Введение

     В настоящее время на прилавках  магазинов можно увидеть изобилие лакокрасочных изделий во всевозможных упаковках и самого разнообразного назначения. Уже практически не осталось таких поверхностей, для которых  нельзя было бы подобрать определенный тип и марку лака и краски. Сейчас можно не только приобрести краску подходящего цвета, но и нужный оттенок с помощью автоматических колеровочных установок или готовых колеровочных паст. Давайте попытаемся разобраться, что же представляют собой лакокрасочные материалы.

     Лакокрасочные материалы (ЛКМ) имеют две основные функции: декоративную и защитную. Они  оберегают дерево от гниения, металл - от коррозии, образуют твердые защитные пленки, предохраняющие изделия от разрушающего влияния атмосферы  и других воздействий и удлиняющие срок их службы, а также придают им красивый внешний вид. Лакокрасочные покрытия долговечны. Для их нанесения не требуется дополнительное, сложное оборудование, и они легче обновляются. Поэтому такие покрытия широко применяются как в быту, так и во всех отраслях промышленности, на транспорте и в строительстве.

     Свойства  лакокрасочных покрытий зависят  не только от качества применяемых  ЛКМ, но и от таких факторов, как  способ подготовки поверхности к  окраске, правильный выбор и соблюдение технологического режима окраски и сушки.

     С каждым годом к ЛКМ и покрытиям  на их основе предъявляются все более  жесткие требования в связи с  появлением новых технологий в промышленности, строительстве и формированием  современных эстетических вкусов у  потребителя. Это касается в равной степени как защитных, так и декоративных свойств покрытий, которые определяются физико-химическими показателями всех компонентов лакокрасочной рецептуры и, в первую очередь, пленкообразователя и пигмента. В значительной степени изменить свойства покрытий можно химической модификацией или введением другого (как правило, более высокого по стоимости) пленкообразователя, но это дорогой и трудоемкий путь.

     Защитная  и декоративная функции лакокрасочных  материалов (ЛКМ) известны очень давно. С момента появления ЛКМ как они сами так и способы их нанесения постоянно совершенствуются. За последнее время ассортимент ЛКМ резко изменился: от натуральных красок постепенно перешли к материалам на синтетической основе, органоразбавляемым, с высоким сухим остатком, порошковым и т. д.

     Цель  работы заключалась в том, чтобы  рассмотреть лакокрасочные материалы, их состав, основы производства и ассортимент.

1 Общая характеристика лакокрасочных материалов

1. Лакокрасочные материалы

     Лакокрасочными  материалами называют вязкожидкие составы, наносимые на поверхность конструкции тонким слоем, который через несколько часов отвердевает и образует пленку, прочно сцепляющуюся с основанием. К лакокрасочным материалам относятся: 1) грунтовки и шпаклевки для подготовки поверхности к окраске; нанося их, получают однородные и ровные поверхности; 2) красочные составы (краски), применяемые в вязко-жидком или пастообразном виде, образующие покрытия нужного цвета; 3) связующие вещества и пигменты, из которых изготовляют красочные составы; 4) лаки, создающие пленку, отличающуюся блеском; 5) растворители и разжижители лаков и красок; 6) пластификаторы, отвердители полимерных красок и другие специальные добавки.

     Лакокрасочные материалы применяют для архитектурной  отделки фасадов зданий, они придают помещениям красивый вид, создают в них необходимые санитарно-гигиенические условия. Нередко лакокрасочные материалы помогают предохранить материал конструкции от разрушительных воздействий среды.

     Отделочный  слой фасада здания первый встречает действие дождя, ветра, агрессивных газов, содержащихся в воздухе, изменения температуры среды. Придавая лакокрасочному покрытию водоотталкивающие свойства и эластичность, можно значительно увеличить срок безремонтной службы самой отделки, повысить долговечность конструкции и улучшить эксплуатационные качества зданий.

     Все шире применяют лакокрасочные материалы  специального назначения. Одни из них  являются химически стойкими, ими  покрывают металлические и железобетонные конструкции для предохранения  от коррозии, другие необходимы для защиты древесины (антисептические и огнезащитные краски для дерева).

