Это интересно

ЗАРИСОВКИ ИЗ ИСТОРИИ

Проблемы красоты и долговечности всегда возникали при решении вопроса - как завершить рисунок. Уже 200 000 лет назад (самые древние образцы наскальной живописи относятся к этому времени) человек, используя краски и другие вещества, способные дать хроматический эффект, раскрашивал предметы и себя. Исследования пещерных рисунков показали, что в них были использованы 12 пигментов. Их получали, растирая минералы в порошок, а затем смешивали. Связующим веществом была пещерная вода. Поскольку она содержит много кальция, то при высыхании пигмента образовывалась прочная твердая пленка.

С тех пор было открыто много других красящих веществ различного происхождения, включая растительные. Многие из этих открытий относятся к эпохе Александра Македонского. К тому же времени принадлежат и погребальные украшения в египетских гробницах: саркофаги, гончарные изделия и сами комнаты, раскрашенные в очень яркие цвета.

Около 1000 года н.э. один монах-летописец описал новую краску. Ее получали кипячением льняного масла со смолой, разводили до нужной консистенции, наносили на предмет, а затем сушили на солнце. Византийские иконы смогли дойти до наших дней в целости только благодаря описанному способу окрашивания, которое защищало их от дыма свечей и поцелуев верующих.   В конце XV века открытие пути в Индию и, особенно, начало торговли с Китаем принесло в Европу первые предметы, покрытые китайским лаком. Этот лак немедленно стал цениться очень высоко за свою элегантность и хорошие защитные свойства. Китайский лак можно считать предком всех современных красок. К сожалению, китайцы очень берегли свой секрет и не допустили его экспорта. Они настолько фальсифицировали вывозимый продукт, что он был непригоден к использованию.

Тогда талантливые европейские художники начали экспериментировать, чтобы получить такой продукт; это положило начало первым работам в лакокрасочной области. Однако только в XIX веке производство красок перестало быть кустарным и перешло на научную основу. За этот период значительно развилась промышленность, которая начала поставлять определенное количество исходных материалов для производства красок. Однако потребность в хороших качественных красках стала расти.

Благодаря Паркеру в 1855 году началось производство нитроцеллюлозы, хотя цены на нее были очень высоки. В самом начале XX века Италия могла похвастать целой серией лакокрасочных производств, которые сразу по окончании I Мировой войны стали резко развиваться. В послевоенные годы на рынке стали доступными большие количества нитроцеллюлозы: как остатки от военной промышленности (она применялась как взрывчатое вещество), так и благодаря деятельности многих компаний, которые прошли конверсию по окончании войны.

В то же время возросла потребность в деревянной мебели и изделиях из дерева. Эта ситуация послужила стимулом для таких людей как Отто Байер, впервые выпустившего краски на основе полиуретана, и Карлетона Эллиса, отца ненасыщенных полиэфиров. Вскоре на рынке появилась целая серия смол и высоко продуктивных технологий.

В Италии промышленность значительно развилась в 50-е годы, особенно в области красок для мебели. В последующие годы стали появляться первые краски на основе воды, а также значительно эволюционировали технологии применения.

В последние годы для крупных в этой области компаний характерны не  только исследования для создания новых материалов, но совершенствование уже существующих с целью удовлетворить растущие требования к качеству, чтобы улучшить технологии применения и, в особенности, чтобы уменьшить нагрузку на окружающую среду и повысить заботу о здоровье рабочих. 

КРАСКИ

Окрашивание дерева возникло для двух целей: защитить и украсить поверхность. Предметы в нашем доме, от оконных рам до мебели, выполняют не только свои непосредственные функции. Они украшают комнаты, поэтому должны выглядеть красиво. А эту красоту надо защитить.

В зависимости от того, где используется деревянная вещь - на улице или в доме, она должна быть защищена от дождя, ультрафиолетовых лучей, насекомых, плесени, водорослей, бактерий, от химически агрессивных веществ, а также от физических воздействий, которым они могут подвергнуться за время своей службы. Таким образом, краска, придавая деревянным вещам симпатичный вид, должна защищать их от подобных воздействий и продлевать срок их службы.

