Водные краски. Часть I. Введение и химические аспекты

Водорастворимые краски, часто называют экологически чистыми красками и это не вполне верно. Они представляют собой высокотехнологичные продукты, в которых растворитель в основном состоит из воды. По этой причине они могут значительно уменьшить проблемы, связанные с выбросом растворителя в окружающую среду и токсичностью при нанесении и использовании.

Водорастворимые краски появились в начале 50-х годов, но на тот момент качество отделки с их помощью было неприемлемо для стиля итальянской мебели. Однако в странах Северной Европы они с самого начала достаточно быстро заняли свою долю рынка, а в последнее время она неуклонно растет.

итальянская мебель.jpg

Их использование в Италии стало более распространенным в последние годы, поскольку качество продукции улучшилось, а также потому, что люди стали больше осведомлены об опасностях загрязнения окружающей среды и озаботились здоровьем рабочих. Наконец, экологические инициативы и стандарты во всем мире поощряют использование красок с низким уровнем выбросов растворителей.

Эти два последних аспекта могут показаться главными, но мы считаем своим долгом напомнить читателям, что успех, достигнутый на сегодняшний день с помощью красок на водной основе, обусловлен не только аспектами загрязнения окружающей среды, но и интересными характеристиками, которыми обладают эти краски.

Например, водорастворимые краски теперь стали обыденностью, когда дело доходит до окраски дверей и окон, поскольку они гарантируют долгий срок службы и намного проще в обслуживании, чем обычные краски на основе растворителей.

Двери и окна.jpeg

Однако водорастворимые продукты нечасто используют при окраске мебели для внутренних помещений по целому ряду причин, касающихся их декоративных характеристик, способов их нанесения, энергии, необходимой для их сушки, нехватки продуктов хорошего качества и того факта, что они стоят дороже обычных красок. Однако в последнее время на рынке появились продукты, которые можно охарактеризовать, как «альтернативы полиуретановым краскам», хотя они обладают определенными остаточными дефектами, особенно связанными с поверхностным ворсом и подтяжкой прожилок, а также их применимостью в промышленных циклах отделки. Эти краски обычно представляют собой водные дисперсии акрилово-полиуретановых смол с оптимальной прозрачностью. Они придают дереву очень естественный вид, не создавая «мокрого эффекта», что особенно ценно для светлого дерева и отделок пастельных тонов.

Переход от работы с краской на основе растворителя к работе с краской на водной основе непростой и небыстрый процесс. Использование водорастворимых красок требует знания целого ряда профессиональных приемов, когда дело касается подготовки поверхности, нанесения краски и условий ее высыхания; все эти операции заметно отличаются от красок на основе растворителей.

Смешивание водных красок.JPG

Однако очень часто производители мебели не знают или не понимают этого, а плохой результат покраски несправедливо приписывают самому продукту. Это увеличивает неуверенность, которая естественным образом сопровождает каждую новую технологию.

Воодушевленные желанием помочь тем, кто хочет использовать эти продукты, мы решили посвятить отдельный цикл статей краскам на водной основе, поскольку уверенны в том, что они завоюют гораздо больший сегмент рынка, чем тот, который они в настоящее время занимают.

1. Химические аспекты

Принцип, на котором основана технология производства водных красок, заключается во введении в полимеры структур, способных заставить их растворяться или диспергироваться в водной среде. Связующие этого типа можно найти в области акриловых, полиуретановых, алкидных и эпоксидных смол. Существует два основных метода получения водных красок.

Растворение связующего.

Связующее становится водорастворимым за счет введения в его цепь солеобразующих кислотных групп при помощи аммиака или алифатических аминов. Таким образом, поведение связующего в присутствии воды будет похоже на поведение обычной кухонной соли, и поэтому оно полностью растворится. После нанесения летучий амин испарится, и продукт потеряет растворимость.

Эмульгирование связующего.

