Краски - или, в более широком значении, покровные материалы - это суспензии, которые после нанесения на поверхности превращаются в твердые защитные пленки (покрытия). Рисунки на стенах доисторических пещер доказывают, что краска - одно из древнейших изобретений человека. В древнем искусстве рисования природные смолы и масла использовались как связующие, окрашенные грунты - как пигменты, камни применялись для измельчения пигментов, а волосяные кисти - для нанесения на поверхность дисперсии этих материалов в воде. Главное назначение окраски - защита поверхности от воздействия окружающей среды. Эта защита необходима для столь различающихся объектов, как дом, велосипед и мост. Чтобы служить защитой, краска должна обладать нужной совокупностью свойств. Скажем, краска, используемая на открытом воздухе, должна выдерживать действие солнца, изменений температуры и влажности, обычных и кислотных дождей, града и снега. Краска, применяемая в помещении, должна быть моющейся и иметь удовлетворительные характеристики старения и износа. Покрытия металлических деталей самолетов, автомобилей, судов и мостов должны защищать металл от коррозии.
КОМПОНЕНТЫ ПОКРЫТИЙ
Покрытие состоит из связующего (пленкообразователя), сшивающего агента, пигмента, растворителя и добавок. После нанесения покрытия на поверхность растворитель испаряется, а пигмент остается в прочной пленке, удерживаемой связующим (например, смолой).
Связующее. Полимерное связующее (слово "полимер" образовано от греч. poly - много и mros - часть) состоит из гигантских молекул, образованных многими мономерными звеньями. При использовании в покрытии полимер образует прочную пленку, которая остается на поверхности, когда растворитель испаряется. (Слово "связующее" используется и потому, что полимер связывает в одно целое компоненты покрытия.) Химическая природа полимера определяет свойства покрытия, в том числе атмосферостойкость и силу сцепления с поверхностью. Разработка основных свойств покрытия - задача для химика-полимерщика, который синтезирует полимер, используя такие мономеры, которые позволяют получить, скажем, твердое и хрупкое или мягкое и эластичное покрытие. Полимеры бывают натуральными или синтетическими. До Второй мировой войны большинство покрытий получали с использованием натуральных полимеров, извлекаемых из растительных масел, например льняного или соевого. Успех в разработке синтетических полимеров, достигнутый благодаря работам Г. Штаудингера в Германии (1920), а также У. Карозерса (1929) и П.Флори (1939) в США, позволил превзойти характеристики и свойства натуральных полимеров. В настоящее время большинство покрытий изготавливают на основе разнообразных синтетических полимеров, получаемых из мономеров, которые являются нефтепродуктами.
Латексные полимеры. Эти полимеры используются в качестве связующих в латексных красках для помещений и составляют наибольший объем среди полимеров, применяемых в покрытиях. Латексный полимер эмульгируют в воде, а не растворяют в растворителе. Латексные частицы слипаются с образованием пленки покрытия по мере того, как вода испаряется. Для получения латексных полимеров используют такие мономеры, как метилметакрилат, бутилакрилат, стирол, винилацетат, винилхлорид, акриловая и метакриловая кислоты. Типичный состав латексных белил для жилых помещений приведен в табл. 1.
Таблица 1. ТИПИЧНЫЙ СОСТАВ АКРИЛОВЫХ ЛАТЕКСНЫХ БЕЛИЛ ДЛЯ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Акриловые полимеры. На основе этих полимеров изготавливают прочные, гладкие, атмосферостойкие покрытия. Акриловые полимеры получают из тех же мономеров, что и перечисленные выше для латексных полимеров. Акриловые полимеры используются либо сами по себе, либо в смеси с изоцианатами для образования полиуретанов. Покрытия из полиуретанов широко применяются на легковых и грузовых автомобилях, судах, самолетах и вообще в тех приложениях, где нужна долговечность на открытом воздухе.
