Котенко Н.П. Лекции по Технологии производства лакокрасочных материалов - файл n1.doc

Котенко Н.П. Лекции по Технологии производства лакокрасочных материалов
скачать (916.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc917kb.20.11.2012 09:07скачать

n1.doc

  1   2   3   4
История развития лакокрасочной промышленности.

Лакокрасочные материалы – многокомпонентные системы, которые при нанесении на подложку высыхают с образованием тонкой пленки. Эта пленка должна удовлетворять следующим требованиям:

- защищать древесину от гниения;

- защищать металл от коррозии;

- быть эластичной и не растрескиваться в течение многих лет;

- хорошо соединяться с и с новой ровной поверхностью, и с шероховатой старой.

- иметь красивый внешний вид;

- придавать декоративные свойства окрашиваемым изделиям.

Но пока не существует такого универсального ЛКМ, который удовлетворял бы всем этим требованиям.

На наскальных рисунках первым красителем была бычья кровь, которая использовалась 15 тысяч лет назад.

В Индии первым пленкообразователем был отвар риса. В Европе - козеин – концентрированный раствор, полученный после долгой варки сухожилий животных. В Египте и Китае первые пленкообразователи – это восковые и смоляные краски. Ими обрабатывали саркофаги фараонов.

Первый рецепт варки датируется 1100-м годом.

Ее рецепт:

Положи немного масла в льняной горшок и добавь гумий (черная смола), поставь на угли, старательно варя, не давая кипеть, пока не уварится третья часть. Берегись огня, потому что это опасно и трудно потушить, когда вспыхнет. Живопись, покрытая этим лаком, делается блестящей, красивой и прочной.

Бете говорил: « Мы радуемся краскам даже в пасмурный день».

Свинцовые белила использовались 1000 лет, но в первом веке н.э. в итальянской гавани случился пожар, а там находились бочки со свинцовыми белилами. Когда открыли бочки, обнаружили ярко-оранжевый свинцовый сурик.

Масляные краски впервые использовались в Др. Риме. Их готовили в основном из льняного и тунгового масла.

В Др. Руси использовали следующие краски:

- киноварь;

- свинцовый сурик;

- сажа;

- черлень.

Палехские мастера могли заставить по-разному звучать один и тот же цвет. В качестве пленкообразователя они использовали желтки, растертые с уксусом.

Декоративный эффект достигали за счет того, что при нанесении в несколько слоев нижние просвечивались сквозь верхние слои, создавая неповторимые оттенки. Для палехских шкатулок характерен черный фон и красные или золотые пигменты. Точная формула красного пигмента утеряна, но известно, что он растирался с протухшим белком на квасе. Все пленкообразователи на основе белков и желтков называются яичной терперой.

Промышленное производство ЛКМ началось при Петре I. Сейчас мировое производство выпускает около 20 млн. тон в год. Причем 50 % используется в машиностроении, 30% - в стройиндустрии, 20% - в быту.
Классификация ЛКМ.

По своему назначению все ЛКМ делятся на:

-лаки;

-краски;

-эмали;

-грунтовки;

-шпатлевки.

В состав лака входят:

-эфиры нитроцеллюлозы;

-масла;

-смолы;

-растворитель;

-разбавитель;

-катализаторы высыхания;

-специальные добавки;

-стабилизатор.

В состав краски, эмали, грунта, шпатлевки входят:

-лак;

-олифа;

-пигменты;

-наполнители;

-растворители;

-спец. добавки;

-катализаторы высыхания;

-антиоксиданты.

Краски делятся на:

-масляные (на основе масла или олифы);

-водоэмульсионные или вододисперсные;

-порошковые;

-селикатные (на основе жидкого стекла).

Классификация покрытий.

По типу применяемого материала:

-механизированные;

-гумированные.

По состоянию в момент поставки:

-литьевые;

-монолитные.

По стойкости к различным средам:

-стойкие;

-химически стойкие;

-бензо- и маслостойкие;

термостойкие;

нестойкие.

По методам нанесения:

-обмазка;

-напыление;

-термоотверждение.

Лекция 2

Классификация ЛКМ

Лаки – растворы природных или синтетических полимеров в органических растворителях.

