Водно-дисперсійна фарба з максимально щільною упаковкою наповнювачів у покритті

Реферат: Водно-дисперсійна фарба містить плівкоутворювач, мінеральний наповнювач, пігмент білий у вигляді двоокису титану, диспергатор, загусник, коалесцент, піногасник і воду. Плівкоутворювач введений у вигляді водної дисперсії акрилового полімеру або стирол-акрилового співполімеру, а мінеральний наповнювач складається із суміші карбонатного наповнювача з середнім розміром, каоліну збагаченого. Додатково містить пігмент ультрамарин синій, пропіленгліколь, консервант тарний, консервант плівковий, модифікуючу та гідрофобізуючу добавку. UA 94677 U (54) ВОДНО-ДИСПЕРСІЙНА ФАРБА З МАКСИМАЛЬНО ЩІЛЬНОЮ УПАКОВКОЮ НАПОВНЮВАЧІВ У ПОКРИТТІ UA 94677 U UA 94677 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до виробництва лакофарбової продукції, а саме воднодисперсійних фарб, які використовуються для отримання захисно-декоративних покриттів на поверхні мінеральних матеріалів (скло, цегла, бетон, цементно-піщана штукатурка, ґрунтована поверхня металів тощо), деревини і деревинних матеріалів, гіпсокартонних і фіброцементних плит тощо. Отримані покриття можуть експлуатуватися всередині і зовні приміщень. Водно-дисперсійні фарби набувають все більшого розповсюдження на ринку України зважаючи на відсутність у складі шкідливих розчинників, зручність отримання покриттів та їх високі експлуатаційні властивості, легкість колірування та інші переваги порівняно з фарбами на органічних розчинниках. Значна роль у формуванні якості водно-дисперсійних фарб і покриттів належить мінеральним наповнювачам, які можуть частково замінювати дорогі пігменти, покращувати властивості фарб і покриттів, виконувати специфічні функції: регулювати реологічні властивості фарб, виступати армуючими елементами у покриттях тощо. Проведені нами попередні дослідження показали, що крейди і каоліни українських родовищ є перспективними мінеральними наповнювачами водно-дисперсійних фарб. Відомі водно-дисперсійні фарби [1], [2], [3], що містять водну полімерну дисперсію, наповнювач, пігмент, загусник, диспергатор, антисептик, коалесціюючу добавку, глибокопроникаючу добавку, піногасник і воду. Недоліком зазначених фарб є те, що вони містять як наповнювач тільки крейду марки ММС2, що не дозволяє отримати максимально щільну упаковку частинок у покритті, підвищує витрату плівкоутворювача, що необхідна для досягнення необхідних експлуатаційних властивостей покриття. Найближчим за технічною суттю є водно-дисперсійна фарба [4], що містить плівкоутворювач, карбонатний наповнювач у вигляді крейди природної збагаченої, пігмент у вигляді двоокису титану, загусник, антиспінювач і воду. Недоліком найближчого аналога є те, що карбонатний наповнювач містить тільки крейду марки ММС-2, що не дозволяє отримати максимально щільну упаковку частинок у покритті, підвищує витрату плівкоутворювача, що потрібна для досягнення необхідних експлуатаційних властивостей покриття, зокрема міцності плівок на розрив, стійкість до вологого стирання тощо. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення водно-дисперсійної фарби для отримання покриттів з підвищеними експлуатаційними властивостями покриттів (стійкість до волого стирання, міцність на розрив тощо). Технічний результат полягає в тому, що розроблено склад фарби із сумішшю карбонатних наповнювачів з різним середнім розміром частинок, які вводяться у визначеному співвідношенні, що є розрахунковою величиною і дозволяє створити максимально щільну упаковку частинок у покритті, тим самим підвищити їх експлуатаційні властивості (стійкість до волого стирання, міцність на розрив тощо). Крім того, фарба додатково містить пігмент ультрамарин синій, який дозволяє усунути небажаний жовтий відтінок природної крейди і каоліну та підвищити білизну отриманих покриттів, а також модифікуючу і гідрофобізуючу добавку, що дозволяє підвищити адгезію до мінеральних поверхонь, гідрофобність, стійкість