Определение минимальной температуры пленкообразования

Лабoрoтoрная практика и прибoрнoе oбеcпечение

Фoрмирoвание непрерывных пленoчных пoкрытий из диcперcий пoлимерoв имеет бoльшoе значение в технoлoгии прoизвoдcтва и нанеcения пoкрытий различнoй химичеcкой природы, в том чиcле на оcнове латекcных краcок, в производcтве адгезионных материалов и т.д. Так, еcли из мягких латекcов поcле выcыхания получаютcя прозрачные непрерывные пленки, то жеcткие латекcы образуют непрозрачные пленки или порошки. Механизм формирования пленки поcле выcыхания водной дисперсии имеет и теоретический и практический интерес, так как свойства пленки будут влиять на свойства готовых покрытий.


Значение показателя МТП для оценки качества лакокрасочных материалов на основе водных дисперсий полимеров

Одним из самых важных свойств пленки, образуемой латексами, является минимальная температура пленкообразования (МТП), которая определяется как минимальная температура, при которой водные дисперсии полимеров (синтетические латексы) в процессе высыхания образуют гомогенные пленки. Ниже этой критической температуры сухой латекс либо непрозрачен, либо вовсе не образует сплошной пленки.

Значение МТП, наряду с концентрацией, рН, вязкостью определяет свойства латексов и, соответственно, область их применения. В мировой практике разработаны и применяются стандарты, регулирующие процесс определения МТП, например DIN 53787 - DIN 53 366 - ASTM D 2354 - ASTM D 1465 - ISO 2115 - ISO/ DIS 4622. В России эта характеристика не включена в действующие стандарты, и многие производители контролируют ее факультативно, иногда включая в технические условия. МТП латексов зависит от природы полимера, природы и количества эмульгатора, применяемого при производстве латекса, размера частиц полимера и содержания остаточных мономеров. Эмпирически величина МТП связана с температурой стеклования полимера, но связь эта неоднозначна, поскольку МТП может быть как выше температуры стеклования, так и ниже ее.

Если рассматривать значение показателя МТП для целей производства лакокрасочных покрытий, следует четко разделить понятие МТП для латекса и для собственно лакокрасочного материала. В первом случае величина МТП позволяет контролировать качество латекса как сырья и является критерием его выбора для использования в качестве связующего при производстве ЛКМ различного назначения. Для лакокрасочного материала величина МТП служит суммирующим, интегральным показателем, который отражает влияние всех компонентов рецептуры. Если расположить стандартные составляющие рецептуры лакокрасочного материала соответственно силе их влияния на величину МТП, можно получить следующий ряд: латекс - коалесцент - сшивающий агент (если применяется) - смачиватели подложки и агенты розлива -минеральный наполнитель/пигмент - загуститель.

В процессе формирования латексной пленки можно выделить три основные стадии:
Стадия I. Вода испаряется с поверхности латекса, концентрируя латекс. Эта стадия является самой долгой, и длится, пока объемная концентрация полимера не составит приблизительно 60-70%.
Стадия II. Начинается с момента, когда частицы латекса вступают в необратимый контакт, и может наблюдаться коалесценция. Темп испарения водной фазы остается постоянным. (Сокращение темпа испарения может привести к образованию более качественной пленки).
Стадия III. Эта стадия начинается с формирования непрерывной пленки. Именно во время этой стадии мягкий латекс становится более гомогенным, и формируются механические свойства пленки.

В качестве иллюстрации важности правильного определения МТП для лакокрасочных материалов приведем два примера.


При разработке рецептур водно-дисперсионных красок и лаков чаще всего стремятся к тому, чтобы МТП была как можно ниже (вплоть до +5 °С), обосновывая это тем, что такая краска может использоваться при окраске, например, фасадов зданий при температуре окружающего воздуха ниже +10 °С. Такое соображение верно лишь отчасти и требует непременной проверки на реальном объекте, потому что на процесс формирования пленки ЛКМ влияют свойства окрашиваемой поверхности (прежде всего впитываемость, из-за которой может происходить перераспределение связующего между внешними и внутренними слоями краски), снижение летучести и растворяющей способности коалесцентов при более низкой температуре. Следовательно, при составлении рецептуры фасадной краски целесообразно снижать подвижность водной фазы путем введения ассоциативных загустителей и применять более «легкие» коалесценты, способствующие быстрому формированию пленки ЛКМ.

