ЛЕКЦИЯ 16
Технология производства красок на основе наноструктурированной водной эмульсии полимеров
Особенности технологического процесса производства водоэмульсионных композитов. Бутадиен-стирольные краски. Полидивинилацетатные краски. Краски на основе сополимеров винилацетата (сополимеро-винилацетатные).
Производство ЛКМ на основе НВЭП имеет ряд особенностей таких как:
· Более высокая экологичность и пожаро - взрывоопасность, обусловленные отсутствием органических растворителей;
· Особенности диспергирования, связанные с характером полимерных частиц и низкой устойчивостью латексов к гидромеханическим воздействиям диспергирования;
· Многокомпонентность составов, связанная со спецификой пленкообразующих систем – низкая вязкость, условия развития бактерий, замораживание, относительно низкая пленкообразующая способность.
Особенности диспергирования.
Особенности диспергирования при производстве НВДЭП ЛКМ по сравнению с органорастворимыми ЛКМ:
· процесс диспергирования в водной среде идет легче, так как большинство пигментов и наполнителей имеет гидрофильный характер поверхности, что способствует более эффективному смачиванию поверхности и внутренней структуры агрегатов пигментных частиц и обеспечивает возможность использования менее энергоемкого и дорогостоящего оборудования для диспергирования;
· процесс диспергирования должен осуществляться в отсутствии пленкообразующей системы, так как большинство лате6ксов не выдерживает сильного гидромеханического воздействия, развиваемого в диспергирующем оборудовании, и теряет устойчивость: либо частично, либо полностью коагулирует, что требует введения в состав пигментных пастспециальных диспергирующих и стабилизирующих добавок.
Особенности пигментирования.
Пигментирование водно-дисперсионных пленкообразующих систем характеризуется рядом особенностей, обусловленных дисперным состоянием пленкообразователя и спецификой водной среды. Область перехода структуры наполненного полимерного покрытия называют критическим объемным содержанием пигмента (КОСП) φкр. В области перехода структур резко изменяются реологические свойства лакокрасочных материалов (например, их текучесть) блеск, механические и защитные свойства покрытий (рис. 4).
Теоретически для монодисперсных сферических частиц, независимо от их диаметра, при наиболее плотной гексагональной упаковке (φкр должно составлять 0,74 общего объема. С учетом наличия граничных слоев толщиной δ при размере частиц α:
φкр = 0,74(1 – δ/α)3
Практически полидисперсные частицы упакованы не идеально плотно и φкр составляет обычно 0,45‒0,55 общего объема.
Низкое КОСП, причиной которого является отсутствие смачивания частиц пигментов и наполнителей пленкообразователем в краске, так как частицы пленкообразователя и минеральной фазы разделены прослойками воды. Смачивание пигментных частиц пленкообразователем начинается только на завершающих стадиях пленкообразования, когда частицы полимера начинают контактировать друг с другом (рис. 22 из учебника) и с частицами минеральной фазы. Полимер при этом находится в высокоэластичном состоянии, а макромолекулы недостаточно подвижны чтобы полностью смочить поверхность за то короткое время, которое отводится на формирование покрытия. Важным фактором, определяющим КОСП, является размер частиц полимера, и значение КОСП может быть рассчитано исходя из соотношения:
КОСП = 
где Dпо и Dпг – диаметры частиц полимера и пигмента.
Таким образом, одним из факторов повышения КОСП является снижение размера латексных частиц.
Производство красок на основе водной эмульсии полимеров. Несмотря на сложность рецептуры вододисперсионных красок, технология их изготовления сравнительно проста и принципиально не отличается от технологии производства эмалей и грунтовок, содержащих органические растворители. Обычно лакокрасочные заводы используют уже готовые латексы, которые производятся заводами синтетического каучука (стирол-бутадиеновые) или промышленностью пластмасс (поливинилацетатные, полиакрилатные и др.). В целом процесс производства краски можно подразделить на четыре основные стадии:
· Приготовление водного полуфабриката;
· Подготовка пигментной пасты (предварительное смешение).
· Непрерывное диспергирование.
· Дозагрузка компонентов по рецептуре.