до волого стирання. Наповнення фарби карбонатами і каолінами українського походження знижує її собівартість. Поставлена задача вирішується тим, що в водно-дисперсійній фарбі, що містить плівкоутворювач, мінеральний наповнювач, пігмент білий у вигляді двоокису титану, диспергатор, загусник, коалесцент, піногасник і воду, згідно з корисною моделлю, плівкоутворювач введений у вигляді водної дисперсії акрилового полімеру або стиролакрилового співполімеру, а мінеральний наповнювач складається із суміші карбонатного наповнювача з середнім розміром частинок 1,0-5,0 мкм і карбонатного наповнювача з середнім розміром частинок 0,5-2,0 мкм, які вводяться у визначеному співвідношенні, що є розрахунковою величиною і дозволяє створити максимально щільну упаковку частинок у покритті, та каоліну збагаченого, а також додатково містить пігмент ультрамарин синій, пропіленгліколь, консервант тарний, консервант плівковий, модифікуючу і гідрофобізуючу добавку у такому співвідношенні компонентів, мас. %: 1 UA 94677 U 5 10 15 20 25 30 35 40 плівкоутворювач у вигляді водної дисперсії акрилового полімеру або стирол-акрилового співполімеру 18,0-25,0 карбонатний наповнювач з середнім розміром частинок 1,0-5,0 мкм 15,0-30,0 карбонатний наповнювач з середнім розміром частинок 0,5-2,0 мкм 1,5-7,0 каолін збагачений 5,0-12,0 пігмент білий двоокис титану 5,0-17,0 пігмент ультрамарин синій 0,030-0,050 диспергатор 0,2-1,0 модифікуюча і гідрофобізуюча добавка 0,2-0,7 пногасник 0,3-0,6 загусник 0,2-0,4 коалесцент 0,6-0,9 пропіленгліколь 0,5-1,5 лонсервант тарний 0,1-0,3 консервант плівковий 0,01-1,0 вода решта. Для визначення оптимального складу водно-дисперсійної фарби та впливу наповнювачів і пігментів на властивості покриттів застосовано симплексно-решітковий метод математичного планування експерименту, зокрема D-оптимальний план Кіфера. Якість водно-дисперсійних фарб проявляється через властивості покриттів. Найбільш важливим параметром, який характеризує рецептуру фарби й отриманого покриття є об'ємна концентрація наповнювачів/пігментів (ОКП). Чим вище значення ОКП, тим менше плівкоутворювача і більше наповнювачів містить фарба. Критична об'ємна концентрація наповнювачів/пігментів (КОКП) досягається, коли плівкоутворювач у покритті ще повністю змочує частинки наповнювачів і заповнює всі проміжки між ними, що забезпечує отримання гладкого рівного покриття. При перевищенні КОКП властивості покриттів різко погіршуються: знижуються міцність на розрив, відносне видовження плівки при розтягуванні; підвищується пористість, паропроникність, знижується стійкість до вологого стирання тощо. Виходячи з цього, склад фарб розроблявся з ОКП 55-65 об. %, що є наближеним та незначно перевищує КОКП. Це сприяє утворенню максимально щільної упаковки частинок наповнювачів у покритті, зумовлює їх високі експлуатаційні властивості, знижує собівартість фарби. Дослідження властивостей розроблених водно-дисперсійних фарб і отриманих покриттів проводили згідно з українськими, міждержавними і міжнародними стандартами. Ступінь перетиру фарб визначали згідно з ISO 1524:2013; динамічну в'язкість - на віскозиметрі Брукфільда моделі DV-E при температурі (20±2) °С; масову частку нелетких речовин - згідно з ISO 3251:2008. Час і ступінь висихання покриття визначали згідно з ГОСТ 19007; покривність фарб інструментальним методом згідно з ГОСТ 8784; випробування на згин (навколо циліндричного стрижня) - згідно з ДСТУ ISO 1519:2001; міцність на розрив - згідно з ГОСТ 18299; адгезію до скла, бетону та інших мінеральних поверхонь - методом решіткових надрізів згідно з ISO 2409:2007; стійкість покриттів до статичного впливу води - згідно з ДСТУ ISO 2812-1:2001; блиск (під кутом 85°) - згідно з ISO 2813:1994; стійкість покриттів до вологого стирання (за втратою маси, на основі якої розраховують середнє значення втрати товщини покриття) - згідно з ISO 11998:2006. Білизну покриттів визначали за формулою