Содержание статьи
- Концепция высокосухого остатка в лакокрасочных материалах
- Классификация ЛКМ по содержанию сухого остатка
- Преимущества HSC-систем
- Технологические вызовы при работе с HSC
- Модификация связующих для HSC-систем
- Реологические добавки для высокосухих составов
- Оборудование для нанесения HSC-материалов
- Методы испытаний и контроля качества
- Часто задаваемые вопросы
Концепция высокосухого остатка в лакокрасочных материалах
Высокосухой остаток (High Solids Content, HSC) представляет собой ключевую характеристику современных лакокрасочных материалов, определяющую массовую или объемную долю нелетучих веществ в составе. Сухой остаток включает связующее, пигменты, наполнители и функциональные добавки, которые остаются на поверхности после испарения растворителей и формирования покрытия.
Под высокосухим остатком понимают содержание нелетучих веществ на уровне 60 процентов и выше по объему. Данный показатель напрямую влияет на экономическую эффективность материала, его экологические характеристики и технологию применения. Чем выше содержание сухого остатка при сопоставимой рабочей вязкости, тем меньше требуется растворителей для достижения необходимой консистенции и тем ниже выбросы летучих органических соединений в атмосферу.
Концепция HSC возникла как ответ на ужесточение экологических требований в развитых странах. В Европе внедрение Директивы VOC привело к необходимости снижения эмиссий летучих органических веществ в лакокрасочной промышленности. Производители были вынуждены разрабатывать составы с повышенным содержанием твердой фазы при сохранении технологических свойств материалов.
Классификация ЛКМ по содержанию сухого остатка
Современная промышленность классифицирует лакокрасочные материалы на несколько категорий в зависимости от содержания сухого остатка и летучих органических соединений. Данная классификация позволяет технологам выбирать оптимальные материалы для конкретных задач с учетом экологических и экономических требований.
| Категория | Сухой остаток, % | Содержание VOC, г/л | Область применения |
|---|---|---|---|
| LS (Low Solids) | До 40 | Более 800 | Практически не используются из-за высокого содержания ЛОС |
| MS (Medium Solids) | 40-60 | 400-800 | Универсальные составы для различных методов нанесения |
| HS (High Solids) | 60-80 | 200-400 | Промышленная окраска, авторемонт, деревообработка |
| UHS/VHS (Ultra/Very High Solids) | Более 80 | Менее 200 | Специализированные покрытия, экологически чувствительные зоны |
Материалы категории HS составляют основу современного промышленного производства. Они обеспечивают баланс между экологическими требованиями, экономической эффективностью и технологичностью применения. Составы UHS находят применение в случаях жестких экологических ограничений или необходимости получения толстослойных покрытий за минимальное количество проходов.
Физико-химические особенности HSC-материалов
Повышение содержания сухого остатка существенно влияет на реологические характеристики состава. При высокой концентрации полимерных молекул возникает необходимость использования связующих с пониженной молекулярной массой для сохранения приемлемой вязкости. Одновременно требуется обеспечить достаточную функциональность системы для формирования пространственно-сшитой структуры покрытия с необходимыми защитными свойствами.
Преимущества HSC-систем
Применение лакокрасочных материалов с высоким содержанием сухого остатка обеспечивает ряд существенных преимуществ для производства и эксплуатации покрытий.
Экологические преимущества
Снижение содержания летучих органических соединений является основным экологическим преимуществом HSC-систем. При использовании материалов категории HS выбросы ЛОС сокращаются в два-три раза по сравнению с традиционными составами MS. Это соответствует современным экологическим стандартам и требованиям охраны труда на производстве.
Экономические преимущества
Высокое содержание твердой фазы позволяет получать покрытия необходимой толщины с меньшим расходом материала. Снижаются затраты на растворители, уменьшается количество проходов при нанесении, сокращается время технологического цикла. Экономия достигается также за счет снижения требований к мощности вентиляционных систем и объему очистки воздуха.
| Параметр | MS-материалы (50% СО) | HS-материалы (70% СО) | Преимущество HS |
|---|---|---|---|
| Расход для получения покрытия 60 мкм | 120 г/м² | 85 г/м² | Снижение на 30% |
| Количество слоев | 2-3 | 1-2 | Сокращение времени |
| Выброс растворителей | 60 г/м² | 25 г/м² | Снижение на 58% |
| Коэффициент переноса | 45-55% | 60-70% | Повышение на 15-20% |
Технологические преимущества
Возможность нанесения более толстых слоев за один проход сокращает общее количество операций и время межслойной сушки. При использовании соответствующего оборудования HSC-материалы обеспечивают высокое качество покрытий с хорошими декоративными и защитными свойствами. Меньшее количество растворителей снижает усадку пленки и вероятность возникновения дефектов.