· Корректировка конечного продукта.
Производство цветных водоэмульсионных красок включает дополнительные (по сравнению с производством белых) операции ‒ замес и перетир на краскотерочной машине подколеровочных паст и подгонка цвета при типизации краски в смесителе. Эмульсионные краски производят в высокоскоростные диспергаторы. За счет хорошего диспергирующего действия в диспергаторах возникает большое усилие сдвига. Однако в высоковязких эмульсионных красках, содержащих грубые частицы, требуются высокие усилия сдвига. В этих случаях более эффективными являются многоосевые мешалки.
Приготовление водного полуфабриката проводят в смесителях. Используют деминерализованную (т. е. освобожденную от минеральных солей) воду. В ней растворяют эмульгаторы, стабилизаторы, структурирующие добавки, пеногасители, антиоксиданты и др. Полученный раствор используют для диспергирования пигментов и наполнителей. Для этой цели применяют, шаровые мельницы и бисерные диспергаторы.
При составлении краски пигментную пасту совмещают в смесителе при умеренном перемешивании с эмульсией полимера, добавляют пластификатор, антифриз и другие необходимые добавки. Готовую краску очищают фильтрованием через сетчатые фильтры и фасуют.
На рисунке 1 приведена схема производства водоэмульсионных красок с применением бисерных мельниц. В смесителях I готовят полуфабрикат, т. е. водный раствор полимерной дисперсии, который затем насосом 4 подается в быстроходный смеситель 6; туда же из бункера 8 загружают пигменты и наполнители. Из смесителя 6 через промежуточный смеситель 7 водная паста пигмента поступает на бисерную мельницу 9. Полученная в результате диспергации пигментная паста помещается в диссольвер 10. В его емкости, имеющее форму тора, установлена рамная мешалка, вращение которой препятствующей густым и липким компонентам оседать на стенках и дне диссольвера, а состав водоэмульсионной краски доводится до стандартных характеристик путем смешения с пленкообразующим веществом, подаваемым туда же из хранилища 3 насосом 4. Сроки смешивания компонентов водно-дисперсной краски зависят от объема смеси, исходных характеристик закладываемых компонентов, мощности диспергатора и диссольвера – как правило, достаточно 20-30 минут на каждую из операций. На завершающем этапе готовая краска пропускается через сетчатые фильтры 5. После смешения и типизации в смесиготовая краска поступает на фасовочную машину для розлива в тару. Весь цикл работ по производству краски должен проходить при температуре воздуха не ниже +5 °C.
Рис. 1. Схема производства водоэмульсионных красок: 1 – смеситель для приготовления раствора добавок; 2 – весы; 3 – хранилище для эмульсии, 4 – насос; 5 – фильтр сетчатый; 6 – смеситель быстроходный; 7 – промежуточный смеситель; 8 – бункер для пигментов; 9 – бисерная мельница; 10 – смеситель.
Краски на основе водной эмульсии в отличие от масляных красок, эмалей и других пигментированных лакокрасочных материалов не содержат в своем составе растительных масел и токсичных органических растворителей. Гарантийный срок хранения всех марок водоэмульсионных красок и грунтовок – 6 мес. со дня изготовления.
Поливинилацетатные краски.
К поливинилацетатным краскам относятся водоразбавляемые эмульсионные краски, содержащие в качестве пленкообразователя гомополимерную поливинилацетатную дисперсию – непластифицированную, пластифицированную и др.
Изготовлению красок различных марок обычно предшествуют стадии, связанные с подготовкой сырья: получение умягченной воды жесткостью не более 3 мэкв/л, пластифицирование поливинилацетатной дисперсии и приготовление 5%-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ).
Пластифицирование поливинилацетатной гомополимерной дисперсии. В смеситель емкостью 5 м3, снабженный пропеллерной мешалкой (200 об/мин), загружают непластифицированную поливинилацетатную дисперсию и дибутилфталат в соотношении 95: 5 (по массе) и перемешивают около 1,5 ч до получения однородной пленки без наличия масляных капель.
