью, валиком и краскопультом.

Вязкость лак-краски можно измерить на приборе вискозиметре, анализ проводят при давлении 0,1 Мпа и температуре 21–25 °С. Вискозиметр состоит из воронки и сопла определенных размеров. В работе использовали вискозиметр марки ВЗ–246, который показывает условную (ньютоновскую) вязкость – время перехода исследуемой лакокрасочной композиции сквозь калиброванное отверстие сопла, при этом на лакокрасочный материал не влияют никакие силы, кроме силы тяжести.

Показатель укрывистости показывает, сколько краски необходимо для покраски 1 м2 поверхности. Данный способ позволяет определить расход исследу- емого материала, чем меньше он, тем экономическая составляющая лучше. Таким образом, под обрывистостью красок, эмалей, лаков понимают их способность к равномерному нанесению на однотонную ровную поверхность. Для лака важной характеристикой является его способность давать невидимым цвет или при покраске им черно-белой подложки уменьшать контрастность между черным и белым до исчезновения разницы между ними. При проведении испытаний на укрывистость обычно применяют визуальный метод оценки. Для этого используют черно-белую шахматную доску. Сущность оценки укрывистости состоит в нанесении слоев лакокрасочной композиции на стеклянную поверхность до исчезновения просвечивания черных и белых квадратов шахматной доски, находящихся под стеклянной пластинкой. Как правило, используют стеклянные пластинки 90×120 мм и толщиной 1,2–1,8 мм.

Определение времени высыхания соответствует продолжительности отверждения лакокрасочного покрытия, что позволяет определить время нанесения последующих слоев и оценить готовность анализируемого покрытия к постоянному использованию. Степень высыхания определяет такое состояние нанесенного покрытия, нанесенного на пластину в зависимости от времени высыхания при определенных условиях. То есть временем высыхания краски называют определенный промежуток времени, при котором достигается необходимая степень высыхания слоя лакокрасочной композиции с заданной толщиной покрытия при определенных условиях высушивания.

Адгезия – это свойство лакокрасочного материала, позволяющее оценить прочность сцепления лакокрасочного покрытия с окрашенной поверхностью. Чем данный показатель больше, тем лучше. Определение адгезии лакокрасочного материала проводят соответственно с ГОСТ 15140-78 «Материалы лакокрасочные. Метод определения адгезии». В основу определения адгезии лакокрасочного покрытия положено определение отслаивания гибкой пластинки от армированной стеклотканью поверхности и измерение прилагаемой для этого силы.

Анализ адгезионных свойств проводят в температурных пределах 18–22°С при относительной влажности воздуха 60–70%. Исследование проводят с двумя образцами на не менее трех участках обрабатываемой поверхности. На каждом из испытуемых участках наносятся надрезы не менее шести, и соблюдается условие на расстоянии не меньше 10 мм от края обрабатываемой поверхности. Режущий инструмент располагается перпендикулярно поверхности. Таким же способом наносят и перпендикулярные надрезы. Таким образом, на каждом анализируемом образце образуется решетка с квадратами одинаковых раз-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ меров. Решетки должны располагаться друг от друга на расстоянии не менее 2 см. Адгезию определяют согласно требованиям в ГОСТ 15140-78 [17].

Водостойкость оценивают на основании устойчивости лакокрасочного материала к воздействию пресной или морской воды. При определении водостойкости лакокрасочное покрытие наносят на две одинаковые металлические пластинки каждая размером 70×150 мм в соответствии со стандартом. После высыхания пластинки вертикально в подвешенном состоянии погружают в дистиллированную воду. Необходимо перед погружением в воду края покрыть менделеевской замазкой для предотвращения попадания влаги внутрь покрытия. После высыхания пластинок в течение 1–2 часов оценивают внешний вид и цвет покрытия. Не допускается наличие белых матовых пятен, сыпи, пузырей и других видов разрушения. Таким же способом проверяют устойчивость лакокрасочного покрытия к щелочам и кислотам.

Атмосферостойкость. Данное свойство лакокрасочного материала характеризует его способность к сохранению своих защитных и декорирующих свойств в течение длительного времени в атмосферных условиях.

Атмосферостойкость лакокрасочных покрывных материалов исследовали согласно ГОСТ 699268 на площади, находящейся на открытом воздухе. Покрашенные образцы помещают на наклонных стендах под углом 45° к горизонтальной поверхности, располагая лицевой стороной на юг. Анали- зируемые образцы осматривают через равные промежутки времени, по установленным стандартам. При осмотре проводят анализ степени разрушения, которое характеризуется потерей материала блеска, изменением цветности, грязеудерживанием, выветриванием, растрескиванием, расслаиванием, наличием пузырей и коррозии в процентном соотношении к общей площади покрытого лакокрасочным материалом образца. Атмосферостойкость покрытия с нанесенным лакокрасочным материалом анализируют по пятибалльной шкале их декоративного вида и по восьмибалльной шкале их защитных свойств. Шкалы оценки свойств представлены в стандарте. Для ускоренного способа определения атмосферо-стойкости лакокрасочных покрытий в лабораторных условиях можно определить на приборе визирометре. Данный прибор позволяет анализировать образцы путем попеременного воздействия на них тепла и холода, влаги и сухого воздуха, а также ультрафиолетовых лучей. Продолжительность анализа от 150 до 200 часов.