Лаки используют для получения прозрачной поверхности.

Эмали – это тонкодисперсные ЛКМ, полученные диспергированием пигментов или наполнителей в лаках.

Содержание пленкообразователя в эмалях около 20%.

Эмали могут быть глянцевые и матовые.

Грунтовка – служит для хорошего сцепления с подложкой. Используется для первых слоев покрытия.

Блеск и красивый внешний вид не важны.

Шпатлевки – это высоконаполненные ЛКМ, служат для выравнивания поверхности и заполнения щелей.

Соотношение пленкообразователь – наполнитель 1 : 8-12



ЛКМ



Пленкообразователь Специальные добавки

Растворитель Пигменты Наполнитель

Маркировка ЛКМ


Пленкообразователь

Условные обозначения

1. Глифталевый олигомер

ГФ

2. Пентафталевый олигомер

ПФ

3. Эпоксидная смола

ЭП

4. Каучук

КЧ

5. Кремний органическое соединение

КО

6. Ненасыщенные полиэфиры

ПЭ

7. Полиуретаны

УР

8. Полиэфиры насыщенные

ПЛ

9. Полиакрилаты

Ак

10. Акриловые сополимеры

АС

11. Этилцеллюлоза

ЭЦ

12. Нитроцеллюлоза

Нц

13. Полиамиды

АД

14. Поливинилацетат

ПВА

15. Масляные краски

МА

16. Масляно- и алкидностирольные компоненты

МС

17. Перхлорвиниловые

ХВ

18. Фторопласты

ФП

19. Янтарь

ЯН

20. Сополимерновинилхлоридные

ХС

21. Битумные (черные лаки)

БТ

22. Канифольные

КФ

23. Фенолалкидные

ФА


Цифровые обозначения ЛКМ

Маркировка первой цифры

0 – грунтовка

00 – шпатлевка

1 – атмосферостойкие покрытия

2 – для внутренних помещений

3 – консервационные покрытия

4 – водостойкие

5 – специальные

6 – мосло- и бензостойкие покрытия

7 – химически стойкие

8 – термостойкие

9 – электроизоляционные

Физико-химические свойства ЛКМ

1. Условная вязкость – это время истечения ЛКМ из отверстия определенного диаметра.

Определяется с помощью вязкозиметра, в который помещяется 100 мл ЛКМ.

2. Растикаемость (розлив) – это способность ЛКМ растикаться ровным слоем без морщин и кратеров по окрашенной поверхности.

3. Дисперсность или степень раздробленности – характеризуется линейными размерами, поверхностью или объемом частиц из которых состоит ЛКМ.

4. Укрылистость – это способность ЛКМ делать невидимым цвет защищаемой поверхности.

5. Летучесть – рассчитывается по формуле :



- масса покрытия после сушки

- масса исходного ЛКМ

6. Кислотное число – это количество мг КОН пошедшее на титрование кислотных групп содержащихся в 1г ЛКМ.

7. Рассеивающая способность – это свойство ЛКМ проникать в труднодоступные места и образовывать равномерные по толщине покрытия на изделиях сложной конфигурации.

8. Водопоглощение – способность краски поглощать воду.



- масса бюкса с пленкой, выдержанной в воде

- масса бюкса сухой пленкой

- масса пластины с покрытием

- масса чистой пластины

Физико–механические свойства покрытий

1. Прочность при растяжении – максимальная нагрузка, которую выдерживает пленка без разрыва.



- приложенное напряжение при растяжении

- нагрузка

- площадь поверхности

2. Относительное удлинение при растяжении



и - длина пленки до и после изгиба

3. Эластичность (прочность при изгибе) – это свойство покрытия восстанавливать свою форму и размеры после прекращения внешних сил.

4. Адгезия – определяется работой, которую надо затратить на отрыв пленки от единицы площади поверхности.

Методы определения адгезии

Косвенные:

  1. Метод параллельных надрезов

  2. Метод решетчатых надрезов

Прямые:

Метод отслаивания.

5. Твердость покрытия.

Методы определения

1. По маятниковому прибору

2. По твердометру ( в баллах 0 – 5 )

3. По карандашу «конструктор»

6. Износостойкость или стойкость к истиранию – отрыв частиц покрытия под воздействием силы трения.

