Dyspersje polimerowe

Farby, lakiery i kleje stanowią bardzo dużą grupę produktów chemicznych powszechnego użytku. Ze względów ekologicznych i ekonomicznych już od lat 60-tych XX wieku rozpoczął się w skali światowej rozwój tzw. czystych technologii i w konsekwencji stopniowo zmniejsza się na rynku udział farb, lakierów i klejów zawierających łatwo lotne rozpuszczalniki organiczne (VOC - volatile organic chemicals) na korzyść emulsji i dyspersji wodnych, produktów wodorozcieńczalnych oraz wyrobów proszkowych. Wszystkie wymienione tu produkty zawierają - jako podstawowy składnik - polimerową substancję błonotwórczą, którą rozpuszcza się w rozpuszczalniku organicznym (otrzymując lakier) lub emulguje, bądź dysperguje w cieczy, najczęściej w wodzie, uzyskując wyrób emulsyjny lub dyspersyjny.

Farby dyspersyjne (emulsyjne) dla budownictwa - elewacyjne (fasadowe) i do wymalowań wewnętrznych - stanowią około 60% wszystkich wyrobów produkowanych przez przemysł farb i lakierów w Polsce.

Rodzaje dyspersji
Rozróżnia się dyspersje wodne, koloidalne i wodorozcieńczalne. Dyspersje wodne stanowią najbardziej rozpowszechnioną grupę farb wodnych. Zawierają one cząstki polimeru zdyspergowane w wodzie przede wszystkim za pomocą emulgatorów. Dyspersje koloidalne stanowią grupę pośrednią pomiędzy dyspersjami i polimerami rozpuszczalnymi w wodzie, gdyż tworzą je polimery częściowo rozpuszczalne w wodzie: przede wszystkim akrylowe, alkidowe i epoksydowe. Ich właściwości zależą głównie od pH i składu fazy wodnej, tzn. od obecności środków koalescencyjnych i rozpuszczalników organicznych. Dyspersje wodorozcieńczalne to roztwory koloidalne żywic rozpuszczalnych w wodzie, a zawierających w swojej strukturze chemicznej grupy kwasowe lub aminowe, zapewniające rozpuszczalność odpowiednio w środowisku alkalicznym lub kwaśnym. Do tej grupy należą też żywice fenolowo-formaldehydowe, mocznikowo-formaldehydowe i melaminowo-formaldehydowe.

Tworzenie powłok
Po odparowaniu rozpuszczalnika lub wody substancja błonotwórcza tworzy na powierzchni litą powłokę. Temperatura formowania się błonki polimerowej powinna być wyższa od temperatury zeszklenia polimeru (Tg). Obniżenie Tg osiąga się poprzez dodatek plastyfikatorów (zmiękczaczy) lub (i) rozpuszczalników organicznych (tzw. koalescentów). Formowanie się powłoki składa się z kilku etapów. Po odparowaniu wody następuje lepko-elastyczne płynięcie powłoki oraz wzajemne odpychanie się makrocząsteczek, wskutek występowania efektów kapilarnych, a po przekroczeniu stężenia krytycznego powstaje żel.

