Влияние пигментов на некоторые свойства пленок

Соотношение между связующим и пигментной частью в значительной мере определяет физико-механические и защитные свойства покрытия. Эту величину обычно характеризуют значением объемной концентрации пигмента (ОКП). Зависимость некоторых свойств пленок акрилатной дисперсионной краски от величины ОКП. При ОКП – 45% все характеристики претерпевают наибольшее изменение: резко возрастает паропроницаемость и падает прочность пленки. Это значение ОКП обычно называют «критическим» и обозначают КОКП.

По физическому смыслу точке КОКП отвечает превращение структуры пленки из замкнутой в открытую. Величина КОКП воднодисперсионных красок зависит от природы пленкообразователя и способности латексных частиц к коалесцепции, «смачиваемости» пигментной поверхности полимером, а также от формы и размера пигментных частиц. О зависимости величины КОКП от природы дисперсионного пленкообразователя и размера его частиц свидетельствуют данные, полученные Кирстом. Как правило, пластификация пленкообразователя приводит к повышению КОКП.

Для одной и той же краски величина КОКП, измеряемая по различным показателям, меняется в сравнительно небольших пределах. У большинства известных воднодисперсионных красок КОКП колеблется в интервале 0,35-0,50. Рецептуры этих красок составляются таким образом, чтобы ОКП была в пределах 80-95% от КОКП. Значение КОКП у красок растворного типа, как правило, гораздо выше, что является их принципиальным преимуществом.

Абсолютное значение КОКП в значительной мере характеризует равномерность распределения пигментных частиц в структуре пленки. Существенное влияние на характер такого распределения оказывает степень адсорбционной насыщенности поверхности глобул латекса и частиц пигмента поверхностно-активными веществами. Данные, полученные в работах, позволяют полагать, что при полной укрытости межфазной поверхности имеет место наиболее равномерное распределение частиц пигмента в латексной пленке. Напротив, эффект усиления проявляется в большей степени тогда, когда используются адсорбционно ненасыщенные дисперсии: в этом случае молекулы ПАВ не мешают сцеплению полимерных глобул с поверхностью пигмента. Однако ввиду значительной микронеоднородности получающихся при этом пленок в их состав удается ввести сравнительно небольшие количества пигментов. Отсюда следует, что если необходимо получить максимально усиленную латексную пленку, то нужно исходить из адсорбционно ненасыщенного латекса и использовать гидрофобный пигмент в сравнительно небольших количествах.

Если требуется ввести максимальное количество пигмента и получить хорошую укрывающую латексную пленку с обычным комплексом прочностных характеристик (что в технологии покрытий требуется чаще), то следует применять гидрофильный пигмент, адсорбционно насыщенный латекс и хорошо стабилизованную водную дисперсию пигмента (пасту). При рассмотрении пленкообразования из пигментированных воднодисперсионных систем появляются некоторые новые аспекты, на которых необходимо кратко остановиться.

В воднодисперсионной краске поверхность полимерной глобулы и пигментов находится в контакте с водной фазой, содержащей растворенные ПАВ (эмульгаторы, диспергаторы, и отчасти защитные коллоиды и загустители); кроме того, роль ПАВ играют и некоторые электролиты. Каждый из этих компонентов будет избирательно сорбироваться на межфазной границе глобула – вода и пигмент – вода в соответствии с правилом Гиббса. Поэтому на межфазной границе будет преимущественно сорбироваться тот компонент из жидкой среды, который обеспечивает наибольшее понижение свободной межфазной энергии. Однако после установления равновесия в краске будут оставаться различными по величине.

Присутствие пигмента (новой твердой фазы) оказывает большое влияние на закономерности пленкообразования из дисперсий вообще и из водных дисперсий в частности. Оставляя в стороне вопросы возможного химического влияния пигмента на пленкообразователь, остановимся лишь на некоторых моментах закономерностей коалесценции латексных частиц в присутствии частиц пигмента.

Характер контакта полимер – пигмент может быть двояким: полимер либо «смачивает», либо «не смачивает» пигментную поверхность. Термин «смачивание» здесь вполне уместен, поскольку в процессе пленкообразования полимерная глобула деформируется о частицу пигмента, так что происходит реальное взаимодействие силовых полей полимерных молекул и пигментной поверхности. Если допустить при данном схематическом изложении, что пленка формируется из системы, состоящей из одинакового количества равновели­ких частиц, то при одинаковом энергетическом эффекте контактов.

Когда все контакты равновероятны, пленка будет обладать так называемой нормальной неоднородностью. Однако этот случай в реальных системах встречается крайне редко. Чаще всего энергетически предпочтительными оказываются либо гомоконтакты, либо гетероконтакты. Поскольку гомоконтакты являются событиями попарно совместимыми, то в случае предпочтительности гомоконтактов имеем.

Здесь структурная неоднородность выше нормальной и может доходить до макронеоднородности (в частности, до появления флокулятов и агрегатов частиц пигментов). Такое положение наблюдается, когда полимер очень плохо смачивает пигмент, точнее, когда вода смачивает его лучше. Ввиду присутствия в системе ПАВ разница между смачивающей способностью воды и полимера может быть не слишком большой даже в системе неполярный полимер – гидрофильный пигмент. При этом в латексную пленку удается ввести сравнительно небольшое количество пигмента, а величина КОКП может составлять всего 5-10%. В этом случае пленка имеет наиболее однородную структуру. Примером таких систем могут служить саженаполненные латексные пленки.

Большое значение имеют и относительные размеры частиц пигмента и полимера. Если размер частиц пигмента принять равным 1 мк и допустить, что ниже КОКП все частицы покрыты слоем частиц пленкообразователя, то в системах растворного типа этот слой должен быть мопомолекулярным (5-10 А). Величина КОКП составит 63-72%, что отвечает случайной укладке частиц неправильной формы. Наоборот, если размер частиц пленкообразователя значительно превышает размер частиц пигмента, что встречается в некоторых реальных красочных системах, например в органодисперсиях, то КОКП находится вблизи такой величины, при которой глобулы полимера покрыты слоем частиц пигмента. В этом случае КОКП может быть даже ниже 10 %.

Для обычных латексных красок, имеющих размер полимерных частиц в среднем 0,2 мк, величина находится в пределах 0,1 -1,0, а определенная экспериментально величина КОКП – в пределах 45-50%. Это указывает на некоторую предпочтительность контактов однородных частиц. При использовании ультрадисперсных латексов и грубодисперсных пиг­ментов удается достигнуть значения КОКП 70%. В то же время КОКП красок, в которых размер частиц пленкообразователя велик (например, поливинилацетатные краски с размером полимерных частиц 0,5-10 мк), обычно не превышает 45%.

Все это указывает на то, что в красках дисперсионного типа не следует стремиться к применению ультрадисперсных пигментов, если это не диктуется особыми соображениями. Зато применение латексов с малыми размерами глобул всегда желательно. Использование этого принципа позволяет существенно повышать степень наполнения, а, следовательно, и кроющую способность красок. Это, в свою очередь, ведет к снижению стоимости окраски единицы поверхности.