Почему именно краска? Причина в ее многофункциональности. По приемлемой цене выпускаются даже малые количества красок любого цвета с различными свойствами. Можно покрасить предмет любой формы. Для нанесения краски можно использовать огромное множество технологий от дешевых до высококачественных.

1. Определение термина «краска»

Краска - смесь химических веществ, которая при нанесении на поверхность образует твердую устойчивую к механическим и химическим воздействиям пленку, способную изменить декоративные свойства предмета - цвет, внешний вид и текстуру.

Материалы, не содержащие пигмента или содержащие его в столь малых количествах, что способны только слегка изменить цвет, прозрачные в той или иной степени после нанесения на предмет называются лаками

Материалы, содержащие пигмент в количестве, достаточном, чтобы полностью изменить цвет предмета, называют глянцевыми красками, если они блестят, и матовыми красками, если они непрозрачные и не блестят.

Для простоты в дальнейшем все лакокрасочные материалы будем называть красками, за исключением тех случаев, когда необходимо четко отличить краску от лака или различить виды краски.

2. Состав лакокрасочных материалов

Все лакокрасочные материалы являются жидкостями, которые получают смешиванием различных компонентов. Эти компоненты можно разделить на следующие группы: связующие вещества, пигменты, растворители и разбавители, добавки (аддитивы).

Необходимость приспособить краски к крайне разнообразным условиям окружающей среды, бесчисленным формам и материалам поверхностей, на которую их наносят с использованием множества технологий привели к специализации и разнообразию красок. Специфичность краски определяется набором компонентов, из которого она состоит. Поэтому, чтобы понять различия между одной и другой красой, необходимо иметь хотя бы минимальные знания об используемых ингредиентах.

3. Связующие вещества

Связующие вещества, которые на практике называют полимерами или смолами, являются агентами, которые образуют пленку и определяют главные характеристики краски. Такие свойства как блеск, жесткость поверхности, механическая устойчивость к царапанью, химическая устойчивость к повторному растворению, адгезивная способность, гибкость, термостойкость зависят от типа связующего вещества. Таким образом, связующее вещество - самый важный компонент краски.

Важной характеристикой связующего вещества являются его способность образовывать прочную пленку, это - так называемая «пленкообразующая способность».

Пленка образуется двумя способами:

• Физический: краска затвердевает путем простого испарения растворителей и разбавителей, причем связующее вещество не подвергается химическим модификациям
• Химический: краска затвердевает через серию реакций, которые иногда ускоряются при повышенной температуре. Эти реакции могут протекать с участием кислорода воздуха (например, алкидные краски), либо специальных химических компонентов (катализаторов), которые реагируют с определенными функциональными группами связующего вещества с образованием сложных структур, что приводит к увеличению молекулярной массы полимеров (например, полиуретановые краски).

Краска получает свое название по тому связующему веществу, которого больше всего содержится. Таким образом, алкидные смолы дают алкидные краски, нитроцеллюлозные смолы - нитролаки, акриловые смолы - акриловые краски и т.д.

Ниже кратко описаны наиболее широко применяемые смолы.

Алкидные смолы

Эти связующие вещества чаще других используются в изготовлении красок, поскольку получаемые из них краски дешевы и разнообразны. Их получают путем поликонденсации ангидридов жирных кислот и многоатомных спиртов. Они бывают высоко-, умеренно- и слабожирными в зависимости от содержания масла в конечном продукте. Алкидные смолы первой и второй групп высыхают на воздухе через реакцию окисления. Смолам третьей группы для этого требуются соответствующие температуры и, обычно, нужен дополнительный компонент.

Полиэфирные смолы

Это - важная группа алкидных полимеров, не модифицированных маслами. Появились полиэфиры давно, и высокопродуктивные технологии насытили рынок бесчисленным количеством красок на их основе для широчайшего применения. Внедрение ненасыщенных мономеров и использование стирола в качестве реактива-разбавителя приводит к образованию крайне твердой пленки краски при нанесении на дерево.

На основе полиэфиров делают краски с высоким сухим остатком, поскольку сам растворитель участвует в реакции пленкообразования и становится компонентом пленки. Это очень заманчиво, поскольку уменьшается выделение растворителя в окружающую среду, тем самым снижается нагрузка на нее.

