Водно-дисперсионная краска и способ ее получения

 

Изобретение относится к технологии изготовления водно-дисперсионной краски (ВДК). Сначала готовят пигментную пасту диспергированием ОП-4 - полиоксиэтиленового эфира алкилфенола, борной кислоты, воды, диоксида титана и силикагелевой матирующей добавки (СМД) с размером частиц не более 10 мкм и объемом пор не менее 0,7 см³/г в циркуляционном режиме при скорости не менее 0,4 м/с в течение не менее 60 мин и совмещают пасту с водной дисперсией поливинилового спирта, натриевого жидкого стекла и этилового спирта. Технический результат - повышение качества ВДК. Светостойкость, коэффициент отражения 1,8 - 2,1%, время высыхания до степени 3 - 40 мин. 2 с.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления водно-дисперсионной краски (ВДК) на основе органических пленкообразователей.

Известна краска, содержащая поливиниловый спирт, натриевое жидкое стекло, поверхностно-активное вещество, диоксид титана, воду (JP 36109, 1971) (1).

Известны способы получения ВДК, включающие: 1) приготовление пигментной пасты; 2) приготовление пленкообразующего растворением органических компонентов в водной среде при перемешивании; совмещение их в водной дисперсии (И.А. Толмачев, В.В. Верхоланцев. Новые водно-дисперсионные краски, Л., Химия, с. 77-80), (2).

В большинстве случаев стадия приготовления пигментной пасты заключается в смешении заданных компонентов до определенной степени гомогенизации и механическом перетире (в краскотерочной машине или бисерной мельнице) для измельчения, полной гомогенизации и активации поверхности частиц. Недостатком его является большая длительность цикла и энергоемкость.

Известен способ получения краски Э-ВА 27 (2) стр. 77). Первый этап - приготовление пигментной пасты проводится в 2 стадии: а) приготовление водной фазы эмульгированием и растворением заданных компонентов и б) диспергирование в ней твердых компонентов (пигментов, наполнителей и др.) сначала перемешиванием в аппарате с мешалкой, затем перетиром в бисерной машине.

Второй этап - приготовление пленкообразующего - растворение поливинилацетата в водной среде и его пластификация проводятся при интенсивном перемешивании в другом аппарате с мешалкой. После завершения процесса пластификации в этом же аппарате проводится и третий этап - совмещение пигментной пасты и пленкообразующего.

Способ позволяет получить ВДК достаточно высокого качества, однако является длительным - 28-32 часа, энергоемким, включает достаточно много единиц оборудования.

Технической задачей изобретения является повышение качества ВДК при высоком уровне экономических показателей за счет использования многофункциональных компонентов и рациональных технологических приемов и аппаратов.

Поставленная задача достигается тем, что при получении ВДК в качестве наполнителя и структурообразующего компонента используют силикагелевую матирующую добавку (СМД) с размером частиц не более 10 мкм и объемом пор не менее 0,7 см³/г, в качестве связующего, пленкообразователя и загустителя применяют поливиниловый спирт (ПВС), модифицированный борной кислотой; приготовление пигментной пасты ведут в циркуляционном режиме при скорости не менее 0,4 м/с.

ВДК содержит следующие компоненты, мас.%: ПВС - 3-5 Этиловый спирт - 0,4 - 1,0 Натриевое жидкое стекло - 5 - 7 Двуокись титана - 5 - 7,5 СМД - 6 - 10
ОП-4 - 0,005 - 0,008
Борная кислота - 0,00002 - 0,00004
Вода - Остальное
Использование кремнеземистых материалов в ВДК рационально, т.к. образующиеся при растворении силанольные группы хорошо полимеризуются и поляризуются. СМД является оптимальным кремнеземсодержащим веществом, т.к. имеет развитую удельную поверхность и пористость, а все химические и массообменные процессы при формировании ВДК происходят на границе раздела фаз.

С ПВС силанольные группы могут быть связаны за счет адсорбционных сил, водородных и химических связей.

В качестве многофункционального компонента - эмульгатора, пластификатора и загустителя используется борная кислота. В отличие от органических пластификаторов, ослабляющих молекулярные связи, борная кислота химически взаимодействует с ПВС, связывая сразу 12 винильных групп, при этом образуется поливиниловый эфир (Е.М. Шварц, Взаимодействие борной кислоты со спиртами и окислителями, Рига, Зинтас, 1990, с. 218):

Таким образом, в предлагаемом составе ВДК образуются разветвленные полимеры на основе СМД, ПВС и H₃BO₂, позволяющие получить высокую агрегативную и кинетическую устойчивость системы.

