1.1. Водные дисперсии полимеров
Полимеры в воде могут существовать в виде раствора или дисперсии. Для растворения в воде макромолекулы полимера должны содержать ионные группы (карбоксильные, аммониевые) или значительное количество неионных гидрофильных групп либо сегментов (гидроксильные, карбонильные, аминнные, амидные группы и/или полиэфирные цепи). Если гидрофильность полимерной молекулы недостаточна для образования истинных растворов (гидрозолей), несколько полимерных макромолекул ассоциируются в крупные агрегаты и образуют вторичные коллоидные системы - гидрогели. Еще более крупные агрегаты полимерных частиц образуют дисперсии (эмульсии). Основные свойства водных систем полимеров, используемых в технологических процессах, приведены в таблице 1.
Дисперсия - многофазная система, в которой по крайней мере одна фаза существует в виде микроскопических частиц (дисперсная фаза жидкая или твердая) внутри однородной фазы (дисперсионной среды - жидкой или газообразной). Дисперсии, у которых и дисперсионная среда, и дисперсная фаза жидкие, называются эмульсиями.
В водных дисперсиях полимеров дисперсная фаза состоит из сферических полимерных частиц диаметром менее 1 мкм, а дисперсионной средой является вода. Водные дисперсии полимеров представляют собой молочно-белые жидкости с различной вязкостью. В 1 мл дисперсии полимера содержится около 1015 частиц, каждая из которых состоит из 1-10 000 макромолекул, а каждая макромолекула включает около 108 блоков (мономерных единиц) .
Дисперсии полимеров термодинамически неустойчивы. Полимерные частицы имеют тенденцию к минимизации внутренней площади поверхности путем агломерации, коагуляции или оседания. Для предотвращения этих явлений используют разные стабилизаторы, но несмотря на это различные внешние воздействия (встряхивание, сильное перемешивание и т.п.) могут дестабилизировать дисперсии, что приводит к их коагуляции.
Таблица 1
Система | Внешний вид | Молекулярная масса | Размер частиц, мкм | Тип частиц | Добавка |
Раствор (гидрозоль) | Прозрачная жидкость | 20000 | 0,01 | Ионные молекулы | Нейтрализующий агент (амин, кислота) |
Вторичная коллоидная дисперсия | Почти прозрачная жидкость | 10000 | 0,1 | Клубок из большого числа молекул | Незначительное количество нейтрализующего агента |
Эмульсия (суспензия) | Жидкость от прозрачной до молочно-белого цвета | 20 000 — 50000 | 0,1 | Капли или гранулы | Эмульгатор |
Первичная дисперсия | Жидкость молочно-белого цвета | 100000 | 0,05—5 | Почти сферические полимерные частицы | Эмульгатор, стабилизатор |
Полимерные дисперсии делятся на первичные и вторичные. Первичные - получают полимеризацией мономеров в жидкой фазе (эмульсионная полимеризация в воде), вторичные - путем эмульгирования при перемешивании готового полимера, например раствора олигомерного пленкообразователя в жидкой среде.
Наибольший интерес для лакокрасочной промышленности представляют первичные дисперсии, получаемые методом эмульсионной полимеризации.
Наиболее распространенными пленкообразователями, используемыми в рецептурах ЛКМ, являются водные дисперсии акриловых сополимеров (чистые акрилаты), акрилстирольных сополимеров (стиролакрилаты), а также гомо - и сополимеров винилацетата (с этиленом, этиленвинилхлоридом, эфирами акриловой или метакриловой кислоты).
Другие водные дисперсии, например сополимеров стирола с бутадиеном и полиуретанов, практически не используют в рецептурах широко применяемых ВД-ЛКМ. Причиной этого являются низкая атмосфере-стойкость и сильное пожелтение покрытий на основе стиролбутадиено-вых сополимеров и высокая стоимость вторичных полиуретановых дисперсий.