Полиуретановые смолы

Полиуретановые смолы, широко применяемые на сегодняшний день, представляют собой продукт реакции полиаддукции между полиизоцианатами (катализатор) и акриловыми, алкидными или полиэфирными смолами (основание), у которых есть гидроксильные группы. Комбинация катализатора и основания дает конечные полимеры, содержащие те или иные химические группы, известные под названием «уретаны» или «полиуретаны».

Физико-химические свойства полиуретановых красок напрямую зависят от катализатора. По сути, есть два класса изоцианатов: алифатические и ароматические. Катализаторы ароматического типа дают краски с хорошей химической и физической устойчивостью, но с плохой стойкостью к свету. Обычно их используют для грунтования или окраски полов. Катализаторы алифатического типа дают краски с отличной светостойкостью, (они не желтеют) и с более долгим сохранением блеска. Однако эти краски дороже.

Реакция между изоцианатом и гидроксильной (-ОН) группой смолы протекает очень быстро даже при обычной температуре, поэтому добавлять изоцианат в краску необходимо непосредственно перед применением.

Акриловые смолы

Эти смолы дают продукт более высокого качества и в последние годы разработки преимущественно ведутся с ними, а не с алкидными смолами. Их используют для производства глянцевых красок для уличного применения, которые гораздо лучше, чем алкидные.

Акриловые смолы могут быть термопластическими и высыхающими при нагревании. Разница между этими двумя группами определяется их физической и химической природой.

Термопластические смолы имеют очень большую молекулярную массу и, в большинстве своем, очень мало реакционно-способных групп в молекуле. Однако этого достаточно, чтобы придать им хорошую растворимость и связывающие свойства.

Второй тип смол обычно имеют малую молекулярную массу и много реакционно-способных групп, которые могут реагировать друг с другом при повышенной температуре. Таким образом, для засыхания красок на этой основе необходимо нагревание.

По этим причинам акриловые смолы применяют для создания красок самого разного применения, даже для окраски внутренних и наружных стен.

4. Растворители и разбавители

Растворители (сольвенты) - жидкости, которые способны растворять смолы или связующие вещества, не изменяя их химической природы, и образовывать прозрачные однородные стабильные растворы. Таким образом, производители красок используют их чтобы растворить смолу, если она твердая, или держать ее в виде суспензии с другими ингредиентами, если она - жидкость.

Растворители также используют для очистки оборудования для окраски, в этом случае их называют очистителями. Чтобы выполнять свои функции, очистители должны быть агрессивными к остаткам краски. Их изготовляют для этой конкретной цели, и они различаются в зависимости от того, для какой краски они будут использованы - обычной или водорастворимой.

Разбавители - смеси жидкостей, которые добавляют к краске, чтобы добиться определенных результатов:

• уменьшить вязкость краски, чтобы ее было легче наносить. Вязкость нужно изменять в зависимости от используемого оборудования и температуры самой краски. Что касается оборудования, что для краскопультов необходима более разведенная краска (т.е. в ней больше разбавителя), чем для безвоздушной помпы. Последняя, в зависимости от того, как именно она функционирует, может распылять довольно вязкие краски. Что касается температуры, очевидно, что холодная краска более вязкая, чем горячая. Если краску не подогревать, то ясно, что нужно добавить больше разбавителя.
• облегчить образование гомогенной пленки без дефектов, регулируя испарение летучих фракций краски. Даже если условия среды или используемое оборудование не идеально соответствуют данной конкретной краске, хороших результатов можно добиться, правильно подобрав разбавитель. К примеру, летом, когда высокая температура, пленка на поверхности высыхает слишком быстро. Естественно, поверхность остается грубой, поскольку краске не хватило времени, чтобы растечься. Возможен еще и другой дефект: краска на поверхности высыхает слишком быстро, оставляя нижележащий слой относительно мокрым. В таком случае разбавитель, который все равно испаряется, наталкивается на плотную пленку на поверхности и образует пузырь, остающийся под пленкой. Такие пузыри видны под прозрачным лаком, и требуется затратить много времени и усилий, чтобы удалить их. Применение более медленно сохнущего растворителя может решить обе проблемы. Зимой низкая температура удлиняет время высыхания, при этом оседающая пыль или потеки краски могут испортить пленку. В этом случае нужен быстро сохнущий разбавитель. Применение подходящего разбавителя также может помочь устранить дефекты от недостаточного размельчения краски, при котором на поверхность распыляются избыточно крупные капли, которые делают неровной поверхность, что известно под названием эффекта «апельсиновой корки» или «шагрень». Использование медленно сохнущего разбавителя даст краске время растечься и выровнять поверхность.