На заключительном этапе производства к связующему добавляются определенные химические группы. В зависимости от своих «гидрофильных» свойств они позволяют связующему диспергироваться (равномерно распределяться без осаждения) в воде.

Дисперсия полимера в воде.JPG

Дисперсия акрилового полимера в воде

В этом случае в воде будут присутствовать отдельные капельки смолы в виде взвеси. Большинство красок на водной основе, доступных в настоящее время на рынке, производятся по этой технологии и являются эмульсиями. Они содержат от 35% до 60% мелких шариков полимеров различной природы, диаметром от 0,01 до 0,1 микрона. Краски этого типа отдаленно похожи на молоко. Фактически, молоко также представляет собой эмульсию крошечных частиц жира в жидкой фазе, преимущественно состоящей из воды.

Образование пленки в красках, состоящих из водных дисперсий происходит совсем иначе, чем пленкообразование, получаемое при использовании обычных красок. Если не понимать факторы, способные влиять на образование ЛКП, то полученная пленка краски может иметь очень разную структуру, даже если использовался один и тот же лакокрасочный материал. Другими словами, одна и та же краска может давать покрытие с прекрасными или наоборот очень плохими характеристиками. Поэтому давайте попытаемся понять, что происходит и какие факторы могут вызвать такие разительные отличия.

После нанесения на поверхность краска выглядит как слой воды, в котором диспергированы капли смолы (связующего). По мере того, как вода постепенно испаряется, эти капельки двигаются все ближе друг к другу, пока не соприкоснутся. После этого они деформируются и смешиваются друг с другом в соответствии с химико-физической процедурой, называемой коалесценцией, пока не образуют сплошную пленку краски.

Образование пленки.jpg

Механизм образования пленки ЛКП при использовании краски на водной основе

Деформация полимерных шариков необходима для коалесценции и требует определенной силы, способной преодолеть сопротивление полимера изменению его формы. Эта сила создается капиллярным давлением, которое значительно увеличивается, когда шарообразные капли связующего двигаются близко друг к другу.

Если полимер в достаточной степени способен деформироваться под действием сил поверхностного натяжения, образование пленки будет происходить компактно. С другой стороны, если полимер настолько жесткий, что не может деформироваться, между шариками останутся промежутки, и, после испарения воды, окрашенная поверхность будет выглядеть пыльной или губчатой ​​и не очень прозрачной. Краски на водной основе образуют пленку посредством двухэтапного химико-физического процесса:

1) испарение воды;

2) химико-механическое слияние молекул смолы (коалесценция).

Множество факторов способствует получению хорошей лакокрасочной пленки, которую образует эта система. Их можно разделить на следующие категории:

Физические факторы

1) Размер частиц

2) Качество дисперсии

Факторы состава вещества

1) Химическая структура полимера

2) Физическая структура (однородность смеси)

Факторы окружающей среды

1) Относительная влажность воздуха

2) Скорость воздухообмена

3) Пористость окрашиваемой поверхности

4) Температура

Физические факторы

Среди физических факторов большое значение имеет диаметр шариков смолы. Этот диаметр должен быть очень маленьким, чтобы уменьшить пустые пространства, вызванные радиусом кривизны самих шариков. Качество дисперсии фактически означает, что шарики должны оставаться отдельно друг от друга в воде и не должны образовывать более крупные комки, которые впоследствии будут препятствовать процессу слияния отдельных капель во время коалесценции.

Коалесценция.jpg

Факторы состава вещества

Среди факторов состава очень важна химическая структура полимера. При равных физических факторах и факторах окружающей среды разные полимеры обладают разной способностью к деформации и размягчению. Кроме того, поскольку обычно используется смесь полимеров, важно убедиться, что отдельные компоненты ведут себя примерно одинаково под действием одних и тех же факторов, обеспечивая тем самым компактную и однородную пленку (однородность смеси).

