Растворители для водоразбавляемых лакокрасочных материалов
Органические растворители в водоразбавляемых лакокрасочных материалах, применение которых в последнее время резко возросло, играют особую роль, несколько отличную от их роли в органорастворимых лакокрасочных материалах.
Обычно выпускные формы водоразбавляемых лакокрасочных материалов не содержат воды, она добавляется перед нанесением лакокрасочных материалов. Применение растворителей вместе с водой в водоразбавляемых лакокрасочных материалах, связано с рядом их аномальных свойств, имеющих коллоидно-химическую природу.
Пленкообразователи для водоразбавляемых лакокрасочных материалов представляют собой олигомеры или полимеры, содержащие полярные группы и обладающие определенной гидрофильностью, однако ограниченно совместимые с водой; вода для них является плохим растворителем, или разбавителем. По принятой в технической литературе терминологии органические растворители для водоразбавляемых систем называются сорастворителями.
Для водоразбавляемых лакокрасочных материалов характерны некоторые свойства, отличающие их от других материалов. Проявление этих свойств зависит от химической природы полимера, его молекулярной массы, количества и вида полярных групп, разветвленности целей и характера используемых компонентов. Аномальное поведение водоразбавляемых лакокрасочных материалов наиболее наглядно проявляется в изменении вязкости системы при разбавлении ее водой. До начала фазового расслоения добавления воды к системе закономерно снижает вязкость.
Выделение мелкодисперсной фазы при определенном ее содержании приводит к возникновению структуры геля и повышению вязкости. Это явление, накладываясь на снижение вязкости при разбавлении водой, выражается в наличии плато на кривой зависимости вязкости от содержания воды (рис. 28, кривые 1 и 2). Повышение содержания сорастворителя в исходном олигомере сдвигает фазовый переход в область большего содержания воды (кривые 2 и 3) и сглаживает аномальный характер зависимости вязкости (кривая 3).
Специфика водоразбавляемых лакокрасочных материалов предъявляет ряд особых требований к используемым в них растворителям.
Очевидным требованием к сорастворителю является его совместимость с водой, хотя органическая растворимость в воде не исключает возможности его использования. Чаще всего в качестве сорастворителей используют моноалкиловые эфиры этиленгликоля: метил-, этил- и бутилцеллозольвы, причем водоразбавляемость в этом ряду растет с увеличением длины алкильного радикала. 
Рис. 28. Влияние разбавления водой на вязкость маленннзированного масла при различном содержании бутилового спирта.
Та же зависимость наблюдается в ряду спиртов от метилового до бутилового. Однако вследствие высокой летучести метиловый и этиловый спирты не используются. Из спиртов наиболее часто применяют изобутиловый спирт; перспективен ввиду доступности и относительной дешевизны изопропиловый спирт.
При использовании амилового спирта наблюдается резкое падение водоразбав-ляемости. Сорастворителями могут служить также гидрофильные кетоны: диацетоновый спирт, значительно реже ацетон и метилэтилкетон.
Другим специфическим свойством водоразбавляемых систем является их высокое поверхностное натяжение, обусловленное наличием воды, которое может быть причиной ряда дефектов лакокрасочных материалов и покрытий: вспенивания, плохого смачивания поверхности, образования кратеров и т. д. При выборе сорастворителей это необходимо учитывать.
Для уменьшения поверхностного натяжения рекомендуются добавки низкомолекулярных спиртов. Поскольку водоразбавляемые пленкообразователи ограниченно совместимы с водой, выбирая сорастворитель, следует предусмотреть необходимость обогащения лакокрасочного материала сорастворителей в процессе пленкообразования, т. е. органический растворитель должен быть низколетучим или, если это смесевый растворитель, содержать низколетучий компонент.
Присутствие органического растворителя в водоразбавляемых составах не влияет на скорость испарения воды. Однако некоторые спирты могут повышать скорость испарения воды на ранних стадиях пленкообразования. При определенных значениях температуры и влажности моноэфиры этиленгликоля также ускоряют испарение воды из водоразбавляемых систем.
