Исследование свойств стирол-акриловой дисперсии

«УТВЕРЖДАЮ»
Генеральный директор
ООО «Эвима-М»
___________ О.Н.Скороходова
5 апреля 2007 г.
АННОТАЦИОННЫЙ ОТЧЕТ
по теме «Исследование свойств стирол-акриловой дисперсии Aкрилан-101
и разработка рекомендаций по ее применению в составе лакокрасочных
материалов»
Целью настоящей работы являлось исследование пленкообразования дисперсии
Aкрилан 101, комплексное изучение свойств свободных пленок и покрытий на ее основе,
в сравнении с показателями дисперсий Acronal 290 D и Finndisp A10, а также разработка
базовых рецептур красок для внутренней и наружной отделки и их определение свойств.
В соответствии с календарным планом на первом этапе работы были выбраны
оптимальные количества коалесцентов, обеспечивающие формирование качественных
полимерных пленок на основе дисперсии Aкрилан-101.
Лакокрасочные материалы, в частности, предназначенные для наружной отделки,
должны использоваться при достаточно низких температурах (5 – 100 С), в то время как
большинство стирол-акриловых дисперсий характеризуются минимальной температурой
пленкообразования (МТП) 18-20 0С. Снизить значение МТП и обеспечить
пленкообразование водно-дисперсионных сополимеров при температурах ниже
температуры стеклования можно при использовании вспомогательных веществ –
коалесцентов. Для получения полимерных пленок и покрытий на основе дисперсии
Акрилан-101 при температурах ниже Тg в качестве вспомогательных пленкообразователей
были исследованы следующие продукты:
-
бутилдигликольацетат (БДГА);
-
бутилдигликоль (БДГ),
-
Тексанол (2,2,4-триметил-1,3-пентандиолмоноизобутират),
-
Chemsol IBE P (смесь диизобутиловых эфиров адипиновой, глутаровой и янтарной
кислот);
-
Chemsol ME P(смесь диметиловых эфиров адипиновой, глутаровой и янтарной
кислот);
-
Dowanol DPnB (монобутиловый эфир дипропиленгликоля);
-
дибутилфталат;
-
уайт-спирит.
Эффективность воздействия коалесцентов (способность к сольватации) оценивали по
зависимости МТП композиций от количества коалесцента, а также по изменению
относительной твердости покрытий на основе композиций, содержащих оптимальное
количество коалесцента. Зависимости МТП, 0С от количества коалесцента (%, на 100 %
дисперсии) представлены на рис.1.
2
Количество коалесцента, %
4.5
Бутилдигликоль
ацетат
4
Тексанол
3.5
3
Chemsol IBE P
2.5
Dowanol DPnB
2
Бутилдигликоль
1.5
Уайт-спирит
1
Chemsol ME P
0.5
Дибутилфталат
0
0
5
10
15
20
Температура,*С
Рис. 1. Зависимость МТП композиций на основе дисперсии Акрилан-101
и различных коалесцентов от их содержания.
Для дальнейшей работы были выбраны количества коалесцентов, обеспечивающие
получение ровных сплошных полимерных пленок при температуре около 5 0С.
Оптимальные количества исследуемых коалесцентов, приведены ниже:
Продукт
% от массы дисперсии Акрилан-101
Бутилдигликольацетат
1,7
Тексанол
2,5
Chemsol IBE P
1,9
Chemsol ME P
1,6
Dowanol DPnB
2,0
Бутилдигликоль
3,2
Уайт-спирит
2,6
Дибутилфталат
2,7
Различная эффективность коалесцентов также подтверждается при изучении
твердости покрытий. В табл.1 и на рис.2 приведены данные об изменении в течение 20
суток твердости покрытий (по маятниковому прибору М-3) на основе дисперсии Акрилан101 с различными коалесцентами.
3
Таблица 1
Относительная твердость покрытий на основе Акрилан-101
и оптимального количества различных коалесцентов
Коалесцент
Chemsol ME P
БДГА
Chemsol IBE P
Бутилдигликоль
Dowanol DPnB
Уайт-спирит
Тексанол
Дибутилфталат
Акрилан-101 без
коалесцента
Acronal 290 D
Относительная твердость покрытий, ул.ед. через, сут.
