Синтез акриловых дисперсий, их применение и анализ состава лакокрасочных материалов, получаемых на их основе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез акриловых дисперсий, их применение и анализ состава лакокрасочных материалов, получаемых на их основе

Д.И. Козин

Е.В. Патронова

Аннотация

Рассмотрен механизм синтеза акриловых дисперсий. Проведен анализ состава сырья для синтеза дисперсий и характеристик полученного продукта, обусловливающих широкое применение акриловых дисперсий в качестве связующих в различных отраслях промышленности. Выполнен обзор рецептур лакокрасочных материалов, изготовленных на основе стирол-акриловых дисперсий. Установлены наиболее распространенные функциональные добавки, придающие дисперсиям антикоррозионные свойства.

Ключевые слова: акриловые дисперсии; эмульсионная полимеризация; лакокрасочные материалы; ингибиторы коррозии; функциональные добавки

Abstract

Synthesis of acrylic dispersions, their application and analysis of the composition of paints and varnishes obtained on their basis

Danil I Kozin, Student of Institute of Natural Sciences. Derzhavin Tambov State University, Tambov, Russian Federation.

Elizaveta V. Patronova, Student of Institute of Natural Sciences. Derzhavin Tambov State University, Tambov, Russian Federation.

In this work, the mechanism of synthesis of acrylic dispersions is considered in detail. The composition of raw materials for the synthesis of dispersions and characteristics of the resulting product, which determine the widespread use of acrylic dispersions as binders in various industries, are analyzed. A review of the formulations of paints and varnishes based on styrene-acrylic dispersions is carried out. The most common functional additives have been established that impart anticorrosive properties to dispersions.

Keywords: acrylic dispersions; emulsion polymerization; paints and varnishes; corrosion inhibitors; functional additives

Введение

Акриловые дисперсии представляют собой дисперсные системы, которые длительное время могут существовать в однородном состоянии. В зависимости от используемых исходных мономеров полимерные акриловые дисперсии делятся на 2 вида: акриловые и стирол-акриловые дисперсии. Последние имеют наибольшее значение для промышленного производства. Поэтому целью данной работы стал анализ методик синтеза стирол-акриловых дисперсий и состава лакокрасочных материалов (ЛКМ) на их основе, который позволит сделать вывод об оптимальных условиях производства продукта.

Синтез акриловых дисперсий

Получение полимерных акриловых дисперсий осуществляется путем радикальной эмульсионной полимеризации акриловых мономеров в сочетании со стиролом.

Свободно-радикальная полимеризация - это цепная, экзотермическая реакция, протекающая с большой скоростью с участием инициаторов (в качестве которых могут выступать персульфат калия или аммония, гидропероксиды). Реакция протекает в воде в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) или защитных коллоидов. Можно существенным образом влиять на процесс при помощи регуляторов, изменяющих длину цепи. В качестве регуляторов могут выступать сера, меркаптаны, органические дисульфиды, которые имеют нестабильные связи типа S-H, С-Н.

Для лучшего понимания механизма процесса приведем его схему:

• распад инициатора: 1₂ ^ 21

• зарождение цепи: 1+М ^ 1М'

• рост цепи: 1М' +М ^ 1-М-М'

• реакции обрыва цепи.

а) Рекомбинация:

I-Mn-M.+ I-Mm-M. > I-M (m+n+2) - I

б) Диспропорционирование [1, с. 6]:

I-Mn-CH2-CHX. + I-Mm-CH2-CHX > I-Mn-CH=CHX + I-Mm-CH2-CH2-CHX

Стоит отметить, что влияние каждого процесса существенно. От них зависят диаметр образовавшихся частиц, распределение частиц по размерам и их молекулярная масса.

Не считая мономеров и воды в реакционной смеси находятся эмульгатор, регулятор рН и регулятор молекулярной массы.

Эмульсионная полимеризация имеет как достоинства, так и недостатки.

К достоинствам метода относят:

1) образование высокомолекулярного сополимера;

2) легкость отвода теплоты от зоны реакции через водную фазу, что решает проблему температурного контроля процесса, устраняется опасность возгорания;

3) высокое качество получаемого продукта, конечное вещество имеет низкую степень полидисперсности;

4) возможность регулирования свойств полимера.

Недостатки метода:

1) многокомпонентность системы, что может привести к загрязнению конечного продукта;

2) дороговизна, необходимо наличие дополнительных веществ.

Рассмотрим технологическую часть синтеза акриловых дисперсий и

опишем основное оборудование, применяемое для их получения.

