Глава 13 лакокрасочные материалы и полимеры

Обычно лакокрасочными материалами называются сложные химические многокомпонентные системы. При нанесении на поверхность какого-либо изделия они формируют специальную пленку или покрытие, обладающее определенными декоративными, защитными и другими свойствами. Главная функция лакокрасочных материалов - защита материалов от разрушений: коррозии, гниения и других. Также в функции лакокрасочных материалов входит придание изделиям декоративного вида.

К преимуществам лакокрасочных материалов относятся: относительная простота нанесения, долговечность, возможность применения для конструкций больших размеров и сложных конструкций, возможность ремонта прямо на месте эксплуатации; относительно невысокая стоимость, возможность получения покрытия любого цвета и текстуры, возможность нанесения материалов на ржавую поверхность.

13.1. Общие сведения и классификация лакокрасочных материалов

В строительстве растут требования, предъявляемые к качеству внутренней и наружной отделок зданий и сооружений. Производство отделочных работ осуществляется с применением лакокрасочных материалов, отличающихся по назначению, свойствам и экономическим показателям. Правильный выбор лакокрасочного покрытия имеет существенное значение для надёжного и длительного предохранения строительных конструкций и изделий от разрушения.

Окраска - один из самых распространённых видов отделки, обладающий наибольшими колористическими возможностями. Для создания соответствующей цветовой среды применение краски является достаточно эффективным как для фасадов, так и для интерьеров зданий. Следует отметить, что если во внутренних помещениях не предъявляются особые жёсткие требования к долговечности окраски, то для фасадов домов эти требования являются определяющими, из-за сложности возобновления окрасочных покрытий, особенно в условиях современного многоэтажного строительства.

Лакокрасочные материалы (ЛКМ) — составы (преимущественно жидкие или пастообразные), которые после нанесения тонким слоем на твердую подложку высыхают с образованием твердой пленки — лакокрасочного покрытия. Основными лакокрасочными товарами являются олифы, лаки и красочные составы (краски).

Исходными материалами для приготовления олиф, лаков и красок служат растительные масла, синтетические и естественные смолы, сиккативы, растворители и разбавители (разжижители), пластификаторы и пигменты. Некоторые из этих материалов (сиккативы, растворители и разбавители, частично и пигменты) наряду с олифами, лаками и красками также поступают в продажу и служат в основном для корректировки состава и свойств уже готовых лакокрасочных товаров.

Лакокрасочное покрытие — покрытие, которое образуется в результате плёнкообразования (высыхания) лакокрасочных материалов, нанесённых на поверхность изделий. Основное назначение лакокрасочных покрытий — защита материалов от разрушения (например, металлов — от коррозии, дерева — от гниения) и декоративная отделка изделий. Существуют также лакокрасочные покрытия специального назначения — электроизоляционные, флуоресцентные, термоиндикаторные, термостойкие, бензо- и маслостойкие и др.

Назначение этих материалов - предохранять части зданий и сооружений от разрушения и придать строительным конструкциям определённую декоративность. Нередко лакокрасочные материалы служат для улучшения санитарно-гигиенических качеств помещений. Но чаще всего они комплексно служат указанным целям, так как, помогая создавать определённое архитектурно-художественное оформление внутри и снаружи здания, они вместе с тем предохраняют материалы конструкций от воздействий окружающей среды.

Краски — это более общее, неточное название цветных веществ (пигментов, красителей). В виде красок выступают суспензии из пигментов в плёнкообразующих веществах и применяются в качестве защитных и декоративных покрытий, а также изобразительном искусстве. Они содержат наполнители, растворители, пластификаторы, отвердители.

Самое первое красящее вещество, которое было применено как краситель — сажа. Мел и охры стали известны около 30 тыс. лет назад. Примерно 6 тыс. лет назад художники начали применять в качестве пигментов малахит, лазурит и киноварь. В V в. до н. э. к ним добавились также свинцовые белила, сурик, глёт. Первоначально рисунки создавались только с помощью пигментов — мелко истолчённых твёрдых окрашенных веществ. Позднее в их состав стали вводить связующие вещества (кровь животных, яичный желток) — так получили краски. До наших дней дошли изображения, возраст которых исчисляется сотнями, а то и тысячами лет — и всё это благодаря долговечности минеральных красок. Обширную группу природных пигментов составляют охры (от греч. «охрос» — «бледный», «желтоватый»).