7. Прочность на удар – способность противостоять кратковременным ударным воздействиям.

8. Морозостойкость

9. Термостойкость

Лекция 3

Декоративные свойства ЛКМ

1. Блеск – это органолептическое восприятие поверхности. Он обусловлен способностью отражать падающий на нее свет.



- потеря блеска

- исходное значение блеска

- значение блеска после эксплуатации

2. Цвет – определяют визуально путем сравнения с эталонами цвета.

3. Светостойкость – это способность покрытия сохранять свой цвет и внешний вид под действием света.

4. Грязеудержание – способность покрытия удерживать грязь и пыль.

5. Бронзировка поверхности – это миграция пигмента к поверхности с образованием цветов «побежалости».

6. Белесоватость.

Растворители



органические вода

Основное предназначение растворителей – это делать возможным нанесение ЛКМ на поверхность и приготовление красок.

Бывают органические жидкости не растворяющие данный пленкообразователь, но способные разжижать ЛКМ, они называются разбавителями.

Разбавитель

хорошие плохие

Хорошие – образуют истинные растворы полимеров в широком интервале температур.

Плохие – образуют истинные растворы лишь в узком рабочем интервале температур, а далее идет расслоение.

Основные показатели для растворителей

1. Температура вспышки – это та температура вещества, при которой над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать от источника зажигания.

2. Температура самовоспламенения – это наименьшая температура, при которой начинается горение вещества при контакте с воздухом без источника зажигания.

3. ПДК – количество грамм вещества в 1м3 воздуха не вызывающее отравления человека.

Одной из важнейших проблем, как в санитарно-гигиеническом, так и в экономическом отношении является утилизация органических растворителей.

Утилизация

Конденсационные Сорбционные

адсорбционные абсорбционные

При конденсационном методе паро-воздушную смесь пропускают через холодильник, в котором растворитель конденсируется под действием хладоагента. Этот метод рентабелен лишь при содержании растворителя больше 100г/м3

Абсорбционный метод состоит в поглощении растворителей из паро-воздушной смеси жидкими поглотителями и последующей ректификацией.

Несмотря на высокую стоимость, метод широко применяется при получении лаковых полимерных покрытий на консервной таре,

так поглощается этиленцеллозольв.

При адсорбционном методе растворитель поглощается твердыми адсорбентами (активированный уголь) с последующей десорбцией растворителя при пропускании водяных паров через насыщенный адсорбент.

Основные характеристики растворителей для ЛК промышленности

Название

Формула

Ткил, 0С

Твсп, 0С

Характеристики летучести относительно скорости испарения диэтилового эфира в относительных единицах.

ПДК

мг/м3

Ацетон

СН3-С- СН3

||

О

56

-18

2,1

200

Амилацетат

СН3-С-О-С5Н11

||

О


115

25

13

-

Бутанол

С4Н9ОН

114

30

33

-

Бутилцеллозольв

С4Н9О-СН2- СН2ОН

163

61

163

-

Бутилацетат

С4Н9-О-С- СН3

||

О

110

22

11,8

200

Бензин лаковый

(уайт-спирит)

С68 смесь углеводородов

С6Н14

С7Н16

С8Н18

165-200

3

39-55

300

Бензол

С6Н6

72

-

10

20

Дихлорэтан

Cl СН2- СН2 Cl

90

13

3,5

10

n-Ксилол

CH3



CH3


150

24

13,5

50

Метанол

СН3ОН

72

-

8

50

Метилацетат

СН3-О-С-СН3

||

О

60

-8

2,2

-

Метилэтилкетон

СН3-С-С2Н5

||

О

150

-

-

-

Метилцеллозольв

СН3-О-СН2-СН2ОН

120

42

34,5

-

Скипидар

(смесь терпенов)

СН3-СН-СН3



СН3

160

30

-

300

Сольвент

(смесь ароматических углеводородов)




155-200

-

27

-

Толуол

СН3




110

5

6,1

-

Циклогексанон





О


150-158

63

40

10

Тетрахлорметан

СCl4

75

Не горит

3,3

-

Этанол

С2Н5ОН

78,3

20

5,3

1000

Этилцеллозольв

С2Н5О-СН2-СН2ОН

130

40

43

-

Этилацетат

С2Н5О-С-СН3

||

О

75

-3

3,9

-

Стирол


СН=СН2












5

Этилендиамин

СН=СН

| |

NH3 NH3











2



Лекция 4.