Бергера, індекс жовтизни згідно з ASTM ЕЗ13. Для виготовлення водно-дисперсійної фарби використано такі матеріали: Плівкоутворювач: водна дисперсія акрилового полімеру (наприклад Acronal A754, виробництва компанії Basf) або стирол-акрилового співполімеру (наприклад Ucar DL 450 виробництва компанії Dow Chemical); карбонатні наповнювачі з різним середнім розміром частинок: тонкодисперсна природна крейда марки ММС-1 згідно з ГОСТ 12085-88 (наприклад виробництва ПАТ "НовгородСіверський завод будівельних матеріалів", середній розмір частинок 1,0 мкм); марки ММС-2 згідно з ГОСТ 12085-88 (наприклад виробництва ТОВ "Слов'янський крейдо-вапняний завод", середній розмір частинок 2,0 мкм); карбонатний наповнювач для норпластів (КНН) згідно з ТУУ 14.1-31054873-017:2011 (наприклад виробництва ТОВ "Слов'янська індустріальна спілка "Сода", середній розмір частинок 1,8 мкм); каолін збагачений: наприклад марок КС-1, КН-83, КНФ-86 (наприклад виробництва ТОВ "Проско Ресурси"); 2 UA 94677 U 5 10 пігмент білий двоокис титану (наприклад марки Crimea TiO x-230); пігмент ультрамарин синій; диспергатор наповнювачів і пігментів (наприклад натрієва сіль поліакрилової кислоти Axillat 32 S виробництва Hexion Speciality Chemicals BV); модифікуюча і гідрофобізуюча добавка метилсиліконат калію (ГКЖ-11 к, наприклад виробництва Запорізького ДП "Кремнійполімер"); коалесцент (наприклад дипропілен-гліколевий моно n-бутиловий ефір Dowanol DPnB); піногасник (наприклад Foamaster MO NXZ); загусник (наприклад гідроксиетилцелюлоза Cellosize QP 30000Н); консервант тарний (наприклад Mergal K14 виробництва Troy); консервант плівковий (наприклад Polyphase 899 виробництва Troy). Розроблено 7 складів водно-дисперсійних фарб з ОКП 60 об. % для внутрішніх та зовнішніх робіт, включаючи визначений за регресійним аналізом, склад яких наведено в табл. 1. Таблиця 1 Склад водно-дисперсійних фарб з ОКП 60 об. % для внутрішніх та зовнішніх робіт Компонент Плівкоутворювач (ст-ак. дисперсія Ucar DL 450) Карбонатний наповнювач для норпластів (КНН) Крейда ММС-2 Крейда ММС-1 Каолін КС-1 Каолін КНФ-86 Двоокис титану Ультрамарин синій Диспергатор Модифікуюча і гідрофобізуюча добавка Піногасник Загусник Коалесцент Пропіленгліколь Консервант тарний Консервант плівковий Вода Всього 1 Вміст компонента залежно від складу фарби, мас. % 2 3 4 5 6 7 22,00 22,00 22,00 22,00 22,00 22,00 22,00 26,05 21,86 22,20 21,44 19,04 18,79 4,45 7,00 5,00 0,041 0,20 3,74 10,00 7,50 0,039 0,24 3,80 8,00 10,00 0,037 0,27 23,11 2,89 8,00 10,00 0,037 0,27 3,66 6,80 12,83 0,035 0,29 3,26 8,00 15,00 0,033 0,33 3,21 7,00 17,00 0,032 0,37 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,30 0,30 0,88 0,50 0,20 0,01 решта 100,0 0,30 0,25 0,88 0,50 0,20 0,01 решта 100,0 0,30 0,30 0,88 0,50 0,20 0,01 решта 100,0 0,30 0,25 0,88 0,50 0,20 0,01 решта 100,0 0,30 0,30 0,88 1,00 0,20 0,50 решта 100,0 0,30 0,30 0,88 1,00 0,20 0,50 решта 100,0 0,30 0,30 0,88 0,50 0,20 0,01 решта 100,0 15 20 25 30 Карбонатні наповнювачі з різним середнім розміром частинок вводилися до воднодисперсійних фарб у чітко визначеному співвідношенні, що є розрахунковою величиною за розробленою математичною моделлю. Максимальна упаковка буде досягатися при чергуванні частинок великого і малого розміру в умовній матриці, при цьому їх співвідношення по кількості буде складати 1:1. Подальші розрахунки базуються на середньому розмірі частинок наповнювачів. Здійснені згідно з розробленою математичною моделлю розрахунки дозволили встановити такі співвідношення наповнювачів, які дозволяють отримати максимально щільну упаковку частинок у покритті. При сумісному застосуванні крейди ММС-2 та ММС-1 таке співвідношення складає 88,9:11,1 мас. %; частка загального об'єму зайнятого наповнювачами буде становити 69,8 %, об'єм вільного простору - 30,2 %. У випадку наповнювача КНН та ММС-1 таке співвідношення складає 85,4:14,6 мас. %; частка загального об'єму, який буде зайнятий частинками обох розмірів, буде становити 65,2 %, об'єм вільного простору - 34,8 %. У цьому випадку, карбонатні наповнювачі будуть створювати основний каркас мінеральної фази у покритті. Вільний об'єм, який буде утворюватися у проміжках, буде заповнюватися пластинчатими частинками каоліну та двоокису титану, які мають значно менший розмір. 