ВОДНО-ДИСПЕРСИОННАЯ ЛАКОКРАСОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ САПРОПЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ЕЕ ГИДРОФОБНОЙ ДОБАВКИ
WATER-DISPERSION PAINT-AND VARNISH COMPOSITION AND APPLICATION OF SAPROPEL AS ITS HYDROPHOBIC ADDITIVE

Изобретение относится к водно-дисперсионным лакокрасочным композициям на основе акриловых сополимеров и может быть использовано в производстве водно-дисперсионных красок для наружной и внутренней окраски пористых строительных материалов, таких как кирпич, бетон, цемент, дерево и других материалов, применяемых для наружных и внутренних поверхностей зданий и сооружений.
Применяемые для отделки зданий красочные составы для выполнения защитных функций в первую очередь должны быть стойкими к действию влаги. Известно, что на практике бетонные поверхности, например, перед окраской обрабатывают гидрофобными кремнийорганическими жидкостями. Гидрофобизация окрашенной поверхности повышает стойкость покрытий к действию подпленочных высолов. Существует потребность в водно-дисперсионных лакокрасочных композициях, способных к созданию покрытий с высокими защитными свойствами. Одним из нормативных требований к водно-дисперсионным краскам является стойкость лакокрасочных покрытий на их основе к статическому воздействию воды при комнатной температуре.
Из уровня техники известна водно-дисперсионная композиция (RU 2188218, публ. 27.08.2002 г.) [1], создающая покрытие, наибольшая стойкость которого к статическому воздействию воды составляет 792 часа. Композиция содержит, мас.%: водную анионную дисперсию сополимера на основе эфира акриловой кислоты, стирола и карбоксилсодержащего мономера или 50% непластифицированную полимерную дисперсию сополимера н-бутилакрилата и стирола марки "Финндисп А-10" (6,0-50,0), в качестве пигмента - диоксид титана и другие пигменты (3,0-29,0), в качестве наполнителя - микромраморный наполнитель "Омиакарб" с размерами частиц 2-5 мкм и другие известные минеральные наполнители (15,0-50,0), в качестве загустителя - Na-карбоксиметилцеллюлозу и другие целлюлозные загустители (0,1-0,3), в качестве диспергатора - фосфатные добавки, такие как полифосфат натрия или гексаметафосфат натрия или добавки растительного и животного происхождения, такие как казеин технический или поликислотные диспергаторы (0,95-5,0), в качестве консерванта - тиурам "Д" (тетраметилтиурамсульфит) или раствор производных изотиазолона (12-гидрокси-5,8,11-триоксадодекана, 1,3-бис-(гидроксиметил)-мочевины, 1,6-дигидрокси-2,5-диоксигексана) (0,1-0,25), в качестве пеногасителя - трибутилфосфат или скипидар или высокоароматическое масло "Фоамекс" (смесь сложных эфиров ненасыщенных жирных кислот и гидрофобного парообразного диоксида кремния в минеральном масле с кислотным числом 5,3 мг КОХ/г, сухим веществом 99,6%, плотностью 898 г/л, (0,3-1,5), в качестве стабилизатора морозостойкости (антифриза) - этиленгликоль или диэтиленгликоль или пропиленгликоль (2,5-6,5), в качестве стабилизатора pH-среды - 25% водный раствор аммиака или 10% водный раствор щелочи NaOH (0,1-0,5), в качестве смачивателя - неионогенное поверхностно-активное вещество - полиоксиэтиленовый эфир алкилфенола - ОП-7, ОП-10 или ионогенные ПАВ: сульфанол Na-алкансульфонат (0,02-0,2), в качестве коалесцирующей добавки - моноэтиловый эфир этиленгликоля (этилцеллозольв) или монобутиловый эфир этиленгликоля (бутилцеллозольв) или сложный эфироспирт 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол моноизобутират ("Тексанол") (0,1-4,0), в качестве дополнительного коалесцента - бутилдигликоль (монобутиловый эфир диэтиленгликоля) (0,1-4,0), в качестве дополнительного загустителя - акриловую эмульсию "Акрэмос 401" или "Реолат-420", состоящий из полиакриламита, или акрил-уретановый загуститель ассоциативного типа "Полифоб" фирмы "Union Carbide" или полиуретановую дисперсию на водной основе типа "Реолат-255", "Реолат-278" в виде раствора полиуретана и смеси воды с бутилдигликолем (0,1-1,0), в качестве структурирующей добавки - Аэросил м. А - 300, представляющий собой чистую двуокись кремния (0,1-0,3), вода - остальное.