Растворы пленкообразующих в органических растворителях.

При растворении полимеров в органических растворителях могут образовываться термодинамические устойчивые системы (истинные растворы) однофазные. Содержание растворителя в них может колебаться от 10 до 90%.

Достоинство таких систем:

Недостатки:

Поэтому в последнее время появилась тенденция к увеличению содержания пленкообразователя.

Выбор растворителей проводят с учетом растворяющей способности, учитывая правило: ”подобное растворяется в подобном”,т.е. структура и химическое сродство полимеров и растворителей облегчает растворение.

Термодинамические основы процесса растворения.

  1. Энергия когезии к), кДж/моль-это энергия, необходимая для разрыва всех межмолекулярных контактов, отнесенная к 1 молю вещества. Для растворителей энергия когезии равна энергии испарения.

  2. Плотность когезии кк/Vм). Для практической оценки взаимной растворимости полимера в растворителях введен параметр растворимости ?.

?=Дк1/2

? можно рассчитать по теплоте испарения.

Растворение полимеров будет происходить при условии, что молекулярная энтальпия смешения равна нулю.

??=(?1-?2)2V?1?2

Где ?1,?2-параметры растворения полимера и растворителя.

?1,?2-объемная доля полимера и растворителя.

3.Параметр совместимости ?.

?=(?1-?2)2

Чем меньше ?, тем лучше совместимость компонентов.

Таблица.

полимер

?

Органические растворители

?

ПВХ

19,1

Дихлорэтан

Ортодихлорбензол

19,6

20,6

Полиолефины:

полиэтилен

полипропилен


15,9

16,2


Гексан


11,6

Полистирол

18,2

Бензол

Толуол

18,1

18,1

Эпоксидные

олигомеры

19,8

Диоксан

Ацетон

20

20






В тоже время при полном не сходстве химического строения полимера и растворителя, даже при полном совпадении величины ? полимер растворяться не будет.

Например, полистирол не растворяется в метилэтилкетоне (?=18,6) и ацетоне (?=20).

Фазовая диаграмма полимер-растворитель.

Область А-однофазная область не органического смешения( истинный раствор).

Область Б-двухфазная область органического растворения.

Переход из фазы А в фазу Б и наоборот совершается при температурах фазового расслоения.

При температуре равной или выше ВКТР существует устойчивый истинный раствор полимеров с концентрацией Хк.

Кривая 1 разделяет область однофазного и метастабильного растворов и называется бинодалью.

Любые температуры и концентрации на бинодали указывают, при какой температуре и концентрации раствор перейдет в истинный.

Область метастабильного и неустойчивого раствора разделены кривой 2-спинодалью.

При температурах ниже ВКТР начинается расслоение на 2 фазы. Состав второй фазы сильно зависит от ее вязкости. Чаще всего вязкости второй фазы настолько велика, что образуется гетерогенная смесь, относящаяся к студням.

Вывод: температура ВКТР всегда должна быть ниже температуры эксплуатации или хранения лакокрасочного материала, иначе произойдет расслоение.

Разбавители.

Это органические жидкости, не растворяющие данный олигомер, а лишь способствующие хорошему розливу.

Таблица.

Составные растворители и разбавители, и их назначение.

продукт

Состав

Растворяемый лакокрасочный материал

Компонент

?,%

Разбавитель РКБ-1

ксилол

бутанол

50

50

Феноло-формальдегидные и меламиноформальдегидные смолы

Разбавитель Р-7

этанол

циклогексан

50

50

Поливинилацетат

Разбавитель Р-40

этилцеллозоль

бензол

50

50

Эпоксидные смолы

Разбавитель РС-2

Уайт-спирит

Ксилол

70

30

Масляные и битумные лакокрасочные материалы

Разбавитель Р-645

Бутилацетат

Этилацетат

Ацетон

Бутанол

Толуол

18

9

3

10

50

Нитроцеллюлоза

Разбавитель Р-646

Бутилацетат

Этилцеллозоль

Этилцеллозольв

Ацетон

Бутанол

Этанол

Толуол

10

10

8

7

15

10

50

Нитроцеллюлозные, эпоксидные и меламиноформальдегидные смолы

Разбавитель Р-60

Бутилацетат

Ацетон

Толуол

30

30

40

Акриловые и хлорвиниловые

Таблица.

