Поверхностные явления в пленкообразователе на основе жидкого стекла

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/

Поступила в редакцию 03 июня 2017 г. УДК 544.72:667.6.

Поверхностные явления в пленкообразователе

на основе жидкого стекла

© Воронцова+ Ольга Александровна,

*

Кафедра общей химии. Белгородский государственный национальный исследовательский университет (НИУ БелГУ). ул. Победы, 85. г. Белгород, 308015. Россия. Тел.: [phone].

Е-mail: *****@***edu. ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: поверхностные явления, жидкое стекло, защитно-декоративные покрытия.

Аннотация

Качество пленкообразователя характеризуется такими основными показателями, как поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, адгезионная прочность. Данные показатели влияют на консистенцию неотвержденного защитно-декоративного материала, предел прочности на сжатие и изгиб, твердость и долговечность образующегося покрытия.

В нашем исследовании использовалось неотвержденное силикатное покрытие на основе жидкого стекла, которое имеет ряд преимуществ  перед органическими красками – экологично, как в процессе получения, так и в процессе нанесения. При отверждении силикатизаторами и атмосферном воздействии способно образовывать прочное атмосферо - и химически стойкое защитно-декоративное покрытие. Краски с таким неорганический пленкообразователем, обладают высокими эксплуатационными качествами (влаго-атмосферо - и морозостойкость), не пожароопасны, имеют более низкую стоимость в сравнении с органическими покрытиями, обладают антисептическими свойствами.

Выявлены зависимости состава пленкообразователя на поверхностные явления, такие как поверх-ностное натяжение, краевой угол смачивания, работа адгезии, работа когезии, энергия смачивания и смачиваемости.

Исследованы коллоидно-химические свойства экспериментального неотвержденного композицион-ного материала защитно-декоративного назначения для хризотилцементных изделий. Выявлено, что неотвержденная композиция состава 80-90 % масс. калий-натриевого жидкого стекла с массовой долей натриевого стекла 10% и 10-20 % масс. латекса Новопол-110 имеет минимальное значение краевого угла смачивания. Наименьшее поверхностное натяжение имеют композиции содержащие 80-90 масс.% жидкого стекла с содержанием натриевого стекла 5 и 10 % масс. Добавление катионов натрия смещает максимум коэффициента смачиваемости в сторону уменьшения содержания латекса и увеличения доли неорганической части пленкообразователя. Рекомендовано использование пленкообразователя защитно-декоративного покрытия для хризотил цемента содержащего 10-20 % масс. дисперсии Новопол-110 и 80-90 масс.% калий-натриевого жидкого стекла, содержащего до 10-20 % масс. натриевого жидкого стекла.

В результате исследования определены оптимальные составы пленкообразователя для производства красок защитно-декоративного назначения на основе калий-натриевого жидкого стекла и латекса. Это позволит улучшить цветовые характеристики хризотилцементных покрытий и любых минеральных поверхностей, а также уменьшить эмиссию онкоопасных продуктов деструкции хризотилцементных материалов, произвести импортозамещение имеющихся в продаже красок на основе калиевого жидкого стекла на наиболее доступные по цене для российского потребителя.

Введение

Хризотилцементный шифер давно занял свое место на рынке строительных материалов.

В некоторых странах со средины 80-х годов ХХ века он строжайше запрещен, поскольку выявлены канцерогенные свойства асбестовых волокон. В связи с включением асбестовых минералов в список продуктов, производственных процессов и бытовых факторов, канцерогенных для человека в Российской Федерации вместо асбестоцементных материалов начали производить хризотилцементные. В настоящее время хризотил цемент – серьезный конкурент на рынке кровельных материалов, поскольку значительно доступнее по цене многих из них и значительно лучше по свойствам и долговечности, но отношение к нему потребителей неоднозначно. У потребителей России неприятие хризотилцементного шифера вызывает не столько его онкоопасность, как неэстетичный внешний вид – он имеет неприглядный серый цвет, и из-за своей шероховатости быстро покрывается пылью, зарастает мхом, но это не влияет на прочность и водопроницаемость крыш. Незначительное снижение этих качеств наблюдается в течение 35-45 лет, что значительно превосходит аналогичные характеристики конкурентов. Чтобы защитить шифер от воздействия окружающей среды и полностью ликвидировать эмиссию хризотиловых волокон, необходимо придать ему более эстетичный вид, поэтому его поверхность целесообразно окрашивать.

