Диспергирование (перетир) пигментов и наполнителей в пленкообразователе является основной стадией технологического процесса получения грунтовок, шпатлевок, красок и эмалей. В основе диспергирования лежат коллоидно-химические процессы взаимодействия пигментов с пленкообразующими веществами – ПАВ и другими компонентами, входящими в лакокрасочную систему. Оптимальный состав компонентов для диспергирования отличается от состава готового лакокрасочного материала, и в первую очередь повышенным содержанием пигмента. При диспергировании происходит не измельчение частиц пигментов, а их дезагрегация до первичных частиц (или агрегатов сравнительно малых размеров) и распределение пигментных частиц в пленкообразователе, облегчающее взаимодействие между твердой и жидкой фазой. В результате этого взаимодействия происходит адсорбция различных компонентов из жидкой фазы на поверхности пигментов и их смачивание. На поверхности раздела фаз пигмент – связующее, концентрируются реакционноспособные группы пленкообразователя, с образованием связей между твердой поверхностью пигмента и основной массой структурированного раствора пленкообразователя. В том случае, когда число активных молекул в составе пленкообразователя недостаточно для создания оболочки на поверхности пигмента, нарушается адсорбционное и соответственно дисперсионное равновесие, в результате чего происходит слипание пигментных частиц с образованием упругих агрегатов (коагулирование) или рыхлых суспензий (флокуляция).

Процесс диспергирования в растворах пленкообразующих веществ и ПАВ включает три стадии, совмещающиеся во времени:

смачивание частиц и агрегатов пигментов раствором пленкообразователя и вытеснение с твердой поверхности адсорбированных газов;

пептизация (частичное разрушение) крупных агрегатов и флокул пигмента до первичных частиц или агрегатов малых размеров; стабилизация полученных дисперсий, т. е. придание им агрегативной и кинетической устойчивости. При введении ПАВ в лакокрасочную систему значительно улучшается смачиваемость пигмента пленкообразователем, облегчается пептизация, повышается стабильность системы;

продолжительность диспергирования при этом сокращается в 2 – 4 раза. Тенденция получения лакокрасочных систем с высокой дисперсностью не всегда технически и экономически оправдана.

Скорость диспергирования и степень дисперсности лакокрасочного материала в значительной мере определяются реологическими свойствами растворов пленкообразующих веществ и других компонентов суспензии.

С превышением концентрации пленкообразователя некоторой критической величины (Ск), когда вязкость раствора начинает резко возрастать, смачивающая и пептизирующая способности, а также диспергируемость пигментов ухудшаются. При концентрации ниже Ск в маловязких низкоконцентрированных растворах возможно взаимодействие между частицами пигментов, что может привести к вторичному агрегированию пигмента. В этом случае суспензия неустойчива – наблюдается расслаивание и флокуляция. При концентрации, равной Ск, лакокрасочная система устойчива при длительном хранении.

На примере перхлорвиниловой эмали на основе раствора смолы ПСХ-С в толуоле, пигментированной TiО2 рутильной модификации, показана зависимость вязкости эмали с различной концентрацией пленкообразователя от содержания ТiО2 (рис. 1). При изменении содержания ТiО2 в растворах ПСХ-С различной концентрации вначале ŋэфф изменяется незначительно, а затем при определенной концентрации пигмента отмечается резкий рост ŋэфф. Величина критического заполнения суспензии пигментом зависит от концентрации пленкообразователя (рис. 2) – резко увеличивается с ростом последнего, а, достигнув максимального значения, постепенно снижается. Для данной системы максимальная степень наполнения достигается при объемной концентрации пигмента (ОКП), равной 5-7%. Введением в систему ПАВ можно варьировать значение вязкости. При оптимальном содержании ПАВ достигается максимальное повышение вязкости. В этом случае эмаль характеризуется наилучшей дисперсностью и высокой стабильностью при хранении.

Рис. 1. Зависимость вязкости суспензий ПСХ-С ŋэфф от концентрации ТiО2: 1-4 – соответственно 5; 7,5; 10 и 15%-ные растворы ПСХ-С в толуоле

Рис. 2. Зависимость содержания (1) и степени дисперсности диоксида титана (2) от концентрации ПСХ-С в толуоле С

Свойства лакокрасочных покрытий, связанные со структурными особенностями системы (внешний вид покрытия, физико-механические характеристики, противокоррозионные свойства), зависят не только от структуры и свойств пленкообразующих веществ и пигментов, но и от их соотношения в системе. Это соотношение обычно выражают через объемную концентрацию пигмента (ОКП), которая рассчитывается по формуле:

где Р_п и Р_с – масса соответственно пигмента и связующего; ρ_п и ρ_с – плотность соответственно пигмента и связующего; К – константа (сухой остаток пленкообразующего)

При определенных значениях ОКП свойства пленок резко изменяются – как правило, ухудшаются. Такое значение ОКП называют критической объемной концентрацией пигмента – КОКП. Последняя, определяется способностью компонентов системы смачивать пигменты и наполнители и равномерно распределять их частицы в пленке. Величину КОКП оценивают косвенными методами: по экспериментальным данным физико-механических показателей покрытий или пленок и по их водо- и газопроницаемости.

Рис. 3. Зависимость физико-механических показателей пигментированных пленок от объемной концентрации пигментов С: 1 – прочность при разрыве Ϭ; 2 — паропроницаемость П; 3 – относительное удлинение пленки при разрыве

Правильный выбор пигментной части составляющей и ОКП лакокрасочного материала обусловливает получение покрытий, стойких к старению в различных условиях эксплуатации. В случае применения пористых наполнителей (например, матирующих добавок), в поры проникает значительное количество пленкообразующих веществ, что приводит к повышению ОКП. Поэтому в таких случаях при расчете ОКП необходимо учитывать суммарный объем пор.

Литература:

М.И.Карякина. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий //Москва, 1988

П.И. Ермилов. Диспергирование пигментов //Москва, 1971

Е.Ф. Беленький, И.В. Рискин. Химия и технология пигментов //Ленинград, 1974