Технологические вызовы при работе с HSC
Несмотря на очевидные преимущества, применение материалов с высоким содержанием сухого остатка связано с рядом технологических сложностей, требующих специальных решений.
Управление вязкостью и реологией
Высокая концентрация твердой фазы приводит к повышению вязкости системы. Для обеспечения необходимой технологичности требуется тщательный подбор типа и молекулярной массы связующего, использование реологических модификаторов, контроль температурных условий. Вязкость HSC-материалов более чувствительна к изменениям температуры по сравнению с традиционными составами.
Для материала с исходным сухим остатком 70% при добавлении 10% разбавителя рабочий сухой остаток составит: (70 × 100) / (100 + 10) = 63,6%
Важно учитывать, что при разбавлении снижается эффективное содержание сухого остатка, что влияет на толщину получаемого покрытия и расход материала.
Розлив и формирование покрытия
Материалы с высоким сухим остатком характеризуются более сложным поведением при растекании на подложке. Высокая концентрация полимера затрудняет выравнивание поверхности под действием сил поверхностного натяжения. Для улучшения розлива применяют специальные добавки - модификаторы поверхностного натяжения и выравниватели.
Особую сложность представляет нанесение HSC-материалов на вертикальные поверхности. С одной стороны, необходимо обеспечить достаточную текучесть для формирования гладкого покрытия, с другой - предотвратить образование подтеков. Решение достигается применением тиксотропных добавок, создающих обратимую пространственную структуру.
Условия отверждения
Пониженное содержание растворителей замедляет процесс формирования покрытия. Растворитель играет роль пластификатора на начальных стадиях отверждения, его недостаток может приводить к увеличению времени сушки и необходимости применения термической обработки. Для HSC-материалов часто рекомендуется горячая сушка, обеспечивающая лучшее качество розлива и более полное отверждение.
Хранение и подготовка к применению
Материалы с высоким сухим остатком склонны к расслоению при хранении. Пигментная фаза с частью связующего может опускаться вниз, при этом в верхних слоях снижается вязкость и содержание твердой фазы. Перед использованием требуется тщательное перемешивание механической мешалкой соответствующей мощности. Ручное перемешивание, как правило, недостаточно для восстановления однородности состава.
Модификация связующих для HSC-систем
Ключевым фактором создания эффективных HSC-материалов является разработка специализированных связующих систем, обеспечивающих необходимый комплекс свойств при пониженном содержании растворителей.
Требования к связующим для HSC
Связующие для высокосухих составов должны обладать низкой молекулярной массой для обеспечения приемлемой вязкости раствора при высокой концентрации. Одновременно необходима повышенная функциональность - наличие достаточного количества реакционноспособных групп для формирования плотной пространственно-сшитой структуры после отверждения.
| Тип связующего | Молекулярная масса | Функциональность | Применение в HSC |
|---|---|---|---|
| Низкомолекулярные акриловые смолы | 1000-3000 Да | Высокая (OH, COOH группы) | Универсальные HSC-системы |
| Модифицированные эпоксидные олигомеры | 400-1400 Да | Эпоксидные группы | Защитные покрытия, грунты |
| Полиэфирные смолы с активными разбавителями | 800-2000 Да | Ненасыщенные связи | Специальные покрытия |
| Полиуретановые преполимеры | 500-2500 Да | NCO группы | Двухкомпонентные HS-системы |
Методы модификации
Для достижения необходимых свойств применяют различные методы модификации связующих. Химическая модификация включает изменение состава мономеров при синтезе, введение активных разбавителей, использование олигомеров с концевыми функциональными группами. Физическая модификация предполагает смешение связующих различной природы для получения гибридных систем с оптимальными характеристиками.
Системы отверждения
Для HSC-материалов критически важен правильный подбор отвердителя. При высокой концентрации связующего необходимо обеспечить полноту протекания реакций сшивания во всем объеме покрытия. Используют отвердители с оптимизированной реакционной способностью, обеспечивающие баланс между жизнеспособностью рабочей смеси и скоростью отверждения покрытия.