Химический состав краски включает гидратированные (включающих в химическом составе воду) оксиды железа (Fe₂O₃•Н₂O; Fe₂O₃•3Н₂О). При прокаливании охра теряет кристаллизационную воду, и пигмент превращается в красящее вещество красного оттенка. В наше время охры используются в производстве резины, цемента, бумаги, пластмассы, однако их постепенно вытесняют синтетические жёлтые железооксидные пигменты.

Если в состав краски входят минералы, содержащие оксиды марганца, то получаемое красящее вещество имеет коричневый цвет (вспомните, когда долго постоит марганцовка, то постепенно раствор становится коричневатым из-за наличия оксида марганца MnO₂). Такие пигменты называются умброй. Пигмент тёмно-красного цвета — железный сурик — это оксид железа (III) с примесями силиката алюминия и кварца. Сурик — пигмент универсальный, устойчивый к свету, поэтому он широко используется для окраски деревянных и металлических предметов, а также цемента.

В древние времена природный минерал синего цвета лазурит (или ляпис-лазурь) Na₃Ca[AlSiO₄]₃S ценился дороже золота. Краска из этого истолчённого в мелкий порошок камня называлась ультрамарином. Позднее сплавлением каолина с карбонатом натрия и серой (или сульфатом натрия и углём) стали получать искусственный ультрамарин. Химический состав краски «ультрамарин»: Na₈Al₆Si₆O₂₄S.

Другая известная минеральная краска синтетического происхождения — «прусская лазурь» K[FeIIFeIII(CN)6], впервые полученная в 1704 г.

В качестве зелёного пигмента долго использовалась так называемая богемская земля — минерал авгит (Ca, Na) (Mg, Fe₂+, Fe₃+, Al, Ti) [(Si, Al)₂O₆]. Затем стали готовить краски на основе оксида хрома(Ш) и его гидрата. С открытием в 30-х гг. XX в. фталоцианинов хромовые красители были почти вытеснены ими. Белые пигменты составляют более 60 % всех современных красящих веществ. Их применяют для изготовления лакокрасочных материалов не только белого, но и других цветов, а также в производстве пластмасс, бумаги, строительных материалов, керамики и др.

В древности широко применялись свинцовые белила — основной карбонат свинца 2PbСО₃•Pb(ОН)₂. На протяжении многих веков люди ничего не знали о токсичности свинца, поэтому свинцовые белила входили в состав даже некоторых косметических средств. Сейчас свинцовые белила практически полностью заменены диоксидом титана, цинковыми белилами (оксидом цинка), литопоном (смесью сульфида цинка и сульфата бария). В художественных красках могут использоваться также пигменты, не имеющие широкого распространения из-за высокой стоимости (кобальтовые краски) либо из-за токсичности (например, сульфиды кадмия и ртути). При смешивании пигментов с растительными клеями (пшеничным крахмалом, декстрином и др.) получают акварели (от лат. aqua — «вода») — краски, разводимые водой. Если в пигментно-клеевую смесь добавить белила, красочный слой будет более плотным. Такие краски называются гуашью (от ит. guazzo — «водяная краска»).

На основе растительных масел или синтетических смол готовят масляные краски. Помимо минеральных красок в древности широко применялись краски растительного и животного происхождения. Они обладают большим количеством оттенков, но гораздо менее долговечны. В качестве красителей издавна использовались сок крушины, шафрана, черники, резеды, вытяжки из коры дуба, ольхи.

Пурпуровую краску получали из пурпура, который добывали из желёз средиземноморского моллюска иглянки. Улиток измельчали и полученным соком пропитывали ткань. На воздухе этот сок приобретал пурпурный цвет. Правда, одежды из ткани такого цвета были доступны лишь патрициям: для получения 1 г красителя требовалось переработать более 8 тыс. моллюсков. Высоко ценили также карминовый краситель (кошениль) извлекаемый из червеца карминоносного. 200 тыс. жучков давали всего лишь 1 г красящего вещества. Из Индии в Европу попал другой краситель — индиго. Первоначально его получали из листьев индигоферы. Из 100 кг листьев выходило 3 кг индиго.

В середине XIX в. удалось синтезировать «анилиновый красный», или фуксин (от названия красных цветков фуксии). При нагревании в запаянной трубке анилина C₆H₅NH₂ с дихлорэтаном СН₂Cl—СН₂Сl получилось вещество красного цвета, окрашивающее шелк и шерсть.