Приготовление 5%-ного раствора КМЦ. В аппарат, снабженный якорной мешалкой и рубашкой для обогрева и охлаждения, загружают воду, затем КМЦ, нагревает до 60°С и перемешивают до получения однородного раствора.
Приготовление полуфабриката. Эта первая стадия любого технологического процесса производства водоэмульсионных красок заключается в получении водного раствора вспомогательных веществ (добавок). В аппарат-смеситель, снабженный якорной мешалкой и подогревом, загружают последовательно умягченную или дистиллированную воду и вспомогательные вещества (пентахлорфенолят натрия, полифосфаг натрия и другие добавки), подогревают содержимое до 50–60°С и перемешивают до получения однородной массы. Готовность полуфабриката устанавливают, определяя его однородность (наливом на стекло) и содержание нелетучих веществ.
Получение белых поливинилацетатных красок. В настоящее время для получения белых поливинилацетатных красок используют бисерные мельницы (взамен краскотерочных машин и шаровых мельниц), что обеспечивает минимальную продолжительность и меньшую стоимость процесса. Стадии основных технологических этапов производства белых красок отображены на рисунке 2. Приготовление полуфабриката осуществляется в смесителе 1 путем растворения в воде вспомогательных веществ. Приготовление замеса белых пигментов и наполнителей в полуфабрикате для этого в диссольвер 2 (объем 1,6 м3, частота вращения мешалки 300‒1800 об/мин) последовательно загружают полуфабрикат, белый пигмент (поступающий при помощи электротельфера 6 в бункер 7) и наполнители и перемешивают около 30 мин до полного смачивания (устройство диссольвера показано на рис. 2.12). Замес перекачивают в промежуточную емкость (смеситель) 1, а оттуда – в бисерную мельницу.
Приготовление белой пигментной пасты (эмульсии) осуществляют в бисерной мельнице 3 (диспергирование замеса). Для этого в рабочий цилиндр бисерной мельницы предварительно загружают стеклянные шарики, а затем насосом 5 из промежуточного смесителя 1 в нижнюю часть мельницы подают пигментную пасту (замес), устанавливая оптимальную скорость ее подачи и пускают в ход заполненную на 2/3 объема бисерную мельницу. Регулярно после каждого часа работы мельницы проверяют степень перетира по клину и при соответствии этого показателя норме сливают водную пигментную пасту в промежуточный мерник 4 для дальнейшей подачи в смеситель 8. Составление белой краски осуществляют в смесителе, типизация и слив в тару ‒ в смеситель 8 емкостью около 6 м5 с якорной мешалкой (48 об/мин) загружают из мерника водную белую пигментную пасту, 5%-ный водный раствор карбоксиметилцеллюлозы и пластифицированную поливинилацетатную дисперсию. После перемешивания в течение 30 мин производят типизацию краски по однородности, вязкости, величине рН и содержанию нелетучих веществ. Полученную готовую белую краску сливают в тару.
Получение цветных поливинилацетатных красок. В смеситель 1 (рис. 6.3) загружают полуфабрикат и доставленные при помощи электротельфера цветные пигменты и размешивают до получения однородного замеса. Его диспергируют на краскотерочной машине 3 до получения цветной пигментной пасты с требуемой степенью перетира, поступающей в дежу 5 (после снятия с фартука машины). Из дежи цветная паста выкачивается насосом 6 в смеситель 2, где перемешивается с приготовленной по схеме, показанной на рис. 6.2, белой краской. После типизации в том же смесителе готовая цветная водоэмульсионная краска поступает на фасовку.
Рис. 2. Схема производства белых водоэмульсионных красок
1 – смеситель; 2 – диссольвер; 3 – бисерная мельница; 4 – мерник весовой; 5 – насос; 6 – электротельфер; 7 – контейнер; 8 – смеситель.
Рис. 3. Схема производства цветных водоэмульсионных красок;
1 – замесочная машина; 2 – смеситель; 3 – краскотерочная машина; 4 – емкость; 5 – дежа; 6 – насос; 7 – весы.
Поливинилацетатные краски применяют для окраски деревянных, бетонных, оштукатуренных и загрунтованных металлических - поверхностей, а также для окрасочных работ по старым покрытиям.