1
3
7
9
14
20
0,30
0,40
0,46
0,49
0,50
0,50
0,25
0,29
0,31
0,34
0,41
0,44
0,22
0,23
0,34
0,36
0,37
0,40
0,22
0,28
0,30
0,32
0,42
0,43
0,25
0,28
0,29
0,31
0,38
0,39
0,23
0,26
0,31
0,33
0,34
0,38
0,20
0,28
0,28
0,29
0,30
0,31
0,22
0,23
0,25
0,24
0,25
0,24
0,47
0,50
0,52
0,52
0,52
0,52
0,50
0,52
0,54
0,54
0,54
0,54
Рис.2. Изменение твердости покрытий на основе композиций,
содержащих различные коалесценты.
4
Для сравнения в табл.1 и на рис. 2 приведена твердость покрытий на основе
дисперсий Акрилан-101 и Acronal 290D, полученных в отсутствии коалесцентов при
отверждении при температуре 60°C в течение 40 мин.
Из приведенных данных следует, что введение продукта Chemsol ME P в
композицию способствует быстрому нарастанию твердости и получению покрытий с
твердостью, близкой по значению к твердости пленок, не содержащих коалесцента. Менее
эффективен продукт Chemsol IBE P.
Применение БДГА также достаточно эффективно для дисперсии Акрилан-101: нарастание
твердости покрытий происходит несколько медленнее, но окончательное значение не
существенно ниже твердости покрытий без коалесцента.
Бутилдигликоль (БДГ) по эффективности действия близок к БДГА; он растворяется в воде
и легко вводится в композицию, способствует достаточно быстрому пленкообразованию и
нарастанию твердости покрытия до 0,43.
Тексанол, Dowanol DPnB и уайт-спирит менее эффективно влияют на пленкообразование
дисперсии Акрилан-101: твердость образующихся покрытий не превышает 0,4 через 20
суток отверждения при комнатной температуре. Следует отметить, что уайт-спирит
придает композиции характерный запах и образует мутные покрытия. Однако дешевизна
и доступность этого продукта не исключают возможность его применение в ряде рецептур
материалов неответственного назначения.
Дибутилфталат мало эффективен для пленкообразования и, скорее всего, может
выполнять в композиции роль пластификатора.
По данным, приведенным на рис.1 и 2 можно выбрать коалесцент для конкретной
рецептуры ЛКМ, принимая во внимание ряд факторов:
-
обеспечение нужной МТП композиции с учетом температуры применения материала;
-
получение покрытия с определенными свойствами;
-
стоимость сырьевых компонентов с учетом их цены и необходимого количества;
-
доступность применяемого продукта.
Лакокрасочные покрытия должны обладать комплексом хороших физико-
механических и защитных свойств. Поэтому для разработки оптимальных рецептур
лакокрасочных материалов важно исследовать деформационно-прочностные свойства
свободных пленок, такие как относительное удлинение, прочность при разрыве, модуль
эластичности (модуль Юнга), а также их водо-, влагопоглощение и паропроницаемоть
свободных полимерных пленок, обусловливающие защитные свойства будущих
покрытий.
5
Водопоглощение полимерных пленок на основе дисперсий Акрилан 101, Acronal 290 D
и Finndisp A10 определяли при погружении свободных пленок в воду, а влагопоглощение
− в эксикаторе при относительной влажности (95±2) %. Определение влагопоглощения
свободных пленок толщиной (100±10) мкм проводили по следующей методике1.
На дно эксикатора помещали Na2SO4 · 10 H2O (избыток не растворившейся соли 20-25 %);
при этом в замкнутом пространстве эксикатора поддерживали относительную влажность
воздуха (95±2) %.
В предварительно взвешенный на аналитических весах бюкс помещали 0,5 – 0,8 г пленки,
бюкс устанавливали в эксикатор, который закрывали крышкой. Испытание проводили 24
часа при температуре (20±2) °C. Затем бюкс вынимали из эксикатора, закрывали крышкой
и взвешивали на аналитических весах.
Влагопоглощение a (%) рассчитывали по формуле:
a = (m2 – m1)/(m1 – m0) · 100,
где m2 – масса бюкса с пленкой после выдержки в парах воды; m1 – масса бюкса с пленкой
до испытания; m0 – масса пустого бюкса.
За величину влагопоглощения принимали средний результат трех измерений, каждый из
которых отличался от среднего арифметического значения не более чем на 10 %.