Стойкость покрытия статическому воздействию воды, полученная на основе известной композиции, находится в пределах 96-792 ч.
Задача настоящего изобретения заключается в создании водно-дисперсионной лакокрасочной композиции на основе акриловых сополимеров с высокими декоративными и защитными свойствами.
Для решения поставленной задачи водно-дисперсионная композиция, включающая водную анионную дисперсию сополимера на основе эфира акриловой кислоты, пигмент, микромраморный наполнитель "Омиакарб", диспергатор - полифосфат натрия, консервант, пеногаситель, антифриз, стабилизатор pH-среды - 25%-ный водный раствор аммиака, смачиватель - неионогенное поверхностно-активное вещество - ОП-10, бутилдигликоль в качестве коалесцента, полиуретановый загуститель, структурирующую добавку и воду, в качестве водной анионной дисперсии сополимера на основе эфира акриловой кислоты содержит полимерную дисперсию «Акронал 740 S», в качестве консерванта - изотиазолиноновый внутренний консервант MERGAL К-14, пеногаситель на основе минеральных масел MOUSSEX 7134 НЕ, в качестве структурирующей добавки - меламино-формальдегидную смолу, бутилдигликоль - в качестве растворителя полимерной дисперсии, антифриза и коалесцента, при этом композиция дополнительно содержит сапропель в качестве гидрофобной добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Водная полимерная дисперсия «Акронал 740 S»
15,0-25,0
Пигмент
5,0-11,0
Наполнитель - Омиакарб
20,0-35,0
Полифосфат натрия
0,20-0,40
Пеногаситель MOUSSEX 7134 НЕ
0,20-0,40
25%-ный водный раствор аммиака
0,30-0,50
Смачиватель ОП-10
0,15-0,30
Бутилдигликоль
3,5-6,5
Полиуретановый загуститель
1,5-2,5
Меламино-формальдегидная смола
5,5-10,0
Сапропель
10,0-30,0
Консервант MERGAL К-14
0,1
Вода
остальное
Кроме того, изобретение характеризуется новым назначением сапропеля, а именно применением сапропеля в качестве гидрофобной добавки в водно-дисперсионной композиции.
Заявленная композиция, как и другие известные композиции на основе акриловых сополимеров, может быть использована для изготовления универсальной водно-дисперсионной краски, которая подходит как для внутренней, так и для наружной окраски цементсодержащих и деревянных поверхностей. Используемая в композиции водная полимерная дисперсия «Акронал 740 S» совместима с любыми неорганическими и органическими пигментами, поэтому способна обеспечивать получение покрытий в широкой цветовой гамме. В комбинации с водорастворимой меламино-формальдегидной смолой, введенной в композицию в качестве структурирующей добавки, полимерная дисперсия позволяет получить покрытия, декоративные свойства которого сохраняются на протяжении длительного времени, при его хорошей адгезии и твердости. Структурирующая добавка придает краске пластичность и тиксотропность, обеспечивающие укрывистость. Бутилдигликоль имеет высокую растворяющую способность по отношению к полиакрилатам. В заявляемой композиции бутилдигликоль обеспечивает комплекс функциональных свойств: является растворителем полимерной дисперсии, а также антифризом и коалесцентом. Композиция, как и известная краска, содержит полиуретановый загуститель, применяемый для загущения водных красок, придающий им хорошую текучесть. Для повышения защитных свойств покрытия в композицию введен сапропель, который выполняет функцию гидрофобной добавки, повышающей водоотталкивающие свойства покрытия.
Количественное соотношение компонентов композиции обусловлено следующим. При содержании дисперсии «Акронал 740 S» в композиции менее 15 мас.% степень меления получаемого лакокрасочного покрытия не соответствует ГОСТ 52020-2003. Верхний предел количественного содержания дисперсии ограничен экономической целесообразностью. Пигмент в количестве, меньшем чем 5 мас.%, не обеспечивает укрывистость, заданную вышеуказанным ГОСТом. Верхний предел количественного содержания пигмента ограничен также экономической целесообразностью. При этом для получения покрытий белого цвета композиция может содержать в качестве пигмента только диоксид титана в пределах от 5,0 до 11,0 мас.%, для получения покрытий других цветов композиция может содержать 5,0 мас.% диоксида титана и до 11,0 мас.%. цветного пигмента. Количественное содержание микромраморного наполнителя "Омиакарб" обусловлено достижением вязкости краски, соответствующей ГОСТ 52020-2003.