Свойства и назначение однокомпонентных растворителей.

Растворитель

Разбавляемый л.к.м., применение для других целей

Смешиваемость с водой

Ацетон

Нитроцеллюзольные, эпоксидные, виниловые полимеры

Полная

Уайт-спирит

Масляные, битумные, на основе природных смол.

Не смешивается

Бензин" калоша"

Для масляных и битумных лаков

Не смешивается

Изопропиловый спирт

Используется для обезжиривания и очистке поверхности

Полное

Ксилол

Глифталевые, пентафталевые, эпоксидные, битумные, кремний органические

Не смешивается

Скипидар

Масляные, битумные, фенолфталеиновые, глифталевые

Не смешивается

Толуол

Кремний органические, виниловые алкиды

Не смешивается

Этилцеллозольв

Эпоксидки

Смешивается плохо



ЛЕКЦИЯ № 5

ОРГАНОДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ.

Это двухфазные плёнкообразующие системы, в которых дисперсионной фазой являются полимерные частицы коллоидных размеров, а дисперсной средой органическая жидкость.

Полимерные органодисперсии:

- лиофобные

- переходные;

- лиофильные.

Лиофобные, когда полимерная фаза не растворяется и не набухает в дисперсной среде. В качестве органических растворителей чаще всего используют самые дешёвые растворители: нефтяные углеводороды и спирты.

Недостаток: их неустойчивость. Для её устранения добавляют поверхностно-активные вещества.

Переходные полимеры частично набухают в жидкости.

Лиофильная полимерная фаза способна растворяться в жидкостях.

Пластизоли - раствор полимера в пластификаторе. Иногда добавляют разбавители, в которых полимер не растворяется даже при нагревании. При комнатной температуре пластизоли представляют собой лиофобные дисперсии.

При нагревании разбавитель улетучивается, а полимер набухает в пластификаторе. Постепенно пластификатор равномерно распределяется в полимере и происходит сплавление набухших полимерных частиц и образование сплошного пластифицированного покрытия.

Основным достоинством полимерных органодисперсий в сравнении с растворами является низкая вязкость при высоком содержании основного вещества ( 50-60 %), которое не зависит от молекулярной массы вещества полимера. Для приготовления органодисперсий чаще всего используют термопластичные полимеры, такие как поливинилхлорид, полиакрилаты, полиэтилен и очень редко термореактивные.

Применение органодисперсий позволило заменить дорогостоящие и токсичные растворители на более дешёвые и менее вредные.

ВОДНЫЕ ДИСПЕРСИИ.

Под ними подразумевают такие дисперсии, в которых обязательным компонентом дисперсной фазы является вода.

Использование водной дисперсии в качестве лакокрасочного материала позволило решить проблемы загрязнения окружающей среды, достижения хороших санитарно-гигиенических условий труда, а также значительно снизить стоимость лакокрасочных материалов.

Полимерные водные дисперсии делят на:

- гидрофобные;

- переходные;

- гидрофильные.

Гидрофобные это дисперсия полимера или его раствора в несмешивающимся с водой растворителя в водной среде.

Для их приготовления используют полимеры, не имеющие сродства с водой ( полимеры и сополимеры винилацетата и винилхлорида, полиакрилаты, алкиды, модифицированные маслами, эпоксидные смолы). Эти полимеры получают эмульсионной или радикальной полимеризацией.

При получении гидрофобных дисперсий в начале растворяют их в ксилоле (для эпоксидов, полиуретанов), после чего эмульгируют этот раствор в воде в присутствии эмульгатора.

Формирование плёнок из водных гидрофобных дисперсий происходит в результате коагуляции полимерных частиц при испарении воды.

Минимальная температура плёнкообразования примерно на 10 градусов Цельсия ниже температуры стеклообразования полимера.