3 UA 94677 U 5 Для підвищення білизни і зниження жовтизни покриттів, до складу всіх фарб додавали пігмент ультрамарин синій у кількості 0,11 % від маси наповнювачів, що дозволило підвищити на 6-8 одиниць білизну покриттів за Бергером. Фарби містять модифікуючу і гідрофобізуючу добавку у вигляді метилсиліконату калію (ГКЖ-11к) у кількості 0,50 мас. %. Властивості водно-дисперсійних фарб з ОКП 60 об. % для внутрішніх робіт та експлуатаційні властивості покриттів наведені в таблиці 2 і таблиці 3 відповідно. Таблиця 2 Властивості розроблених водно-дисперсійних фарб Показник Ступінь перетиру, мкм В'язкість за Брукфільдом (20 об/хв.), Па*с Час висихання до ступеня 3 при 20 °C, хв. Вміст сухих речовин, мас. % Значення показника для покриття складу залежно від фарби 1 2 3 4 5 6 7 60±10 50±10 5,8 6,4 6,0 6,1 5,7 5,7 5,6 56,9 58,1 58,4 30-35 55,0 55,7 56,7 56,8 Таблиця 3 Експлуатаційні властивості покриттів з водно-дисперсійних фарб з ОКП 60 об. % для внутрішніх і зовнішніх робіт Показник 2 Покривність, г/м Міцність на згин, мм Міцність плівки на розрив, МПа Адгезія до скла, бетону, цементно-піщаної штукатурки тощо, бал Стійкість до вологого стирання (втрата товщини покриття), мкм Білизна за Бергером, од. Індекс жовтизни за ASTM E313 Блиск під кутом 85°, од. Стійкість до статичного впливу води, Водопоглинання, мас. % за 24 год. Крайовий кут змочування, град 10 15 20 Значення показника для покриття залежно від складу фарби 1 2 3 4 5 6 7 250-260 210-220 150-155 150-155 135-140 115-120 100-110 1 1 1 1 1 1 1 8,63 8,40 8,50 8,65 8,05 7,74 7,53 1 1 1 1 1 1 1 5,8 5,6 4,8 5,0 4,8 5,5 5,7 58,2 63,0 70,5 70,1 73,5 74,1 75,0 8,5 7,7 6,5 6,8 5,7 5,2 4,8 6,0 6,3 7,2 7,6 8,1 8,4 8,6 Витримує, покриття без видимих ознак погіршення якості 10,6 12,0 11,1 12,2 10,8 11,4 11,0 88 91 90 92 89 85 87 Всі розроблені водно-дисперсійні фарби можуть застосовуватися для внутрішніх і зовнішніх стін і стель з бетону, цегли, піщано-цементної штукатурки, деревини, деревинних і гіпсокартонних плит. Запропоновані склади фарб дозволяють отримати покриття, стійкі до багаторазового вологого прибираннята миття з використанням миючих засобів і рекомендуються для приміщень з підвищеним експлуатаційним навантаженням. Фарби з ОКП 60 об. % знаходяться на рівні КОКП, тому утворюють покриття з рівнем блиску від 6,0 до 8,6 од (під кутом 85°), які відносяться до матових за класифікацією згідно з ДСТУ EN 13300:2012. Склад № 1 водно-дисперсійної фарби з ОКП 60 об. % має обмежене застосування як 2 фінішне покриття через невисоку білизну (58,2 од.) і низьку покривність (250-260 г/м ). Проте, висока адгезія до різних матеріалів (1 бал) дозволяє використовувати фарбу такого складу як ґрунтовку для пористих поверхонь з метою вирівнювання кольору і зниження її поглинальної 4 UA 94677 U 5 10 15 20 25 30 35 40 здатності перед нанесенням фінішного покриття. Фарба може бути використана для отримання фінішного покриття після забарвлення пігментними концентратами у темні кольори. Фарби складів № 1-4 призначені для сухих приміщень, в яких не відбувається значний перепад температур і вологості. Для приміщень з підвищеною вологістю (ванна кімната, кухня, неопалювана веранда, балкон тощо), а також поверхонь, на яких може відбуватися конденсація вологи (відкоси біля зовнішніх вікон та дверей, балкони тощо) необхідно застосовувати фарби складів № 5 і № 6, оскільки вони містять плівковий консервант, який захищає покриття від руйнування мікроорганізмами, що можуть розвиватися на зволоженій поверхні. Фарба складу № 6 може також використовуватися для зовнішніх робіт. Фарба складу № 5 може