Нынешняя тенденция уменьшать количество растворителя в краске и, в особенности, применять водорастворимые краски затрудняет оптимизацию использования краски в тяжелых условиях с помощью разбавителей. Это повышает важность правильных технологий применения.

По скорости испарения разбавители можно разделить на 3 категории:

• легкие, которые испаряются столь быстро, что капельки краски начинают высыхать, как только они вылетают из распылителя. Эти капельки оседают на поверхность в более-менее твердой форме и не растекаются. Полностью высохнув, поверхность будет иметь гранулярную структуру и будет грубой на ощупь, поэтому такие разбавители используются только в смеси.
• Тяжелые, которые испаряются очень медленно. Капли краски остаются жидкими долгое время, растекаются и дают очень гладкую окрашенную поверхность. Однако большое время высыхания увеличивает риск потеков краски и попадания пыли на пленку. Такие разбавители также не используются в чистом виде.
• Средние, которые наиболее многофункциональны и, поэтому, используются очень широко.

Учитывая их важную роль для краски, разбавитель должен быть такого же сорта, что и краска, к которой его добавляют. Это так же, как использовать "родные" запчасти при ремонте автомобиля. Таким образом, разбавители являются смесью веществ, которая должна иметь безусловное сродство к краске, с которой она взаимодействует. Приготовление такой смеси - очень тонкая работа, которая требует полного знания реологических характеристик связующего вещества, к которому добавляется разбавитель. Подобная информация является собственностью исключительно компаний-производителей. Испарение растворителей и разбавителей из пленки мокрой краски должно происходить равномерно, не давая частицам связующего вещества и других компонентов слипаться в процессе высыхания, тем самым, делая пленку однородной, повышая ее механические и химические свойства и не давая необратимо испортить конечный продукт.

5. Пигменты

Пигменты - это нерастворимые окрашивающие вещества. Соответственно, в краске они присутствуют в виде диспергированных твердых веществ, которые придают ей цвет.

В зависимости от своей кроющей способности (см. рис. 3.1), а также качества и количества, пигменты могут полностью закрасить поверхность, делая пленку краски непрозрачной (в таком случае говорят о глянцевых красках или просто о красках). В некоторых случаях пигмента добавляют немного, тогда цвет у краски будет бледным, что позволяет фактуре дерева оставаться видимой (здесь говорят об окрашенном лаке).

Рис. 3.1. Кроющая способность - способность краски изменять цвет поверхности, на которую ее нанесли. Ее определяют, нанося слой краски определенной толщины на карточку, разрисованную "зеброй" - в черную и белую полоску, и оценивая ее способность маскировать полоски. Покрывающая способность напрямую зависит от количества и качества пигмента.

 Помимо придания цвета, пигмент может значительно изменить физико-механические свойства связующего вещества, в котором он диспергирован. Это зависит, главным образом, от содержания пигмента в сухой пленке.

Существует критическая объемная концентрация пигмента (КОКП), при переходе которой радикально меняются свойства материала (рис. 3.2).

• Неорганические (нерастворимые соли и оксиды металлов), для которых характерны хорошая устойчивость к погодным воздействиям, высокой температуре и свету. Однако с ними не возможно получить яркие краски и не все цвета.
• Органические (микрошарики пластических материалов, фталоцианины, азины и д.р.), при помощи которых можно получить бесконечный спектр чистых и ярких цветов. Недостатком органических пигментов, особенно ярких, является их высокая стоимость. Иногда органические пигменты в 20-120 раз дороже неорганических.

Кроме добавления в краску, пигменты и колоранты напрямую наносят на дерево, а затем вскрывают его лаком. Это будет обсуждаться ниже.