     Имеются жароупорные лаки, которыми окрашивают промышленное оборудование. Санитарно-техническое  оборудование, металлические трубопроводы также нуждаются в защитной окраске.

     Лакокрасочная промышленность выпускает в основном готовые материалы, перед их употреблением  добавляют лишь растворители или разбавители. Сборные конструкции и детали должны поступать с заводов на строительство с полной готовностью, т. е. в окончательно отделанном виде. Для этого на заводах сборных строительных конструкций предусматривается конвейерная линия отделки элементов.

1.2. Свойства лакокрасочных материалов

     Свойства  водоразбавляемых ЛКМ зависят от того, какие полимеры использовались в качестве связующего. Например, пленкообразователи на основе чистого акрила хорошо сохраняют свои свойства в условиях интенсивного ультрафиолетового облучения, что позволяет изготавливать на их основе краски для наружного применения, превосходящие по атмосферостойкости алкидные лакокрасочные материалы аналогичного назначения. Широкий выбор пленкообразующих для латексных красок позволяет создавать на их основе ЛКМ различного назначения, отличающиеся простотой применения и быстрым высыханием, а отсутствие летучих разбавителей дает возможность отнести эти составы к категории экологически чистых материалов.

     На  упаковке продукта состав связующего, как правило, не указывается (солидные фирмы иногда приводят минимальную  информацию в прилагаемых листовках-инструкциях), но конечного потребителя этот вопрос интересовать не должен. При покупке краски гораздо важнее выяснить ее преимущественное назначение применительно к условиям эксплуатации.

     Покрытие, образующееся после высыхания краски, выполняет защитно-декоративные функции. Проще говоря, оно должно скрыть под собой поверхность основания (укрывистость), защитить ее от возможных механических воздействий (стойкость) и обеспечить необходимый уровень визуального комфорта (декоративность). Именно эти свойства и определяют пригодность краски для эксплуатации в тех или иных условиях.

     Укрывистость - одна из важнейших характеристик материала, позволяющая объективно сравнивать потребительские свойства разных красок. Продукция большинства западноевропейских фирм соответствует международному стандарту ISO 6504/1, согласно которому под укрывистостью подразумевается площадь, которую можно покрыть одним литром краски (м2/л). При этом краска должна на 98% укрывать подложку, окрашенную черными и белыми полосами или квадратами. Чем руководствуются производители из третьих стран, определяя укрывистость своей продукции, в точности неизвестно.

     Нередко на упаковке с краской указывается  не укрывистость, а расход (м²/п, м²/кг или даже г/м;). Этот параметр является существенно менее определенным, поскольку сильно варьируется в зависимости от свойств поверхности, на которую наносится краска. По этой причине относиться к цифрам, приведенным на упаковке, следует с известной осторожностью. Например, одна и та же краска, имеющая укрывистость 10-13 м²/л (ISO 6504/1) может обеспечивать расход по ранее окрашенной поверхности 10-12 м²/п, по зашпаклеванной поверхности 7-9 м²/л, а по оштукатуренной поверхности 3-5 м²/л. Технология нанесения, применяемый малярный инструмент и квалификация исполнителя также влияют на расход краски.

     Стойкость. Сразу оговоримся, что никакие лакокрасочные материалы не способны успешно противостоять "ковырянию" гвоздиком или хулиганским выходкам любимого кота. Под этим термином подразумевается стойкость к мытью, водостойкость (что не одно и то же), стойкость к истиранию, устойчивость к воздействию химических реагентов и способность противостоять образованию плесени.

     Этот  показатель является определяющим при  выборе краски для конкретных условий  эксплуатации. Материал, предназначенный для окрашивания потолков в спальнях и гостиных, допускает, как правило, только легкое мытье и может быть использован для отделки стен лишь в малопосещаемых, сухих помещениях. Стены в гостиных и спальнях должны окрашиваться красками с повышенной стойкостью к мытью, выдерживающими не менее 2 тыс. проходов щеткой, а в помещениях, внутренние поверхности которых подвергаются достаточно интенсивному воздействию (кухни, туалеты, лестничные клетки и т.п.) желательно применять материалы, допускающие не мене 5 тыс. проходов.

