Влияние местных наполнителей Республики Мордовия на характеристики водно-дисперсионных лакокрасочных покрытий

В последние годы все большее внимание уделяется архитектурной выразительности фасадов зданий, что привело к увеличению спроса на материалы, предназначенные для их отделки, в том числе и на лакокрасочные покрытия [1;  2]. Высокая стоимость энергоресурсов, рост цен на сырье, транспортные расходы сырья и готовой продукции сказываются на повышении стоимости материалов российских производителей. Для снижения себестоимости лакокрасочной продукции целесообразно использовать в качестве наполнителей местные сырьевые ресурсы [3–5].

Наиболее известным и давно применяемым наполнителем для лакокрасочных систем является мел. Однако в Мордовии нет залежей мела, пригодного для изготовления красок, и его приходится завозить из других регионов. В то же время в Республике расположены крупные запасы диатомита и доломита, что позволяет использовать их в составах лакокрасочных покрытий [3; 5].

Физико-механические и эксплуатационные характеристики краски предопределяются составом и свойствами ее компонентов. Как известно, водно-дисперсионная краска представляет собой водную дисперсию пленкообразователя (связующего) с наполнителями, пигментами и различными специфическими добавками (эмульгаторы, стабилизаторы, загустители, антивспениватели, антисептики и др.) [6]. Количественное соотношение между связующим и пигментно-наполнительной частью в значительной мере определяет физикомеханические и защитные свойства покрытия.

Пигменты и наполнители в лакокрасочных покрытиях выполняют разнообразные функции, главными из которых являются придание цвета, непрозрачности, повышение прочностных и защитных свойств. При выборе пигментов и наполнителей воднодисперсионных красок возникает ряд задач, связанных с необходимостью обеспечения их химической и коллоидно-химической устойчивости в водной среде, должной дисперсности, а также с подбором уровня наполнения (т. е. оптимального содержания в покрытии пигментов и наполнителей). Для пигментирования водно-дисперсионных красок пригоден ограниченный набор пигментов и наполнителей, характеризующихся повышенной нерастворимостью и химической инертностью в водной среде, минимальным содержанием водорастворимых примесей, стойкостью в слабокислых (или щелочных) средах.

Долгое время считалось, что наполнители в лакокрасочных материалах (ЛКМ) играют пассивную роль в отношении свойств лакокрасочной композиции. На сегодняшний день стало очевидно, что наполнители оказывают существенное влияние на такие свойства ЛКМ, как распределение частиц пигмента, структуру и реологические свойства краски (розлив и вязкость) [7]. Некоторые, так называемые, активные наполнители способны даже усиливать прочностные и защитные свойства покрытий, а не просто «разбавлять» основной пигмент.

В данной работе была поставлена цель – проанализировать влияние местных для Республики Мордовии наполнителей (диатомита и доломита) на характеристики водорастворимых акриловых красок. В ходе экспериментальных исследований также варьировалось количество акриловой дисперсии и пигмента – диоксида титана; базовым наполнителем был выбран мел. В качестве плана эксперимента использовался план вида «состав-свойство» (см. табл. 1). Исследуемыми факторами послужили количественные содержания: x – акриловой дисперсии «Акрэмос-101»; x – диоксида титана TiO 2 , а также доля в смеси наполнителей: мела ( v ), диатомита ( v ) и доломита ( v ), причем v 1 + v 2 + v 3 = 1 и 0 - ^vi - 1. Содержание других компонентов смеси (загустителей, пеногасителей, биоцидных добавок и т.д.) принималось постоянным для всех составов. Уровни варьирования переменных факторов и план эксперимента приведены в табл. 1 и 2.

План экспериментального исследования

Таблица 1.