Защитно-декоративные покрытия на основе органических пленкообразующих недолговечны, а их производство и применение пожаро - и взрывоопасно. В нашем исследовании использовалось силикатное покрытие на основе жидкого стекла, являясь неорганическим пленкообразователем, имеет ряд преимуществ – экологично, как в процессе получения, так и в процессе нанесения, отверждаемое силикатизаторами при атмосферном воздействии способно образовывать прочное атмосферо - и химически стойкое покрытие [1], обладает высокими эксплуатационными качествами (влаго-атмосферо - [2] и морозостойкость [3]), не пожароопасно [4], имеют более низкую стоимость в сравнении с органическими красками, обладают антисептическими свойствами [5].

В нашей стране из различных видов жидкого стекла самым распространенным по производству и применению является натриевое жидкое стекло, в очень малых масштабах производится калиевое жидкое стекло, так как оно в 3-4 раза дороже. Однако при использовании натриевого жидкого стекла отмечено высаливание – появление белых разводов [6]. Поэтому необходимо, чтобы соблюдался баланс между защитными, эстетичными свойствами и экономическим эффектом.

Для того чтобы сохранить основные достоинства силикатных красок и обеспечить возможность нанесения их по покрытиям на органической основе в их состав вводят акриловые дисперсии. В результате получились краски, обладающие высокой паропроницае-мостью, превосходной адгезией к минеральным поверхностям и старым покрытиям на органической основе. Повысилась их водостойкость, и снизилось грязеудержание [7].

В настоящее время существует множество запатентованных составов и защитно-декоративных покрытий по различным видам подложек, однако, целенаправленных исследо-ваний зависимости коллоидно-химических свойств (адгезии, смачивания, растекаемости) от состава неотвержденного покрытия не проводилось.

Целью данной работы является изучение влияния состава пленкообразователя композиции защитно-декоративного покрытия на поверхностные явления, такие как поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, работа адгезии и так далее.

Качество пленкообразователя характеризуется такими основными показателями, как поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, адгезионная прочность. Данные показатели влияют на консистенцию неотвержденного защитно-декоративного материала, предел прочности на сжатие и изгиб, твердость и долговечность образующегося покрытия.

Экспериментальная часть

Разрабатываемый пленкообразователь представлен неорганической и органической составляющей. В качестве неорганической части пленкообразователя использовали коллоидный водный раствор натриевого и калиевого жидкого стекла (Моносил и Моносил K, производства СПБ»), с силикатным модулем ~3.5. Были приготовлены водные коллоидные растворы калиевого жидкого стекла (ЖС-К) или калий-натриевого жидкого стекла (ЖС-КNa Х), где Х – число, показывающее процентное содержание по массе натриевого жидкого стекла от общей массы жидкого стекла. В качестве органической части пленкообразователя использовали латекс марки Новопол-110 (Н110), производства «Хома», который является дисперсией сополимеров эфиров акриловых и метакриловых кислот и стирола, не содержащий пластификаторов, стабилизированный анионными и неионогенными ПАВ. Данная дисперсия рекомендована производителем в качестве универсального связующего для лакокрасочных материалов строительного назначения, в которых требуется повышенная водостойкость и стойкость к щелочам [8].

В качестве подложки были использованы плоские хризотилцементные плитки (плоский шифер) размером  0.05 м х 0.04 м, производства ОАО "Белгородасбестоцемент", г. Белгород.

Краевой угол смачивания определяли методом лежачей капли. Предварительные эксперимен-тальные данные показали, что при введении в состав пленкообразователя более 60 % масс. латекса приводит к образованию густого творожистого геля, с очень высокой вязкостью [9].

Поверхностное натяжение определяли сталагмометрическим методом (метод счета капель).