Тогда же было получено красновато-фиолетовое вещество, позднее названное мовеином (от фр. mauve — «мальва») за сходство с окраской цветов мальвы. Промышленное производство мовеина стало началом развития анилинокрасочной промышленности.

После открытия английским химиком Петером Гриссом в 1857 г. реакции диазотирования началось производство азокрасителей — самого многочисленного класса органических красителей. Грисс обнаружил, что при обработке ароматических аминов азотистой кислотой образуется неустойчивая диазониевая соль, а в результате её взаимодействия с некоторыми соединениями (фенолами, ароматическими аминами) появляются окрашенные продукты: однако, несмотря на впечатляющие успехи промышленного синтеза красителей, индиго всё ещё получали традиционным способом — из растительного сырья.

В 1866 г. к изучению «короля красителей» приступил Адольф Байер. Ему удалось установить молекулярное строение этого вещества и в 80-х гг. наладить его лабораторный синтез. И лишь в конце 90-х гг. XIX в. было начато промышленное производство индиго.

К началу XX в. было получено более 1200 синтетических органических красителей. К сожалению, их производство и в наши дни остаётся одним из самых загрязняющих окружающую среду, поэтому сейчас исследовательские работы в этой области направлены не на поиск новых красящих веществ, а на усовершенствование уже известных технологий.

Состав современных красок сложный. Помимо красящего пигмента и плёнкообразующего вещества в состав краски могут входить растворители, разбавители, сиккативы (вещества, ускоряющие высыхание лакокрасочных материалов) и другие вспомогательные компоненты. В зависимости от типа плёнкообразующего вещества краски делятся не следующие: масляные краски, эмалевые краски, эмульсионные краски и порошковые краски.

Связующие (плёнкообразующие) вещества являются важной составляющей лаков и красок. От их свойств в значительной мере зависит удобонаносимость малярных составов, а также скорость отвердевания, прочность и долговечность образовавшейся плёнки. Имеется, следовательно, определённая аналогия с ролью неорганических вяжущих, влияющих на тот же комплекс свойств в строительных растворах и бетонах. Свяжущие представляют собой или обработанные растительные масла (олифы), или синтетические высокомолекулярные соединения (синтетические и природные смолы и некоторые другие полимеры и сополимеры), а также неорганические вяжущие - известь, цемент, жидкое стекло и клей из природного сырья - животный клей, казеиновый клей и т.п.

Пигменты - это тонкодисперсные, нерастворимые в растворителях цветные порошки, иногда называемые сухими красками. Пигменты вводят в лакокрасочные материалы для придания покрытиям цвета и укрывистости, а также для улучшения их физико-механических и противокоррозийных свойств. Кроме того пигменты во многом являются аналогами заполнителей в растворах и бетонах и влияют на стоимость красочных составов.

Вспомогательные материалы - растворители, например: сольвентнафта, уайт-спирит, ацетон, ксилол и др. - это летучие жидкости, применяемые для растворения высоковязких плёнкообразующих материалов. Краска приобретает "рабочую вязкость" и становится удобной для нанесения на поверхность.

Пластификаторы добавляют к лакам, краскам и смолам для снижения их вязкости, придания покрытиям гибкости и эластичности. Обычно их вводят в количестве 20-50% от массы пленкообразующего вещества. Наиболее часто применяют сложные эфиры Фосфорной кислоты или касторовое масло (растительный продукт, получаемый при обработке семян клещевины).

Грунтовки наносят первым слоем, они обеспечивают сцепление всех последующих слоёв с основанием, например, с металлом.

Шпатлёвки наносят промежуточным слоем, предназначены они для заполнения различных неровностей окрашиваемой поверхности. В их состав входят недорогие наполнители тальк, мел и др.

Виды красочных составов.

Эмалевой краской (или сокращенно эмалью) называют композицию из лака и пигмента. Пленкообразующими веществами в эмалевых красках являются полимеры — глифталевые, перхлорвиниловые, алкидно-стирольные, синтетические смолы, эфиры, целлюлозы.

Строительные эмали из глифталевых смол чаще всего используют для внутренних отделочных работ по штукатурке и дереву, а также для заводской отделки асбестоцементых листов, древесно-волокнистых плит.

Нитроглифталевые и пентафталевые эмали применяют для внутренних и наружных малярных работ. Перхлорвиниловые эмалевые краски водостойки: их применяют преимущественно для наружной отделки. Битумную эмалевую краску получают, вводя в битумно-масляный лак алюминиевый пигмент (алюминиевую пудру). Эти эмали стойки к действию воды, поэтому их предназначают для окраски санитарно-технического оборудования, стальных оконных рам, решеток.