Otrzymywanie dyspersji polimerowych i farb emulsyjnych
Materiały powłokowe i kleje w postaci dyspersji wodnych otrzymuje się metodami polimeryzacji:
• suspensyjnej (inaczej: zawiesinowej lub perełkowej)
• i emulsyjnej,
które przebiegają niemal wyłącznie według mechanizmu rodnikowego.
Polimeryzacja w suspensji jest odmianą polimeryzacji blokowej, a reakcja polimeryzacji zachodzi w tym przypadku w rozproszonych w fazie wodnej rozdrobnionych kroplach monomeru, stabilizowanych przez substancje powierzchniowo-czynne. W tej metodzie stosuje się inicjatory rodnikowe rozpuszczalne w monomerach. Krople monomeru (lub mieszaniny monomerów) stanowią “mini-reaktory”. Powstający polimer (lub kopolimer) jest rozpuszczony w monomerze. W miarę postępu polimeryzacji krople stają się kulistymi cząstkami polimeru o średnicach rzędu 10-500 µm (a nawet większych), które łatwo można oddzielić przez filtrację lub odwirowanie.
W metodzie polimeryzacji emulsyjnej stosuje się inicjatory rodnikowe typu redoks, rozpuszczalne w wodzie, ale nierozpuszczalne w monomerach. Najczęściej są to nadsiarczany (np. K2S2O8), nadtlenek wodoru i inne nadtlenki. Krople monomeru (o mniejszych rozmiarach niż w polimeryzacji perełkowej), stanowiące składnik hydrofobowy, dysperguje się w wodnych roztworach emulgatorów. Krople monomeru zostają otoczone cząsteczkami środków powierzchniowo-czynnych i tworzą micele. W celu zapewnienia stabilności emulsji do środowiska reakcji dodaje się koloidów ochronnych, np. polialkoholu winylowego lub karboksymetylocelulozy. Stosunek wagowy monomeru do fazy wodnej wynosi na ogół od 1 : 2 do 1 : 1. Jako emulgatory stosuje się różne mydła, sulfoniany i siarczany alkilowe i arylowe, oleje sulfonowane i niejonowe środki powierzchniowo-czynne.
Polimeryzację emulsyjną prowadzi się w temperaturze 60-90°C w sposób okresowy lub ciągły. Wraz z upływem czasu polimeryzacji polimer lub kopolimer wytrąca się z micel w postaci cząstek o wymiarach ok. 50-1000 nm, a otrzymany produkt końcowy stanowi tzw. drobnoziarnistą dyspersję (lateks). Dyspersje o większej wielkości cząstek (1-10 µm) określa się jako gruboziarniste, natomiast dyspersje o najmniejszym stopniu rozdrobnienia (<50 nm) noszą nazwę “hydrozoli” i mają zdolność penetracji podobną do rozpuszczalnikowych środków penetrujących. Procesy polimeryzacji emulsyjnej posiadają wiele zalet, gdyż uzyskuje się duże stężenie polimeru przy zachowaniu stosunkowo małej lepkości, a proces można prowadzić w sposób ciągły. Bezpośrednio po procesie polimeryzacji emulsyjnej z dyspersji polimeru usuwa się resztki nieprzereagowanych monomerów – według obecnych wymagań ekologicznych i higienicznych ich zawartość nie powinna przekraczać 0,1%. Następnie do emulsji polimeru błonotwórczego dodaje się pozostałe komponenty (w ilości 50-60%) i po starannym wymieszaniu otrzymuje się gotową farbę emulsyjną.
Proces technologiczny wytwarzania farb emulsyjnych składa się z następujących operacji:
1. przygotowania mieszaniny służącej do dyspergowania pigmentów (półproduktu),
2. otrzymywania wodnych past pigmentów poprzez ich dyspergowanie w półprodukcie,
3. zmieszania past pigmentowych z wodną dyspersją substancji błonotwórczej, otrzymaną w wyniku polimeryzacji emulsyjnej,
4. dodania i wymieszania pozostałych składników oraz rozlania do opakowań.
Najważniejszymi operacjami są: przyrządzanie past pigmentowych i ich mieszanie z substancjami błonotwórczymi.

