Окраска – традиционный, классический метод отделки поверхностей объектов строительства, конструкций, инженерных сооружений и др. Общим назначением всех лакокрасочных покрытий является защита поверхности изделия от внешнего воздействия (атмосферных воздействий, паров воды,
УФ-излучения) при одновременном придании этой поверхности определенного внешнего вида, цвета и фактуры.
Лакокрасочные покрытия (ЛКП) образуются в результате пленкообразования (отверждения, высыхания) лакокрасочных материалов (ЛКМ), нанесенных на поверхность.
Лакокрасочные материалы (ЛКМ) – это многокомпонентные составы, которые при нанесении тонким слоем на поверхность формируют покрытия с заданным комплексом свойств.
Основой любого лакокрасочного материала (ЛКМ) является пленкообразующее вещество, т.к. именно оно образует защитную пленку. В высококачественной краске его содержание должно быть не менее 30%. В состав ЛКМ могут также входить пигменты и наполнители до 25%, а также специальные добавки 5–7%. Для получения ЛКМ пленкообразующее вещество переводят в форму, удобную для нанесения на поверхность, т.е. в пленкообразующую систему. Такие системы представляют собой растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях или дисперсии связующих в воде.
Остановимся теперь поподробнее на каждом из компонентов, входящих в состав краски.
Вещество, которое после нанесения на поверхность в результате протекания химических или физических процессов образует сплошную пленку с хорошей адгезией к поверхности, способную выполнять защитные, декоративные и иные функции.
До XIX в. использовали природные пленкообразующие. Это были, в основном, растительные масла, подвергнутые специальной обработке, смолы природного происхождения, шеллак, копалы. В настоящее время используются синтетические пленкообразующие вещества. Примерами могут служить водные дисперсии – поливинилацетатные, акриловые, бутадиен-стирольные, алкидные смолы, уретан-алкидные, полиуретановые, эпоксидные и другие.
Водно-дисперсионные краски
Дисперсии или дисперсные системы – это композиции, состоящие из компонентов, не смешивающихся друг с другом. При этом один из них (дисперсная фаза) равномерно распределен в виде большого количества частиц малого размера в другом (дисперсионная среда). Дисперсии агрегативно неустойчивы вследствие высокой удельной поверхности частиц дисперсной фазы. В зависимости от того, в каком состоянии вещества находятся эти компоненты, дисперсии бывают разных видов. Например, пены – это дисперсии типа «газ в жидкости» (например, газированная вода), туман или облако – «жидкость в газе», дисперсии типа «твердое вещество в жидкости» представляют собой суспензии (например, мел в воде), а дисперсии типа «жидкость в жидкости» называются эмульсиями (например, масло в воде, молоко). В случае эмульсий дисперсной фазой является пленкообразователь, а дисперсионной средой – жидкость (вода, реже органические растворители), в которой пленкообразователь нерастворим.
Пленкообразователь, входящий в состав эмульсионных (дисперсионных) красок, может представлять собой грубую дисперсию с размером частиц 0,5–1,0 мкм, либо тонкую дисперсию с ультрамелкими частицами 0,01–0,03 мкм и частицами средних размеров 0,1-0,5 мкм. Такие системы еще называются латексами. Латексные краски, в отличие от грубодисперсных систем, отличаются повышенной стабильностью при хранении и обеспечивают получение более однородной и более укрывистой пленки при высыхании.
Так как в водно-дисперсионных ЛКМ частицы связующего диспергированы в воде, то по мере испарения воды они сближаются друг с другом и, в конечном итоге, сцепляются (слипаются) между собой, образуя пленку, которая обладает достаточной прочностью, эластичностью и определенной паропроницаемостью, в зависимости от назначения краски.
Таким образом, водно-дисперсионные материалы отверждаются за счет физического испарения воды.
Свойства водно-дисперсионных ЛКМ зависят от того, какие полимеры использовались в качестве связующего. Чаще всего водные эмульсии производят на основе поливинилацетатных (ПВА), акриловых, акрил-стирольных и бу тадиен-стирольных пленкообразователей.