№ опыта	В нормализованных факторах					В натуральных факторах, масс. час.
	v 1	v 2	v 3	x 1	x 2	мел	диатомит	доломит	Акрэмос- 101	оксид титана
1	1	0	0	-1	-1	40	0	0	10	10
2	0	1	0	-1	-1	0	20	0	10	10
3	0	0	1	-1	-1	0	0	40	10	10
4	0.5	0.5	0	-1	0	20	10	0	10	15
5	0	1	0	-1	1	0	20	0	10	20
6	0.5	0	0.5	-1	1	20	0	20	10	20
7	1	0	0	0	1	40	0	0	20	20
8	0	0	1	0	1	0	0	40	20	20
9	0.5	0	0.5	0	0	20	0	20	20	15
10	1/3	1/3	1/3	0	-1	13.33	6.67	13.33	20	10
11	1	0	0	1	-1	40	0	0	30	10
12	0	1	0	1	-1	0	20	0	30	10
13	0	0	1	1	-1	0	0	40	30	10
14	0	0.5	0.5	1	0	0	10	20	30	15
15	0.5	0.5	0	1	-1	20	10	0	30	10
16	0.5	0	0.5	1	1	20	0	20	30	20
17	0	0	1	1	1	0	0	40	30	20

Таблица 2.

Варьируемые компоненты красок, мас.час.	Уровни варьирования			Максимальное содержание наполнителей, мас.час.
	-1	0	+1
дисперсия «Акрэмос-101»	10	20	30	мел	диатомит	доломит
оксид титана	10	15	20	40	20	40

Уровни варьирования переменных факторов

За эталон водно-дисперсионных красок при проведении сравнительных испытаний принималась отечественная ВД-АК-111 (ГОСТ 28196-89). Данная краска предназначена для наружной и внутренней окраски зданий и сооружений по кирпичным, бетонным, оштукатуренным и другим пористым поверхностям. Покрытия на основе воднодисперсионной краски ВД-АК-111 охраняют защитные свойства не менее 5 лет в условиях умеренного климата.

Основные характеристики краски ВД-АК-111:

• •    внешний вид высохшей пленки (ГОСТ 28196-89) – ровная однородная матовая поверхность;

• •    массовая доля нелетучих веществ (сухой остаток) (ГОСТ 17537-72) – 47-52%;

• •    pH краски (ГОСТ 21119.3-75) – 8-9;

• •    условная вязкость (ВЗ-246) с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74) – не менее 12 с;

• •    укрывистость высушенной пленки (ГОСТ 8784 -75) – не более 100 г / м ² ;

• •    степень перетира (ГОСТ 6589-74) - не более 60 мкм;

• •    время высыхания до степени 3 (ГОСТ 19007-73) при 20° С - не более 1 ч.

При испытании полученных композиций, составы которых приведены в табл. 1, установлено, что степень перетира (не более 60 мкм), рН (8÷9) и время высыхания до степени 3 (менее 1 часа) для всех красок находятся в норме (ГОСТ 28196-89). Для анализа массовой доли нелетучих веществ (сухого остатка), укрывистости высушенной пленки и расхода краски вязкость по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм для всех составов выдерживалась в пределе 22-27 с. (ГОСТ 28196-89).

По результатам проведенных исследований были определены коэффициенты полиномиального уравнения:

y = b l ■ V 1 + b 2 • v 2 + b 3 ■ v 3 + b i2 • v i ■ v 2 + b i3 • v i ■ v 3 + b 23 • v 2 • v 3 +

+ b i23 ■ ^v i • ^v 2 • ^v 3 + d i Г ^v i ■ X i + d^ 1 • ^v 2 • ^x i + d s Г V 3 • X i + d i2 ■ V • ^ 2 +

+ d ₂₂ ■ v ₂

■ x 2 + d 32 ■ v 3 ■ x 2 + C 12 ■ x i ■ x 2 + c ii ■ x i + C 22 ■ x 2

и построены трехмерные графические зависимости, позволяющие проследить влияние варьируемых факторов (рис. 1–3) на характеристики ЛКМ.

Рис. 1. Изменение сухого остатка ЛКМ ( x = -1) в зависимости от структурных параметров ( x – акриловая дисперсия «Акрэмос-101»; x – диоксид титана TiO 2 ; v – мел; v – диатомит; v – доломит).