     Некоторые водоразбавляемые краски выпускаются  как в матовом, так и в полуматовом (а иногда и в полуглянцевом) исполнении. Как правило, стойкость матовой  краски несколько ниже, чем полуматовой, а тем более полуглянцевой  краски той же марки.

     Водно-дисперсионные  краски, предназначенные для использования  во влажных и сырых помещениях, должны обладать повышенной водостойкостью и фунгицидными свойствами. Испытание  на водостойкость проводят тем же методом, что и испытания на стойкость  к мытью, с той лишь разницей, что окрашенная поверхность предварительно подвергается воздействию влаги от мокрой ткани, соприкасающейся с тестируемой поверхностью в течение определенного времени. Способность материалов этой группы препятствовать возникновению плесени обеспечивается присутствием в составе красок фунгицидных добавок. Среди всех водоразбавляемых красок водостойкие составы отличаются наибольшей стойкостью к мытью и истиранию (более 10 тыс. проходов щеткой).

     Водно-дисперсионные  материалы теряют свои свойства при замерзании, поэтому в холодное время года их необходимо хранить в отапливаемых помещениях и транспортировать в термостатированных фургонах. По этой причине не рекомендуется приобретать материалы этого типа на открытых строительных рынках в зимний период. Нет правил без исключений: некоторые фирмы производят водоразбавляемые краски (так называемая "зимняя формула"), способные выдерживать ограниченное(обычно до пяти) количество циклов замораживания-оттаивания без ухудшения свойств, что обязательно должно быть указано на упаковке.

     Химическая  стойкость к действию щелочей и кислот. Ряд пигментов изменяет свой цвет или обесцвечивается при соприкосновении с щелочными растворами. Например, малярная лазурь в щелочной среде обесцвечивается, свинцовый железный крон краснеет. Подобные пигменты не применяют для изготовления красочных составов, наносимых на поверхность свежею бетона или цементно-известковой штукатурки. Щелочестойкими являются почти все природные пигменты (охры, мумия, умбра, перекись марганца), а также многие искусственные пигменты (титановые белила, оксид хрома, органические пигменты: алый и оранжевый). Для изготовления специальных кислотостойких красок применяют только кислотостойкие пигменты (графит, титановые белила, оксид хрома). Пигменты, содержащие соединения свинца (свинцовые белила, свинцовые крон и сурик), токсичны и при их применении необходимо соблюдать установленные правила охраны труда.

     1.3. Свойства лакокрасочных покрытий

     При нанесении лакокрасочного покрытия на поверхность большое значение имеет его вязкость. Условную вязкость определяют вискозиметром. Условной вязкостью лакокрасочных материалов называют время непрерывного истечения в секундах определенного объема материала через калиброванное сопло.

     Важнейшим технологическим показателем является укрывистость лакокрасочного материала, характеризующая расход лакокрасочного материала на 1 м2 окрашиваемой поверхности. Значение этого показателя определяет равномерность нанесения слоя лакокрасочного материала, что обуславливает его экономическую эффективность.

     Укрывистость  зависит от оптических свойств пигмента, его дисперсности и объемной концентрации в связующем, а также степени  дисперсности лакокрасочного материала. Существенное влияние на укрывистость оказывают также химический состав и цвет пленкообразующего, физико-химические свойства связующего, тип растворителя и др.

     Однако  главным образом укрывистость обусловлена  оптическими явлениями, протекающими в пленке.

     Механические  свойства покрытий во многом определяют уровень защитных свойств, а также в значительной степени влияют на декоративные функции покрытий в течение срока их эксплуатации. К механическим свойствам покрытий относятся твердость, гибкость, прочность на удар, адгезия.

     Твердость – сопротивление, оказываемое покрытием при проникновении в него другого тела. Твердость пленки – одно из важнейших механических свойств лакокрасочного покрытия характеризующее частично степень высыхания, а в основном прочность поверхности.