Нижний предел количества полиуретанового загустителя обеспечивает достаточную седиментационную устойчивость краски, верхний - оправдан экономически. Полифосфат натрия введен в количестве, обеспечивающем дисперсность краски, соответствующую ГОСТ 52020-2003. Количество введенного пеногасителя обусловлено его прямой функцией, так же как и 25%-ного водного раствора аммиака в качестве стабилизатора pH среды, позволяющего обеспечить значение pH не ниже 7. Смачиватель ОП-10 в количестве 0,15 мас.% обеспечивает стабилизацию пигментов и наполнителей, предохраняя их от слипания между собой, однако в количестве, превышающем 0,30 мас.%, может привести к повышенному пенообразованию. Бутилдигликоль в количествах от 3,0 до 5,0 мас.% нужен как растворитель дисперсии и как антифриз. Дополнительное содержание этого компонента в количестве от 0,5 до 1,5 мас.% обеспечивает коалесцентные свойства краски. Введение в композицию меламино-формальдегидной смолы в количестве менее 5,5 мас.% приводит к нарушению адгезии покрытия в решетке, снижению укрывистости краски и ухудшению ее декоративности, выше 10,0 мас.% - к излишней толщине покрытия. Количество вводимого консерванта обусловлено его прямым назначением. Сапропель, введенный в композицию в количестве менее чем 10 мас.% не обеспечивает высокую стойкость лакокрасочных покрытий к статическому воздействию воды. Количество сапропеля, превышающее 30 мас.%, изменяет цвет краски, требует увеличения количества пигментов, что экономически нецелесообразно.
Из наиболее полного источника информации о свойствах и назначении сапропеля (Косов В.И. Сапропель. Ресурсы, технологии, геоэология. - СПб: Наука, 2007, 224 с.) [2] известно следующее. Сапропель в переводе с греческого языка означает «гниющий ил». Это вещество преимущественно биологического происхождения, образующееся под водой, на дне пресноводных водоемов из остатков планктонных и бентосных организмов, при большой роли бактериальных процессов, происходящих в поверхностных слоях отложений при малом доступе кислорода. В естественном состоянии - это многокомпонентная полидисперсная система.
Сапропель известен в качестве:
- сырья для получения парафинов, монтан-воска, моторного топлива, различных масел, кокса, светильного газа, уксусной кислоты, метилового спирта, изоляционных материалов;
- удобрений;
- минерально-витаминной подкормки для домашних животных и птицы;
- порозаполнителя при выравнивании поверхности, выполаживании, террасировании откосов отвалов (терриконов) и бортов карьеров;
- порообразующей добавки для получения фильтрационных керамических труб, укрупненных пористощелевых керамических камней, теплоизоляционных материалов, а также в производстве аглопорита для интенсификации процессов его производства и частичной или полной замены технологического топлива;
- мелиоранта и сорбента при химической мелиорации токсичных пород, для регенерации и рекультивации земель;
- выгорающей добавки в производстве керамических камней;
- получения сорбента для доочистки сточных вод от нефтепродуктов, неионогенных ПАВ, ионов тяжелых металлов до уровня ПДК в рыбохозяйственных водоемах, а также для очистки воды и твердых поверхностей от аварийных разливов нефти и нефтепродуктов;
- источника стероидных компонентов животного (зоопланктон, зообентос) и растительного происхождения (зоо- и фитостерины), имеющих прочное ядро гормональных препаратов - циклопентанопергидрофенантрена, а также каротиноидов, флавоноидов и других биологически активных веществ - фосфолипидов, простогландидов и т.п.;
- сапропелевого дегтя, являющегося продуктом для приготовления некоторых лекарственных форм, как для медицины, так и для ветеринарии;
- лечебной грязи.
В заявленной композиции сапропель выполняет функцию гидрофобной добавки, повышающей водоотталкивающие свойства покрытия, что не является известным. Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении стойкости лакокрасочных покрытий, полученных на основе заявленной водно-дисперсионной композиции, к статическому воздействию воды.
ПРИМЕР
В качестве пленкообразующего в заявленной композиции используют водную полимерную дисперсию «Акронал 740 S» фирмы BASF, которая представляет собой водную дисперсию сополимера бутилакрилата и стирола.
Дисперсия предназначена для изготовления фасадных и интерьерных красок, штукатурок, шпатлевок, грунтовок.
В качестве пигмента композиция содержит высокоэффективный универсальный пигмент белого цвета - диоксид титана (ТУ 24.1-05762329-001-2003). Для получения цветных красок могут использоваться пигмент желтый железоокисный (ГОСТ 18172-80), зеленый в виде оксида хрома (ГОСТ 2912-79) и другие пигменты.