В большинстве существенных красок эта устойчивость достигается путем длительного перетира пленкообразователя и наполнителя в краскотерочных машинах или в бисерной мельнице за счет образования на поверхности пигмента адсорбционных слоев, определяющих высокую вязкость краски.

В предлагаемом решении перетир в вязких средах (краскотерочной машине или мельнице) заменяется на интенсивное перемешивание СМД, пигмента и других компонентов в среде с меньшей вязкостью в циркуляционном режиме при скорости не менее 0,4 м/с. Это позволяет достичь равный физико-химический эффект при меньшей энергоемкости и длительности процесса. Нижняя граница скорости и времени перемешивания обусловлена тем, что при меньшей не достигается нужная степень перемешивания, что сказывается на качестве краски (см. таблица, пример N 3, 4). Верхнее значение скорости ограничено характеристиками существующих насосов, верхнее значение времени - тем, что свыше 80 мин длительность перемешивания не улучшает качества краски, но увеличивается энергопотребление и длительность производственного цикла.

В состав предлагаемой краски вводят компоненты, имеющие многофункциональное действие. Практически каждый из них выполняет несколько функций:
ПВС - пленкообразующее, загуститель, эмульгатор;
натриевое жидкое стекло - наполнитель, структурирующая добавка;
двуокись титана - пигмент, тиксотропная добавка;
СМД - наполнитель, структурирующая добавка;
ОП-4 - поверхностно-активное вещество (ПАВ);
борная кислота - пластификатор, эмульгатор, загуститель.

В таблице приведены условия приготовления и свойства ВДК на основе предлагаемого решения. Ниже описаны конкретные примеры приготовления.

Пример 1. а) Приготовление пигментной пасты производится сначала эмульгированием 0,06 кг ОП-4 и 2,4 кг 0,01%-ной борной кислоты в 507 кг воды в течение 15 мин при 18-20^oC в смесителе, используя циркуляционный режим работы насоса со скоростью 0,5 м/с. Далее загружают туда же 75 кг диоксида титана и 72 кг СМД (размер частиц 2-10 мкм, объем пор - 1 см³/г), перемешивают центробежным насосом в течение 60 мин.

б). Приготовление пленкообразующего состоит из двух стадий. Сначала ПВС в количестве 40 кг замачивают в 439 кг воды и растворяют в реакторе с мешалкой (V = 100 об/мин) и водяной рубашкой в течение 12-15 ч, после чего нагревают набухшую суспензию ПВС в том же реакторе при перемешивании до 40^oC, затем в реактор подают 4,8 кг спирта и 60 кг жидкого стекла и продолжают нагревать суспензию до 90^oC и полного растворения ПВС и совмещения его с жидким стеклом в течение 3-4 ч.

в). После растворения и получения однородной суспензии в реактор загружают полуфабрикат пигментной массы, доводят температуру до 90^oC и выдерживают при этой температуре не менее 1 ч при перемешивании. Полученную смесь в количестве 1200 кг охлаждают до 20-25^oC, подавая в рубашку холодную воду при перемешивании и предварительно процедив через сито с размерами отверстий 0,8 мкм.

Состав полученной краски, мас.%:
ПВС - 3,33
Этиловый спирт - 0,4
Жидкое стекло - 5,0
Двуокись титана - 6,25
СМД - 6,0
ОП-4 - 0,005
Борная кислота - 0,00002
Вода - Остальное
Пример 2.

Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: скорость рециркуляции при приготовлении пигментной пасты составляет 0,4 м/с при длительности 30 мин. Размер частиц СМД составляет менее 5 мкм, объем пор - 0,2 см³/г.

Пример 3 (для сравнения). Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: скорость рециркуляции составляет 0,3 м/с.

Пример 4 (для сравнения). Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: длительность рециркуляции - 50 мин.

Пример 5 (для сравнения). Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: размер частиц СМД составляет 11-15 мкм.

Пример 6 (для сравнения). Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: объем пор СМД составляет - 0,6 см³/г.

Пример 7. Выполняют по примеру 1, изменив массу и соотношение загружаемых компонентов, а следовательно и состав ВДК: ПВС - 60 кг (50%), этиловый спирт - 12 кг (10%), жидкое стекло - 75 кг (6,2%), СМД - 120 кг (10%), двуокись титана - 60 кг (5%), ОП-4 - 95 г (0,008%), борная кислота - 0,48 г (0,00004%).

