Кремнийорганические эмали и краски

Процесс диспергирования пигментов заключается не только в его измельчении, но и в дезагрегации, смачивании частиц пигментов и равномерном их распределении в пленкообразователе.

Главную роль в диспергировании играет адсорбция пленкообразователя на поверхности диспергируемого вещества. Поскольку пленкообразователь в большинстве случаев представлен в лакокрасочных материалах в виде растворов, то процесс адсорбции осуществляется за счет взаимодействия поверхности частиц пигмента с компонентами раствора — полимером (олигомером) и растворителем. Взаимодействие и прочность связи определяются различием энергий взаимодействия поверхность пигмента — полимер, поверхность пигмента — растворитель и полимер — растворитель.

При диспергировании стремятся к максимальной адсорбции пленкообразователя на поверхности пигмента. В идеальном случае энергия адсорбции полимера должна быть выше энергий взаимодействия пигмент — растворитель и полимер — растворитель. Однако из-за больших размеров молекулы полимеров медленнее, адсорбируются на поверхности, чем растворитель.

На первой стадии диспергирования раствор полимера должен смочить поверхность пигмента. При смачивании пигментов и наполнителей происходит вытеснение с их поверхности одних веществ другими. Например, вода и газы, адсорбированные поверхностью пигмента, могут быть вытеснены органическими растворителями. Смачивание сопровождается тепловым эффектом.

Чем лучше растворитель смачивает поверхность, тем выше теплота смачивания; к тому же чем выше дипольный момент растворителя, тем выше теплота смачивания. Наличие прямой пропорциональности между этими величинами объясняется действием электростатических сил на поверхности пигментов.

Смачивание и адсорбция определяются характером поверхности пигмента, наличием активных центров и функциональных групп. При адсорбции растворителей и полимеров наибольшую роль играют полярное взаимодействие и образование водородных связей. Поверхность пигментов в зависимости от их природы, технологии получения и обработки характеризуется определенной степенью гидрофильности или гидрофобности. Гидрофильность поверхности пигментов связана с наличием гидроксильных групп.

К гидрофильным относятся пигменты и наполнители на основе карбонатов, сульфатов, основных солей металлов, силикаты и оксиды. Такие пигменты хорошо смачиваются водой и полярными растворителями. Гидрофобных пигментов значительно меньше, к ним относятся технический углерод, графит, сульфиды металлов, тальк и неполярные органические пигменты.

Гидрофобные пигменты хорошо смачиваются малополярными растворителями — алифатическими, ароматическими и некоторыми хлорсодержащими углеводородами.

Поверхность пигментов и взаимодействие ее с растворителями и пленкообразователем можно охарактеризовать на основании концепции трехмерного параметра растворимости. Для определения параметров растворимости 0,1 г пигмента взбалтывали в пробирке с 5 мл растворителя.

ТАБЛИЦА 24. Параметры растворимости, характеризующие поверхность некоторых неорганических и органических пигментов

Если после длительного отстаивания пигмент находился во взвешенном состоянии, считали, что он хорошо взаимодействует с растворителем. Результаты таких определений параметров растворимости пигментов S и радиусов сферы «растворимости» R0 с использованием 53 растворителей приведены в табл. 24.

В идеальном случае поверхность пигмента должна преимущественно адсорбировать пленкообразователь, а не растворитель, т. е. взаимодействие пигмент — полимер должно превышать взаимодействие пигмент — растворитель и полимер — растворитель, а параметры растворимости пигмента должны быть близки к параметру растворимости полимера.

Другими словами, центр сферы растворимости полимера должен быть расположен между точкой с координатами параметров растворимости растворителя и центром сферы «растворимости» пигмента.

Как известно, лучше всего адсорбируются на поверхности ПАВ. Некоторые пленкообразователи обладают поверхностно-активными свойствами благодаря их дифильности, причем поверхностная активность пленкообразователей проявляется тем больше, чем в менее полярном растворителе они растворены. Технические малополярные углеводородные растворители нефтяного происхождения или полученные при переработке каменного угля (уайт-спирит, сольвент, нефрас и т. д.) содержат примеси ПАВ — нафтеновые кислоты, их соли, а также продукты сульфидирования, образующиеся при обработке растворителей.

Растворители, в зависимости от их природы и количества, могут вызывать такое нежелательное явление, встречающееся при диспергировании, как пигментный шок. Он заключается в следующем. Если после диспергирования тощую пигментную пасту смешать с концентрированным раствором пленкообразователя, то часть растворителя, имеющегося в пигментной пасте, тотчас поглощается пленкообразователей, в результате чего плотность пасты увеличивается и она начинает оседать. Происходит частичная десорбция пленкообразователя с поверхности пигмента и флокуляция последнего. Это происходит в результате того, что растворитель имеет большее сродство к пленкообразователю, чем к поверхности пигмента.

ТАБЛИЦА 25. Растворимость органических красителей

Чтобы предотвратить пигментный шок, следовало бы проводить диспергирование пигмента в растворителе, имеющем малое термодинамическое сродство к пленкообразователю, однако, при этом возможно увеличение взаимодействия полимер — полимер и ухудшение адсорбции пленкообразователя на пигменте при диспергировании. Варьированием состава растворителя и, следовательно, его сродства к пленкообразователю можно регулировать адсорбционное равновесие на поверхности пигмента и предотвращать пигментный шок.

При изготовлении прозрачных лаков используют органические красители. В этом случае очень важна растворимость того или иного красителя в лаке, которая определяется в основном растворимостью красителя в используемом для лака растворителе. Красители разделяются на водорастворимые, спирторастворимые и жирорастворимые. Водорастворимые красители, как правило, для лакокрасочных материалов не используются. Спирторастворимые красители растворяются в сильнополярных растворителях: спиртах, кетонах и некоторых сложных эфирах.

Жирорастворимые красители растворяются в малополярных органических веществах: алифатических и ароматических углеводородах. Однако поскольку красители используют для лаков на основе сравнительно полярных, пленкообразователей, чаще всего нитратов целлюлозы, нерастворимых в малополярных растворителях, для приготовления лаков с жирорастворимыми красителями используют смесевые растворители (полярные + неполярные).

Дисперсные красители не образуют истинных растворов, а образуют коллоидные дисперсии, однако так же, как и в случае пигментов, для оптимального диспергирования требуются определенный состав и количество растворителя. В табл. 25 представлены данные по растворимости некоторых наиболее распространенных красителей в органических растворителях,