Акриловые дисперсии широко распространены во многих областях промышленности: строительной, текстильной, автомобильной, бумажной и др. Причиной этому являются их многочисленные достоинства, которые делают их качественным и зарекомендовавшим себя видом отделочных покрытий. Перечислим основные достоинства акриловых дисперсий:

- долгое сохранение исходного цвета;

- устойчивость к ультрафиолетовому излучению (к выцветанию);

- устойчивость к повышенной влажности;

- устойчивость к перепадам температур;

- устойчивость к действию кислотной и щелочной среды;

- универсальность - могут использоваться практически на всех видах покрытий;

- быстрое высыхание;

- экологичность - малое содержание вредных компонентов, практически не раздражают дыхательные пути человека;

- отличное комбинирование (сочетание) с другими материалами;

- паропроницаемость - материал, на который нанесли ЛКМ на основе акриловых дисперсий, все еще сохраняет способность «дышать» [2, с. 6].

Сырьем для получения дисперсий служат вода и мономеры. Вода используется в качестве дисперсионной среды, при этом она должна быть предварительно очищена от солей. Основные мономеры, применяемые в синтезе дисперсий, - это акриловая кислота и ее производные: метилакрилат, этилакрилат, н-бутилакрилат, 2-этилгексилакрилат, лаук - риакрилат; метакриловая кислота и ее эфиры: метилметакрилат, н-бутил - метакрилат, изо-бутилметакрилат; стирол, акрилонитрил, винилацетат.

Ряд мономеров используется в качестве добавок к главным для улучшения качеств готового продукта. Например, акрилонитрил используется для придания пленке прочности и теплостойкости, акриламид и другие амиды повышают прочность пленок и увеличивают способность к сшиванию.

Состав ЛКМ на основе акриловых дисперсий

ЛКМ на основе акриловых дисперсий различаются по рецептуре, однако есть общие закономерности их состава. Каждый компонент влияет на те или иные свойства, ухудшая или лучшая их, то есть обладает определенной функцией.

Состав ЛКМ представлен акриловой дисперсией (или другим плен - кообразователем), пигментами, функциональными добавками (пластификаторы и коалесценты, загустители, пеногасители, смачивающие и диспергирующие агенты, биоциды, антикоррозионные добавки и т.д.), различными наполнителями и растворителями. Интересно, что акриловые дисперсии в водных ЛКМ могут играть роль не только пленкообразователей, но и диспергирующих агентов и загустителей.

Разные виды красок отличаются используемыми пленкообразователями, наполнителями, соотношением компонентов. Например, интерьерные краски содержат меньше диоксида титана (кроющий пигмент) и пленкообразователя, но больше наполнителей.

Рассмотрим отдельно каждое составляющее.

Пленкообразователи (в данном случае акриловые дисперсии) должны подчиняться ряду требований, среди которых атмосферостой - кость, устойчивость к омылению, химическая стойкость, паропроницае - мость, коллоидная стабильность, совместимость с другими компонентами, высокие деформационно-прочностные свойства и адгезия, низкое водопоглощение и пенообразование, отсутствие липкости, экологичность [1, с. 49-50].

Пигменты - это твердые микрочастицы, которые распределены в пленкообразователе или связующем. Они необходимы для улучшения оптических и декоративных свойств, регулировки изоляционных, деформационно-прочностных и противокоррозионных показателей. Самым популярным белым пигментом является диоксид титана. В настоящие время его частично заменяют органическими белыми пигментами, однако это не дает выигрыша в цене и не позволяет получать глянцевые краски. Также возможно использование 2п0, ZnS и литопона, однако их применяют редко, так как они не дают нужной белизны.

Помимо белых пигментов, используют цветные органические (азопигменты, карбазолы, перилены, фталоцианиновые пигменты, хинокри - доны) и неорганические пигменты (газовая сажа, кобальт синий, молибдат свинца и др.). Неорганические пигменты химически более стабильны и обладают лучшими показателями светостойкости, однако не дают ярких цветов.

Наполнители представляют собой неорганические соединения с коэффициентом преломления ниже, чем у пигментов. В качестве наполнителей используют природные (кальцит, каолин, слюда, тальк) и полученные осаждением в лаборатории вещества (СаС0₃, BaSO4, пирогенный SiO₂). Применение наполнителей позволяет, прежде всего, снизить стоимость ЛКМ. Они могут увеличивать атмосферостойкость, блеск, газопроницаемость, устойчивость к истиранию и загрязнению [1, с. 59-62].

Функциональные добавки применяют для придания ЛКМ специальных свойств:

1) пластификаторы и коалесценты (пленкообразующие добавки) используют для увеличения прочности и снижения минимальной температуры пленкообразования (МТП). При добавлении коалесцентов краски могут терять коллоидную стабильность. Вводить их надо медленно, чтобы не произошла полная коагуляция [1, с. 28].

Гидрофобные коалесценты размягчают и пластифицируют полимеры благодаря хорошему совмещению с ними. Гидрофильные растворители не пластифицируют, но снижают скорость пленкообразования за счет испарения воды, а также увеличивают морозостойкость, снижая температуру замерзания;

2) загустители повышают вязкость. Органические загустители снижают водостойкость покрытий, а неорганические загущают в зависимости от заряда поверхности и изменении pH;

3) пеногасители - это жидкости, которые позволяют выходить пузырькам воздуха из краски, так как разрушают поверхностную пленку или стабилизируют двойной слой;

4) смачивающие и диспергирующие агенты за счет увеличения смачиваемости оптимизируют процесс диспергирования пигментов и наполнителей, а также стабилизируют частицы [1, с. 63-70];

5) биоциды (консерванты) являются биологической добавкой, необходимой для защиты краски от ее порчи бактериями при хранении и от появления на покрытии водорослей или грибка;

6) антикоррозионные добавки - используются для придания ЛКМ защитных свойств по отношению к атмосферной коррозии металлов.

