Среди современных лакокрасочных материалов водные системы занимают по объему выпуска одно из ведущих мест в лакокрасочной промышленности и являются наиболее перспективными экологически чистыми материалами для отделки изделий из древесины.

 

Первыми водными составами на основе синтетических пленкообразующих, нашедшими практическое применение для получения защитно-декоративных покрытий, были воднодисперсионные краски на основе латексов, которые примерно с 1940 года начали использоваться в Германии. Для отделки древесины и как пропиточные составы водные материалы используются давно и в больших масштабах. Значительно труднее шел процесс их внедрения в мебельную отрасль, где они стали применяться лишь с середины 70-х годов прошлого столетия. Переходу на эти материалы в ряде стран, имеющих современные лакокрасочные и мебельные производства, в значительной степени способствовали введение жестких норм для промышленных предприятий по ограничению газовых выбросов, а также причины экономического характера, связанные с ростом цен на сырье.

В то время как во многих странах водоразбавляемые лакокрасочные материалы внедряются в мебельную промышленность во все больших масштабах, в России они пока не нашли применения. Возможно, причины недостаточного внимания к ним кроются в отсутствии отечественного производства качественных компонентов для этих композиций, относительно высокой стоимости импортных материалов, а также ограниченном количестве информации, позволяющей оценить целесообразность применения водных материалов на отечественных производствах.

Цель данной публикации – восполнить недостаток информации. Мы постараемся дать характеристику водоразбавляемым лакокрасочным материалам, рассказать об их составе, свойствах покрытий из них, а также о преимуществах и недостатках водных ЛКМ по сравнению с органорастворимыми системами, применяемыми для отделки изделий из древесины, в том числе мебели.

В водоразбавляемых материалах полимеры могут находиться либо в полностью растворенном виде, либо как дисперсная фаза в воде. Для получения растворов полимеры должны содержать группы, обеспечивающие их полную растворимость в воде – при недостаточной растворимости полимерные молекулы могут агрегировать и образовывать коллоидные дисперсии. Наряду с дисперсиями, получаемыми чаще всего путем диспергирования, или растворения, полимеров, существуют также дисперсии, образующиеся при эмульсионной полимеризации, в процессе которой эмульсия мономера в воде превращается в тонкую дисперсию полимера (латекс). 

Водоразбавляемые лакокрасочные материалы, представляющие собой растворы пленко­образующих веществ в воде, могут изготавливаться из олигомеров, содержащих функциональные группы, которые переводятся в водорастворимое солеобразное состояние под действием соответствующих нейтрализующих агентов. Например, при введении в структуру олигомеров свободных кислотных или аминных групп с последующей нейтрализацией их щелочью или кислотой. Так, тощие и средние карбоксилсодержащие алкиды широко используются как полностью растворимые в воде смолы. В них нейтрализация аммиаком или амином и добавление воды могут осуществляться уже на стадии производства лакокрасочных композиций. На основе таких полимеров в настоящее время выпускают водные алкидные материалы промышленного назначения для древесины, высыхающие за счет окисления при воздушной сушке.

Лаки кислотного отверждения, в которых аминоформальдегидная смола переведена в водорастворимое состояние, ранее часто использовались для получения прозрачных малогорючих, устойчивых к растрескиванию и действию воды покрытий по древесным подложкам. Однако наличие свободного формальдегида, высокое содержание спирта, трудоемкая очистка оборудования и другие факторы существенно снизили интерес к этим материалам.

Широкое промышленное применение для отделки поверхности древесины нашли лакокрасочные материалы, содержащие дисперсии пленкообразующих веществ. Они имеют ряд ценных преимуществ перед органоразбавляемыми лакокрасочными материалами, главное из которых заключается в отсутствии или незначительном содержании летучих органических растворителей. Обладая пониженной токсичностью и пожаро­опасностью, они обеспечивают более благоприятные условия труда, снижают требования к пожаро- и взрывоопасности помещений. Современные водные лакокрасочные материалы для мебели имеют также удовлетворительную скорость высыхания, отличные декоративные и физико-механические свойства покрытий, срок службы которых достигает 10 лет.

Главным компонентом воднодисперсионных лакокрасочных материалов является водная дисперсия, представляющая собой дисперсную фазу, состоящую в основном из сферических полимерных частиц диаметром до 1 мкм и находящуюся в дисперсионной среде, которой является вода. Если требуются высокая проникающая способность или улучшенный внешний вид покрытия, применяют очень тонкие дисперсии с размером частиц от 0,04 до 0,1 мкм. 

