СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЦИДНЫХ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR OBTAINING BIOCIDAL WATER-DISPERSION VARNISH AND PAINT MATERIALS

Изобретение относится к лакокрасочной промышленности, в частности, к области получения водно-дисперсионных лакокрасочных материалов (ВД-ЛКМ), содержащих биоцидную добавку наночастиц серебра, и может быть использовано для получения лакокрасочных материалов для внутренней отделки помещений.
Из уровня техники известен способ получения органических лакокрасочных материалов, описанный в патенте [RU 2195473 «Лакокрасочный материал с биоцидными свойствами», 07.03.2002 Бюл. №36 от 27.12.2002], включающий в себя традиционный способ: получение пигментной пасты в скоростном диссольвере, затем диспергирование в бисерной мельнице до требуемой степени перетира, смешивание с остатком связующего, введение функциональных добавок.
Недостатком известного способа является высокая концентрация биоцидной добавки наночастиц серебра, отсутствие контроля рН ВД-ЛКМ, содержания водорастворимых веществ и их выделения при диспергировании пигментов и наполнителей (для обеспечения агрегативной устойчивости наночастиц серебра в ВД-ЛКМ).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, принятому за прототип, является способ получения лакокрасочных материалов на основе водоразбавляемого стирол-акрилового полимера (А-10) вместе с раствором углеводорода (изооктан), описанный в патенте [RU 2186810 «Состав с бактерицидными свойствами», 20.07.2000 Бюл. №22 10.08.2002. Пример 1]. Введение наночастиц серебра размером от 2 до 100 нм осуществляется порционно непосредственно в краску на малых скоростях от 50 до 700 об/мин
Недостатком прототипа является высокая концентрация вводимой биоцидной добавки до 10 мкМ на 1 кг ЛКМ, отсутствие контроля каких-либо физико-химических показателей ВД-ЛКМ. Использование стирол-акриловой полимерной дисперсии А-10 и введение токсичного изооктана вызывает частичную агломерацию наночастиц, что повышает концентрацию вводимой добавки, необходимой для достижения требуемой биоцидности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение биоцидных ВД-ЛКМ с низкой себестоимостью за счет снижения концентрации биоцидной добавки наночастиц серебра до 1,5 мкМ на 1 кг ВД-ЖМ.
Это достигается тем, что способ получения биоцидных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов включает смешение ВД-ЛКМ с биоцидной добавкой наночастиц серебра. Водно-дисперсионный лакокрасочный материал готовят на основе пигментной пасты, полученной диспергированием пигментов и наполнителей с массовой долей водорастворимых веществ не более 0,1%, степенью диспергируемости до 10 мкм, дзета-потенциалом менее -25 мВ и имеющими рН равный 7,5-8,5, которую смешивают с анионактивной акриловой полимерной дисперсии с размером частиц до 0,1 мкм, затем корректируют раствором аммиака уровень рН до 7,5-8,5, а смешивание с биоцидной добавкой наночастиц серебра проводят в диссольвере на малых скоростях вращения фрезы 40-70 об/мин.
Характеристика компонентов:
- биоцидная добавка наночастиц серебра представлена в виде водного раствора, изготовленного в соответствии с ТУ 9392-003-44471019-2006, ТУ 2499-002-17826000-2013 или аналогичным требованиям: средний размер наночастиц серебра в пределах от 10 до 100 нм, рН=7,5-8,5, используемый ПАВ: анионактивный или неионногенный.
- анионактивная акриловая полимерная дисперсия используется в соответствии с ГОСТ 11772-73 с размером частиц до 0,1 мкм;
- пигменты и наполнители используются с массовой долей водорастворимых веществ не более ОД % по ГОСТ 21119.2-75, диспергируемостью до 10 мкм по ГОСТ Р 50563.1-93, рН=7,5-8,5 по ГОСТ 21119.3-91, дзета-потенциалом менее -25 мВ по ГОСТ Р 8.887-2015 или ГОСТ 8.653.1-2016;
- раствор аммиака по ГОСТ 3760-79;
- вода, используемая при приготовлении пигментной пасты, соответствует ГОСТ 6709-72.