Испытывали полимерные пленки, содержащие оптимальные количества различных
коалесцентов, отвержденные в течение 7 суток при комнатной температуре, а также
пленки, полученные из композиций без коалесцентов, отвержденные при температуре
400С в течение 1 ч и выдержанные в течение 7 суток при комнатной температуре.
Паропроницаемость свободных пленок толщиной 100 мкм, отвержденных в
аналогичных условиях, оценивали методом2, основанным на определении количества
водяных паров, прошедших в сутки через 1 см2 поверхности свободной пленки с определенной толщиной при температуре (20±2) 0С. Испытываемую свободную пленку,
помещенную в специальное устройство, выдерживали в течение 24 ч в эксикаторе, в
котором постоянно поддерживали влажность воздуха (95±2) % и температуру (20±2) 0С.
Паропроницаемость свободных пленок определяли как среднеарифметическое значение
из трех параллельных определений коэффициента диффузной проницаемости. Расчет
паропроницаемости проводили по формулам:
Pi 
Qx
;
S t
P
 Pi
n3
3
М.И. Карякина «Лабораторный практикум по испытанию лакокрасочных материалов и
покрытий». М.: Химия. 1977. С. 158-159.
2
Там же. С. 152-154.
1
6
где Pi – коэффициент диффузной проницаемости;
Q – общее количество паров воды, прошедшее через пленку, соответствующее
суммарному увеличению массы цеолита за время испытания;
х – толщина пленки;
S – эффективная площадь пленки;
t – продолжительность испытания;
P – паропроницаемость.
Деформационно-прочностные свойства свободных пленок определяли на приборе типа
Поляни. Исследовали свободные пленки, полученные на основе дисперсий Акрилан 101,
Acronal 290 D и Finndisp A10, не содержащие коалесцентов и отвержденные при
температуре 40 0С в течение 1 ч, затем выдержанные в течение 7 суток при комнатной
температуре, а также пленки на основе дисперсии Акрилан 101, содержащие оптимальные
количества наиболее эффективных коалесцентов − Chemsol ME P и
бутилдигликольацетата.
Полученные данные приведены в табл. 2, а также на рис. 3 и 4.
Таблица 2
Свойства свободных пленок на основе исследуемых дисперсий
Дисперсия
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Aкрилан 101
Acronal 290 D
Finndisp A10
Коалесцент,
% от массы
дисперсии
Бутилдигликольацетат
− 1,7
Chemsol
ME P − 1,6
Chemsol
IBE P − 1,6
Дованол
DPnB − 2,0
Тексанол −
2,5
Дибутилфталат − 2,7
Уайт-спирит
− 2,6
Бутилгликоль − 3,2
−
−
−
Водопоглощение,
% по массе, через
1ч
24 ч 48 ч
Влагопогло
щение через 24 ч,
% масс.
Паропро- Прочность
ницаепри разрымость
ве, МПа
г/см∙ч
Относитель
ное удлинение, %
7,4
19,4
25,5
8,5
−
6,8
400
8,0
19,3
26,7
8,9
−
12,1
390
8,0
21,2
29,1
8,7
−
−
−
6,9
22,3
30,2
9,1
−
−
−
6,2
23,4
32,1
8,5
−
−
−
6,7
21,8
30,1
7,8
−
−
−
5,9
20,4
27,8
7,5
−
−
−
8,0
22,5
32,0
9,7
−
−
−
7,3
6,0
5,4
14,0
15,0
14,3
18,6
20,6
18,5
7,4
6,3
6,8
1,7×10-6
2,0×10-6
1,8×10-6
14,6
12,8
11,8
1050
520
470
7
Рис.3 Влагопоглощение исследуемых свободных пленок через 24 ч
Рис.4. Водопоглощение исследуемых свободных пленок
8
Из приведенных данных следует, что дисперсия Акрилан 101 образует пленки с
хорошими физико-механическими и защитными свойствами. По комплексу
деформационно-прочностных свойств она превосходит дисперсии Acronal 290 D и
Finndisp A10, так как образует более прочные и эластичные пленки. Результаты физикомеханических испытаний показали, что при использовании в качестве коалесцента
продукта Chemsol ME P удается получить полимерные пленки со свойствами наиболее
близкими к свойствам некоалесцированных пленок.
Водопоглощение свободных пленок на основе дисперсии Акрилан 101 через 24 и 48
часов выдержки в воде даже несколько ниже, чем для пленок, сформированных из
дисперсии Acronal 290 D (рис. 4).