Силиконовые краски наносятся кистью, распылителем и др. Некоторые из них высыхают при комнатной температуре, другие — при нагревании до 260°С. На основе кремнийорганических смол получают также эмали общего назначения. Они представляют собой суспензию пигментов и наполнителей в кремнийорганическом лаке (с добавлением растворителя).

Эмали выпускают разных цветов, их используют в качестве защитных декоративных покрытий.

Эмали представляют собой взвеси тонко измельчённых пигментов в растворах лаков — плёнкообразующих веществ. Так называемые эмульсионные краски производят на основе водных дисперсий полимеров, например поливинилацетата, полиакрилатов, а порошковые краски— на основе сухих полимеров (полиэтилена, поливинилхлорида и др.), образующих при нагреве до определённой температуры прочные плёночные покрытия.

Масляные краски изготовляют на основе олиф — полимеризованных растительных масел (льняного, конопляного) или жидких алкидных смол.

Ежегодно в мире производится около 10 млн. тонн лакокрасочных материалов. Этого количества хватило бы для того, чтобы покрыть Землю по экватору красочным поясом шириной 2,5 км. О взрывчатых свойствах нитроцеллюлозы известно практически каждому школьнику. Но не все знают, что её применение началось благодаря перепроизводству взрывчатых веществ после первой мировой войны в автомобильной промышленности. При этом успешно была решена проблема утилизации опасного вещества (нитроцеллюлозы) и начато производство лакокрасочных материалов на основе нитроцеллюлозы для окраски автомобильных кузовов.

Обозначения лакокрасочных материалов.

Каждому лакокрасочному материалу присваивается обозначение, в котором отражены его свойства, назначение, рекомендуемые условия эксплуатации получаемых покрытий. Например, "Эмаль ХС-710 белая".

1 - наименование материала (эмаль, краска, лак и т.д.)

2- тип пленкообразующего материала (сокращенное обозначение)

АС - алкидно-акриловые

АУ - алкидно-уретановые

АЦ - ацетилцеллюлозные

АБ - ацетобутиратцеллюлозные

БТ - битумные

ВН - винилацетиленовые и девинилацетиленовые

ГФ - глифталевые

КФ - канифольные

КЧ - каучуковые

КП - копаловые

КО - кремнийорганические

КТ - ксифталевые

МС - масляно- и алкидно-стирольные

МА - масляные

МЛ - меламинные

МЧ - карбамидные

НЦ - нитроцеллюлозные

ПФ - пентафталевые

ХВ - перхлорвиниловые и поливинилхлоридные

АК - полиакриловые

ВЛ - поливинилацетальные

ВА - поливинилацетатные

ПИ - полиамидные

УР - полиуретановые

ПЛ - полиэфирные насыщенные

ПЭ - полиэфирные ненасыщенные

ХС - сополимеро-винилхлоридные

ВС - сополимеро-винилацетатные

ФА - фенолоалкидные

ФЛ - фенольные

ФП - фторопластовые

ФР - фуриловые

ХП - хлорированные полиэтиленовые

ЦГ - циклогексановые

ШЛ - шеллачные

ЭП - эпоксидные

ЭФ - эпоксиэфирные

ЭЦ - этилцеллюлозные

ЭТ - этрифталевые

ЯН - янтарные

НП - нефтеполимерные

ЖС - силикатные

3 - условия эксплуатации получаемых лакокрасочных покрытий, определяемые цифрами от 1 до 9:

- атмосферостойкие для наружных работ;

- ограниченно атмосферостойкие для внутренних работ;

- консервационные для временной защиты окрашиваемой поверхности в процессе производства, транспортирования, хранения изделий;

4 - водостойкие (стойкие к действию пресной и морской воды);

5 - специальные;

6 - маслобензостойкие (стойкие к воздействию минеральных масел, бензина, керосина и других нефтяных продуктов);

7 - химически стойкие к воздействию кислот, щелочей и других химических реагентов;

8 - термостойкие к воздействию повышенных температур;

9 - электроизоляционные (подвергаются действию электрических напряжений, тока и поверхностных разрядов);

0 - грунтовка;

00 - шпатлевка

4 - порядковый номер, присвоенный лакокрасочному материалу при его разработке, одна, две цифры;

5 - цвет лакокрасочного материала, обозначается полными словами.