Дефицит укрывистости в фасадных красках и критическая роль рутильного TiO2
Индустрия фасадных красок вынуждена разрабатывать рецептуры с высокой устойчивостью к разрушительным воздействиям факторов окружающей среды (УФ-излучение, влажность, температурные колебания, атмосферные загрязнители) при длительном сохранении эстетического вида. В этом контексте основными проблемами, с которыми наиболее часто сталкиваются разработчики рецептур и инженеры по НИОКР, являются «дефицит укрывистости» и «преждевременное пожелтение». Опаковость, представляющая собой способность лакокрасочной пленки скрывать подложку, на которую она нанесена, в значительной степени зависит от оптических свойств пигментов, используемых в системе, и их распределения в полимерной матрице. Когда речь заходит о максимальной белизне и укрывистости в промышленном масштабе, первым сырьем, которое приходит на ум, является Диоксид титана (TiO2). Тем не менее, использовать случайную марку TiO2 в фасадных рецептурах недостаточно; выбор правильной марки рутильного TiO2 и ее оптимизация в составе рецептуры представляют собой исключительно критическую инженерную задачу. Будучи компанией Ekvator Kimya, специализирующейся на поставках сырья для лакокрасочных материалов, в данной технической статье мы рассмотрим первопричины проблем укрывистости и пожелтения в фасадных красках, а также подробно опишем, как эти проблемы могут быть преодолены с помощью оптимизации рутильного TiO2.
Технический взгляд на полиморфизм диоксида титана: Почему рутил?
Диоксид титана, существующий в природе в трех различных кристалленных структурах (рутил, анатаз и брукит), коммерчески используется в лакокрасочной промышленности в двух основных формах: рутил и анатаз. Использование формы анатаза в фасадных красках категорически не рекомендуется из-за ее высокой фотокаталитической активности. При воздействии УФ-излучения анатаз TiO2 генерирует свободные радикалы, которые разрушают связующую смолу (например, акриловые или стирол-акриловые полимеры). Это приводит к мелению (chalking) лакокрасочной пленки, потере блеска и преждевременному пожелтению. Форма рутила обладает гораздо более стабильной структурой кристаллической решетки. Показатель преломления (refractive index) рутила составляет 2.73, в то время как показатель преломления анатаза равен 2.55. Согласно уравнениям Френеля, чем больше разница в показателях преломления между пигментом и связующим (обычно показатель преломления связующего составляет около 1.5), тем выше производительность преломления и отражения света (следовательно, и укрывистость). Рутильный TiO2 обеспечивает максимальную опаковость на единицу объема благодаря своему высокому показателю преломления, одновременно повышая долговечность фасадного покрытия за счет низкой фотокаталитической активности.
Основа оптических характеристик: Размер частиц и теория Ми
Одной из наиболее распространенных причин дефицита укрывистости в лакокрасочной пленке является отклонение распределения частиц TiO2 по размерам (PSD) от идеального диапазона. Опаковость является прямым следствием способности пигмента преломлять и рассеивать свет, падающий на него. Согласно теории рассеяния света Ми, для того чтобы частица наиболее эффективно рассеивала свет определенной длины волны, диаметр частицы должен составлять примерно половину длины волны этого света. Учитывая, что спектр длины волны видимого света находится в диапазоне от 400 nm до 700 nm, идеальный размер частиц рутильного TiO2 для максимального рассеяния видимого света должен составлять в среднем 200-300 нанометров (0.2 - 0.3 микрона). Когда размер частиц падает ниже 0.15 микрона, эффективность рассеяния света драматически снижается, и пигмент начинает пропускать свет вместо того, чтобы рассеивать его. Аналогичным образом, крупные частицы размером более 0.35 микрона снижают общую укрывистость, так как уменьшают количество частиц на единицу массы. По этой причине первым параметром, который необходимо проверить в рецептурах, где наблюдается дефицит укрывистости, является значение d50 размера частиц используемого рутильного TiO2.
Технологии поверхностной обработки (Surface Treatment) и их влияние на характеристики
Частицы рутильного TiO2 модифицируются на заключительной стадии производственного процесса путем нанесения поверхностного покрытия (surface treatment) неорганическими оксидами и органическими соединениями. Одним из наиболее критических факторов, определяющих характеристики в фасадных красках, является именно эта технология покрытия. Различные стратегии покрытия напрямую влияют на погодоустойчивость, диспергируемость и оптическую эффективность пигмента.
Неорганическая поверхностная обработка: Диоксид кремния, оксид алюминия и диоксид циркония
Неорганическая поверхностная обработка выполняется с целью подавления фотокаталитической активности и повышения атмосферостойкости путем создания защитного барьера вокруг частицы TiO2. Рутильные TiO2 высокого сегмента, предназначенные для фасадных красок, обычно покрываются плотным диоксидом кремния (dense silica) и оксидом алюминия (Al2O3). Покрытие плотным диоксидом кремния предотвращает достижение УФ-лучами поверхности пигмента и образование свободных радикалов, что предотвращает меление краски и пожелтение смолы в результате деградации. Покрытия из диоксида циркония (ZrO2), в свою очередь, максимизируют показатель сохранения блеска (gloss retention). Если в вашей фасадной краске наблюдается быстрое пожелтение или меление, это может означать, что доля неорганического покрытия в рецептуре недостаточна, либо используется TiO2, предназначенный только для внутренних работ (с низким содержанием диоксида кремния).