В работе использован поливинилхлорид суспензионный следующих марок С-6669ПЖ, С-6069Ж, С-6369Ж, 5868ПЖ, физико-химические показатели которых представлены в табл. 1.

Методика приготовления антикоррозионного лака. Антикоррозионный лак – раствор перхлорвиниловой смолы в смеси ацетона, толуола (сольвента), бутилацетата (этилацетата) – готовится в емкости вместимостью 3 л, снабженной мешалкой и холодильником. Объем реакционной смеси 1000 гр = 1 кг.

Таблица 1. Физико-химические показатели смол ПВХ 6669 ПЖ, 5868 Ж

Наименование показателя	Марка
	С-6669ПЖ	С-6069Ж	С-6369Ж	5868ПЖ
Загрязняющие вещества , шт., не выше	6	5	6	9
Прозрачные точки диаметром 0,1 см3, шт., не выше	–	–	–	4
Значение константы Фикентчера	66–67	60–63	62–64	57–59
Насыпная плотность, г/см3	0,53±0,02	0,55–0,61	0,52–0,62	0,52–0,62
Остаток после просева на сите с сеткой: № 0315, %, не выше	отсутствует	отсутствует	отсутствует	отсутствует
№ 0063, %, не меньше	97	94	94	91
Сыпучесть, в сек, не выше	–	11	12	13
Масса поглощенного пластификатора, в граммах на 100 г ПВХ, не меньше	21	15	–	16
Процентное содержание влаги и летучих веществ, в %, не выше	0,2	0,2	0,2	0,2
Удельное электрическое сопротивление, Ом*см, не меньше	5,2 * 1013	5,2 * 1013	5* 1013	5* 1013
Процентное содержание винилхлорида, в ppm, не выше	1	1	1	1

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Загрузка растворителей в колбу осуществляется периодически в следующей последовательности: 577 мл толуола, 303 мл ацетона, 13 мл бутилацетата. Для предотвращения уноса паров ацетона используется холодильник. По окончании загрузки растворителей включается мешалка реактора и засыпается 120 гр перхлорвиниловой смолы.

Растворение перхлорвиниловой смолы производится при температуре окружающей среды. Полнота растворения смолы определяется визуально, путем отбора проб. Первая проба отбирается через 2 часа после начала растворения.

Если раствор прозрачен, не содержит частиц не-растворившейся смолы и вязкость раствора находится в пределах (20÷35) секунд, растворение смолы считается законченным. Затем приливаем 41 мл пластификатора (ДОФ).

Таблица 2. Рецептура наноструктурированной лак-краски

Наименование компонентов	Количество, гр.	Содержание, %
Толуол	149,99	39,29
Ацетон	72,16	18,91
Бутилацетат	29,85	7,82
Перхлорвиниловая смола (ПВХС)	36	9,43
Диоктилфталат (ДОФ)	11,98	3,16
монтмориллонит	81,67	21,39
ИТОГО	381,67	100,00

Реакционная смесь в колбе после загрузки пластификатора перемешивается еще в течение 0,5 часа, после чего определяется качество лака на соответствие ТУ 2313-84-0203312-96.

При несоответствии качественных показателей лака производится постановка его на «тип» (стандартизация). При этом производится добавка тех или иных компонентов, предусмотренных рецептурой.

Разбавление лака производится толуолом (сольвентом) до условной вязкости (20÷35) секунд. При условной вязкости менее 20 секунд в колбу загружается перхлорвиниловая смола. Указанные операции проводятся до тех пор, пока лак не будет отвечать требованиям ТУ 2313-84-00203312-96.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Полученная наноструктурированная лак-краска рекомендуется для защиты загрунтованных наружных поверхностей технологического оборудования, а также строительных конструкций, изготовленных из различных материалов от воздействия агрессивных сред при температурах, не превышающих 60 ˚С (1). Рецептура наноструктурированной лак-краски представлена в табл. 2.

Процесс получения осуществляется при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Проведена сравнительная характеристика полученного образца наноструктурированнной лак-краски с близкой по составу краской марки ЭМАЛЬ ХВ-110 (ТУ 6-27-7-89). Сравнительная характеристика приведена в табл. 3 [18–19].