При составлении рецептуры отделочных лаков, которые применяются внутри помещений (например, паркетных лаков), желательно избегать слишком большого количества коалесцентов из-за возможного длительного выветривания запахов и медленного формирования твердости покрытия. Добиться требуемого баланса твердости покрытия и оптимального значения МТП можно, используя принцип внутренней пластификации связующего, когда его основу составляет смесь латексов с высокой и низкой МТП.


Для процесса производства ЛКМ важно организовать контроль качества таким образом, чтобы определение всех основных показателей можно было проводить быстро, с хорошей воспроизводимостью и, по возможности, более простым методом. Для измерения величины МТП обычно используют термоградиентные установки, основным элементом которых является металлическая пластина, на поверхности которой создается линейный температурный градиент.


ОпредилениеМТП для оценки возможности нанесения лакокрасочных материалов при пониженных температурах окружающей среды

Определение минимальной температуры пленкоо-бразования лакокрасочных материалов представляет интерес в связи с возникающей зачастую производственной необходимостью проведения окрасочных работ при наступлении отрицательных температур окружающей среды. При этом важно оценить возможное влияние режима отверждения на физико-механические свойства покрытий.


В ОАО «ВНИИНефтехим» проведены исследования двух материалов химического отверждения: эпоксидной грунтовки Эпипрайм-046 и полиуретановой эмали Гамма-УР-11 марки А (зимний вариант) с целью определения минимальной температуры пленкообра-зования материалов, продолжительности отверждения при экспериментально определенных отрицательных температурах с последующей сравнительной оценкой физико-механических свойств покрытий, отвержденных при положительной и отрицательной температурах. Указанные материалы образуют сплошные защитные пленки за счет протекания двух процессов: химической реакции между связующим и отвердителем и физического высыхания ЛКМ (удаления растворителей).

Минимальные температуры пленкообразования и физико-механические свойства определяли для однослойных покрытий. Толщина сухого слоя грунтовки Эпипрайм-046 составляла 100-130 мкм, эмали Гамма-УР-11 марки А - 30-50 мкм.


Минимальную температуру пленкообразования определяли на термоградиентных установках «Термоспектр» (рис. 1, стр. 26) и «Термоспектр-М» (рис. 2, стр.26)), имеющих линейный температурный градиент в области от -10 до 0 °С и от -20 до 0 °С, при заданной толщине мокрого слоя материалов. Основу метода согласно стандарту ИСО 2115-1976 (Е) Plastic - Aqueous dispersions of polymers and copolymers - determination of White Point Temperature and Minimum Film Forming Temperature составляет визуальное определение МТП по появлению микротрещин на пленке покрытия при ее формировании в переменном температурном поле. Величину МТП определяли по границе между непрерывной и дискретной пленкой отвержденного покрытия, на которой имеются микротрещины. При более низких температурах наблюдается мутно-белая несформировавшаяся пленка («белая линия»).

Были определены МТП грунтовки Эпипрайм-046 при толщине мокрого слоя 150 и 200 мкм и эмали Гамма-УР-11 при толщине мокрого слоя 100 мкм, а также продолжительность отверждения данных материалов при полученных отрицательных температурах. Для изучения отверждения покрытий при низких температурах использовали компрессионно-термоэлектрический криостат «Миконта МТ» (рис. 3) и морозильную термоэлектрическую камеру «Криостат-М» (рис. 4).


МТП грунтовки Эпипрайм-046 составляет минус 10 ОС, время отверждения покрытия толщиной 120-130 мкм до состояния «сухое на ощупь» при этой температуре - 28 ч, время высыхания до степени 3 -7 суток. МТП эмали Гамма-УР-11 марки А составила минус 6 ОС, время отверждения покрытия толщиной до 50 мкм до состояния «сухое на ощупь» - 55 ч, время высыхания до степени 3-3 суток.


После определения МТП проведена оценка влияния режима отверждения при положительной и отрицательной температурах (соответствующей МТП для каждого из материалов) на показатели физико-механических свойств покрытий - адгезионную прочность и прочность при ударе. Стандартные условия отверждения (температура 20±2°С, влажность 65—70%) обеспечивались за счет кондиционирования образцов в камере «Нормостат» (рис. 6).

Адгезионную прочность определяли методами отрыва (адгезиметры «Константа A», «Elcometer 106») и решетчатого надреза (шаблон «Elcometer 107»), прочность при ударе - на приборе У-2М.