застосовуватися для отримання покриттів всередині і зовні приміщень. Склад фарби визначений із застосуванням симплексно-решіткового методу математичного планування експерименту, зокрема D-оптимального плану Кіфера, і є найбільш оптимальним серед представлених. Фарба дозволяє отримати покриття з компромісними властивостями, які мають високу білизну за Бергером (73,5 од), високу стійкість до вологого 2 стирання (втрата товщини покриття 4,8 мкм) при достатній покривності (135-140 г/м ) та міцності плівок на розрив (8,05 МПа). Відмітною особливістю покриттів є висока стійкість до вологого стирання. Втрата товщини покриття після 200 циклів вологого стирання згідно з ISO 11998:2006 становить 4,8 мкм. За цим показником покриття належить до 1-го найвищого класу згідно з ДСТУ EN 13300:2012, що дозволяє багаторазове вологе прибирання покриття та миття з використанням миючих засобів та робить його придатним для приміщень з підвищеним експлуатаційним навантаженням. Підвищення вмісту двоокису титану у фарбах складів № 6 і № 7 до 15,0 мас. % та 17,0 мас. % відповідно, призводить до підвищення білизни та покривності, проте знижує стійкість до волого стирання. Таким чином, водно-дисперсійній фарбі властиві прогнозовані експлуатаційні властивості покриттів, завдяки максимальній щільності упаковки частинок у покритті, що підвищує їх експлуатаційні властивості (стійкість до волого стирання, міцність плівок на розрив тощо), шляхом використання карбонатних наповнювачів з різним середнім розміром частинок, які вводяться у чітко визначеному за виведеними математичними формулами співвідношенні, та каоліну. Крім того, фарба дозволяє підвищити білизну отриманих покриттів, а також адгезію до мінеральних поверхонь, гідрофобність, стійкість до волого стирання. Використання наповнювачів вітчизняного виробництва знижує собівартість фарби. Це оптимізує склад воднодисперсної фарби, розширює спектр лакофарбових матеріалів і можливість їх вибору споживачами. Джерела інформації: 1. Патент України № 48618 на винахід "Воднодисперсна фарба" C09D 5/02, 15.08.2002; 2. Патент України № 12257 на корисну модель "Воднодисперсна фарба", C09D 5/02, опубл. 16.01.2006; 3. Патент України № 13391 на корисну модель "Воднодисперсна фарба", C09D 5/02, опубл. 15.03.2006; 4. Патент України № 36398 на винахід "Водно-дисперсійна фарба "АКВАГЕЛЬ" кл. C09D4/02, C09D5/02, опубл. 16.04.2001. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Водно-дисперсійна фарба, що містить плівкоутворювач, мінеральний наповнювач, пігмент білий у вигляді двоокису титану, диспергатор, загусник, коалесцент, піногасник і воду, яка відрізняється тим, що плівкоутворювач введений у вигляді водної дисперсії акрилового полімеру або стирол-акрилового співполімеру, а мінеральний наповнювач складається із суміші карбонатного наповнювача з середнім розміром частинок 1,0-5,0 мкм і карбонатного наповнювача з середнім розміром частинок 0,5-2,0 мкм, які вводяться у визначеному співвідношенні, що є розрахунковою величиною і дозволяє створити максимально щільну упаковку частинок у покритті, та каоліну збагаченого, а також додатково містить пігмент ультрамарин синій, пропіленгліколь, консервант тарний, консервант плівковий, модифікуючу і гідрофобізуючу добавку у такому співвідношенні компонентів, мас. %: плівкоутворювач у вигляді водної дисперсії акрилового полімеру або стиролакрилового співполімеру 18,0-25,0 карбонатний наповнювач з середнім розміром частинок 1,0-5,0 мкм 15,0-30,0 карбонатний наповнювач з середнім розміром частинок 0,5-2,0 мкм 1,5-7,0 каолін збагачений 5,0-12,0 5 UA 94677 U пігмент білий двоокис титану пігмент ультрамарин синій диспергатор модифікуюча і гідрофобізуюча добавка піногасник загусник коалесцент пропіленгліколь консервант тарний консервант плівковий вода 5,0-17,0 0,030-0,050 0,2-1,0 0,2-0,7 0,3-0,6 0,2-0,4 0,6-0,9 0,5-1,5 0,1-0,3 0,01-1,0 решта. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6