Работу адгезии (WA) рассчитали на основании экспериментальных значений поверхностного натяжения на границе жидкость–газ (у) и краевого угла смачивания (и) по уравнению Дюпре-Юнга:

.

Известно, что адгезионная прочность покрытия соотносится с работой когезии – сцепление частей одного и того же однородного тела (жидкого или твердого); работу сил когезии рассчитывали по формуле:

.

Смачивание неотвержденной композицией подложки, на которую она наносится, и растекание по ней, имеют большое значение. Краевой угол смачивания характеризует контактное взаимодействие неотвержденной композиции пленкообразователя с твердой поверхностью. Работу смачивания рассчи-тывали по формуле:

.

Смачивание (коэффициент смачивания S) количественно характеризуется косинусом краевого угла смачивания и определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости, это так называемая относительная адгезия:

.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлены экспериментальные данные значения косинуса краевого угла смачивания () в композиции пленкообразователя.

Рис. 1. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от концентрации жидкого стекла: 1 – ЖС-К, 2 – ЖС-КNa5, 3 – ЖС-КNa10, 4 – ЖС-КNa20.

В качестве органической составляющей пленкообразователя во всех четырех случаях использовался Новопол-110; неорганическая часть пленкообразователя представлена калиевым жидким стеклом (ЖС-К) или калий-натриевым жидким стеклом (ЖС-КNa5, ЖС-КNa10, ЖС-КNa20), с содержанием натриевого стекла соответственно 5; 10 и 20 % масс.

С увеличением косинуса угла значение угла уменьшается, что соответствует хорошей смачиваемости. Исследование показало, что наибольшее увеличение косинуса краевого угла смачивания по сравнению с составами на основе калиевого жидкого стекла наблюдается для композиций с составом 50-95 % масс. калий-натриевого жидкого стекла и 5-50 % масс. латекса Новопол-110. Введение катионов натрия в композицию пленкообразователя значительно уменьшает краевой угол смачивания. Наибольшей способностью к смачиванию хризотилцементной подложки проявляет композиция, состава 80-90 % масс. жидкого калий-натриевого стекла с массовой долей натриевого стекла 10% и 10-20 % масс. латекса Новопол-110.

Поверхностное натяжение определяли сталагмометрическим методом. На рис. 2 представлены экспериментальные данные значения поверхностного натяжения (у).

Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации коллоидного жидкого стекла в композиции пленкообразователя: 1 – ЖС-К, 2 – ЖС-КNa5, 3 – ЖС-КNa10, 4 – ЖС-КNa20

Поверхностное натяжение при замене части катионов калия на катионы натрия изменяется нелинейно (кривые 2-4): при концентрации жидкого стекла 40-70 % масс. имеют натяжение в пределах 37.7-43.2 мН/м, это выше, чем для аналогичных составов пленкообразователя на основе только калиевого стекла. При концентрациях 70-95 % масс. калий-натриевого жидкого стекла скорость роста поверхностного натяжения меньше чем для кривой 1 (ЖС-К) и минимум приходится на составы содержащие 80-90 % масс. жидкого стекла с содержанием натриевого стекла 5 и 10 % масс.

В таблице представлены значения работы адгезии , работы когезии и работы сил смачивания , коэффициент смачивания S защитно-декоративного композиционного материала, полученные в результате вычислений.

Работа адгезии, определяющая сцепляемость защитно-декоративного покрытия с подложкой, возрастает с увеличением неорганической части композиции пленкообразователя, не зависимо от состава самого жидкого стекла. Работа когезии определяет прочность слоев покрытия, она также возрастает с увеличением доли жидкого стекла в композиции. Интересно, что работа сил смачивания имеет экстремальный характер, максимум функции приходится на композицию, содержащую 5 % масс. Новопол-110 и 95 % масс. жидкого стекла не зависимо от состава самого стекла. Коэффициент смачивания, или относительная адгезия показывает, насколько больше энергия взаимодействия покрытия с подложкой по сравнению с энергией взаимодействия слоев покрытия.