Скорость и длительность рециркуляции составляет соответственно 0,6 м/с и 80 мин. Размер частиц СМД - 0-10 мкм, объем пор - 0,8 см³/г.

Пример 8. Выполняют по примеру 1, изменив массу и соотношение загружаемых компонентов: ПВС - 36 кг (3,0%), этиловый спирт - 6,2 кг (0,52%), жидкое стекло - 84 кг (7,0%), СМД - 90 кг (7,5%), двуокись титана - 90 кг (7,5%), ОП-4 - 70 г (0,006%), борная кислота - 24 г (0,00002%).

Пример 9. Выполняют по примеру 1, изменив массу и соотношение загружаемых компонентов: ПВС - 60 кг (5,0%), этиловый спирт - 10,5 кг (0,82%), жидкое стекло - 75 кг (6,25%), СМД - 105 кг (8,75%), двуокись титана - 80 кг (6,67%), ОП-4 - 80 г (0,007%), борная кислота - 36 г (0,00003%).

Длительность циркуляции - 90 мин.

Пример 10. Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: загрузка ПВС составляет 33,6 кг (2,8%), этилового спирта - 4,2 кг (0,35%), жидкого стекла - 54 кг (4,5%), СМД - 66 кг (5,5%), двуокиси титана - 54 кг (4,5%), ОП-4 - 48 г (0,004%), борной кислоты - 1,24 г (0,00001%).

Пример 11. Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями загрузка ПВС составляет 66 кг (5,5%), этилового спирта - 14,4 кг (1,25%), жидкого стекла - 90 кг (7,5%), СМД - 132 кг (11%), двуокиси титана - 96 кг (8%), ОП-4 - 108 г (0,009%), борной кислоты - 6,0 г (0,00005%).

Пример 12. Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: загрузка ПВС составляет 72 кг (6%), этилового спирта - 18 кг (1,5%), жидкого стекла - 72 кг (6%), СМД - 60 кг (5%), двуокиси титана - 72 кг (6%), ОП-4 - 84 г (0,007%), борной кислоты - 48 г (0,00004%).

Пример 13. Выполняют по примеру 1 со следующими изменениями: загрузка ПВС составляет 30 кг (2,5%), этилового спирта - 12 кг (1,0%), жидкого стекла - 72 кг (6%), СМД - 132 кг (11%), двуокиси титана - 54 кг (4,5%), ОП-4 - 70 г (0,006%), борной кислоты - 36 г (0,00003%).

Из таблицы и примеров следует, что ВДК предлагаемого состава (пр. N 1, 2, 7, 8, 9), приготовленная в предлагаемых условиях, обладает высоким качеством: удовлетворительным временем сушки и укрывистостью и хорошей светостойкостью, определяемой методом по ГОСТ 21903-76, оценка изменения коэффициента отражения.

Использование заявляемого технического решения позволяет сократить длительность технологического процесса до 20 часов, длительность получения аналогичных ВДК - 28-33 ч. Энергопотребление заявляемой ВДК также примерно на 15% ниже, чем по прототипу.

Формула изобретения

1. Водно-дисперсионная краска, включающая поливиниловый спирт, натриевое жидкое стекло, поверхностно-активное вещество, диоксид титана и воду, отличающаяся тем, что она содержит в качестве поверхностно-активного вещества ОП-4 - полиоксиэтиленовый эфир алкилфенола и дополнительно структурирующий компонент - силикагелевую матирующую добавку (СМД) с размером частиц не более 10 мкм и объемом пор не менее 0,7 см³/г, борную кислоту и этиловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Поливиниловый спирт - 3 - 5
Этиловый спирт - 0,4 - 1,0
Натриевое жидкое стекло - 5 - 7
Диоксид титана - 5 - 7,5
СМД - 6 - 10
Полиоксиэтиленовый эфир алкилфенола - ОП-4 - 0,005 - 0,008
Борная кислота - 0,00002 - 0,00004
Вода - Остальное
2. Способ получения водно-дисперсионной краски по п.1, включающий приготовление пигментной пасты диспергированием ОП-4-полиоксиэтиленового эфира алкилфенола, борной кислоты, воды, диоксида титана и силикагелевой матирующей добавки (СМД) в циркуляционном режиме при скорости не менее 0,4 м/с в течение не менее 60 мин и совмещение пасты с водной дисперсией поливинилового спирта, натриевого жидкого стекла и этилового спирта.

РИСУНКИ

Рисунок 1