Первичные полимерные дисперсии получают эмульсионной полимеризацией, которую упрощенно можно представить следующим образом. Мономеры вводятся в водный раствор эмульгатора, инициатора полимеризации и других добавок. Смесь диспергируется, и при нагревании до температуры реакции инициатор образует радикалы, которые инициируют полимеризацию молекул эмульгированного мономера. В процессе реакции, по мере убывания мономера, первичные частицы вырастают до размеров латексных частиц с образованием водной дисперсии. В зависимости от способа проведения процесса можно из одних и тех же мономеров получать конечный продукт с различными свойствами. Например, применение ступенчатой полимеризации для акриловых мономеров позволяет существенно улучшить такие свойства, как прозрачность и стойкость к действию реагентов.

Вторым важнейшим компонентом водной композиции является сама вода, обладающая рядом специфических свойств, которые существенно отличают ее от стандартных органических растворителей. Одна из самых серьезных проблем, связанных с применением воды, – это взаимодействие ее с поверхностью древесины (особенно со шпоном). В отличие от воды, органические растворители в гораздо меньшей степени впитываются древесиной. Обладая высокой диэлектрической проницаемостью и способностью образовывать с самой собой и другими соединениями водородные связи, вода имеет поверхностное натяжение, значительно превосходящее этот показатель для органических растворителей (в 3,1 и в 3,3 раза выше, чем у ацетона и этанола соответственно). Этот неблагоприятный фактор чаще всего проявляется при нанесении лакокрасочных материалов (ухудшенный розлив, разнотолщинность, возможность появления мелких точек и пузырей на поверхности).

Отличительной особенностью водных лакокрасочных материалов является низкая скорость испарения воды, что приводит к более медленному нарастанию вязкости по сравнению с обычными органорастворимыми ЛКМ. Это свойство может быть использовано при применении водных лаков на автоматических распылительных установках, где такие показатели, как нарастание вязкости в процессе работы и жизнеспособность материала, играют большую роль при формировании покрытия. 

Формирование это происходит следующим образом. При испарении воды после нанесения лакокрасочного материала полимерные частицы начинают сближаться друг с другом. Затем, при капиллярном давлении порядка 1 МПа и более, жидкая фаза выталкивается и происходит слияние (коалесценция) полимерных частиц. Выделяющаяся при этом поверхностная энергия лежит в основе второй (после капиллярных сил) движущей силы коалесценции для получения сухо­го покрытия. В любом случае предпосылкой для слияния частиц является способность полимерных молекул диффундировать внутрь соседних полимерных частиц. Чаще всего приводится более простое описание процесса формирования покрытий с применением водных дисперсий. Процесс этот состоит из трех стадий. На первой – резкое повышение вязкости и образование геля; на второй – дальнейшее удаление воды и разрушение адсорбционно-гидратных оболочек частиц и их деформация; на третьей – полимерные частицы сливаются в точках соприкосновения, образуя сплошное необратимое покрытие.

Дисперсии полимеров термодинамически неустойчивы, имеют тенденцию к агломерации и оседанию, могут заражаться микроорганизмами (бактериями, грибами, плесенью, дрожжевыми грибами), многие из них также способны вспениваться при перемешивании. Поэтому, кроме пленкообразователей, в состав водных композиций (лаков, красок, грунтов и т.д.) входят отвердители, эмульгаторы, стабилизаторы, поверхностно-активные вещества, а также пигменты, наполнители и другие добавки. Принципы составления рецептур водоразбавляемых лакокрасочных материалов в основном те же, что и для обычных систем, содержащих растворители. Тем не менее, имеется ряд характерных отличий, относящихся к пригодности отдельных компонентов для применения в композициях, содержащих воду.

Водоразбавляемые материалы обычно содержат небольшое количество растворителя, который позволяет регулировать некоторые их свойства (чаще всего технологические характеристики). Например, для регулирования температуры сушки и улучшения пленкообразования при низких температурах и особенно на пористых подложках для акриловых систем применяют низколетучие коалесцентные добавки, которые должны обладать малой, но все же достаточной скоростью испарения. Они выполняют функцию временных пластификаторов, понижая температуру стеклования. После образования покрытия они медленно диффундируют к ее поверхности и испаряются, что приводит к повышению температуры стеклования до первоначального значения. В качестве коалесцирующих добавок обычно используют различные простые и сложные эфиры гликолей. При необходимости в водоразбавляемые материалы вводят истинные пластификаторы, которые остаются в покрытии и постоянно влияют на его свойства. 