Органическая поверхностная обработка и диспергирование
Органические покрытия (полиолы, амины, триметилолпропан - TMP или силоксаны), наносимые поверх неорганических покрытий, повышают смачиваемость (wetting) и стабильность дисперсии TiO2 в полимерной матрице. Одной из скрытых причин дефицита укрывистости является недостаточное диспергирование. Рутильный TiO2 с корректно выполненной органической поверхностной обработкой подвергается деагломерации с меньшими затратами энергии во время производства и обеспечивает стерическую/электростатическую стабилизацию, предотвращая повторное соединение частиц (флокуляцию).
Эффект диспергирования, флокуляции и расстановки (Spacing)
Даже самый высококачественный рутильный TiO2 не обеспечит ожидаемой укрывистости, если он не распределен гомогенно в формуляции. Когда частицы TiO2 располагаются слишком близко друг к другу в лакокрасочной пленке (crowding effect), они начинают вести себя оптически как одна крупная частица. В этом случае эффективность светорассеяния может снижаться на величину до 30%. Для предотвращения этого явления и оптимизации расхода дорогостоящего сырья TiO2 обязателен правильный выбор наполнителя (extender). Наполнители, такие как кальцинированный каолин, осажденный карбонат кальция (PCC) или микронизированный кальцит с определенным размером частиц, проникают между частицами TiO2, удерживая их на идеальном расстоянии. Этот физический эффект «расстановки» (spacing) максимизирует соотношение стоимость/производительность, позволяя TiO2 рассеивать свет на полную мощность. В научно-исследовательских лабораториях необходимо тщательно рассчитывать стерическое соответствие между размером экстендера и размером TiO2.
Динамика PVC, CPVC и сухая укрывистость (Dry Hiding)
В фасадных красках взаимосвязь между объемной концентрацией пигмента (PVC) и критической объемной концентрацией пигмента (CPVC) является структурным элементом, определяющим укрывистость. Когда значение PVC рецептуры превышает точку CPVC, связующая смола больше не способна заполнять пространство между всеми частицами пигмента и наполнителя. В этот момент внутри лакокрасочной пленки образуются микропустоты воздуха. Поскольку показатель преломления воздуха равен 1.0, разница в показателях преломления между воздухом и пигментом (или наполнителем) резко возрастает, и происходит явление, называемое «сухой укрывистостью» (dry hiding). Тем не менее, поддержание слишком высокого уровня PVC в фасадных красках (для достижения высокого dry hiding) увеличивает водопроницаемость лакокрасочной пленки, снижает ее эластичность и сводит к нулю устойчивость к внешним погодным условиям. По этой причине в фасадных рецептурах PVC обычно должен удерживаться ниже CPVC (или очень близко к нему), а укрывающая способность должна достигаться не за счет воздушных пустот, а благодаря высококачественному рутильному TiO2 и правильной оптимизации spacing.
Механизмы устранения проблемы преждевременного пожелтения (Yellowing)
Пожелтение, наблюдаемое в фасадных красках, является результатом сложных химических процессов. Среди основных причин можно выделить окисление смолы под воздействием УФ-излучения, реакцию аминосодержащих добавок в рецептуре под действием тепла или света, а также использование несоответствующего TiO2. Для предотвращения пожелтения, вызванного TiO2, следует отдавать предпочтение маркам рутильного TiO2 с «супердолговечностью» (super-durable), прошедшим поверхностную обработку плотным диоксидом кремния и оксидом алюминия. Эти пигменты действуют практически как УФ-щит, поглощая вредные фотоны и предотвращая их попадание в смолу. Кроме того, переходные металлы (в частности, ионы железа и меди) в производственной воде или другом сырье могут вступать в реакцию с активными центрами на поверхности TiO2, приводя к изменению цвета. Для минимизации этого риска следует рассмотреть возможность использования комплексообразователей (chelating agents).
Оптимизация рецептуры и стратегические решения с Ekvator Kimya
Дефицит укрывистости и проблемы пожелтения являются результатом синергетического или антагонистического взаимодействия не какого-то одного компонента, а всех компонентов рецептуры. Наиболее конкурентным преимуществом для производителей красок является способность добиваться максимальной опаковости при минимальном расходе TiO2. Для достижения этой цели необходимо выбрать рутильный TiO2, обладающий правильной технологией поверхностного покрытия, демонстрирующий узкое распределение частиц по размеру и полностью совместимый с дисперсионной системой в вашей рецептуре. Вы можете воспользоваться широким портфелем сырья Ekvator Kimya для решения технических проблем, возникающих в ваших фасадных красках, разработки новых продуктов и оптимизации производственных затрат на основе нашего всеобъемлющего руководства по диоксиду титана.
Вы можете ознакомиться с нашим портфелем продукции для определения наиболее подходящих марок рутильного TiO2 для различных систем смол, целевых показателей PVC и специфических фасадных требований, а также связаться с нашей командой экспертов-инженеров для получения технической поддержки, адаптированной под ваши рецептуры, и запроса образцов. Правильный выбор сырья — это основа устойчивого качества и удовлетворенности клиентов.