До начала 90-х годов лакокрасочная промышленность в Советском Союзе, в основном, предлагала для применения в быту и строительстве краски на поливинилацетатной основе (ПВа). Покрытия на основе ПВА обладают очень низкой влагостойкостью и со временем начинают желтеть, поэтому их применяют только для внутренних работ, в помещениях с низкой влажностью.
Это является существенным недостатком красок такого типа, поэтому, несмотря на их низкую стоимость и простоту изготовления, они имеют достаточно узкую область применения. В настоящее время на российском рынке можно найти множество красок на основе ПВА-дисперсий, которые позиционируются в эконом-классе. Добавление акрилатных полимеров в краски на основе ПВАсвязующего несколько увеличивает водостойкость и износостойкость готовых покрытий. Но все же эти краски уступают краскам на акрилатной основе.
Бутадиенстирольные краски (Бс), также как и краски на ПВА, недорогие. Бутадиенстирольные дисперсии обладают хорошей водостойкостью.
Однако светостойкость у них еще хуже, чем у красок на основе ПВА, под воздействием света они желтеют. Это существенно ограничивает область их применения. Краски данного типа подходят для внутренних помещений.
Акриловые дисперсии более дорогие, но именно они существенно лучше «неакриловых» аналогов по своим потребительским свойствам и намного чаще используются для отделки интерьера. Эти краски обладают высокой адгезией ко многим материалам вследствие малых размеров диспергированных частиц, которые глубоко проникают в пористые подложки, тем самым укрепляя их. Акриловые краски позволяют получать эластичные долговечные покрытия с высокой стойкостью к мытью. Они прекрасно колеруются с получением до 15 000 различных цветов и оттенков.
Акриловые связующие обладают высокой атмосферостойкостью и стойкостью к УФ-излучению. Поэтому их используют не только для окраски интерьера, но и в высококачественных фасадных красках по дереву и каменным поверхностям.
Сегодня выбор водно-дисперсионных красок богат и по качественным, и по ценовым показателям.
Общим правилом можно считать, что чем ниже цена связующего, тем слабее качественные показатели готовой продукции.
Это проявляется в преждевременной потере покрытием своих первоначальных свойств, т.е. происходит отслаивание, заплесневение поверхности, потеря блеска, выцветание и др. сополимеры ПВа, такие как ПВа и этилен, ПВа и винилверсатат, позволяют получать краски, пленкообразование которых протекает без вспомогательных веществ (коалесцирующих добавок – летучих органических соединений, т.е. растворителей). Такие краски являются более экологичными по-сравнению с традиционными стирол-акриловыми материалами. Многие европейские компании, выполняя требования Директивы ЕС (Европейское Сообщество) по ЛОС (летучие органические соединения) выпускают воднодисперсионные краски, используя именно данные типы связующих. При этом свойства получаемых покрытий, такие как водостойкость, стойкость к УФизлучению, атмосферостойкость, практически не уступают стирол-акриловым краскам, но уступают краскам на чисто акрилатной основе.
Краски на растворителях
Масляные краски принадлежат к числу наиболее старых и хорошо известных ЛКМ. Масла по своей способности к высыханию в тонком слое делятся на высыхающие, полувысыхающие и невысыхающие.
Высыхающие: тунговое, конопляное, льняное.
Полувысыхающие: подсолнечное, кукурузное, соевое.
Невысыхающее: касторовое и др.
Лаковые пленки на основе растительных масел обладают недостаточным блеском, а также невысокой твердостью и прочностью. Для улучшения качества пленок масла подвергают различной обработке (оксидированию, полимеризации и т.д.), но в основном, в настоящее время лакокрасочные материалы, где масло является основным связующим, используют ограниченно.
Алкидные краски
Алкидные краски представляют собой раствор алкидной смолы в органическом растворителе. Алкидные смолы получают путем синтеза из многоатомных спиртов (глицерин, пентаэритрит) с многоосновными карбоновыми кислотами или их ангидридами и с растительными маслами. В зависимости от количества масла алкиды делятся на жирные, средние и тощие. Чем выше жирность (содержание масла) в алкидной смоле, тем эластичнее покрытие.
Варьируя состав модификаторов и их количество в рецептуре алкида, возможно целенаправленно изменять свойства краски в широких пределах.