Реологические добавки для высокосухих составов
Управление реологическими свойствами является ключевым фактором успешного применения HSC-материалов. Реологические добавки позволяют оптимизировать вязкостные характеристики на всех стадиях технологического процесса.
Типы реологических добавок
Реологические модификаторы для ЛКМ подразделяются на загустители и тиксотропизирующие добавки. Загустители повышают вязкость материала относительно равномерно во всем диапазоне скоростей сдвига. Тиксотропные добавки создают обратимую пространственную структуру, которая разрушается при механическом воздействии и восстанавливается после его прекращения.
| Тип добавки | Механизм действия | Применение | Дозировка |
|---|---|---|---|
| Производные целлюлозы | Водородные связи, гидратация | Водные системы | 0,1-0,5% |
| Акриловые загустители (ASE, HASE) | Ассоциативное взаимодействие | Водные HSC-системы | 0,3-1,0% |
| Полиуретановые загустители | Образование мицелл | Водные покрытия с блеском | 0,2-0,8% |
| Органоглины (бентониты) | Пространственная сетка | Органорастворимые системы | 0,5-2,0% |
| Пирогенные оксиды кремния | Водородные связи частиц | Противоосадочные свойства | 0,2-1,5% |
| Полиамиды | Структурирование | Высоковязкие HS-системы | 1,0-3,0% |
Особенности применения в HSC-системах
Для материалов с высоким сухим остатком требуется особенно тщательный подбор реологических модификаторов. Высокая концентрация полимера сама по себе создает определенную структурированность системы. Неправильный выбор или передозировка реологических добавок может привести к чрезмерному повышению вязкости, ухудшению розлива, затруднению нанесения.
Важным аспектом является совместимость реологических добавок с компонентами HSC-системы. Некоторые модификаторы могут взаимодействовать со связующим или отвердителем, влияя на процесс отверждения. Необходимо учитывать возможное противоположное влияние различных функциональных добавок - например, загустители препятствуют стеканию, а добавки для улучшения розлива способствуют растеканию.
Многокомпонентные реологические системы
Для достижения оптимального реологического профиля HSC-материалов часто применяют комбинации различных типов добавок. Сочетание основных и ассоциативных загустителей позволяет управлять вязкостью в широком диапазоне скоростей сдвига. Комбинация с тиксотропизаторами обеспечивает необходимое соотношение между текучестью при нанесении и устойчивостью к стеканию после него.
Оборудование для нанесения HSC-материалов
Выбор подходящего оборудования критически важен для успешного применения материалов с высоким содержанием сухого остатка. Повышенная вязкость и особые реологические свойства HSC-систем предъявляют специфические требования к окрасочному оборудованию.
Пневматическое распыление
Для нанесения HSC-материалов методом пневматического распыления используют краскопульты специальной конструкции с увеличенными проходными сечениями и оптимизированной геометрией воздушных каналов.
| Система | Давление на выходе | Коэффициент переноса | Применение для HSC |
|---|---|---|---|
| HVLP (High Volume Low Pressure) | 0,7 бар | 65-70% | Оптимально для HS 60-70% |
| LVLP (Low Volume Low Pressure) | 1,2 бар | 70-75% | Универсальное применение |
| LVMP (Low Volume Middle Pressure) | 1,5-2,0 бар | 65-70% | Для вязких HS-материалов |
| RP (Reduced Pressure) | 1,5 бар | 60-65% | Высокопроизводительное нанесение |
Системы HVLP показывают хорошие результаты при работе с материалами HS, обеспечивая высокий коэффициент переноса и качественное распыление. Однако они требуют компрессорного оборудования высокой производительности. Системы LVLP представляют оптимальный баланс между качеством распыления и требованиями к компрессору.
Безвоздушное распыление
Метод безвоздушного распыления (Airless) особенно эффективен для нанесения высоковязких HSC-материалов на большие площади. Принцип работы основан на создании высокого гидравлического давления, при котором материал продавливается через специальное сопло и распыляется за счет резкого падения давления. Рабочее давление составляет обычно 100-250 бар в зависимости от вязкости материала и требуемой толщины покрытия.