Анализ содержания компонентов в промышленных ЛКМ

Проведен анализ 3 патентов, описывающих состав ЛКМ на основе акриловых дисперсий, результаты которого представлены на рис. 1 -3.

Основным компонентом универсальной ЛКС (рис. 1) является акриловая дисперсия марок «Finndisp» или «Mowilit». В состав также входят различного рода наполнители - диоксид кремния, фторопласт, железная слюда, оксигидроксид алюминия. В качестве функциональных добавок, придающих антикоррозионные свойства, применяются нитрит или бензоат натрия, фосфат калия, 2,2', 2'' - нитрилоэтанол. Дополнительные антикоррозионные свойства придает оксиаминофосфатный комплекс кальция и магния, применяемый в качестве антикоррозионного пигмента.

Водно-дисперсионная лакокрасочная композиция (рис. 2) в качестве основных компонентов содержит акриловую дисперсию, пигменты - наполнители и нитрит натрия, который и придает ей антикоррозионные свойства.

Рис. 1. Состав универсальной толстослойной антикоррозионной лакокрасочной системы (Патент RU 2460748)¹

Водно-дисперсионная лакокрасочная композиция, предлагаемая авторами патента RU 2456318 (рис. 3), представляет собой продукт из аналогичного сегмента рынка, однако содержит больший набор компонентов, обеспечивающих лучшие эксплуатационные характеристики (пластификаторы, диспергаторы, биоциды). При этом основными функциональными добавками также являются ингибиторы коррозии мгновенного (нитрит натрия) и пролонгированного (фосфат цинка) действия. Патент № 2460748 Российская Федерация, МПК C09D5/02 (2006.01), B82B1/00 (2006.01). Универсальная толстослойная антикоррозионная лакокра-сочная система: № 2010130969/05 заявл. 26.07.2010: опубл. 10.09.2012 / Миро-нова Г.А., Кузнецов С.В., Большакова О.Л., Ильдарханова Ф.И., Богослов-ский К.Г., Коптева В.В.: заявитель ОАО НПО «Лакокраспокрытие».

Патент № 2651170 Российская Федерация, МПК C09D5/08 (2006.1), C09D5/02 (2006.1), C09D133/00 (2006.01). Водно-дисперсионный лакокрасоч-ный состав: № 2017104773 заявл. 14.02.2017: опубл. 18.04.2018 / Проценко А.Е., Петров В.В., Ри Д.Х., Ан Д.Х.: заявитель ООО Инженерно-технологический центр «Синтез Плюс».

Патент № 2456318 Российская Федерация, МПК C09D5/02 (2006.01), C09D5/14 (2006.01). Водно-дисперсионная лакокрасочная композиция:

№ 2008130182/05 заявл. 21.07.2008: опубл. 20.07.2012 / Гвоздева О.Ф.: заяви-тель Гвоздева О.Ф.

Рис. 2. Состав водно-дисперсионной защитной лакокрасочной композиции (Патент RU 2651170)²

Заключение

Акриловые дисперсии обладают широким спектром достоинств, благодаря чему их используют во многих отраслях промышленности, в частности в производстве ЛКМ.

Синтез акриловых дисперсий осуществляется методом радикальной эмульсионной полимеризации. Технологический процесс синтеза состоит из нескольких этапов: подготовка начальных компонентов, диспергирование, ввод добавок, фильтрация, упаковка и транспортировка готовой продукции.

дисперсия акриловый лакокрасочный

Рис. 3. Состав водно-дисперсионной лакокрасочной композиции (Патент RU 2456318)³

Для приготовления ЛКМ на основе акриловой дисперсии и для придания им определенных свойств используют следующие компоненты: пигменты, функциональные добавки (пластификаторы и коалесценты, загустители, пеногасители, смачивающие и диспергирующие агенты, биоциды, антикоррозионные добавки и т.д.), различные наполнители и растворители.

Содержание компонентов в готовом продукте варьируется для достижения наилучшего качества при максимально низкой стоимости.

Список литературы

1. Казакова Е.Е., Скороходова О.Н. Водно-дисперсионные акриловые лакокрасочные материалы строительного назначения. М., 2003. 136 с.

2. Евдокимов С.А., Чижова Л.А. Технология изготовления стирол-акриловой дисперсии // Студенческий научный форум: материалы 11 Междунар. студенческой науч. конф. Владимир: ВлГУ, 2019. С. 5-9.

Размещено на Allbest.ru