Для понижения этой температуры в систему вводят звенья с объёмными боковыми алкильными заместителями. Такой способ называется внутренней пластификацией.

Например, дисперсия из поливинилацетата имеет минимальную температуру плёнкообразования 25-30 градусов Цельсия, сополимер винилацетат с 2- этилгексилакрилатом имеют минимальную температуру плёнкообразования меньше 5 градусов Цельсия.

Другим методом понижения минимальной температуры плёнкообразования является смешение водных дисперсий с различными значениями минимальной температуры плёнкообразования (акрилами).

Для получения гидрофильных дисперсий используют большое сродство с водой. Сродство полимеров с водой обусловлено наличием групп: -ОН, -СООН,

-О, -С-ОО- NН.

Гидрофильная дисперсия представляют собой термодинамически устойчивые мицеллярные растворы полимеров.

Характер полярной группы оказывает значительное влияние на способность полимеров растворяться в воде. Количественной оценкой этого влияния является эквивалентная масса гидрофобной части полимера ЭМГ.

Так, для полимеров, содержащих группы – ОН, -СООNа способность полимеров растворяться сохраняется до значения ЭМГ 115; 215 соответственно, а для полимеров, содержащих –О- ЭМГ до 30.

В качестве растворителей чаще всего используют спирты. Гидрофильную водно-спиртовую дисперсию получают на основе олигомеров, таких как, эпоксидные, карбамидо-, меламино- и фенолформальдегидные. Для получения таких дисперсий полимер растворяют в спирте, затем переводят группы –ОН, -СООН в более ионизированные –СООNа, -ОNа, -СООNН, а затем разбавляют водой.

100%-НЫЕ ПЛЁНКООБРАЗУЮЩИЕ СИСТЕМЫ.

Это одно из самых перспективных направлений развития лакокрасочной промышленности, создания плёнкообразующих систем без растворителей. Это важно и в аспекте экологических и экономических проблем.

В настоящее время находят применение 100% плёнкообразующие системы 3-х типов:

- полимерные порошки;

- жидкие олигомеры или их растворы;

- активные мономеры, образующие полимерные покрытия на подложке.

Полимерные порошки.

Они используются для нанесения на подложку в виде аэродисперсии.

Аэродисперсия – это двухфазная система, в которой дисперсионной фазой является порошок полимера, а дисперсной средой воздух или инертный газ.

Порошки должны иметь размер частиц 0.1-100 мкм.

Полимеры могут быть термопластичными и термореактивными.

Термопластичные: полиэтилен, поливинилхлорид, политетрахлорэтилен.

Термореактивные: эпоксидные олигомеры, полиакрилаты, олиоэфиры.

Требования к порошковым материалам.

  1. Полимеры должны находиться в порошковом состоянии в условиях хранения и нанесения, поэтому у них температура размягчения должна быть не ниже 70 градусов Цельсия.

При использовании термопластичных полимеров в смеси с отверстиями, отвердитель должен быстро реагировать с полимером на воздухе.

  1. Полимер должен легко сплавляться, образуя тонкий слой, причём сплавление должно происходить в широком интервале температур, нижний предел которого определяется температурой текучести.



Полимер

Температура текучести, градус Цельсия

Полиэтилен

Поливинилхлорид

Поливинилбутилен

Эпоксидные олигомеры

130-145

170

180

70-130



Другим способом плёнкообразования полимерных порошков является воздействие на них паров растворителей. Если на подложку нанести слой порошка, а затем поместить её в камеру с парами растворителя, они будут поглощаться полимером и на какой-то стадии образуется плёнка.

Полимер

Соответствующий растворитель

Полиэтилен

Поливинилхлорид

Поливинилбутилен

Эпоксидные олигомеры

Уайт-спирит, ксилол.

Циклогексанон, тетрагидрофуран.

Этанол, бутанол.

Ацетон, метилэтилкетон, этилцеллозольв.

Плёнкообразования с использованием паров растворителей удобно проводить на нетермостойких подложках (картон, бумага, пластмасс).

Недостаток: токсичность, большая длительность по сравнению с нагреванием.

6 лекция
  1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации