Белые наполнители - Декоративно-защитные пигменты

Наполнители являются активными компонентами пигментированных лакокрасочных материалов. Они оказывают положительное влияние на распределение частиц пигментов, структуру и реологические свойства красок, увеличивают твердость, атмосферостойкость покрытий. Наполнители вводят в краски и грунтовки в количестве 25--100% от массы пигментов. В шпатлевках, как правило, они применяются самостоятельно. В грунтовках и шпатлевках могут применяться и окрашенные наполнители, но основное значение имеют белые наполнители, не обладающие способностью селективно поглощать свет.

Наполнители отличаются от пигментов относительно низким показателем преломления света (nD = 1,451,75), поэтому в органических пленкообразователях, имеющих такой же показатель преломления, они неукрывисты -- (прозрачны). В водных красках, после испарения воды и замещения пор воздухом, наполнители имеют достаточную укрыви-стость (например, мел в клеевых побелках) и применяются самостоятельно как пигменты. Следовательно, разделение на пигменты и наполнители условно и часто такие наполнители называют пигментами-наполнителями. Но наполнители имеют и свои собственные особые функции в красочных системах и наполненных лакокрасочных покрытиях (например, изменяют реологические свойства красок, армируют пленки), поэтому их часто называют функциональными пигментами.

Наполнители классифицируют по разным признакам.

1. По происхождению наполнители делят на природные (минеральные) и синтетические. К природным относят горные породы и рыхлые осадочные (глины), а также остатки микроорганизмов и водорослей, раковины, панцири и скелеты (мел, диатомит, инфузорная земля); к синтетическим -- карбонат кальция (мел), сульфат бария (бланфикс), карбонат бария, оксид и гидроксид алюминия (типографские белила), алюмосиликат, гидроксид кремния (белая сажа) и др. 2. По форме частиц различают зернистые, чешуйчатые, пластинчатые, игольчатые и волокнистые наполнители. 3. По происхождению частиц различают природно дисперсные -- рыхлые продукты выветривания и гидросепарации горных и осадочных пород (глины, каолин, бентонит, маршалит, доломит и др.) и механически измельчаемые монолитные горные породы (барит, кальцит, мел, гипс и др.). 4. По степени измельчения наполнители разделяют на обыкновенные -- с размером частиц 5--50 мкм (пластинчатые до 100 мкм) и микронизированные,-- содержащие до 90 % частиц с размерами менее 1 мкм при полном отсутствии частиц более 10 мкм. 5. По химическому составу. Диоксид кремния: природные -- кварц, песок, кремнеземы (диатомит, кизельгур, инфузорная земля), синтетические -- белая сажа, аэросил; карбонаты кальция: мел, мрамор, кальцит; карбонат магния -- магнезит; карбонат кальция и магния -- доломит; карбонат бария -- витерит; сульфаты бария: природный -- барит (тяжелый шпат), синтетический -- бланфикс; сульфаты кальция: ангидрит (легкий шпат), гипс; силикаты магния: тальк, асбест; силикаты алюминия: природные -- каолин, бентонит, синтетический силикат алюминия; силикат алюминия и калия -- слюда (мусковит); силикат кальция -- волластонит. 6. По характеру взаимодействия с пленкообразователями различают наполнители активные и инертные.

Основные показатели наиболее часто применяемых белых наполнителей приведены в табл. 2

Таблица 2. Свойства и функции наполнителей в лакокрасочных материалах и покрытиях

Название	Химический состав	Форма частиц	Показатель приломления	Плотность, кг/м3	Насыпной объем VНас103, м3/кг	РН водной вытяжки	Размер частиц, мкм	Маслоемкость, г/100г	Укрывистось, г/м2	ПДК, мг/м3
Природные наполнители
Кремнеземы: диатомит, кизельгур, инфузорная земля	SiO2	Аморфная	1,4-1,5	1920-3000	4,2-5	7-9	1-20	100-220	1
Мел	CaCO3	Зернистая	1,6	2650	3,7	9,3	2-50	9-16	3
Кальцит	CaCO3	"	1,65	2700	9,7	10-100	15-22	3
Доломит	CaMg(CO3)2	"	1,62	2850	9,9-10	5-20	15-19	6
Барит (тяжелый шпат)	BaSO4	"	1,65	4500	2,2-2,3	6,5-8	10-70	6-10	824	6
Ангидрит (легкий шпат)	CaSO4	"	1,59	2950	3,3-3,4	6,5-7,5	2-50	20-25	3
Каолин	Al2O32SiO22H2O	Пластинчатая	1,6	2580	3,7-3,8	5-8	0,5-10	28-60	2
Бентонит (монтмориллонит)	Al2O34SiO22H2O	Чешуйчатая	2450	4-6	0,2-2,0	30-50	2
Тальк	3MgO4SiO22H2O	Пластинчатая	1,58	2700-3200	3,5-3,8	8-10	5-40	20-50	518	4
Асбест	3MgO2SiO22H2O	Волокнистая	1,55	2400-3200	3,6-3,8	6,5-7,0	300	31-48	2
Слюда	K2O3Al2O36SiO22H2O	Пластинчатая	1,59	2700-3100	3,4-3,6	3,6-4,3	15-100	40-90	407	2
Синтетические наполнители
Аэросил	SiO2	Аморфная	2600	3,6-4,3	0,0015-0,02	200	1
Бланфикс	BaSO4	Зернистая	1,64	4300-4700	2,2-2,4	7,0	0,5-2,0	14-16	660	6
Гидроксид алюминия	Al(OH)3	Аморфная	2420	0,01-0,02	55-150	1470	4
Белая сажа	SiO2NH2O	"	2100	3,2-3,3	8-10	0,005-0,05	110-200	1

Белые наполнители имеют плохую укрывистость, однако аддитивности в изменении укрывистости в смесях пигментов с наполнителями не наблюдается. Наполнители начинают заметно ухудшать укрывистость только при содержании их в смесях более 25--30 % (по массе) (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость укрывистости смесей пигмента -- диоксида титана с наполнителем баритом от состава смесей: теоретическая аддитивная зависимость; ---- реальная зависимость

Это позволяет частично заменять пигменты дешевыми наполнителями.

Особо ценными свойствами отличаются наполнители с пластинчатой (чешуйчатой) формой частиц: каолин, тальк, слюда, вермикулит и др. Они способны легко раскалываться вдоль листочков-пакетов и с большие трудом поперек. Это обусловлено строением их кристаллов, состоящих из двойных кремнекислородных слоев, образующих пакеты, связанные атомами алюминия или магния. Внутри пакетов связи ковалентные, а между пакетами действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса. Схематично строение пакета талька показано на рис. 3.

Рис. 3. Модель слоистого строения "пакета" талька

Внешние плоскости пакетов состоят из атомов кислорода и это придает им жирность на ощупь, способность к скольжению и укладке параллельно друг другу Такая упаковка частиц в покрытии является наиболее плотной (высокое ОСП) и создает черепичное перекрывание зазоров между слоями, а это, в свою очередь, понижает газо-, водо - и светопроницаемость покрытий, повышает их твердость и атмосферостойкость, препятствуе образованию сквозных трещин.

Наполнители, имеющие игольчатую или волокнистую форму частик (асбест, волластонит), армируют покрытия и придают им эластичность, вибро - и звукопоглощающие свойства.

Перспективным наполнителем с особо ценными свойствами является асбестин -- смесь талька, частицы которого имеют чешуйчатое строение, с тремолитов Ca2Mg5[Si4O11]2 (ОН)2, частицы которого имеют волокнистое строение.

Оптимальное содержание наполнителей определяют по минимальному значению маслоемкости смесей с пигментами, характеризующей плотность совместной упаковки частиц.

Находящиеся на боковых частях пластин -- изломах пакетов-- ионы Si4+, Al3+, Mg2+, К+, ОН и другие активно взаимодействуют как с функциональными группами пленкообразователей и модификаторов, так и с соседними частицами, образуя коагуляционные цепочечные и сетчатые структуры, которые придают красочным системам повышенную вязкость и тиксотропность. Подбирая различные наполнители можно регулировать реологические свойства красок. Микронизированные каолин, доломит, тальк и особенно аэросил и бентонит значительно увеличивают вязкость и тиксотропность. Малоактивные зернистые наполнители такие, как барит и бланфикс, молотые кварц и слюда с низкой маслоемкостью (пластерит), уменьшают вязкость красок и вызывают потерю тиксотропности.

Введение в лакокрасочные материалы добавок высокомаслоемких аморфных наполнителей (аэросил, диатомит, кизельгур, микронизированные каолин и тальк) резко снижает глянец покрытий, делает их матовыми, что иногда используют для устранения неприятного неравномерного блеска покрытий на волнистых подложках.

Наполнители широко используют в качестве носителей -- субстратов для осаждения на них интенсивных органических красителей и пигментов и в качестве основы -- ядер для производства оболочковых (керновых) пигментов. Прозрачные неукрывистые наполнители применяются в шпатлевках-порозаполнителях для дерева, не закрывающих природной текстуры древесины. Для этого используют аэросил, сульфат кальция, оксид и гидроксид алюминия. Для увеличения трения, например при окраске палуб судов, в краски вводят такие наполнители, как молотые кварц, пемзу и вулканический пепел.

Каолин, тальк, слюда и кварц снижают электрическую проводимость покрытий, барит устраняет их проницаемость для рентгеновских лучей, магнетит и маггемит придают покрытиям магнитные свойства, графит и магнетит -- электрическую проводимость.

Технология производства наполнителей. Наполнители получают из горных или осадочных пород, подвергая их отборке, обогащению, отмучиванию гидросепарацией от абразивных примесей, сушке, измельчению, сепарации и микронизации. Минералы и породы, имеющие изометрическое строение, при измельчении дают вполне определенные по форме спайности обломки. Так измельченный кальцит (искусственный мел) обязательно будет иметь частицы, имеющие форму ромбоэдра, частицы барита -- всегда прямоугольники. Из тонких пластинок -- чешуек всегда состоят частицы слюды, талька, пирофиллита, графита. Пластинки и волокна сохраняются при измельчении истиранием на бегунах и в стержневых мельницах. В шаровых мельницах получаются более короткие обломки. Измельчение их до размеров менее 3 мкм нецелесообразно.

В процессах измельчения и микронизации проводят модифицирование -- гидрофобизацию поверхности, добавляя 0,5--1,5 % ПАВ. Гидрофобизация поверхности мела, кальцита, каолина имеет двоякую цель. Прежде всего, улучшаются технологические свойства самого наполнителя: повышается его подвижность -- сыпучесть порошка, снижаются влажность, слеживаемость, "зависание сводов" при хранении в бункерах, появляется возможность автоматизированного дозирования и перевозки в цистернах в виде сухого порошка или водных нефлокулирующих пульп, содержащих 70--90% твердого вещества. Гидрофобизированные наполнители легче смачиваются и взаимодействуют с пленкообразователями при изготовлении красок и шпатлевок. Так, гидрофобизированный 0,45% (масс.) синтетических жирных кислот (СЖК) природный мел в белой водоэмульсионной краске успешно заменяет 30 % диоксида титана, повышает стойкость эмульсий, укрывистость и блеск покрытий. Наполнители, имеющие основной характер (мел, доломит) модифицируют жирными кислотами C17 -- С20; нейтральные (барит) -- мылами Ca, Al, Zn; наполнители кислого характера (каолин, бентонит) -- аминами и четвертичными аммониевыми основаниями.

Природные наполнители даже после обогащения всегда содержат примеси сопутствующих пород. Особо чистые и высокодисперсные наполнители получают осаждением из очищенных от ионов Fe, Mn и других примесей растворов. Такие наполнители являются синтетическими.

Особое место занимает аэросил -- синтетический диоксид кремния, содержащий не менее 99,8 % SiO2. Размер его частиц 0,015--0,10 мкм, SУд = 130380 м2/г. Аэросил получают гидролизом паров тетрахлорида кремния в пламени водорода при температуре более 1100°С. Это производство аналогично получению диоксида титана хлоридным способом.

Прозрачные, непористые, округлой формы коллоидные частицы аэросила имеют большой запас поверхностной энергии и легко образуют обратимые сетчатые коагуляционные структуры. Добавка всего лишь 0,5--1,5% (масс.) аэросила придает тиксотропность лакокрасочным материалам.

На поверхности частиц аэросила всегда имеются силанольные группы, среднестатистическая плотность которых составляет 3 группы на 10 нм2 поверхности.

Силанольные группы образуют водородные связи, и аэросил имеет гидрофильный характер; эти группы могут диссоциировать в воде, поэтому рН водной вытяжки 3,6--4,3.

На поверхности могут происходить ионообменные реакции. Модифицирование поверхности аэросила, например диметилдихлорсиланом, придает ей гидрофобность.

Такой модифицированный аэросил добавляют в количестве 1--2 % (масс.) в противокоррозионные краски, содержащие цинковую пыль, он придает краскам высокую седиментационную устойчивость, а покрытиям -- водоотталкивающие свойства.

Аэросил, как и другие содержащие кремний соединения, попадая в легкие, вызывает фиброзные процессы -- заболевание силикозом.

Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочих помещений 1 мг/м3. Для уменьшения пыления аэросил выпускают в гранулированном виде с размером гранул от 5 до 40 мкм.

В краски вводится обычно в виде перетертой пасты, содержащей 10 % (масс.) аэросила. краска наполнитель пигмент белило

В прошлом использование наполнителей имело целью только удешевление лакокрасочных материалов или придание покрытиям необходимой толщины в случае применения органических пигментов с высокой красящей способностью; применялись наполнители также для шпатлевок.

По мере выявления и изучения особых свойств наполнителей, способствующих улучшению технологических свойств красок и увеличению срока службы покрытий, значение наполнителей как функциональных пигментов непрерывно возрастает. Потребность в качественных наполнителях приближается к потребности в белых пигментах.

Белые наполнители - Декоративно-защитные пигменты

Похожие статьи