Большинство дисперсий обладает слишком низкой вязкостью, поэтому их реологические характеристики необходимо корректировать путем введения загустителей или тиксотропных добавок. Для этого, помимо традиционных производных целлюлозы, применяются разные синтетические продукты и неорганические вещества. 

Существенным недостатком водоразбавляемых композиций часто является склонность к пенообразованию. Для разрушения пены на поверхности жидкости, а также для быстрого удаления из покрытия воздуха, попавшего туда при нанесении, используют главным образом пеногасители на ос­нове минеральных масел, а также более дорогие – на основе полисилоксанов. 

Воднодисперсионные лакокрасочные материалы представляют собой, как уже говорилось, идеальную среду для развития грибков, водорослей и бактерий. Чем ниже в них содержание остаточных мономеров и органических растворителей, имеющих антимикробное действие, тем выше риск микробного загрязнения. В емкостях для хранения это может привести к разрушению дисперсии, появлению плесени, изменению реологических характеристик и т. д. Кроме того, ряд признаков микробиологической атаки может проявляться и в сформированных покрытиях. Это обрастание водорослями или грибками, изменение окраски, растрескивание. Поэтому во многие материалы вводят биоциды – вещества, защищающие покрытия от разрушения грибками и микроорганизмами, а также предотвращающие биологическое разложение древесины.

Пигментирование и наполнение водоразбавляемых систем практически не отличается от приемов, используемых для традиционных материалов, содержащих органические растворители. Однако при разработке рецептур следует учитывать наличие в наполнителях и пигментах водорастворимых примесей, так как слишком высокое их содержание может привести к коагуляции связующего при хранении, образованию пузырей при воздействии на покрытие влаги.

Обзор лакокрасочных композиций на основе водных дисперсий полимеров, применяемых в настоящее время для отделки мебели, показывает, что наибольшее распространение нашли материалы, содержащие полиакрилаты и их сополимеры, получаемые методами эмульсионной полимеризации. Последние поколения акриловых дисперсий имеют  улучшенные стабильность и растекаемость, быстрее отдают воду. Например, поли(мета)крилаты отличаются высокой атмосферостойкостью, стойкостью к действию УФ-излучения, хорошей водостойкостью и устойчивостью к пожелтению. Возможно получение сополимеров с заданной жесткостью, гибкостью и твердостью. А сочетание вышеописанных свойств со стойкостью покрытий к действию щелочей, кислот и воды делают эти дисперсии очень привлекательными для отделки изделий из древесины, эксплуатируемых не только внутри помещений, но и на открытом воздухе. Немаловажным фактором является и то, что промышленные дисперсии имеют достаточно высокое содержание пленкообразующего вещества (40 – 60 % массы).

Комбинируя соотношение исходных мономеров – алкилметакрилатов (твердых) и алкилакрилатов (пластифицирующих) можно оптимизировать конечные свойства пленкообразующей системы.

Типичная акриловая водная дисперсия представляет собой молочно-белую жидкость с различной вязкостью, легко разбавляемую водой и содержащую около 45 % нелетучих веществ. Ее можно наносить на влажные поверхности. Покрытия длительное время не разрушаются, сохраняют глянец, при мытье водой пятна легко удаляются. Разработаны прозрачные и пигментированные покрытия по древесине.

Сравнительные испытания показывают, что полиакрилатные водные грунтовки более долговечны при эксплуатации в наружных условиях, чем грунтовки на основе алкидных смол, поливинил ацетатных и других пленкообразователей. Сегодня применение лакокрасочных материалов на основе водных акриловых дисперсий для окраски окон и дверей – обычное явление. 

Чтобы оценить уровень свойств, которыми должны обладать в России лаки для мебели на основе полиакрилатных дисперсий, в таблице приведены некоторые характеристики разработанного авторами статьи лака ВД-АК-2208 (ТУ – 2313-009-17733356-98), предназначенного для нанесения лаконаливными машинами и распылением.

 

Е.В. Горшкова, ведущий специалист ООО «Экспортлес-импорт»

по лакокрасочным материалам для мебели;

А.П. Горшков, заместитель директора  ООО «НТЦ Линда», к. х. н.