После высыхания алкидные краски образуют достаточно прочную пленку, стойкую к воздействию агрессивных сред. По сравнению с масляными красками ЛКМ на алкидной основе значительно быстрее высыхают, а также отличаются повышенной твердостью, стойкостью к атмосферным воздействиям, покрытие легко моется при загрязнении. К недостаткам алкидных материалов, по сравнению с акриловыми водоразбавляемыми материалами, относятся низкая паропроницаемость, наличие запаха (пока покрытие не высохнет) и более продолжительное время высыхания – около 3–6 часов до отлипа и примерно сутки до готовности к эксплуатации.
В алкидных красках покрытие формируется за счет химической реакции окисления (окислительной полимеризации) под действием кислорода воздуха.
Ненасыщенные двойные связи масел, если они не провзаимодействовали и остались в покрытии, повышают склонность алкидных покрытий к старению и ухудшают светостойкость.
Уретан-алкиды. При модификации алкидов изоцианатными группами получают алкидно-уретановые связующие. ЛКМ на их основе обладают повышенной износостойкостью, устойчивостью к воздействию влаги и агрессивных химических соединений по сравнению с простыми алкидами.
Отверждение покрытий на основе уретан-алкидного связующего происходит на воздухе также за счет окислительной полимеризации по двойным связям жирнокислотных остатков.
Полиуретановые материалы обладают самой высокой, из указанного ранее ряда связующих, атмосферостойкостью и имеют повышенную твердость, сохраняя при этом высокую эластичность, что характерно только для этого класса полимеров. Они широко применяются для окраски самолетов, транспорта, промышленного оборудования, металлоконструкций, а также для окраски полов.
Пигменты – тонкодисперсные цветные порошки, нерастворимые в воде, растворителях и пленкообразующих, которые придают покрытию цвет, укрывистость, улучшают его прочностные, эксплуатационные и антикоррозионные свойства, а также защищают от УФ-излучения.
Пигменты бывают органическими и неорганическими.
Неорганические пигменты подразделяются на природные (умбра, охра, киноварь, сажа) и синтетические (диоксид титана ТiO2, соли металлов, металлические порошки и др.).
Органические пигменты – это синтетические красящие вещества различного химического строения. Органические пигменты, в отличие от неорганических, не обладают защитными свойствами, они являются чисто декоративными пигментами. Яркие, чистые, насыщенные цвета органических пигментов создают широкую гамму цветов, которую не удается воспроизвести, используя неорганические пигменты. Органические пигменты, в основном, не являются светостойкими. Этим объясняется тот факт, что в фасадных красках органические пигменты применяются весьма ограниченно.
Органические пигменты обладают меньшей укрывистостью, чем неорганические. Самой большой укрывистостью обладает белый неорганический пигмент диоксид титана TiO2.
Наполнители – инертные минеральные вещества, нерастворимые в воде, растворителях и пленкообразующих. Наполнители вводят для наполнения системы (увеличения сухого остатка). Они улучшают вязкость, розлив ЛКМ, повышают прочность, влаго-, свето-, термостойкость и другие свойства покрытия.
В качестве наполнителей используют природные, например, мел, кальцит, мраморная крошка, слюда, тальк, каолин, и синтетические – оксид алюминия, сульфат бария.
В отличие от пигментов, наполнители не придают покрытию цвет и укрывистость. Укрывистость краски обеспечивается за счет разницы в коэффициентах преломления между пленкообразующим и пигментом. Чем больше разница, тем больше укрывистость. Разность в коэффициентах преломления между наполнителем и пленкообразующим веществом недостаточна для значительного влияния на укрывистость пленки. Однако в красках экономкласса, при малом количестве полимерного пленкообразователя, наполнитель оказывает существенное влияние на показатель укрывистости, так как полностью не смачивается пленкообразователем.
Наполнители значительно дешевле пигментов, поэтому их часто добавляют для экономии пигментов и снижения стоимости ЛКМ. Иногда содержание наполнителей значительно превосходит показатели ГОСТа.
Летучие органические жидкости, которые растворяют пленкообразователи, снижают вязкость ЛКМ и способствуют лучшему нанесению, смачивают окрашиваемую поверхность и способствуют формированию пленки краски (равномерность пленки, внешний вид и др.).