- Рабочее давление: 100-250 бар (типично 150-200 бар)
- Размер сопла: 0,015-0,025 дюйма
- Угол факела: 40-80 градусов
- Производительность: до 3 л/мин
- Коэффициент переноса: 85-90%
Преимущества безвоздушного метода для HSC включают возможность распыления высоковязких материалов без значительного разбавления, высокую производительность, меньшее туманообразование. Недостатком является более низкое качество покрытия по сравнению с пневматическим распылением и быстрый износ форсунок при работе с наполненными материалами.
Комбинированное распыление
Системы комбинированного распыления (Air-Mix, AirCoat) сочетают преимущества безвоздушного и пневматического методов. Материал подается под давлением 30-50 бар, а формирование факела дополнительно осуществляется воздухом низкого давления. Это обеспечивает высокое качество покрытия при работе с вязкими HSC-материалами и коэффициент переноса до 75-80%.
Электростатическое распыление
Применение электростатического распыления для HSC-материалов позволяет дополнительно повысить коэффициент переноса до 90-95%. Частицы материала получают отрицательный заряд и направленно перемещаются к заземленной окрашиваемой поверхности. Метод особенно эффективен для окраски изделий сложной геометрии, обеспечивая равномерное покрытие со всех сторон.
Методы испытаний и контроля качества
Контроль качества HSC-материалов включает определение ключевых параметров на этапах производства, хранения и применения. Правильное выполнение испытаний обеспечивает стабильность свойств материалов и качество получаемых покрытий.
Определение содержания сухого остатка
Массовую долю нелетучих веществ определяют гравиметрическим методом в соответствии с требованиями стандартов. Навеску материала массой 1-2 грамма высушивают при температуре 105-110 градусов до постоянной массы. Сухой остаток вычисляют как отношение массы высушенного образца к исходной массе навески, выраженное в процентах.
Объемную долю нелетучих веществ определяют расчетным методом на основе данных о плотности материала и массовой доле сухого остатка. Этот параметр используют для расчета толщины получаемого покрытия и расхода материала.
V = (M × ρж) / ρс
где:
V - объемная доля нелетучих веществ, %
M - массовая доля нелетучих веществ, %
ρж - плотность жидкого материала, г/см³
ρс - плотность высушенной пленки, г/см³
Контроль вязкости
Условную вязкость определяют с использованием вискозиметров типа ВЗ-246 или аналогичных. Время истечения 100 миллилитров материала через калиброванное отверстие при заданной температуре характеризует технологичность материала. Для HSC-материалов контроль температуры при измерении вязкости особенно критичен из-за высокой чувствительности к температурным изменениям.
Испытания покрытий
Качество покрытий из HSC-материалов оценивают по комплексу показателей согласно действующим стандартам. Определяют толщину покрытия, адгезию к подложке, твердость, эластичность, стойкость к различным воздействиям. Для HSC-покрытий важен контроль степени отверждения, особенно при нанесении толстых слоев.
| Показатель | Метод испытания | Критерии для HSC-покрытий |
|---|---|---|
| Толщина покрытия | Толщиномер магнитный или вихретоковый | Соответствие проектной толщине ±10% |
| Адгезия | Метод решетчатых надрезов или отрыва | Не ниже 1 балла по решетке |
| Твердость | Маятниковый прибор | Не менее 0,5 условных единиц |
| Эластичность | Изгиб на стержне | Диаметр стержня не более 3 мм |
Часто задаваемые вопросы
Источники
- ГОСТ 31939-2012 (ISO 3251:2008). Материалы лакокрасочные. Определение массовой доли нелетучих веществ.
- ГОСТ Р 50535-93. Материалы лакокрасочные. Методы определения объемной доли нелетучих веществ.
- ГОСТ 17537-72. Материалы лакокрасочные. Методы определения массовой доли летучих и нелетучих, твердых и пленкообразующих веществ.
- ГОСТ 9.403-80. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Методы испытаний.
- ГОСТ 8420-74. Материалы лакокрасочные. Методы определения условной вязкости.
- Осипчик В.С., Костромина Н.В. Разработка термореактивных полимерных связующих для композитов с улучшенными эксплуатационными свойствами. Материалы научно-технической конференции, Ижевск, 2016.
- Жуков Е.В., Онегин В.И. Технология защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов. Учебник для вузов. М.: Экология, 1993.
- Рыбин Б.М. Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов. Учебное пособие для технических вузов.
- Водовозов Г.А., Осипчик В.С. и др. Разработка эпокси-каучуковых связующих для создания армированных композиционных материалов. Журнал «Пластические массы», 2019.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