Результаты исследований показали, что при использовании разработанного способа получения биоцидных ВД-ЛКМ необходимо соблюдать совокупность полученных опытным путем характеристик компонентов: биоцидной добавки наночастиц серебра с рН равным 7,5-8,5, средним размером частиц от 10 до 100 нм, и с использованием в своем составе анионактивных или неионногенных ПАВ; анионактивной акриловой дисперсии с размером частиц до 0,1 мкм; пигментов и наполнителей с дзета-потенциалом менее -25 мВ, с содержанием водорастворимых веществ не более 0,1%, диспергируемостью до 10 мкм, рН равным 7,5-8,5. При отклонении от перечисленных характеристик используемых компонентов биоцидные свойства не проявляются.
В предложенном изобретении способ получения биоцидных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов включает в себя следующие стадии:
1. Получение пигментной пасты диспергированием пигментов и наполнителей с массовой долей водорастворимых веществ не более 0,1%, диспергируемостью до 10 мкм, рН=7,5-8,5, дзета-потенциалом менее -25 мВ в воде при частоте вращения фрезы диссольвера 1500-2000 об/мин;
2. Приготовление ВД-ЛКМ за счет смешивания пигментной пасты с анионактивной акриловой дисперсиией при частоте вращения фрезы диссольвера 300-700 об/мин;
3. Корректировка уровня рН ВД-ЛКМ с помощью раствора аммиака до 7,5-8,5;
4. Фильтрация сквозь фильтр с размером ячейки не более 125 мкм;
5. Смешивание ВД-ЛКМ с биоцидной добавкой наночастиц серебра при частоте вращения фрезы диссольвера 40-70 об/мин.
В сравнении с прототипом и известными из уровня техники способами получения биоцидных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов, в предлагаемом решении биоцидная добавка наночастиц серебра вводится в условиях, обеспечивающих ее низкую концентрацию вызванную постоянством коллоидной устойчивости: низкие скорости перемешивания (40-70 об/мин) в конечной стадии, рН ВД-ЛКМ 7,5-8,5. Высокая диспергируемость пигментов и наполнителей обеспечивает последующее более активное распределение наночастиц по всему объему ВД-ЛКМ без увеличения скорости перемешивания, не допускает их коагуляции и осаждения на поверхность пигментов за счет высокого отрицательного дзета-потенциала пигментов и наполнителей.
Уменьшение концентрации серебра в составе ВД-ЛКМ, при его использовании в качестве биоцидной добавки, достигается за счет уменьшения размера частиц серебра. Для поддержания наноразмерного уровня частиц серебра создаются условия высокой устойчивости, обеспеченные данным способом получения.
Выбор полимерной дисперсии достаточно сильно влияет на устойчивость наночастиц серебра [«Модификация водных полимерных дисперсий золями серебра и меди»: дис. … канд. техн. наук: 05.17.06 / Соловьев Антон Валерьевич. - Иваново, 2014. - 106 с.]. Акриловые полимерные дисперсии являются одной из наименее влияющих на устойчивость наночастиц серебра водных полимерных дисперсий. В свою очередь акриловые дисперсии отличаются по типу эмульгатора: катионактивные и анионактивные. Ввиду отрицательного дзета-потенциала анионактивные акриловые полимерные дисперсии более благоприятно влияют на сохранение размерности наночастиц серебра и, как следствие, на ее химическую и биологическую активность.
Поддержание диапазона среды рН 7,5-8,5 обеспечивает наибольший отрицательный дзета-потенциал наночастиц серебра [«Стабилизация наноразмерных частиц серебра для условий работы в составе водно-дисперсионных лакокрасочных материалов» / В.В. Строкова, П.С. Баскаков, К.П. Мальцева // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2016. - №4. - С. 84-87], что дает высокую устойчивость наночастиц серебра в среде ВД-ЛКМ.
В предлагаемом способе этот диапазон рН поддерживается путем корректировки состава ВД-ЛКМ. Необходимо использовать пигменты и наполнители с массовой долей водорастворимых веществ не более 0,1% и диспергируемостью до 10 мкм и дзета-потенциалом менее -25 мВ, что дает высокую однородность пигментной пасты и устойчивость частиц наполнителей и пигментов к агломерации, чем обеспечивается наилучшая перемешиваемость в конечной стадии при 40-70 об/мин вращении фрезы диссольвера.
Полученный водно-дисперсионный лакокрасочный материал должен соответствовать ГОСТ Р 52020-2003 и ГОСТ 33290-2015, с уровнем рН=7,5-8,5, степенью перетира не более 20 мкм, что обусловлено степенью диспергируемости пигментов до 10 мкм. Более крупные случайные технологические взвеси удаляются посредством фильтрации через сито 125 мкм.
Достижение биоцидности ВД-ЛКМ, выраженной в бактерицидности по отношению к бактериям Escherichia coli, зависит от концентрации вводимых растворов наночастиц серебра. Метод основан на оценке антибактериальных свойств покрытия при высеве бактериальной суспензии на его поверхность, выдержки и последующего определения количества жизнеспособных бактерий в смытой суспензии. Биоцидностью (бактерицидностью) покрытия на основе биоцидных ВД-ЛКМ считается отсутствие жизнеспособных колониеобразующих единиц бактерий (КОЕ) через сутки выдержки.
Бактерицидность пленочных покрытий по отношению к Escherichia coli определялась в соответствии с методикой ISO 27447:2009 (Е) «Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Test method for antibacterial activity of semi conducting photo catalytic materials)).
Исследование показало, что покрытия, полученные предлагаемым способом биоцидные ВД-ЛКМ, обеспечивают полное отсутствие бактерий Escherichia coli после выдержки 1 суток.
Пример получения биоцидных ВД-ЛКМ.
Приготавливается пигментная паста на основе кальцита, талька, рутила или их аналогов, имеющих рН=7,5-8,5 и не более 0,1% водорастворимых веществ диспергируемостью до 10 мкм, диспергируется в водной среде в диссольвере при 1500-2000 об/мин до видимого разрушения агломератов пигментов и наполнителей для предотвращения излишнего образования низкомолекулярных электролитов пигментов и наполнителей. По завершению пигментная паста проверяется на уровень дзета-потенциала, который должен быть ниже -25 мВ. При несоответствии уровню дзета-потенциала состав пигментной пасты должен быть скорректирован путем изменения соотношения наполнителей и пигментов. Уменьшается доля более крупноразмерных, с худшей степенью диспергируемости, и увеличивается содержание более малоразмерных пигментов и наполнителей.
Затем в диссольвер при 300-700 об/мин добавляется анионактивная акриловая полимерная дисперсия с высокой степенью стабилизации, выраженной в размере частиц до 0,1 мкм.
Перед заключительной стадией проверяется уровень рН водно-дисперсионного лакокрасочного материала, при необходимости регулируется добавлением водного раствора аммиака. Полученный ВД-ЛКМ фильтруется через сито с ячейкой 125 мкм для удаления случайных крупных взвесей.
Затем при низким скоростях перемешивания (40-70 об/мин) малыми порциями вводится биоцидная добавка наночастиц серебра в концентрации 1,5 мкМ на 1 кг ВД-ЛКМ.
Далее ВД-ЛКМ проверяется на биоцидность (бактерицидность). Наносят на поверхность плотного стекла. На полученный образец, помещенный в центр чашки Петри, наносится с помощью стерильной пипетки 0,15 мл бактериальной суспензии.
Затем, по истечению суток данный образец помещается в фильтрующий пакет с помощью стерильного пинцета (Stomacher bag), Далее в пакет добавляется 10 мл питательной среды ЭНДО, после чего вручную протирается через фильтрующий пакет (Stomacher bag). Полученный смывной раствор бактерий сразу же используется для определения количества жизнеспособных клеток.
Результаты испытания по прошествии 1 суток выдержки показали отсутствие жизнеспособных КОЕ в среде с покрытием на основе биоцидного ВД-ЛКМ, полученного разработанным способом.
Использование заявляемого изобретения позволяет:
-получить биоцидный ВД-ЛКМ с низкой концентрацией введения биоцидной добавки наночастиц серебра;
-снизить себестоимость водно-дисперсионного лакокрасочного материала за счет снижения концентрации вводимой биоцидной добавки наночастиц серебра до 1,5 мкМ на 1 кг ВД-ЛКМ.