Одним из основных параметров красок является сухой остаток (массовая доля нелетучих веществ). Установлено, что для составов, наполненных мелом и доломитом, происходит повышение значений сухого остатка при увеличении в краске количества акриловой дисперсии «Акрэмос-101». Изменение доли пигмента (диоксида титана) не оказывает заметного влияния на величину сухого остатка. Незначительное увеличение данного параметра наблюдается для композиций, наполненных диатомитом. На графиках, представленных на рис. 1-3, хорошо видно влияние вида наполнителя на массовую долю нелетучих веществ. Так, краски, в которых в качестве наполнителя используется диатомит и комбинация «мел + диатомит», обладают наименьшим сухим остатком.

Рис. 2. Изменение сухого остатка ЛКМ ( х^ = 0) в зависимости от структурных параметров ( x _t - акриловая дисперсия «Акрэмос-101»; х₂ - диоксид титана TiO2; V j - мел; v ₂ - диатомит; v₃ - доломит).

Учитывая требования, предъявляемые к подобным краскам, минимальное значение сухого остатка должно быть не ниже 47÷52%. Отбрасывая все составы, имеющие более низкие значения, можно сделать вывод, что краски с наполнителями доломит, мел-доломит (50-50%) и диатомит-доломит (50-50%) удовлетворяют предъявляемым требованиям. Композиции, наполненные мелом, имеют сухой остаток, превышающий минимально -допустимый уровень только при содержании акриловой дисперсии более 20 мас. час. ( Х 1 >  0).

Наименьшие (не удовлетворяющие требованиям) значения данного параметра получены для красок, содержащих минимальное количество акриловой дисперсии ( X j = -1), доломита менее 20–37% и мела, соответственно, более 63–80%. Практически аналогичная ситуация возникает и при анализе совместного влияния наполнителей доломита и диатомита.

В данном случае краски с оптимальным сухим остатком должны содержать доломита не менее 22÷34%.

Рис. 3. Изменение сухого остатка ЛКМ ( x = 1) в зависимости от структурных параметров ( x – акриловая дисперсия «Акрэмос-101»; x – диоксид титана TiO 2 ; v – мел; v – диатомит; v – доломит).

На основе экспериментальных исследований установлено, что если в качестве наполнителей использовать диатомит и мел, то полученные краски имеют достаточно низкое содержание нелетучих веществ, еще больше снижающееся при увеличении в составе доли диатомита. В этом случае краски с допустимым сухим остатком можно получить только при достаточно большом содержании акриловой дисперсии x ≥ 0 и оксида титана x ≥ 0 , а также минимальном количестве (до 12÷30%) диатомита и максимальном (более 70÷88%) мела.

В ходе экспериментального исследования также проводился анализ расхода краски, оцениваемой параметром «укрывистость» с применением черно-белой шахматной доски по ГОСТ 8784-75. Выявлено, что для всех исследуемых составов укрывистость достигается при нанесении двух слоев лакокрасочного покрытия. При этом наибольший расход краски, нанесенной в два слоя (в пересчете на сухую пленку), при минимальном количестве оксида титана наблюдался для композиций, наполненных доломитом. Повышение в смесях доли оксида титана приводит к увеличению расхода краски для составов, содержащих мел и комбинации наполнителей «мел + диатомит».

Композиции, содержащие в своем составе только доломит, обладают наименьшим разбросом характеристик при различных сочетаниях количества акриловой дисперсии и пигмента. Наибольшие значения расхода краски для композиций, наполненных мелом, получают при максимальном содержании оксида титана. Увеличение количества акриловой дисперсии в составе лакокрасочной продукции, наполненной мелом и доломитом, при малом содержании отбеливающего пигмента приводит к значительному повышению укрывистости. С повышением доли оксида титана влияние степени наполнения значительно снижается. При увеличении доли мела в комбинации «мел + доломит», а также диатомита в комбинации «диатомит + доломит» при низких значениях пигмента происходит значительное уменьшение укрывистости ЛКМ. При высоком содержании в акриловых красках оксида титана изменение укрывистости практически не наблюдается.

Таким образом, использование в качестве наполнителей акриловых красок доломита и диатомита в оптимальных соотношениях позволяет получить составы с требуемой укрывистостью и массовой долей нелетучих веществ, что подтверждает целесообразность использования местных наполнителей Республики Мордовия для производства воднодисперсионных красок.