Фактически, возможности производителя краски основаны на физических и композиционных факторах смеси. В зависимости от его навыков и используемого сырья, он может получить как хорошую, так и плохую краску, не только в отношении характеристик, но также и в отношении простоты нанесения и условий окружающей среды, необходимых для получение качественной пленки ЛКП. При этом факторы окружающей среды, при которых формируется пленка, играют фундаментальную роль. Если они существенно отличаются от оптимальных, то даже самые лучшие продукты могут давать крайне посредственные по характеристикам лакокрасочные пленки.

Поэтому производитель краски должен стремиться производить краски на водной основе, которые не требуют таких условий окружающей среды, которые трудно обеспечить для получения хорошего эффекта пленкообразования. С другой стороны, для получение удовлетворительных результатов, маляр должен обеспечить соблюдение тех параметров нанесения, на которых настаивает компания-производитель краски.

Факторы окружающей среды

Давайте теперь подробно проанализируем упомянутые ранее факторы окружающей среды.

Относительная влажность окружающей среды

Если она очень высока, то это замедляет испарение воды из влажной пленки краски. Если она очень низкая, то это ускоряет испарение воды и сокращает время высыхания. Относительная влажность не должна превышать 70%.

Влажность.jpg

Циркуляция воздуха в зоне сушки

Это позволяет удалять влагу из пленки ЛКП даже при высокой относительной влажности. С другой стороны, если нет вентиляции, воздух быстро насытится паром, и процесс сушки замедлится даже при оптимальной температуре. Помимо ускорения времени высыхания, постоянная циркуляция воздуха позволит получить хорошую пленку даже в условиях критической относительной влажности.

Пористость подложки

Способность подложки впитывать воду может ускорить высыхание.

Температура

Это важнейший экологический фактор. Определенные температурные условия могут фактически ускорить испарение воды, но они же, в частности, еще и определяют пластичность отдельных шариков смолы и, таким образом, их способность деформироваться. Каждая краска имеет определенную температуру, ниже которой полимерная частица будет настолько жесткой, что силы поверхностного натяжения не смогут ее деформировать, в итоге пленка ЛКП будет плохого качества. С другой стороны, выше этой температуры полимер приобретет пластичность, при которой частицы будут легко деформироваться, и мы получим качественную пленку ЛКП. Эта критическая температура, которая всегда должна быть превышена, является характеристикой смол, выбранных производителем, и носит название минимальной температуры пленкообразования (МТП или MFT в англоязычном варианте, которая будет подробно объяснена в цикле статей о параметрах, влияющих на качество окраски ).

Температура.jpg

МТП для красок на водной основе обычно составляет 10–15 °C. Растворители в низких концентрациях (2-10%) добавляются к краскам на водной основе, чтобы стимулировать процесс пленкообразования даже при критических температурах. Эти растворители известны как коалесценты и обычно относятся к семейству спиртов или простых гликолевых эфиров. Они делают частицы связующего более мягкими и пластичными даже при относительно низких температурах, тем самым способствуя коалесценции. Чем больше количество растворителя (в определенных пределах), тем выше будет способность краски образовывать однородную пленку даже при низких температурах, что снижает МТП.

Большинство красок на водной основе, доступных в настоящее время на рынке, являются однокомпонентными. Уже некоторое время производители сырья поставляют полиуретановые дисперсии с двумя компонентами для окраски мебели, предназначенной для эксплуатации внутри помещений. Особым преимуществом этих материалов было бы получение высокой химической прочности, а иногда и большей прозрачности. На самом деле все эти формулы очень хорошо работают в лаборатории, но на практике они были отложены на полку даже у самых крупных производителей красок для дерева из-за их очень долгого времени высыхания, короткого срока службы смеси и трудностей в приготовлении рабочей смеси. Несмотря на это, исследования продолжаются, и на рынке начинают появляться дисперсии этого типа.

В следующих статьях этого цикла мы расскажем об областях применения красок на водной основе, технологиях их нанесения, отличиях от красок на основе растворителей и возможных циклах отделки с их помощью. Следите за обновлениями!