Алкидные полимеры. Алкидные полимеры получают из смеси растительных масел, например соевого и подсолнечного, и синтетических мономеров, скажем, адипиновой кислоты, фталевого ангидрида, этиленгликоля и пентаэритрита. Алкидные полимеры дают гладкие покрытия, которые имеют хорошую влагостойкость и часто используются в душевых или для изготовления навесов. Поскольку они относятся к наиболее дешевым полимерам, их применяют в разнообразных красках.
Эпоксидные смолы. Эти связующие образуют пленки, которые влаго- и коррозионностойки и хорошо прилипают к металлам. Их часто используют в сочетании с аминосмолами, чтобы получить прочные твердые покрытия для промышленных установок, самолетов, мостов и подводных лодок.
Сложные полиэфиры. Сложные полиэфиры, применяемые в покрытиях и синтетических тканях, весьма похожи друг на друга. Они также похожи на алкидные полимеры: действительно, алкидный полимер можно рассматривать как модифицированный маслом сложный полиэфир. Эти полимеры дают прочные гибкие покрытия для конторской мебели и оборудования.
Фторированные и кремнийорганические полимеры. Производство этих связующих обходится дорого, и они применяются, в частности, для нанесения красивого и атмосферостойкого покрытия на некоторые дорогие автомобили, а также в тех приложениях, где цена не имеет существенного значения.
Сшивающие агенты. Сшивающие агенты - это вещества, вызывающие образование в полимере поперечных связей. В результате получается более прочное и жесткое покрытие. Среди обычно применяемых сшивающих агентов - изоцианаты (образующие полиуретаны), меламины, эпоксиды и ангидриды. Род сшивающего агента может сильно повлиять на совокупность свойств покрытия.
Пигменты. Пигменты представляют собой окрашенные твердые частицы, которые придают покрытию окраску и укрывистость путем поглощения или рассеяния света. Красители также придают окраску, однако, в отличие от пигментов, они растворяются в жидком покровном материале. Пигменты используются гораздо чаще, чем красители, ввиду их большей укрывистости, зависящей от разности показателей преломления пигмента и связующего. (Показатель преломления есть мера способности вещества отклонять падающие на него световые лучи.) Чем больше упомянутая разность показателей преломления, тем выше укрывистость покрытия. Показатели преломления некоторых типичных пигментов и типичного связующего указаны в табл. 2. В цветной краске красящие пигменты составляют только малую долю всего пигмента; его большую часть образуют белый и инертный пигменты. В качестве белого пигмента наиболее часто применяется двуокись титана - неорганическое твердое вещество, которое придает покрытию хорошую укрывистость; например, с ее помощью можно придать темной основе другой, более светлый оттенок, используя минимальное число слоев покровного материала. Свинцовые пигменты раньше применялись для получения эффекта укрывистости, но были исключены из состава покровных материалов для жилых помещений ввиду своей токсичности. Инертные пигменты, используемые для повышения укрывистости и более дешевые, чем двуокись титана, включают каолин (глину), карбонат кальция (известняк), кремнезем (песок) и окись цинка.
Таблица 2.
ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПОКРЫТИЙ
Белые пигменты
Двуокись титана (кристаллы рутила) 2,76
Двуокись титана (кристаллы анатаза) 2,52
Окись цинка 2,01
Свинцовые белила 1,99
Инертные пигменты
Силикат магния 1,5
Слюда 1,5
Связующее
Льняное масло 1,5
Хотя у составителя рецептуры покрытия в распоряжении имеются сотни пигментов, только 25-30 из них составляют более 80% всего используемого объема. Когда составитель определился с цветом конкретного покрытия, следующими наиболее важными критериями являются укрывистость и светостойкость. Пигмент, используемый в краске для жилого помещения и покрытии для велосипеда или автомобиля, должен сохранять свой цвет в течение длительного времени. Специальные пигменты часто применяются для создания зрительного эффекта. Специалисты по отделке часто используют смесь металлического и перламутрового пигментов, которая, взаимодействуя со светом сложным образом, дает неповторимый зрительный эффект от автомобильной краски. Пигменты на основе хромата, оксида и фосфата цинка применяются в покрытиях металлов, поскольку придают им коррозионную стойкость.