растворители и разбавители:
Отличие растворителя от разбавителя:
Растворитель – растворяет связующее и понижает вязкость.
Разбавитель – не растворяет связующее, но понижает вязкость.
При использовании растворителя/разбавителя неправильного типа краска может стать непригодной для применения.
Самым распространенным органическим разбавителем для ЛКМ является уайт-спирит, который также может быть растворителем для алкидов. Уайтспирит (Нефрас-С4-155/200) – высококипящая фракция бензина. В зависимости от марки, уайт-спирит содержит 16–17% ароматических углеводородов.
Помимо этого производятся очищенные от ароматических углеводородов деодорированные уайт-спириты (без запаха). Уайт-спирит относится к 4-му классу опасности по отношению к человеку, т.е. наименее опасный по сравнению с другими растворителями.
Вредные факторы растворителей:
– вредные для здоровья (при вдыхании, при глотании и попадании на кожу);
– являются горючими жидкостями;
– отрицательно воздействуют на окружающую среду и др.
Функциональными добавками являются компоненты ЛКМ, которые вводят в рецептуры с целью выполнения определенных функций, не совпадающих с функциями пленкообразующих веществ, пигментов, наполнителей и растворителей.
Задачи, решаемые с помощью добавок, весьма разнообразны:
В зависимости от типа лакокрасочные материалы подразделяются на лаки, эмали, масляные краски, краски на водных эмульсиях, грунтовки и шпатлевки и др.
Лаки – это растворы природных или синтетических пленкообразующих в органических растворителях или воде. В их состав могут входить пигменты, красители, сиккативы, пластификаторы, пеногасители, матирующие добавки и другие компоненты. Лаки могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве полуфабрикатов для получения эмалей. После высыхания лаки образуют прозрачную или лессирующую однородную пленку.
Эмали – это дисперсии пигментов и наполнителей в лаках. После высыхания эмалей образуются однородные непрозрачные пленки
Масляные краски – в отличие от эмалей получают на основе натуральной или синтетической олифы. Они также содержат минеральные пигменты, наполнители, пластификаторы, матирующие добавки и другие компоненты.
Алкидные краски – связующим для алкидных материалов является алкидная смола. Алкидными смолами называются модифицированные полиэфиры разветвленного строения. Наиболее часто используются алкиды, модифицированные растительными маслами (льняным, тунговым, подсолнечным, рапсовым и др.).
Краски на водных эмульсиях получают на основе поливинилацетатных, акриловых, акрил-стирольных и других эмульсий с добавлением пигментов, наполнителей, эмульгаторов, диспергаторов и других добавок.
Краски, также как и эмали, образуют непрозрачную однородную окрашенную пленку.
Грунтовки – лаковые грунтовки готовят на основе лаков, водные – на основе эмульсий и дисперсий.
В состав грунтовок входят пигменты, наполнители, пластификаторы, сиккативы, поверхностно-активные вещества и специальные добавки.
Грунтовки образуют нижние слои покрытий с хорошей адгезией к подложке, создавая надежное сцепление верхних слоев покрытия с окрашиваемой поверхностью. Кроме того, они закрывают поры материала, выравнивают впитывающую способность подложки, создают однородную поверхность перед окраской, сокращают расход финишных материалов, а также защищают металл от коррозии.
Шпатлевки – это высоконаполненные густые пастообразные материалы, которые готовят на основе лаков, водных эмульсий, дисперсий. Содержание пигментов и наполнителей в шпатлевках в несколько раз превышает содержание пленкообразующего вещества. Шпатлевки предназначены для заполнения впадин и неровностей на поверхности перед ее окраской и создания хорошей основы для последующих слоев ЛКМ.
Сухой остаток
Сухой остаток (массовая доля нелетучих веществ) – это то количество краски, которое остается после испарения растворителей или разбавителей.
Этот параметр определяется как отношение массы сухого ЛКМ к массе исходного ЛКМ.
Укрывистость
Под укрывистостью понимают то количество ЛКМ, необходимое для того, чтобы скрыть цвет или цветовые различия подложки, или же площадь, которую можно покрыть 1 л краски. При этом краска должна на 98% укрывать подложку, окрашенную черными и белыми полосами либо квадратами.