Таблица 3. Сравнительные характеристики

№ п/п	Наименование показателя	ЭМАЛЬ ХВ-110, ТУ 6-27-7-89	Антикоррозионная краска, приготовленная в ФГБОУ ВО УГНТУ в г. Стерлитамаке
1	Внешний вид лако красочной композиции	Однородность, матовый цвет	Однородность, матовый цвет
2	Цвет	Основная цветовая гамма (зеленый, черный, серый, светлосерый, темносерый, коричневый, красно-коричневый, красный, желтый, синий, голубой)	Основной цвет – белый. Допускается использование стандартных цветов
3	Показатель условной вязкости, не менее	65–85	45–65
4	Процентное содержание нелетучих соединений, %	30–40	15–20
5	Время высыхания, температура (20±2) С до степени 4 ч, не выше	3	3-4
6	Адгезионные свойства, не выше	2	2
7	Стоимость, руб/кг	170

2025; 17 (3): 331–338

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Далее на рис. 1–3 представлены диаграммы физических характеристик используемых лак-красок и разработанного нами образца (показатель 7)

на такие характеристики, как условная вязкость, массовая доля нелетучих веществ и время высыхания.

Рис. 1. Условная вязкость: 1 – антикоррозийная акрилсиликоновая «три в одном»; 2 – антикоррозионная толстослойная глянцевая композиция для черных металлов; 3 – Эмаль Уником спецкраска по ржавчине 3 в 1; 4 – Эмаль МЛ-12 для металлических поверхностей; 5 – Краска МА-15 масляная; 6 – Краска Цикроль; 7 – антикоррозионная краска предлагаемая

Рис. 2. Массовая доля нелетучих веществ: 1 – антикоррозийная акрилсиликоновая «три в одном»; 2 – антикоррозионная толстослойная глянцевая композиция для черных металлов; 3 – Эмаль Уником спецкраска по ржавчине 3 в 1; 4 – Эмаль МЛ-12 для металлических поверхностей; 5 – Краска МА-15 масляная; 6 – Краска Цикроль; 7 – антикоррозионная краска предлагаемая

Рис. 3. Время высыхания: 1 – антикоррозийная акрилсиликоновая «три в одном»; 2 – антикоррозионная толстослойная глянцевая композиция для черных металлов; 3 – Эмаль Уником спецкраска по ржавчине 3 в 1; 4 – Эмаль МЛ-12 для металлических поверхностей; 5 – Краска МА-15 масляная; 6 – краска Цикроль; 7 – антикоррозионная краска предлагаемая

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Преимущественные характеристики – диаграммы.

По диаграмме видно, что из семи исследуемых образцов образец 3 обладает высокой вязкостью.

При анализе нелетучих веществ два образца показали максимальное содержание 70%.

Наибольшее время высыхания показал образец 5, быстрее всех высыхают образцы под номером 1 и 2.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученный нами наноструктурированный образец может быть использован при покрытии строительных конструкций. Данная наноструктуриро-ваннная сырьем местного происхождения лак-краска позволит длительное время эффективно защищать обработанные поверхности от воздействия агрессивных сред и окружающей среды (рис. 4).

Также полученная лакокрасочная композиция позволит защитить от коррозии и теплоизоляции паропроводов и теплопроводов тепловых сетей. Использование и эксплуатация оборудования и конструкций, покрытых такой наноструктурированной лак-краской, может осуществляться при температурах до +60 °С. Нанесение подобных композиций позволяет осуществлять окрашивание при температурах до –20 °С.

Рекомендации по нанесению: нанесение лак-краски возможно пневматическим распылением, кистью, валиком; покраску необходимо производить по сухой, обезжиренной поверхности, температура окружающего воздуха находится в пределах температурного диапазона от –20 до –40 °С и относительной влажности не выше 20%; необходимо перед началом покраски обработать места наиболее подверженные. Рекомендуется перед началом проведения покрасочных работ применять метод полосового нанесения кистью для проблемных зон строительных конструкций, таких как сварные швы, места болтовых соединений и труднодоступные места.

Основные меры безопасности: при нанесении лак-краски в закрытом помещении следует убедиться, что рабочая зона является хорошо проветриваемой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана рецептура наноструктурированной полистирольной лак-краски на основе глины Тала-лаевского месторождения различной глубины извлечения.

Рис. 4. Полученный наноструктурированный образец лак-краски

Обосновано применение в качестве наполнителя в полистирольную краску глины Талалаевского месторождения в качестве нанонаполнителя, позволяющего улучшить основные эксплуатационные характеристики, такие как укрывистость – повышение в 1,5 раза, твердость пленки – увеличение в 3 раза, водостойкость – увеличение в 2 раза. Снижение количества растворителя снижает содержание летучих соединений в составе краски, что позволит повысить безопасность их применения. Выявлено, что глина влияет на свойства наноструктурированных лакокрасочных композиций на основе полистирола. Глина влияет на увеличение времени высыхания лак-красок на цементно-песчаной подложке примерно на 25–30%. Установлено, что степень высыхания при отрицательных температурах с использованием данных наноструктурированных лакокрасочных покрытий увеличивается на 12,5%. Кроме того, введение глины как наноструктурирующей органоминеральной добавки улучшает прочностные и деформационные свойства изделий. При добавлении глины в состав полистирольной краски повышается когезионная прочность в 2 раза.