     Изгиб покрытия косвенно характеризуется  его эластичность, т.е. свойство, обратное хрупкости. Сущность метода заключается в определении минимального диаметра стержня, при изгибании, на котором окрашенной металлической пластинки не происходит разрушения лакокрасочного покрытия.

     Адгезия – способность лакокрасочных покрытий к прилипанию или прочному сцеплению с окрашиваемой поверхностью. От величины адгезии зависят механические и защитные свойства покрытий. Для определения адгезии существует три стандартных метода (решетчатый надрез, метод отслаивания (отрыва), метод решетчатых надрезов с обратным ударом).

     Водостойкость – способность лакокрасочного покрытия выдерживать без изменения воздействия  пресной или морской воды.

     Морозостойкость – способность лакокрасочного материала  сохранять свои физико-механические свойства после нескольких циклов замораживания-оттаивания.

     Термостойкость  – предельно допустимая температура, при которой покрытие сохраняет  способность выполнять свои функции  в течение определенного времени. Эмали ПФ-115 защищают поверхность  от периодического воздействия температур до 60-800С.

     Атмосферостойкость - способность лакокрасочного покрытия сохранять в течение продолжительного времени свои защитные и декоративные свойства в атмосферных условиях. Количественно атмосферостойкость выражают сроком службы лакокрасочного покрытия (в годах, месяцах), определяемых степенью потери его защитных и декоративных свойств под влиянием разрушений, вызванных атмосферным воздействием. Срок службы зависит от климатических и специфических условий местности. К видам разрушений, связанным с потерей декоративных свойств лакокрасочных покрытий относятся: потеря блеска, изменение цвета, белесоватость и грязеудержание.

     Важно отдавать себе отчет, что все ускоренные испытания (на атмосферостойкость, на коррозионную стойкость, на долговечность Пк) не могут в полной мере отражать все процессы, которые будут происходить в естественных условиях. Они содержат ограниченное число стандартных факторов влияния, которых в естественных условиях может быть гораздо больше. Однако заведомо плохую краску эти методы показать могут.

2 Технологический процесс производства лакокрасочных материалов

2.1.  Пигментированные лакокрасочные материалы 

     Основная  часть выпускаемой лакокрасочной  промышленностью продукции —  это пигментированные лакокрасочные  материалы. Они широко используются в таких отраслях промышленности, как машиностроение, радиоэлектроника, авиация и судостроение, промышленное и жилищное строительство, космическая-техника и производство товаров народного потребления и др Интенсивное развитие народного хозяйства вызывает необходимость увеличения объема производства пигментированных лакокрасочных материалов с улучшенными качественными показателями. Для решения этой проблемы необходимо знание теории и практики пигментирования лакокрасочных материалов.

     В зависимости от того, для какого слоя лакокрасочного покрытия предназначены  пигментированные материалы, их делят  на эмали и краски (в том числе  водоэмульсионные и порошковые), грунтовки, шпатлевки и т. п.

     Эксплуатационные  характеристики покрытий зависят от состава образующих их пигментированных лакокрасочных материалов. Поэтому последние различают и по назначению покрытий. Например, выпускают материалы для атмосферо-, водо-, химически стойких, специальных и других покрытий.

     В соответствии с ГОСТ 9825—73 каждой марке пигментированного лакокрасочного материала присваивается буквенный и цифровой индекс. Буквенный индекс указывает на тип основного олигомера (полимера) в составе материала. Цифровой индекс более сложен. Первая цифра указывает иа назначение материала. Для эмалей и красок — это условия эксплуатации покрытий. Например, атмосферостойкие—1, водостойкие — 4, термостойкие — 8 и т. п. Для грунтовок первым в цифровом индексе стоит 0, для шпатлевок — 00. Остальные цифры в индексе обозначают номер рецептуры.

     Например, глифталевая грунтовка, изготовленная  по рецептуре № 20;. имеет индекс ГФ-020; эпоксидная атмосферостойкая эмаль, изготовленная  по рецептуре № 40, имеет индекс ЭП-140; кремний органическая термостойкая эмаль, изготовленная по рецептуре № 11, имеет индекс КО-811 и т. д.

     Все пигментированные лакокрасочные материалы  делят на две группы: традиционные жидкие и порошковые.