Предсказание скоростей испарения и баланса растворителей в водоразбавляемых системах затруднительно по ряду причин:
1) наличие воды и большая ассоциация за счет водородных связей дает большие отклонения от идеальности;
2) наличие поверхностно-активных веществ (ПАВ) оказывает влияние на процесс удаления воды и растворителей; это осложняет интерпретацию экспериментальных данных; 3) на определенных этапах пленкообразования система становится двухфазной; растворитель, в зависимости от его природы, распределяется между водной и органической фазами.
С точки зрения термодинамики равновесие определяется условием равенства активностей распределяющегося компонента в обеих фазах. Активность растворителя в водной фазе оказывает значительное влияние на его испарение. Значение активности можно рассчитать с помощью метода вклада отдельных групп (UNIFAC). При этом для упрощения допускается, что в водной фазе отсутствует полимер, а в полимерной фазе — растворитель.
Процесс испарения из водоразбавляемых систем происходит следующим образом. Если в системе присутствует органический растворитель с низкой температурой кипения, то сначала он и вода испаряются примерно с одинаковой скоростью.
Эта скорость определяется соотношением растворитель : вода и внешними условиями. Компоненты с низкой летучестью на этой стадии испаряются незначительно, а влияние коэффициента распределения особенно велико.
В дальнейшем низколетучие компоненты органического растворителя поглощаются полимерной фазой, а их активность определяется взаимодействием полимер—растворитель. На этой стадии происходит коалесценция и образование гомогенной пленки. Остаточное количество низколетучего растворителя удаляется за счет диффузии.
И на этой стадии процесс испарения большинства водоразбавляемых систем определяется взаимодействием полимер — растворитель, т. е. активностью, а не сопротивлением диффузии. Это объясняется тем, что в качестве пленкообразователей в таких системах используют либо полимеры с низкой температурой стеклования, либо олигомеры со сравнительно невысокой вязкостью.
Важной особенностью процесса пленкообразования их водоразбавляемых лакокрасочных материалов является его зависимость от влажности окружающего воздуха. Это необходимо учитывать при использовании этих материалов и выборе сорастворителей.
Для оценки влияния относительной влажности воздуха на пленкообразование из водоразбавляемых систем введена специальная величина — критическая относительная влажность (КОВ), которая соответствует такой относительной влажности воздуха, при которой концентрация растворителя в воде остается неизменной в процессе пленкообразования из раствора в смеси вода — растворитель. Если относительная влажность выше КОВ, система обогащается водой; если относительная влажность ниже КОВ, содержание органического растворителя при сушке возрастает.
Различают три группы сорастворителей, имеющих низкое, среднее и высокое значение KOB. Примером растворителей первой группы могут служить метилэтилкетон и изопропиловый спирт, значение KOB для них приближается к нулю. Большинство растворителей относится ко второй группе; например, для бутилцеллозольва KOB = 74 % при содержании растворителя 20% (об.). В третью группу входят растворители, для которых KOB > 90 %.
В обычных условиях сушки растворители первой группы быстро испаряются, и в пленке преобладает вода. Растворители третьей группы малолетучи и практически полностью остаются в пленке, выполняя роль коалесцирующей добавки и пластификатора. Во время пленкообразования необходимо следить, чтобы относительная влажность воздуха не превышала КОВ. В противном случае пленка обогащается водой и имеет плохие свойства.
Большинство свойств покрытий, формируемых из водоразбавляемых лакокрасочных материалов, зависит от соотношения вода: сорастворитель.
Особенно сильно это проявляется в первые 15 мин, с начала пленкообразования. Именно в это время нарастает вязкость и, следовательно, меняется розлив, от которого зависит сплошность пленки и качество ее поверхности.
Водоразбавляемые лакокрасочные материалы имеют тенденцию к увеличению вязкости во времени за счет структурообразования. Это явление имеет место при концентрациях лакокрасочных материалов, совпадающих с рабочими. При нанесении этих материалов краскораспылителем требуется дополнительное разбавление, причем тем большее, чем выше склонность к структурообразованию. Однако это приводит к уменьшению толщины покрытия. Поэтому необходимо проводить подбор летучей части таким образом, чтобы интервал структурообразования был сдвинут в сторону более высоких концентраций.