Receptury farb emulsyjnych
W skład receptur farb emulsyjnych wchodzą następujące składniki:
Zarówno skład chemiczny, jak i ilości poszczególnych składników farb emulsyjnych, zależą od ich przeznaczenia do konkretnych zastosowań praktycznych. Receptury te oparte są najczęściej na następujących polimerach: polioctanie winylu i jego kopolimerach, polimerach i kopolimerach akrylowych (i metakrylowych), innych poliestrach, żywicach alkidowych i epoksydowych, poliuretanach, a także na silikonach i żywicach fenolowo-formaldehydowych. Jako plastyfikatora najczęściej używa się ftalanu dibutylu. Najlepszym pigmentem do farb białych jest biel tytanowa. Tanim wypełniaczem jest kreda strącana. Dodatek zagęszczaczy (bentonitu, krzemionki koloidalnej) skutecznie zapobiega rozwarstwianiu się dyspersji. W farbach emulsyjnych stosuje się zarówno pigmenty nieorganiczne (hydrofilowe), jak i organiczne (hydrofobowe), a wymiary ich cząstek nie powinny przekraczać 20 µm.
Zastosowania dyspersji polimerowych
Dyspersje polioctanowe są mało odporne na hydrolizę i czynniki atmosferyczne i są stosowane głównie do farb do używanych wewnątrz budynków. Wyższą odporność chemiczną posiadają kopolimery octanu winylu z monomerami akrylowymi.
Dyspersje akrylowe są najbardziej rozpowszechnione. Są one odporne na działanie wody i czynników atmosferycznych, wykazują dobrą przyczepność do malowanych podłoży i zachowują trwałość barwy. Natomiast często źle zwilżają podłoża.
Dyspersje alkidowe wykazują wyższą stabilność chemiczną od wyrobów opartych na innych polimerach syntetycznych i posiadają szereg zalet w porównaniu z farbami akrylowymi: mniejszą zawartość rozpuszczalników organicznych, lepszą przyczepność, niższą temperaturę tworzenia powłoki, lepszą rozlewność i większą zdolność do wnikania w podłoże, większą odporność na zabrudzenie powłoki i łatwość usuwania starych powłok. Natomiast ich główną wadą jest mniejsza trwałość powłok ze względu na małą odporność na działanie światła i czynników atmosferycznych.
Dyspersje epoksydowe są produktami reakcji żywic epoksydowych z pochodnymi hydroksykwasów i aminokwasów. Nie zawierają one rozpuszczalników organicznych i wykazują bardzo dobrą trwałość powłok. Są to jednak zazwyczaj wyroby termoutwardzalne.
Dyspersje poliuretanowe, silikonowe i dyspersje oparte na rezolowych żywicach fenolowo-formaldehydowych są mało rozpowszechnione.
Dyspersje wodne polimerów (emulsje, lateksy) stosuje się nie tylko od wytwarzania farb dyspersyjnych, ale również do produkcji tynków polimerowych, materiałów do gruntowania powierzchni, do otrzymywania klejów bezrozpuszczalnikowych i do impregnacji tkanin i papieru. Dyspersje odporne na hydrolizę alkaliczną stosuje się jako lepiszcza do zapraw tynkarskich w mieszaninie z hydraulicznie związanym cementem, do modyfikacji betonów i jako warstwy pośrednie między starym i nowym betonem oraz do jastrychów. Odporność hydrolityczną i na działanie czynników atmosferycznych powstających z dyspersji filmów polimerowych można zwiększyć przez dodatek substancji sieciujących.
Do produkcji farb, lakierów, klejów i apretur stosuje się też polimery i żywice wodorozcieńczalne. Spośród rozpuszczalnych w wodzie polimerów syntetycznych, oprócz polialkoholu winylowego, stosuje się polieter winylowo-metylowy, sole poli(kwasu akrylowego) i podobne kopolimery. Są to jednak głównie polimery pochodzenia naturalnego i produkty ich modyfikacji chemicznej. Najczęściej używane są pochodne celulozy: metyloceluloza, hydroksyetyloceluloza, sól sodowa karboksymetylocelulozy, pochodne metoksylowa i hydroksypropylowa hydroksypropylometylocelulozy, pochodne etoksylowa i hydroksyetylowa etylohydroksyetylocelulozy oraz celuloza szczepiona tlenkiem etylenu. Duże znaczenie praktyczne posiadają produkty modyfikacji skrobi (hydrolizaty), stosowane do otrzymywania preparacji włókienniczych i klejów.
Najważniejszym parametrem jakościowym farb dla budownictwa jest ich barwa i zdolność krycia. Najwięcej produkuje się farb barwy białej oraz w kolorach pastelowych. Podstawowym pigmentem stosowanym w produkcji farb dyspersyjnych jest dwutlenek tytanu. Białe pigmenty posiadają bardzo dobrą zdolność krycia dzięki zdolności do rozpraszania światła. Dwutlenek tytanu, a zwłaszcza jego odmiany rutylowe, ma największy współczynnik załamania światła ze wszystkich białych pigmentów. Biele tytanowe stosowane do produkcji farb dyspersyjnych białych i pastelowych są najczęściej najdroższym składnikiem farb dyspersyjnych. Natomiast obniżenie zawartości bieli tytanowej w farbach dyspersyjnych w celu zmniejszenia kosztów, bez opracowania nowego składu, prowadzi do znacznego spadku jakości tych wyrobów - zmniejszenia zdolności krycia i wzrostu zużycia farby na m2 malowanej powierzchni.
Znane są również dyspersje polimerowe w formie suchej sproszkowanej, np. do płytek ceramicznych. Po wymieszaniu z wodą i ewentualnie zmiękczaczami tworzą one błonotwórcze lateksy malarskie, które służą do powiększania zawartości żywic w kitach i szpachlówkach oraz jako dodatki do spoiw hydraulicznych. W handlu dostępne są także stabilne dyspersje polietylenu (PE) w wodzie lub rozpuszczalnikach organicznych o stężeniu do 70%, które otrzymuje się z proszku PE o średnicy cząstek 10-20 µm, środków dyspergujących i zagęszczających. Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać)

Zawartość numeru:

• Technologie:
  • Ciecze jonowe w zastosowaniach przemysłowych
  • Transport mediów gęstych i lepkich – przegląd pomp
• Chemia Gospodarcza i Kosmetyki:
  • Produkty ochrony przeciwsłonecznej – zalecenie Komisji Europejskiej
  • Pachnący kosmetyk
• Zarządzanie:
  • Wycena instalacji produkcyjnych infrastruktury pomocniczej w sektorze chemicznym
• Powłoki:
  • Dyspersje polimerowe
  • Kolory według BASF Coatings

Zobacz pozostałe numery Chemical Review »