     Далее рассмотрим их основные свойства, теоретические основы и технология получения.

2.2. Описание технологической схемы

     Пигментированные лакокрасочные материалы представляют собой сложные многокомпонентные композиционные системы. В их состав входят: олигомеры (полимеры), пигменты и наполнители, растворители и разбавители, а также различные добавки специального назначения (сиккативы, пластификаторы,. ПАВ и др.). Свойства пигментированных лакокрасочных материалов и покрытий на их основе определяются главным образом свойствами олигомеров (полимеров) и пигментов, а также характером их физико-химического взаимодействия. Другие компоненты также могут оказывать существенное влияние на реологические свойства материалов, процессы их отверждения (образования покрытия) и эксплуатационные характеристики покрытия.

     Пигментированные  лакокрасочные материалы принято  классифицировать по типу основного олигомера (полимера), входящего в его состав. Например, широко распространены глифталевые (ГФ), пентафталевые (ПФ), эпоксидные (ЭП), полиуретановые (УР), кремиийорганические (КО) и другие материалы.

     Пигментированные  материалы изготавливают на основании, как однофазных, так и двухфазных жидких пленкообразующих систем. К первым относятся растворы олигомеров в органических растворителях, олифы, и растворы природных соединений. Ко вторым водные и органодисперсии полимеров. Ниже в качестве примеров мы рассмотрим производство эмалей, и возможно водоэмульсионных красок.

     Каждый  пигмент диспергируют в лаке в  отдельности на бисерных дис-пергаторах —3. На схеме их показано три, но ниогда требуется больше — ло числу пигментов, входящих в рецептуру. Приготовление пигментных паст производят на попеременно работающих быстроходных смесителях (дисоль-верах) —4, 5 и 6. Такая работа дисольверов обеспечивает непрерывную работу бисерной мельницы. В дисольверы пигменты подают нз бункеров 7, 8 и 9 шнековыми дозаторами 10—12. Растворитель и лак поступают в дисольверы через дозировочные агрегаты 13, 14 и 15. Готовую пасту собирают в накопителях 16—18. Подача пасты в бисерные диспергаторы и в накопители осуществляется насосами 19. Составление эмали производят в смесителях 20. Отдельные компоненты эмали дозируют н подают в смеситель дозировочным агрегатом 21. Стандартизацию эмали проводят также в смесителях. Готовую эмаль очищают на фильтрах 22, через которые она прокачивается насосами 23, и направляют на фасовочный агрегат. 

     Основными операциями технологического процесса производства эмалей являются: смешение пигментов (наполнителей) с раствором  олигомера (полимера), т.е. приготовление  пигментной пасты; диспергирование  пигментной пасты; составление эмали; очистка и фасовка эмали.

     Приготовление пигментной пасты обычно проводится в специальных смесителях, выбор  конструкции которых зависит  от аппаратурного оформления операции диспергирования. Так, если диспергирование  ведут на валковых краскотерочных машинах, то для приготовления пасты используют смесители-с z-образными или планетарными мешалками. В том случае, когда диспергирование проводят в бисерных диспергаторах, пасты готовят в быстроходных смесителях с дискозубчатымн мешалками (дисольверах). В случае же использования в качестве диспергаторов шаровых мельниц для приготовления* пасты нет необходимости использовать специальный смеситель: ее готовят непосредственно в шаровой мельнице.

     При приготовлении пигментных паст используют полностью количество-пигментов  и наполнителей, рассчитанное по рецептуре. Пленкообразующие вещества расходуются лишь частично.

     После диспергирования к пигментной пасте  добавляют оставшееся количество пленкообразователя и специальные добавки (сиккативы, пластификаторы и т. п.). Эта операция по существу и является процессом составления эмали. Затем эмаль стандартизируют (на производстве это называют «постановкой на тип») по вязкости и цвету добавлением растворителей и колеровочных паст.

     Для того чтобы лакокрасочное покрытие имело красивый внешний вид эмаль  не должна содержать даже единичных пигментных агрегатов, а также посторонних загрязнений (пыли, волосков, волокон и т. п.). Попадание этих веществ в покрытие приводит к снижению его защитных свойств, поэтому эмаль обязательно подвергается тщательной очистке на фильтрах или центрифугах.