  6. Присадки

Присадки - это подкласс пигментов (тальк, сульфат, карбонат и карбид кальция, оксиды алюминия и магния). Они нерастворимы в связующем веществе, как и пигменты, но, в отличие от последних, не обладают окрашивающим эффектом. Присадки повышают сухой остаток и, за счет этого, увеличивают толщину сухой пленки. Из-за низкой стоимости по сравнению с пигментами, иногда их добавляют в избытке, особенно в дешевых красках, повышая доходность в ущерб качеству. В таких случаях значительно ухудшаются механическая и химическая устойчивость, устойчивость к пожелтению от света и прочность пленки. Поэтому такие краски считаются низкого качества.

При правильном применении присадки могут давать положительные эффекты. Они облегчают шлифование и повышают заполняющую способность краски.

7. Аддитивы (добавки)

Помимо связующего вещества, растворителя и пигментов, в краски почти всегда добавляют небольшое количество разнообразных добавок для улучшения внешнего вида и облегчения их нанесения.

Добавки способны сильно изменить физико-химические свойства краски, хотя присутствуют они в количестве, редко превышающем 1%. Эффективность аддитива зависит не только от количества (он обычно эффективен в строго определенном процентном содержании), но и от природы и состава краски. Добавки, высокоэффективные в одной краске, могут быть бесполезными и даже вредными в другой.

Некоторые добавки оказывают действие даже в концентрациях 1-2 мг/л. Это значит, что 1-2 грамма такого аддитива достаточно, чтобы полностью изменить свойства 1 тонны краски. Подобные аддитивы могут, к примеру, изменить поверхностное натяжение и, как следствие, способность краски растекаться по поверхности. Широко известным примером столь активной добавки, которая в малейших концентрациях может изменить свойства краски,  является силикон. Иногда бывает достаточно распылить силиконовое масло в 20-30 метрах от места работы, чтобы возникли проблемы с нанесением краски: она совершенно не прилипает к поверхности в тех местах, куда попало силиконовое масло.

Естественно, производители применяют только полезные добавки. Некоторые из них, часто и широко использующиеся, перечислены ниже.

• Непрозрачные добавки - воски или микропарафины - изменяют степень прозрачности краски, придавая ей глянец
• Противопузырные добавки - специальные силиконовые вещества - помогают удалять пузырьки воздуха из влажной пленки.
• Гелеобразующие аддитивы - вещества, увеличивающие слипание между молекулами краски в жидком состоянии, позволяя наносить краску более толстым слоем на вертикальную поверхность без потеков
• Добавки от желтизны - уменьшают пожелтение краски на свету
• Электростатические добавки - изменяют до нужных величин электрическое сопротивление краски, наносимой электростатическим оборудованием.
• Ускоряющие добавки - влияют на скорость полимеризации краски
• Замедляющие добавки - замедляют полимеризацию
• Пластифицирующие аддитивы - изменяют эластичность и гибкость пленки, не влияя на ее твердость
• Антивспенивающие добавки - не допускают появления пены при встряхивании краски.

Эта информация о добавках имеет большое значение, поскольку она высвечивает проблему загрязнения краски, которое может произойти в процессе ее нанесения: масла (возможно, из компрессора), косметические средства, которыми пользуются рабочие (гели и лаки для волос), случайно попадая в краску, могут создавать дефекты в пленке. Присутствие таких добавок очень трудно определить.

Заключение

Характеристики и свойства краски зависят от качества и процентного содержания веществ, составляющих ее.

Пристальное внимание надо обращать на тип и качество связующего вещества и пигментов. Рекомендуется использовать разбавители, которые рекомендует фирма-производитель. На рынке есть множество реутилизированных разбавителей, оставшихся от химической промышленности. Часто они продаются как качественные продукты. Поскольку они дешевы, они широко применяются. Мы предлагаем использовать эти продукты крайне осторожно, поскольку их состав непостоянный, а растворяющая способность и скорость испарения непредсказуемы. Они могут даже быть токсически опасными для рабочих.

Хотя их добавляют в ничтожных количествах, добавки могут изменять свойства краски определенным образом. По этой причине некоторые химические загрязнители, случайно смешиваясь с краской, могут вызывать возникновение серьезных дефектов.