Результаты определения адгезии покрытий и прочности при ударе показаны в таблице.

Анализ приведенных в таблице данных показывает, что отверждение грунтовки Эпипрайм-046 и эмали Гамма-УР-11 при разных температурах не приводит к существенному изменению показателей адгезии и прочности при ударе получаемых пленок покрытий.

Таким образом, на основании результатов определения МТП и физико-механических свойств покрытий грунтовка Эпипрайм-046 и эмаль Гамма-УР-11 марки А могут быть рекомендованы для нанесения как при положительных, так и при пониженных температурах окружающего воздуха вплоть до -10 °С для грунтовки и -6 °С для эмали. Оба материала обладают хорошими малярно-технологическими свойствами и могут использоваться совместно при нанесении систем покрытия, состоящих из 1-2 слоев грунтовки и 1 слоя эмали. Общая толщина покрытия выбирается с учетом категории коррозионной нагрузки на металл.


Теплофизическое оборудование для определения МТП, исследования морозостойкости и кондиционирования образцов

В Лаборатории охлаждения ФГУП НИИПММ разработаны специализированные приборы средне-и низкотемпературного диапазона, обеспечивающие необходимые тепловые режимы при лабораторных исследованиях лакокрасочных материалов. Отличительной особенностью данного оборудования является применение бесхладоновых твердотельных технологий получения искусственного холода на основе термоэлектрического эффекта Пельтье. Данные технологии позволяют отказаться от пароком-прессионного принципа охлаждения (за исключением низкотемпературной камеры «Миконта-МТ») и достигать уровня температур до -45 °С без использования хладоагентов, работающих под повышенным давлением.


Для определения минимальной температуры пленкообразования разработано два поколения приборов «Термоспектр» и «Термоспектр-М». Для определения МТП исследуемый материал наносится при помощи аппликатора на подложку из полиэтилентерефталатной металлизированной пленки, которая накладывается на рабочую панель термоградиентной установки. Термоградиентная установка «Термоспектр» (рис. 1) представляет собой двухблочную конструкцию, состоящую из блока управления и технологического блока с рабочей панелью, на которой формируется градиент температур. Прибор работает с использованием водопроводной охлаждающей воды и позволяет определять МТП в диапазоне температур от -10 до +70 °С. Термоградиентная установка второго поколения «Термоспектр-М» (рис. 2) имеет одноблочное исполнение, не требует наличия водопроводной воды для охлаждения и позволяет определять МТП в положительном диапазоне температур до плюс 70 °С. Для исследования пленкообразования материалов при отрицательных температурах выпускается модификация установки «Термоспектр-М» с водяным охлаждением для работы в диапазоне температур от - 20 до + 70 °С. Все термоградиентные установки комплектуются блоками осушки воздуха и набором аппликаторов 50-200 мкм для нанесения материала на рабочую панель.

Низкотемпературная компрессионно-термоэлектрическая морозильная камера «Миконта-МТ» с объемом рабочей камеры 30 л (рис. 3) позволяет испытывать образцы при температурах до -60 °С. Специальные модификации данной камеры позволяют достигать уровня температур до -70 "С при соответствующем уменьшении рабочего объема.

Настольные термоэлектрические морозильные камеры на уровень температур до -45 °С «Криостат-М» (рис. 4) и «Криостат-МТ» (рис. 5) предназначены в основном для исследования водных материалов. Рабочий объем камеры «Криостат-МТ» составляет 5 л. Все низкотемпературные испытательные камеры обеспечивают автоматическое поддержание заданной температуры статирования с точностью 1°С.

Специализированная настольная камера кондиционирования образцов «Нормостат» (рис. 6) предназначена для обеспечения стандартных климатических условий - температуры 20 °С и относительной влажности воздуха 60% в рабочем объеме 80 л независимо от параметров воздуха в помещении лаборатории.


Выводы

Показатель минимальной температуры пленкообразования представляет несомненный интерес при определении качественных характеристик лакокрасочных материалов как на стадии разработки так и при их производстве.

Определение МПТ рекомендуется использовать при оценке возможности нанесения лакокрасочных материалов при пониженных температурах окружающей среды.

Показаны возможности лабораторного оборудования для исследования пленкообразования лакокрасочных материалов и свойств получаемых покрытий в средне- и низкотемпературном диапазоне.