Краски на основе сополимера винилацетата (сополимеро-винилацетатные). Получение красок включает следующие стадии:
приготовление полуфабриката в смесителе введением в нагретую воду около 6% вспомогательных веществ и перемешиванием до полного растворения; примерный состав полуфабриката включает: воду – 94,5%, №-карбоксиметилцеллюлоза – 3, пентахлорфенолят натрия – 1, нитрит натрия – 1, полифосфат натрия – 0,5; изготовление пигментных дисперсий (водных паст) путем предварительного получения замеса перемешиванием пигмента н наполнителей с полуфабрикатом и последующего диспергирования замеса на краскотерочной машине (или на бисерной мельнице) до получениястепени перетира частиц по клину не более 70 мкм; изготовление водоэмульсионной краски в смесителе перемешиванием пигментных паст (белой и цветных) в водной дисперсии сополимера винилацетата с дибутилмалеинатом до получения однородной массы; типизация краски в приемнике-смесителе и розлив в тару. Краски Э-ВС-17 всех цветов устойчивы к замораживанию до –40 °С и оттаиванию. Покрытия на их основе сохраняют защитные свойства не ниже балла 5 в условиях умеренного климата не менее пяти лет. Краски применяют для наружной окраски пористых поверхностей, загрунтованных металлических поверхностей и для окраски по старым покрытиям. Краски рекомендуется наносить при температуре не ниже 8°С кистью, валиком и краскораспылителем. Перед применением их разбавляют водой до вязкости 20‒30 с. по ВЗ-4 при нанесении
краскораспылителем и 40‒80 с при нанесении кистью илн валиком. Краска Э-ВС-515 (бывш. ВС-17ПГ) – краска целевого назначения, весьма близкая по составу и технологии изготовления краске марки Э-ВС-17. Она отличается пониженной горючестью, обусловленной содержанием в ее составе специальной добавки. Плотность краски 1200–1400, а сухой пленки 1500–1700 кг/м3. После, высыхания в течение не более 1 ч краска образует негорючее, матовое и ровное покрытие. Основное назначение – окраска внутренних судовых помещений. Перед нанесением краскораспылителем краску разбавляют водой до рабочей вязкости 50–75 с, а кистью и валиком – 110–120 с. Краска выпускается различных цветов. Срок службы покрытия – 2 года. После высыхання в течение 1 ч краска образует матовое покрытие белого цвета, обладающее защитными свойствами, со сроком службы 2 года. Технологический процесс получения краски включает следующие стадии: приготовление полуфабриката водного раствора вспомогательных веществ (карбоксиметилцеллюлозы и др.); изготовление замеса водной суспензии пигмента в диссольвере; диспергирование пигментной пасты в бисерной мельнице до степени перетира (не более 70 мкм по клину); приготовление колерных пигментных паст в бисерной мельнице или на краскотерочной машине; смешение пигментных паст с водной дисперсией сополимера винилацетата с этиленом и типизация в смесителе; розлив и расфасовка краски.
Литература
1. Мюллер, Б. Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы составления рецептур / Б. Мюллер, У. Пот. – М.: -Медиа», 2007. – 237 с.
2. Ливщиц, М. Л. Лакокрасочные материалы: Справочное пособие / М. Л. Ливщиц, Б. И. Пшиялковский. – М.: Химия, 1982. – 360 с.
3. Крутько, Э. Т. Технология и оборудование лакокрасочного производства. Учебное пособие для студентов вузов / Э. Т. Крутько, Н. Р. Прокопчук. – Мн.: БГТУ, 2005. 446 с.
4. Мельников, И. В. Лакокрасочные материалы/ И. В. Мельников. – Изд. ЛитРес, 2011. – 46 с.
5. Шинкарев, Е. В. Изучение процесса отверждения покрытий на основе водной эмульсии эпоксидиановой смолы ЭД-20 / Е. В. Шинкарева, В. Д. Кошевар, Н. Л. Будейко // Лакокрасочные материалы и их применение. – 2010. – № 4. – С. 33-35.
Основные порталы (построено редакторами)