Укрывистость определяют по методу «шахматной доски», либо путем сравнительного измерения отражения света от покрытия ЛКМ, который наносится на черную и белую подложку (карты Ленета) одной толщиной.
Укрывистость зависит от оптических свойств пигмента, его дисперсности и объемной концентрации в связующем, химического состава пленкообразующего. На практике укрывистость связана с таким понятием, как расход краски. Величина расхода будет больше укрывистости, т.к. расход не является постоянной величиной и зависит от пористости подложки, способа нанесения краски и др.
Время и степень высыхания – время, за которое слой материала определенной толщины, нанесенный на поверхность, достигает необходимой степени высыхания при заданных условиях сушки. Различают четыре степени высыхания:
1 – высыхание от пыли (момент, когда на поверхности образуется тончайшая пленка, с которой можно сдуть пыль);
2 – высыхание на отлип (пленка утрачивает липкость и изделие может подвергаться дальнейшим операциям без повреждения пленки, например, его можно переносить);
3 – время нанесения 2-го слоя;
4 – полное высыхание (окончательное формирование пленки на поверхности с полным набором эксплуатационных свойств).
Тиксотропность – это свойство краски менять свою вязкость при приложении напряжения сдвига. В состоянии покоя тиксотропные краски являются желеобразными, т.е. нетекучими. После тщательного перемешивания краски повышается ее текучесть, что позволяет легко наносить краску на поверхность. В тонком слое структура краски быстро восстанавливается, краска НЕ СТЕКАЕТ С ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, НЕ ДАЕТ ПОДТЕКОВ и образует ровное однородное покрытие.
Влияние содержания тиксотропной добавки, например, Tixogel, на текучесть краски приведено ниже.
Адгезия – это способность ЛКМ к прилипанию или прочному сцеплению с окрашиваемой поверхностью. Величина адгезии влияет на механические, защитные и другие свойства покрытия.
Адгезия определяется по методу решетчатых надрезов и оценивается в баллах от 0 до 4 по стандарту
ISO или от 1 до 5 по ГОСТ.
0 – нет отслаивания покрытия;
1 – незначительное отслаивание покрытия в виде мелких чешуек в местах пересечения линий решетки, нарушение наблюдается не более, чем на 5% поверхности решетки;
2 – отслаивание покрытия в местах пересечений линий решетки, нарушение наблюдается не более, чем на 15% поверхности решетки;
3 – частичное или полное отслаивание покрытия вдоль линий надрезов решетки или в местах их пересечения, нарушение наблюдается не менее, чем на 5% и не более, чем на 35% поверхности решетки;
4 – полное отслаивание покрытия или частичное, превышающее 65% поверхности решетки.
Поверхность, у которой адгезия старой краски соответствует 3 и 4 баллам, нельзя окрашивать новой краской напрямую, т.к. новый слой краски будет отслаиваться вместе со старым слоем. Перед окрашиванием старую, плохо держащуюся краску необходимо удалить.
Стойкость к мытью – устойчивость пленки к мокрому истиранию (число проходов щетки; за один проход щетки принимается возвратно-поступательное движение вперед-назад). Это свойство очень важно для интерьерных водно-дисперсионных красок.
Стойкость к мытью у водно-дисперсионных красок зависит от типа пленкообразующего вещества и от содержания его в краске. Чем больше пленкообразующего, тем лучше у краски моющие свойства при одном и том же пленкообразующем.
Водостойкость – способность покрытия выдерживать статическое действие воды без изменения свойств. Это свойство очень важно для фасадных материалов.
Износостойкость – способность покрытия выдерживать различные механические нагрузки без изменения механических и других свойств. Например, таким свойством должны обладать краски и лаки для пола.
Морозостойкость – способность ЛКМ сохранять свои свойства после нескольких циклов замораживания-оттаивания. Это касается водных материалов при хранении и транспортировке при отрицательных температурах.
Необходимо отметить, что высококачественные водно-дисперсионные материалы не производят морозостойкими. Объясняется это тем, что для получения морозостойкой краски в ее состав вводят специальные добавки, которые впоследствии ухудшают качество готового покрытия. Морозостойкими изготавливают ЛКМ, в основном, эконом-класса.