     Несмотря  на то, что любой технологический  процесс производства эмалей включает одни и те же основные операции, вести  его можно различными способами.

     По  одному из них диспергированию в  растворе полимера (лака) подвергается вся смесь пигментов, предусмотренная по рецептуре; при этом получается пигментная паста, соответствующая по цвету приготавливаемой эмали (способ цветных паст). По другому способу каждый пигмент (или смесь пигментов одного цвета) отдельно диспергируют в лаке, в результате чего получают разноцветные одиопигментные (или одноколерные) пасты, которые смешивают при составлении эмали (способ одиопигментных паст). По третьему способу вначале также получают однопигментные (или одноколерные) пасты, после чего их разбавляют (лаком, растворителем) до вязкости, близкой к вязкости готовой эмали, и только после этого смешивают в соотношениях, зависящих от цвета приготавливаемой эмали. Разбавленные одиопигментные (одноколерные) пасты обычно называют однопигментными полуфабрикатными эмалями. Этот способ используют редко, так как для его проведения требуется много вспомогательного оборудования.

     В последнее время получил распространение  еще один способ производства эмалей — на основе белых базовых эмалей. По этому способу вначале получают одноколериую белую эмаль (так называемую «базовую») и затем на ее основе готовят цветные эмали добавлением к ней колеровочных паст (концентрированных или разбавленных).

     Производство  эмалей способами однопигментиых паст и белых базовых эмалей обеспечивают более тонкую колеровку готового продукта по сравнению со способом, в котором предусмотрено диспергирование смесн всех пигментов в лаке. При применении этих методов повышаются производительность труда и коэффициент использования оборудования, а также облегчаются автоматизация процесса и переход от выпуска эмали одного цвета к другому. В наибольшей степени все эти преимущества проявляются при массовом производстве эмалей.

     Выбор способа производства эмали в  каждом конкретном случае должен производиться  с учетом масштабов производства, ассортимента готовой продукций и требований к ее качеству.

2.3. Производство водоэмульсионных красок 

     Особенностью водоэмульсионных красок является то, что они содержат очень большое число добавок различного назначения. Например, для повышения морозоустойчивости в краски добавляют антифризы, для снижения пенообразования — пеногасители. Кроме того, в них вводят структурирующие и противокоррозионные добавки, антисептики, пластификаторы, эмульгаторы, стабилизаторы, диспергаторы и др.

     Обычно  изготавливают краски белого цвета. Для получения цветных красок к белым добавляют колеровочные однопигментные пасты. По аналогии с  производством эмалей такой способ получения цветных красок можно  назвать «способом белых базовых  красок».

     Технологический процесс производства водоэмульсионных красок включает следующие основные операции: приготовление водного полуфабриката; получение пигментной пасты на основе водного полуфабриката; диспергирование пигментной пасты; составление краски и ее стандартизация; очистка и фасовка готовой краски.

     Приготовление водного полуфабриката проводят в смесителях. Используют деминерализованную (т. е. освобожденную от минеральных солей) воду. В ней растворяют эмульгаторы, стабилизаторы, структурирующие добавки, пеногасители, антиоксиданты и др. Полученный раствор используют для диспергирования пигментов и наполнителей. Для этой цели применяют, как правило, шаровые мельницы и бисерные диспергаторы.

     При составлении краски пигментную пасту  совмещают в смесителе при  умеренном перемешивании с эмульсией полимера, добавляют пластификатор, антифриз и другие необходимые добавки. Готовую краску очищают фильтрованием через сетчатые фильтры и фасуют. Технологическая схема производства водоэмульсионных красок принципиально не отличается от рассмотренных схем производства эмалей.

     3. Технологический  процесс нанесения  лакокрасочных материалов

     Технологические процессы получения лакокрасочных  покрытий разнообразны. Это связано  с функциональным назначением окрашиваемого  изделия, условиями его эксплуатации, характером окрашиваемой поверхности, применяемыми методами окрашивания и формирования покрытий.