Паропроницаемость свободных пленок на основе дисперсии Акрилан 101 также
близка к соответствующему показателю дисперсий Acronal 290 D и Finndisp A10.
Полученные результаты дают основание полагать, что на основе исследуемой дисперсии
можно изготавливать высококачественные интерьерные и фасадные краски.
На основании экспериментальных данных, полученных при исследовании полимерных
пленок, нами разработаны базовые рецептуры двух водно-дисперсионных красок на
основе дисперсии Aкрилан 101: интерьерной и фасадной. В состав лакокрасочных
материалов входят сырьевые компоненты, широко представленные в настоящее время на
российском рынке. Рецептуры разработанных красок приведены в табл. 3. Компоненты
указаны в порядке, соответствующем последовательности их загрузки при изготовлении
материалов.
Для проведения испытаний были изготовлены укрупненные лабораторные образцы
разработанных лакокрасочных материалов и определены их свойства по показателям
ГОСТ 28196-89 и ГОСТ Р 52020-2003. Полученные данные приведены в табл. 4. Из
результатов испытаний разработанных красок следует, что они полностью соответствуют
требованиям российских стандартов. Технология их изготовления не вызывает
затруднений и предусматривает применение стандартных диспергирующих устройств:
бисерных мельниц любого типа, диссольверов или другого оборудования, позволяющего
достигать требуемой степени перетира.
9
Таблица 3
Рецептуры интерьерной и фасадной красок
Компонент
Вода
Tylose MH 30000 YP2
Триполифосфат натрия
ОП-10
Metolat 514
Agitan 315
Hyderol D-15
Диоксид титана
Kronos 2190
или Crimea CR-02
Диоксид титана
Kronos 2310
Omyacarb 15 UR
Omyacarb 2 XKA
Тальк Талькон ММ-10
Этиленгликоль
Акрилан 101
Аммиак (25 %-ный)
Chemsol ME P
БДГА
Итого
Назначение в
рецептуре
загуститель
диспергатор
смачиватель
диспергатор
пеногаситель
консервант
пигмент
Количество, % по массе, для красок
интерьерной
фасадной
35,5
23,2
0,3
0,3
0,3
0,2
0,1
0,1
−
0,3
0,2
0,2
0,2
0,2
7,2
−
−
15,2
31,3
−
1,0
9,1
16,8
18,0
33,2
6,6
1,0
17,8
0,2
0,4
−
100,0
0,2
−
1,0
100,0
пигмент
наполнитель
наполнитель
наполнитель
антифриз
пленкообразователь
нейтрализующий
агент
коалесцент
коалесцент
10
Таблица 4
Свойства разработанных лакокрасочных материалов
Наименование
показателя
1. Внешний вид
покрытия
2. Массовая доля нелетучих веществ, %,
3. рН
4. Время высыхания
до степени 3 при температуре (20,0±0,5) °C
5. Степень перетира,
мкм
6. Смываемость
пленки, г/м2
7. Стойкость к статическому воздействию
воды при температуре
(20,0±0,5) °C, ч
8. Укрывистость высушенной пленки, г/м2
9. Паропроницаемость
свободной пленки,
∙10-6, г/cм∙ч∙
10. Водопоглощение
свободных пленок при
погружении через 24
ч, %
11. Белизна покрытия
Норма по ГОСТ
Р52020-2003
28196–89
После высыхания краска
должна образовывать однородную, без кратеров, пор
и морщин поверхность
не менее
50
52 – 57
6,5 – 9,5
8,0 – 9,0
не более 1 ч
не более
70
не более
3,5
не более
60
не более
2,0
не менее
12
не менее
24
не нормируется
не более 100
не нормируется
Метод
испытания
по 9.3 ГОСТ
Р52020-2003
по ГОСТ
17537,
разд. 1
по 9.4 ГОСТ
Р52020-2003
по ГОСТ
19007
Интерьерная
Фасадная
соответствует
59,3
66,2
8,4
8,5
40 мин
40 мин
60
35
1,5
0,4
24
более
120
95
90
32
18
___»___
11
1,5
по прибору
ФБ-2
98
98
по ГОСТ
6589
по 9.5 ГОСТ
Р52020-2003
по ГОСТ
9.403, метод
А и п.9.6.
ГОСТ
Р52020-2003
по ГОСТ
8784,
разд.1.2
по описанной методике
не нормируется
не нормируется
11