Термостойкость - предельно допустимая температура, при которой покрытие сохраняет способность выполнять свои функции в течение определенного времени. Например, алкиды выдерживают температуру 90–120оС, а акрилаты – 80-85оС. Поэтому акрилатные краски можно использовать для окрашивания батарей водяного отопления, наружных стен каминов. При этом не происходит изменения цвета покрытия под действием высоких температур, в отличие, например, от алкидных материалов, которые желтеют
при нагревании.
Химстойкость – способность покрытия сохранять свои свойства при воздействии различных химических веществ.
Атмосферостойкость – способность покрытия сохранять свои защитные и декоративные свойства в течение продолжительного времени в атмосферных условиях. Количественно тмосферостойкость выражают сроком службы покрытия в годах, месяцах. Срок службы зависит от климатических и специфических условий местности. К видам разрушений, связанным с потерей декоративных свойств покрытий относятся: потеря блеска, изменение цвета, белесоватость и грязеудержание. Акрилатные краски обладают высокой атмосферостойкостью, в отличие от алкидных. Они сохраняют свой цвет и блеск практически без изменений в течение длительного времени.
Поэтому акрилатные краски очень хорошо подходят для окрашивания деревянных и каменных фасадов. Алкидное связующее постепенно разрушается под действием УФ-излучения. Покрытие теряет блеск, изменяет цвет, начинает «мелить» и, в конечном итоге, отслаивается от поверхности.
Блеск – это степень отражения падающего света от поверхности под определенным углом (обычно 60о).
Если свет падает на поверхность, окрашенную совершенно глянцевой краской, он отражается в глазах зрителя почти на 100%. В свою очередь, на совершенно матовой поверхности лучи света отражаются в разных направлениях хаотично и поглощаются поверхностью.
Согласно стандарту SFS 3632 блеск измеряется под углом 60о и подразделяется на 6 групп:
Полуматовые, полуглянцевые и глянцевые поверхности отлично подходят для кухонных помещений, рабочих кабинетов и офисов, т.к. блеск создает атмосферу динамичности.
Влияние блеска на цвет особенно заметно на темных, глубоких цветах.
Блестящие темные цвета более интенсивны, более насыщенны, чем матовые.
Цвет – это физиологическое ощущение или восприятие при взгляде на покрытие, на которое падает свет.
Цвет можно рассматривать только в связи с нашим глазом, который воспринимает его с помощью света, слепой человек не может увидеть цвета предметов.
В настоящее время для получения цветных красок используют компьютерную (аппаратную) колеровку или ручную тонировку.
Разница между ручной тонировкой и компьютерной колеровкой заключается в способности точно воспроизвести цвет.
Ручная тонировка подразумевает добавление колеров или пигментных паст в краску непосредственно на месте ее использования путем смешивания.
Для получения определенного цвета используются таблицы, в которых указываются пропорции добавления колеров. При таком способе колеровки практически невозможно повторно воспроизвести исходный цвет. Нет никакой гарантии совместимости пигментов с латексом (это может привести к коагуляции латекса), и есть возможность получения неравномерного оттенка.
Компьютерная колеровка заключается в использовании базовых красок, свойства которых постоянно регулируют и контролируют. Пигментные пасты, которые используются для колеровки, имеют стабильный контролируемый тон и красящую способность. Кроме того, каждый цвет имеет свою определенную рецептуру. Дозирование пигментных паст происходит не вручную, а с помощью специальных дозирующих установок. После дозировки пигментных паст краску с пастами перемешивают смесителем в однородный состав. Все это гарантирует точное воспроизведение цвета.
Защитные свойства пленки проявляются, в основном, тогда, когда толщина ЛКП составляет 60–100 мкм (не менее 50 мкм). ЛКМ наносят, как правило, несколькими слоями толщиной 10–25 мкм и сушат после нанесения каждого слоя.
При нанесении одного утолщенного слоя невозможно получить ЛКП с хорошими защитными свойствами, т.к. затрудняется улетучивание растворителя и другие процессы пленкообразования (покрытие может получиться с подтеками и наплывами), а в процессе эксплуатации возникают высокие внутренние напряжения, которые отрывают пленку краски от подложки.