Таблица. Коллоидно-химические характеристики пленкообразователя композиционного материала

№ п/п	Состав композиции, % масс.	Свойства композиционного материала
1.	ЖС-К	Н110	WA, мН	WK, мН	Wcм, мН	S
1.1	100	0	116.69	167.06	33.16	0.699
1.2	95	5	105.39	133.40	38.69	0.790
1.3	90	10	79.98	99.72	30.12	0.802
1.4	80	20	70.39	87.66	26.56	0.803
1.5	70	30	62.47	77.56	23.69	0.806
1.6	60	40	56.46	69.40	21.76	0.814
1.7	50	50	50.92	61.24	20.30	0.832
1.8	40	60	47.59	58.04	18.57	0.820
1.9	0	100	49.80	78.06	10.77	0.638
2.	ЖС-КNa 5	Н110	WA, мН	WK, мН	Wcм, мН	S
2.1	100	0	119.72	164.00	37.72	0.730
2.2	95	5	97.50	110.48	42.26	0.883
2.3	90	10	81.87	90.76	36.49	0.902
2.4	80	20	72.52	80.00	32.52	0.907
2.5	70	30	72.01	78.74	32.64	0.915
2.6	60	40	70.02	78.06	30.99	0.897
2.7	50	50	68.31	77.80	29.41	0.878
2.8	40	60	62.73	75.40	25.03	0.832
3.	ЖС-КNa 10	Н110	WA, мН	WK, мН	Wcм, мН	S
3.1	100	0	119.07	162.00	38.07	0.735
3.2	95	5	99.92	113.74	43.05	0.879
3.3	90	10	87.70	93.00	41.20	0.943
3.4	80	20	78.27	83.54	36.51	0.937
3.5	70	30	74.50	81.60	33.70	0.913
3.6	60	40	71.42	78.96	31.94	0.905
3.7	50	50	74.83	84.64	32.50	0.884
3.8	40	60	63.89	78.25	24.77	0.817
4.	ЖС-КNa 20	Н110	WA, мН	WK, мН	Wcм, мН	S
4.1	100	0	118.40	160.00	38.40	0.740
4.2	95	5	100.03	111.14	44.46	0.900
4.3	90	10	88.81	98.08	39.77	0.906
4.4	80	20	79.58	87.07	36.05	0.914
4.5	70	30	77.59	84.20	35.49	0.922
4.6	60	40	78.54	86.30	35.38	0.910
4.7	50	50	76.67	86.00	33.67	0.892
4.8	40	60	70.91	80.40	30.71	0.882

Для композиций на основе калиевого жидкого стекла максимум для коэффициента смачивания наблюдается для пленкообразователя содержащего 50 % масс. калиевого жидкого стекла, однако с добавлением катионов натрия максимум смещается в сторону уменьшения содержания латекса и увеличения доли неорганической части пленкообразователя; увеличи-вается и сам коэффициент с 0.832 (для композиции 1.7) до 0.943 (для композиции 3.3).

Заключение

На основе проведенной экспериментальной работы можно рекомендовать производи-телям лакокрасочных материалов использовать композиции пленкообразователя для хризотилцементных изделий состава 10-20 % масс. дисперсии Новопол-110 и 80-90 % масс. калий-натриевого жидкого стекла. Кроме того рекомендовано введение натриевого жидкого стекла в состав неорганической части пленкообразователя композиции защитно-декоратив-ного назначения до 10-20 % масс.

Выводы

Выявлены зависимости состава пленкообразователя на поверхностные явления, такие как поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, работа адгезии, работа когезии, энергия и коэффициент смачивания.
Определены оптимальные составы пленкообразователя для производства красок защитно-декоративного назначения на основе калий-натриевого жидкого стекла и латекса. Это позволит улучшить цветовые характеристики хризотилцементных покрытий и любых минеральных поверхностей, а также уменьшить эмиссию онкоопасных продуктов деструкции хризотилцементных материалов, произвести импортозамещение имеющихся в продаже красок на основе калиевого жидкого стекла на наиболее доступные по цене для российского потребителя.

