Поверхностные явления в пленкообразователе на основе жидкого стекла

Полная исследовательская публикация ____________ Воронцова О.А., Сахнова Л.Ю. и Везенцев А.И.

Размещено на http://www.allbest.ru/

120 _____________ http://butlerov.com/ _____________ ©--Butlerov Communications. 2017. Vol.50. No.6. P.119-125.

Тематический раздел: Физико-химические исследования. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Физическая химия. Идентификатор ссылки на объект - ROI: jbc-01/17-50-6-119

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2017. Т.50. №6. _________ 119

Поверхностные явления в пленкообразователе на основе жидкого стекла

Воронцова Ольга Александровна,

Сахнова Любовь Юрьевна

Везенцев Александр Иванович

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 паропроницаемостью, 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 исследований 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 ООО «Экохим 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 ООО «Группа «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 экспериментальные 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 (W_A) 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 рассчитывали 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

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; увеличивается и сам коэффициент с 0.832 (для композиции 1.7) до 0.943 (для композиции 3.3).

На основе проведенной экспериментальной работы можно рекомендовать производителям 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-декоративного назначения до 10-20 % масс.

Выводы

1. Выявлены зависимости состава пленкообразователя на поверхностные явления, такие как поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, работа адгезии, работа когезии, энергия и коэффициент смачивания.

2. 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

пленкообразователь поверхностный адгезия химический

[1] Корнеев В.И. Жидкое и растворимое стекло. С.-Петербург: Стройиздат. 1996. 216с.

[2] Воронцова О.А., Сахнова Л.Ю. 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.

[3] Сахнова Л.Ю. Воронцова О.А., Везенцев А.И. Морозостойкость неотвержденной и отвержденной композиции защитно-декоративного покрытия. Научные ведомости БелГУ. Серия: Естественные науки. 2015. Т.32. №15 (212). С.141-144.

[4] Богданов В.Н., Сахнова Л.Ю., Воронцова О.А. Разработка пожаровзрывобезопасного защитно-декоративного покрытия. «Moderni vymozenosti vedy - 2014»: X Mezinarodni vedecko-prakticka conference. Praha. 2014. C.9-12.

[5] Богданов В.Н., Буханов В.Д., Везенцев А.И., Воронцова О.А. 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

[6] Агафонов Г.И., Одляницкая B.C., Ицко Э.Ф., Калаус Э.Э. и др. Неорганические покрытия на основе растворов силикатов щелочных металлов. Лакокрасочные материалы и их применение. 1985. №4. С.44-48.

[7] Сайт компании-производителя лакокрасочных, строительных и специальных строительных материалов НПФ «ВАПА»; www.vapa.ru/batchprod/silikat.php.

[8] Сайт компании-производителя дисперсии Новопол - ООО «Группа «Хома»; www.homa.ru/products/novopol-110.

[9] Богданов В.Н., Воронцова О.А., Везенцев А.И. Коллоидно-химические свойства неотвержденной композиции защитно-декоративного покрытия. Лакокрасочные материалы и их применение. 2013. №1-2. С.62-65.

Размещено на Allbest.ru