В качестве наполнителя композиция содержит микромраморный наполнитель "Омиакарб" с размерами частиц 2-5 мкм. фирмы "OMYA GmbX".
В качестве загустителя используют полиуретановый неионогенный загуститель «Акрисол RM-2020».
В качестве диспергатора используют полифосфат натрия (ГОСТ 20291-80).
В качестве консерванта используют изотиазолиноновый внутренний консервант MERGAL К 14 фирмы TROY CORPORATION.
В качестве пеногасителя используют пеногаситель на основе минеральных масел MOUSSEX 7134 НЕ фирмы SYNTHRON.
В качестве стабилизатора pH-среды используют 25%-ный водный раствор аммиака (ГОСТ 9-92).
В качестве смачивателя используют неионогенное поверхностно-активное вещество - полиоксиэтиленовый эфир алкилфенола - ОП-10 (ГОСТ 8433-81).
В качестве растворителя полимерной дисперсии, антифриза и коалесцента используют монобутиловый эфир диэтиленгликоля - бутилдигликоль (ТУ 6-09-3289-79).
В качестве структурирующей добавки используют меламино-формальдегидную смолу марки К-423-02 (ТУ 6-10-788-79).
В качестве гидрофобной добавки используют сапропель.
Составы исследуемых композиций приведены в таблице 1. Водно-дисперсионную краску на основе заявленной композиции готовили следующим образом. Вначале получали пигментную пасту путем диспергирования пигмента и наполнителя в водной среде в присутствии целевых добавок. Полученную пасту совмещали с водной полимерной дисперсией. Пигментную пасту готовили в емкости с фрезерной мешалкой, в которую заливали расчетное количество умягченной или дистиллированной воды. Из емкости брали 200-300 г воды, которую нагревали до температуры 60-70°C. В подогретую воду вводили диспергатор и растворяли при перемешивании. В полученную смесь вводили смачиватель и растворяли при перемешивании. Полученный раствор выливали в емкость с фрезерной мешалкой и со скоростью 300-500 об/мин перемешивали в течение 10-20 минут. Затем вводили 6/7 частей бутилдигликоля, как растворителя и антифриза, и с этой же скоростью вели перемешивание еще 10 мин. Перед введением пигмента и наполнителя в полученный раствор вводили 2/3 части пеногасителя и далее - пигмент и наполнитель, перетирали при работающей мешалке с 1000-1500 об/мин не менее 1 часа до однородного состояния и достижения заданной дисперсности. После достижения дисперсности 40-60 единиц вводили сапропель и перемешивали в течение 20-30. После получения пигментной пасты скорость мешалки снижали до 300-500 об/мин и вводили оставшуюся 1/3 пеногасителя. Далее вводили водную полимерную дисперсию и перемешивали в течение 1-5 мин. Затем в центр воронки вливали водный раствор аммиака и тонкой струйкой 1/7 часть бутилдигликоля, как коалесцента. Перемешивали в течение 5 мин. Далее вводили загуститель, перемешивали в течение 5 мин, после чего вводили меламино-формальдегидную смолу и консервант.
Определение свойств лакокрасочной композиции проводили по следующей нормативно-технической документации: условная вязкость по ГОСТ 8420-74, степень перетира по ГОСТ 6589-74, время высыхания до степени 3 при 20°C по ГОСТ 19007-73, массовая доля нелетучих веществ по ГОСТ 17537-72, укрывистость по ГОСТ 8784-75. Физико-механические показатели краски составов 1-3 представлены в таблице 2. Декоративные и защитные характеристики покрытия, полученного на основе заявленной композиции, соответствующие ГОСТ 9.407-84, получали после проведения испытаний лакокрасочных покрытий на стойкость к статическому воздействию воды, которая согласно ГОСТ 9.403-80 должна быть не мене 48 часов. К декоративным свойствам покрытия относятся цвет и меление, к защитным: растрескивание, отслаивание, сморщивание, образование пузырей. Наилучшие характеристики получены на покрытии, полученном на основе композиции, соответствующей составу 2.
В таблицах 3-5 приведены результаты испытаний покрытия, высушенного на воздухе при 20±2°C в течение 1 часа, с последующей сушкой при 100±2°C в сушильном шкафу и выдержкой в течение 1 суток. Бетонные образцы размером 100×100×100 мм с нанесенной в два слоя краской, в основном соответствующей составу 2, но не содержащей сапропеля, погружали в воду. После 48 часов испытаний, требуемых ГОСТ 9.403-80, на поверхности образца появились пузыри и нитевидные трещины длиной 30-40 мм, что отражено в таблице 3. Декоративные и защитные свойства погруженных в воду бетонных образцов с нанесенной в два слоя краской, содержащей сапропель, то есть полностью соответствующей составу 2, после 200 часов испытаний не изменились, разрушения покрытий отсутствовали, как видно из таблицы 4. Эти результаты доказывают наличие у сапропеля гидрофобных свойств.
В таблице 5 приведены декоративные и защитные свойства покрытия, полученного нанесением двух слоев краски, соответствующей составу 2, на каждый из трех образцов, выполненных из шифера волнистого профиля длиной 180 мм, шириной 30 мм, с толщиной стенки 3 мм. После 2900 часов выдержки в воде, декоративные и защитные свойства покрытия, как видно из таблицы 5, не изменились.
По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод, что стойкость покрытия, полученного на основе заявленной композиции, не содержащей сапропеля, к статическому воздействию воды, составляет не более 48 часов. Покрытие, полученное на основе заявленной композиции, соответствующей составу 2, то есть содержащей 20 мас.% сапропеля, выдерживает в воде 2900 часов. Таким образом, заявленное изобретение позволяет создать водно-дисперсионную лакокрасочную композицию на основе акриловых сополимеров с высокими декоративными и защитными свойствами.
Таблица 1
Наименование компонента
Содержание компонентов в композиции, мас.%
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Дисперсия «Акронал 740 S»
15
20
25
Диоксид титана
11
8
5
Омиакарб
20
25
35
Полифосфат натрия
0,4
0,3
0,2
Пеногаситель MOUSSEX 7134 HE
0,4
0,3
0,2
25%-ный раствор аммиака
0,3
0,4
0,5
ОП-10
0,3
0,25
0,15
Бутилдигликоль
6,5
5,5
3,5
Полиуретановый загуститель
2,5
2,0
1,5
Меламино-формальдегидная смола
5,5
6,0
10,0
Сапропель
30
20
10
Консервант MERGAL K-14
0,1
0,1
0,1
Вода
8,0
12,15
8,85
Таблица 2
Наименование показателя
Физико-механические свойства покрытий, полученных на основе композиции, составов
прототип
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Степень перетира, по «Клину», мкм
20
40
50
55
Условная вязкость по ВЗ-246 при 20±2°C
45
25
25
27
Содержание нелетучих веществ, %
56
55
54
Время высыхания до степени 3 при 20±2°C, ч
0,25
1
1
1
Укрывистость, г/м<sup>2</sup>
77
66
65
61
Адгезия методом решетчатого надреза, баллы
1
1
1
1
Смываемость, г/м<sup>2</sup>, не более
0,1
0,1
1,36
Внешний вид пленки после высыхания
Матовая без посторонних включений
Ровная, однородная
Ровная, однородная
Ровная, однородная
РН среды
7,5
7,0
7,0
7,5
Таблица 3
Свойства покрытий
Состояние поверхности образцов
Перед испытанием после высыхания
Цвет
Белый
Меление
Поверхность однородная без кратеров, пор и морщин
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
После 48 часов выдержки в воде
Цвет
Белый
Меление
На ткани присутствуют частицы пигмента
Растрескивание
Продольные трещины по всей поверхности покрытия, вспучивание покрытия
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
Таблица 4
Свойства покрытий
Состояние поверхности образцов
Перед испытанием после высыхания
Цвет
Белый
Меление
Поверхность однородная без кратеров, пор и морщин
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
После 48 часов выдержки в воде
Цвет
Белый
Меление
На ткани отсутствуют частицы пигмента
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
После 168 часов выдержки в воде
Цвет
Белый
Меление
На ткани отсутствуют частицы пигмента
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
После 200 часов выдержки в воде
Цвет
Белый
Меление
На ткани отсутствуют частицы пигмента
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
Таблица 5
Свойства покрытий
Состояние поверхности образцов
Перед испытанием после высыхания
Цвет
Белый
Меление
Поверхность однородная без кратеров, пор и морщин
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
После 200 часов выдержки в воде
Цвет
Белый
Меление
На ткани отсутствуют частицы пигмента
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
После 500 часов выдержки в воде
Цвет
Белый
Меление
На ткани отсутствуют частицы пигмента
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей
После 2900 часов выдержки в воде
Цвет
Белый
Меление
На ткани отсутствуют частицы пигмента
Растрескивание
Отсутствуют
Отслаивание
Сморщивание
Образование пузырей