Литература

Жидкое и растворимое стекло. С.-Петербург: Стройиздат. 1996. 216с. , Влагостойкость и устойчивость отвержденной композиции защитно-декоративного назначения к воздействию агрессивных сред. Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире: Материалы X Международной научно-практической конференции. 2015. Т.1. С.35-38. , Морозостойкость неотвержденной и отвержденной композиции защитно-декоративного покрытия. Научные ведомости БелГУ. Серия: Естественные науки. 2015. Т.32. №15 (212). С.141-144. , , Разработка пожаровзрывобезопасного защитно-декоративного покрытия. «Moderni vymozenosti vedy – 2014»: X Mezinarodni vedecko-prakticka conference. Praha. 2014. C.9-12. , , Бактерицидное действие экспериментального композиционного материала защитно-декоративного назначения. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. №5. С.100-105. ROI: jbc-01/13-34-5-100; V. N. Bogdanov, V. D. Buhanov, A. I. Vesentsev, and O. A. Vorontsova. The bactericidal action of experimental composite material of protective and decorative purposes. Butlerov Communications. 2013. Т.34. №5. P.100-105. ROI: jbc-02/13-34-5-100 , Одляницкая B. C., , и др.  Неорганические покрытия на основе растворов силикатов щелочных металлов. Лакокрасочные материалы и их применение. 1985. №4. С.44-48. Сайт компании-производителя лакокрасочных, строительных и специальных строительных материалов НПФ «ВАПА»; www. vapa. ru/batchprod/silikat. php. Сайт компании-производителя дисперсии Новопол – «Хома»; www. homa. ru/products/novopol-110. , , Коллоидно-химические свойства неотвержденной композиции защитно-декоративного покрытия. Лакокрасочные материалы и их применение. 2013. №1-2. С.62-65.

In the English version of this article, the Reference Object Identifier – ROI: jbc-02/17-50-6-119

Surface phenomena in the film former on the basis of liquid glass

© Lyubov Y. Sakhnova,* Olga А. Vorontsova,+ and Alexander I. Vezentsev

Department of General Chemistry. Belgorod State National Research University.

Pobeda St., 85. Belgorod, 308015. Russia. Phone: [phone]. Е-mail: *****@***edu. ru

____________________________________

*Supervising author; +Corresponding author

Keywords: surface phenomena, liquid glass, protective and decorative coatings.

Abstract

The quality of the film former is characterized by such basic parameters as surface tension, contact angle of adhesion, adhesion strength. These factors influence the consistency of uncured protective and decorative material, the compressive and flexural strength, hardness and durability of the coating formed.

In our study we used a silicate coating based on liquid glass, being an inorganic film former, it has a number of advantages – it is environmentally friendly, both during the preparation and during the application, the cured by silicates at atmospheric action is able to form a strong weather - and chemically resistant coating, qualities (moisture-atmosphere and frost-resistance) is not fire hazardous, has a lower cost in comparison with organic paints, has antiseptic properties.

Dependences of the composition of the film former on surface phenomena such as surface tension, wetting contact angle, adhesion work, cohesion work, wetting action and wetting quality have been determined.

It is studied colloid-chemical properties of experimental uncured composite protective and decorative purposes for chrysotile-cement products. It was revealed that the composition of the uncured composition is 80-90 % wt. of potassium-sodium water glass with a mass fraction of 10% sodium glass and 10-20 % wt. latex Novopol-110 has a minimum value of the contact angle. The lowest surface tension have compositions containing 80-90 % wt. water-glass containing soda glass 5 and 10 % wt. Addition of sodium cation displaces maximum wettability coefficient downward latex content and increasing the proportion of the inorganic portion of the film former. It is recommended to use film-forming agent of protective and decorative coatings for chrysotile-cement containing 10-20 % wt. of the variance Novopol-110 and 80-90 % wt. of potassium-sodium water glass containing 10-20 % wt. sodium water glass.

As a result of the research, optimal compositions of the film former for the production of protective and decorative paints on the basis of potassium-sodium liquid glass and latex have been determined. It will improve the color characteristics of chrysotile-cement coatings and any mineral surfaces, as well as reduce the emission of tumorigenic products of destruction of chrysotile cement materials, import substitution of commercially available paints based on potassium liquid glass at the most affordable for the Russian consumer.