Растворители. Растворитель представляет собой среду, обеспечивающую перенос компонентов покрытия на покрываемую поверхность. Эти компоненты - полимер, сшивающий агент, пигмент и добавки - либо растворяются в растворителе, либо диспергируются в нем с образованием суспензии. Два наиболее важных свойства растворителя - это способность растворять компоненты и скорость испарения. При растворении полимера растворитель должен уменьшать размер твердых полимерных частиц или вязкость текучего полимера, чтобы облегчить нанесение покровного материала на поверхность. Скорость испарения растворителя определяет скорость сушки покрытия. От скорости испарения растворителя может также зависеть фактура поверхности покрытия: например, слишком высокая скорость может привести к грубой фактуре. Вода - основной "растворитель" и разжижитель латексных красок. Полимерное связующее не растворяется в воде, а диспергируется в ней в виде мельчайших эмульсионных частиц посредством действия эмульгатора (мыла). В краску добавляется также небольшое количество органического растворителя, чтобы создать среду, с помощью которой эмульсионные частицы соединяются в одно целое в процессе сушки, образуя липкую пленку. Большим достоинством латексных красок является то обстоятельство, что кисти, валики и другие приспособления (а также лужи и брызги краски) могут очищаться водой.
Добавки. Одной из наиболее распространенных является "ультрафиолетовая" добавка, повышающая стойкость покрытия к действию солнечного излучения. Катализаторы вводятся для ускорения реакции сшивающего агента в покрытии, чтобы быстрее получалась сухая и стабильная покровная пленка. Добавление пластификаторов делает покрытие более гибким, что особенно важно, когда покрытие наносится на нежесткие пластмассовые конструкции. Добавление фунгицидов препятствует образованию грибка и плесени на окрашенных поверхностях жилых помещений. При наличии добавки, повышающей текучесть, покровный материал легко наносится на поверхность и размазывается в гладкую пленку.
ТИПЫ ПОКРЫТИЙ
Характеристики покрытия должны соответствовать его назначению. Высокоглянцевое, отражающее свет покрытие автомобиля не подошло бы для отделки жилого помещения, а густотертая матовая латексная краска - для покраски легкового автомобиля. Покрытия разделяются на три основные категории в соответствии со своим назначением. Строительные покрытия (красочные покрытия для жилых помещений) составляют примерно половину всех производимых покрытий. Покрытия на изделиях защищают автомобили, велосипеды, суда, самолеты, мебель, металлические предметы обихода и т.д. Специализированные покрытия используются для отделки металлической тары, мостов и промышленных установок.
ПОКРАСКА
Даже покровный материал наивысшего качества, нанесенный неподходящими средствами, неудовлетворительным методом либо в неблагоприятных условиях окружающей среды, даст неудовлетворительные результаты. Нанесение латексной краски при температуре ниже 10° С - пустая трата времени, так как краска не высохнет. Перед употреблением краску надо тщательно перемешать, чтобы гарантировать однородность смеси. Окрашиваемая поверхность должна быть чистой и сухой. Отслоившуюся краску надо соскрести с поверхности; нанесение краски на участки с шелушащейся краской неразумно, потому что старая краска будет продолжать отслаиваться и отпадать вместе с новой. Когда отслаивание происходит на обширном участке поверхности, часто наилучшим способом удаления старой краски оказывается выжигание ее паяльной лампой. Наиболее популярными приспособлениями для нанесения строительных покрытий являются кисть и валик. Покраска кистью - старейший и простейший метод нанесения краски, но также и самый медленный. Более быстрый способ покраски больших плоских поверхностей вручную - использование валика. Валик состоит из матерчатого плетеного чехла, натянутого на твердый вращающийся цилиндр. Щиток для улавливания брызг обычно является частью приспособления и служит для того, чтобы избежать брака, особенно когда покраска валиком производится очень быстро. Валик чаще всего загружается краской окунанием его в поддон с краской. Валик погружается в краску и прокатывается в ней, пока полностью не наберет ее, а потом прокатывается по откосу или решетке поддона, чтобы удалить воздух, оставшийся в плетеном чехле. Валик надо осторожно прислонять к поверхности и прокатывать по ней на небольшое расстояние, чтобы избежать брызг. Следует не допускать перекрывания слоев краски на соседних участках и не вращать валик, когда краска на нем израсходована. Поскольку тщательная очистка чехла валика трудоемка, после использования его часто выбрасывают. Большинство содержащих растворители декоративных покровных материалов для автомобилей, самолетов и других аналогичных изделий наносится распылителем. Распыление - быстрый способ нанесения покрытий, дающий наиболее гладкую, глянцевую пленку. Чтобы избежать вдыхания чрезмерного количества паров растворителя во время покраски распылением, маляр должен надевать поглощающий пары респиратор. В некоторых случаях покраска распылением производится в закрытом помещении с вентиляторной вытяжкой паров. Имеются разнообразные устройства для покраски распылением, и выбор конкретного устройства зависит от природы покровного материала и требуемых характеристик изготавливаемого покрытия.
ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
Безопасность работ. В прошлом главным компонентом покровных материалов (за исключением латексных) был растворитель. Поскольку пары некоторых растворителей вредны для здоровья, были введены ограничения на количества растворителей, используемых в покровных материалах. Однако, когда количество растворителя в краске уменьшается, характеристики ее течения и нанесения на поверхность, а также свойства покрытия могут ухудшаться. Химики разработали покровные материалы с пониженным содержанием растворителя, не уступающие по качеству старым. Химия формирования пленки из таких покровных материалов часто более сложна, чем для обычных материалов. Другой путь соблюдения ограничений на содержание растворителей - составлять такие рецептуры покровных материалов, в которых растворителем является вода, как в случае латексной краски для жилых помещений. И в этом случае покровный материал часто должен иметь сложный химический состав, чтобы он предварительно образовывал водную эмульсию, а потом, после сушки покрытия, оставался водостойким. Хотя производство красок и других покровных материалов растет со скоростью только 1% в год, ежегодный рост объема производства материалов с пониженным содержанием растворителя и на водной основе составляет 8-10%. Созданы покровные материалы, по существу не содержащие растворителя, - порошковые краски. Такие материалы наносятся (спеканием) на электроприборы, мелкие металлические изделия, светильники и алюминиевую облицовку. На некоторые части днища автомобиля наносятся прочные порошковые покрытия, стойкие к коррозионному действию солей, которыми посыпают дороги. Порошковый покровный материал состоит в основном из полимера (эпоксидного, акрилового, сложноэфирного) и пигмента. Для нанесения тонкого слоя порошка используется специальное оборудование. Когда изделие, покрытое таким слоем, нагревается в печи до примерно 150-230° С, частицы порошка расплавляются и спекаются в покровную пленку. Для получения прочной пленки часто используются сшивающие агенты. Порошковые покровные материалы - быстро растущий сектор химической промышленности. Изоцианаты, применяемые для изготовления полиуретановых покрытий, при неправильном обращении могут нанести вред здоровью. Это касается тех работ (например, в мастерских по обработке кузовов автомобилей), где покрытия наносятся распылением. Некоторые поставщики предлагают покровные материалы, не содержащие изоцианата.
Другие вопросы. Химики-материаловеды проявили замечательную изобретательность в применении химии полимеров к созданию покрытий промышленного назначения. Маскирующее покрытие затрудняет распознавание объекта глазом. Были созданы покрытия для военных самолетов, затрудняющие их обнаружение радаром. Такие полимеры, как полиамиды, не разлагаются при очень высоких температурах. Их применяют для изготовления огнестойкого костюма пожарника и покрытий компонентов космической техники.
ЛИТЕРАТУРА
Толмачев И.А., Верхоланцев В.В. Новые водно-дисперсионные краски. Л., 1979 Яковлев А.Д. Порошковые краски. Л., 1986 Войтович В.А. Краски для дома. М., 1987