Введение

Лакокрасочные материалы (ЛКМ) в настоящее время нашли широкое распространение практически во всех отраслях народного хозяйства для создания покрытий на их основе различного функционального назначения.

Основные лакокрасочные материалы, согласно ГОСТ 9825-73 (с изменениями № 1,2), классифицируются по виду, роду пленкообразующего вещества и преимущественному назначению материала.

Пленкообразующие вещества – синтетические или природные вещества, способные при нанесении на поверхность образовывать пленки за сравнительно небольшой промежуток времени (от нескольких минут до суток). Важнейшими свойствами таких пленок являются адгезия к поверхности, твердость, эластичность, влагонепроницаемость, стойкость к атмосферным и другим воздействиям внешней среды. В лакокрасочных материалах, содержащих порошкообразные пигменты и наполнители (краски, шпатлевочные составы), пленкообразующие вещества одновременно играют роль связующих. Пленкообразующие вещества наносят на поверхность в виде растворов в органических растворителях, дисперсий в воде или в пластификаторах, в виде расплавов.

В зависимости от происхождения различают:

 натуральные (природные) пленкообразующие вещества (растительные и животные клеи, льняное, тунговое и дегидратированное касторовое масла, продукты переработки канифоли и др.);

 синтетические пленкообразующие вещества.

В настоящее время синтетические пленкообразующие вещества все в большей степени заменяют натуральные, что позволяет экономить дорогостоящее сырье, широко варьировать эксплуатационные свойства покрытий.

По химической природе почти все пленкообразующие вещества – органические соединения. Из неорганических пленкообразующих веществ незначительное применение находит лишь стекло жидкое. В последнее время все большее распространение приобретают элементоорганические пленкообразующие вещества, наиболее применимы среди которых – полиорганосилоксаны (кремнийорганические полимеры), образующие гидрофобные термостойкие покрытия с хорошими диэлектрическими характеристиками.

В качестве пленкообразующих веществ для приготовления лакокрасочных материалов наиболее употребительны низкомолекулярные соединения, например триглицериды масел, канифоль, битумы, а также полимеры линейного или разветвленного строения с низкой степенью полимеризации (алкидные, эпоксидные и др. смолы). Такие пленкообразующие вещества способны растворяться в органических растворителях, образуя растворы с вязкостью, пригодной для нанесения при концентрации 1050%. Они позволяют при однослойном нанесении (кистью, окунанием, распылением) получать пленки толщиной 1030 мкм, обладающие хорошей адгезией. Менее концентрированные растворы практически непригодны, так как требуют нанесения 1012 слоев.

При растворении пленкообразующих веществ нарушаются силы межмолекулярного взаимодействия (когезии), обусловленные полярностью молекул, дисперсионными силами, водородными связями. Проникающий между макромолекулами пленкообразующего вещества растворитель вначале раздвигает их, а затем полностью разъединяет с образованием более или менее вязкого раствора. Для растворения некоторых пленкообразующих веществ вместо горючих, токсичных и дефицитных органических растворителей можно применять воду. Натуральные водорастворимые пленкообразующие вещества (растительные, животные клеи, казеин, декстрин) издавна используют для приготовления строительных и художественных красок, в настоящее время получены водорастворимые синтетические пленкообразующие вещества (алкидные, фенолоформальдегидные и др.), которые используют в машиностроении.

Известны пленкообразующие вещества, представляющие собой растворы реакционноспособных олигомеров в мономере, которые сополимеризуются в присутствии инициатора и ускорителя. При этом исключается применение летучих растворителей и образуется сравнительно толстая пленка (например, растворы полиэфирмалеинатов в стироле, винилтолуоле и т.п.).

В качестве пленкообразующих веществ применяют также полимеры с большой молекулярной массой, нерастворимые или образующие высоковязкие растворы даже при низких концентрациях. Такие полимеры можно наносить на поверхность из расплавов методами газоплазменного или вихревого напыления (полиэтилен, полиамиды), а также в виде суспензий в воде (бутадиенстирольные и поливинилацетатные латексы) или в пластификаторах (пластизоли на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и др.). Это позволяет без использования растворителей получать при однократном нанесении сравнительно толстые пленки (1001000 мкм) со свойствами, отличными от свойств обычных лакокрасочных покрытий (повышенная прочность, обусловленная большой длиной цепи макромолекул, химическая стойкость, термостойкость и др.).

Различают пленкообразующие вещества непревращаемые и превращаемые.

Непревращаемые (обратимые, термопластичные) пленкообразующие вещества образуют пленки в результате физических процессов: испарения растворителя из лаков и красок (нитроцеллюлоза, перхлорвиниловые смолы и др.), а также воды из дисперсий (поливинилацетат, полиакриловые смолы и др.), отвердевания при охлаждении нанесенного расплава (полиэтилен, полиамиды и др.). При этом восстанавливается действие сил взаимного притяжения между молекулами пленкообразующего вещества. К физическим процессам пленкообразования относится также желатинирование пластизолей, происходящее при термообработке и приводящее к образованию гомогенной пластифицированной пленки полимера.

Превращаемые (необратимые, термореактивные) пленкообразующие вещества после нанесения лакокрасочного материала на поверхность образуют пленку полимера сетчатого строения (отверждаются) за счет химических процессов поликонденсации и полимеризации. В большинстве случаев отверждению предшествует физический процесс – испарение растворителя. Скорость процессов химического превращения можно регулировать введением соответствующих катализаторов или ингибиторов.

Свойства получаемых пленок зависят от их строения и химического состава элементарных звеньев в цепях макромолекул. С увеличением длины цепей линейных молекул улучшаются их эластичность и прочность. Алифатические заместители препятствуют тесному сближению молекул пленкообразующих веществ и уменьшают силы межмолекулярного сцепления. Это повышает эластичность и морозостойкость пленок. Полярные заместители (атомы галогенов, группы ОН, СN, СООН) увеличивают взаимодействие молекул между собой и делают пленку менее эластичной. Эластичность повышается введением в полимеры пластификаторов. Эластичность пленок пленкообразующего вещества сетчатого строения, помимо прочих факторов, зависит от частоты сетки: пленки с очень частой сеткой хрупки. Наличие в цепях макромолекул бензольных ядер, а также атомов кремния, алюминия и титана способствует повышению термостойкости; хлора и фосфора – снижению горючести; хлора и фтора – улучшению химической стойкости. Присутствие реакционноспособных групп (например, двойных связей, гидроксилов) уменьшает химическую стойкость пленок.

При эксплуатации пленкообразующие вещества стареют – теряют прочностные свойства и делаются хрупкими. Старение ускоряется под действием света, резких перепадов температур, кислорода воздуха, влаги, радиоактивного облучения, механического разрушения. Процессы старения пленкообразующих веществ можно замедлить добавлением в пленкообразователь стабилизаторов и антистарителей, введением пигментов, оказывающих экранирующее действие, хотя некоторые пигменты (двуокись титана, цинковые белила) ускоряют окисление пленкообразующих веществ под действием света, так как обладают фотохимической активностью.

Особое место в лакокрасочной технологии занимает модификация пленкообразующих веществ. Так, полиэфиры химически модифицируют жирными кислотами растительных масел для повышения эластичности, адгезии, придания способности к химическому отверждению при естественной сушке (химическая модификация). Кроме того, их комбинируют (смешивают) с фенолоальдегидами или аминоальдегидами для повышения твердости (физическая модификация). Часто такие композиции способны к химическому взаимодействию при отверждении на подложке (смешанная модификация).

Рассмотрению всех этих аспектов химии и технологии пленкообразующих и посвящена данная книга.