Як роблять фарби і лаки?

Лаки і фарби є дуже популярним продуктом хімічної галузі, призначеним для обробки різного роду поверхонь з метою отримання покриттів з певними технічними характеристиками, захисними властивостями і естетичними параметрами. Особливо широко лакофарбову продукцію (не тільки, безпосередньо, лаки і фарби, а й шпаклівки, ґрунтівки, емалі тощо) використовують у будівництві, при виконанні ремонтних заходів та оздоблювальних робіт. Її випуск можливий у вигляді рідини, порошку або в пастоподібній формі.

Фарби – це комплекси, що містять пігментовані компоненти, а лаки – композиції без таких. Тобто, по суті, відмінність одних від інших полягає в кінцевому результаті: в першому випадку утворюється кольорова плівка, в другому – безбарвна прозора. Якщо узагальнити, то лаками можна назвати безбарвні фарби.

Основа ЛФ продукції може бути олійною (з оліфою) і водно-дисперсійною. Оліфа забезпечує оперативне висихання поверхні, що піддається обробці. Ще в цій галузі, як проміжні матеріали, задіюють смоли і розчинники, як додаткові – змивки, мастики, затверджувачі та ін. Про весь спектр необхідних речовин поговоримо далі, зараз же трохи інформації про різновиди і виробничі особливості.

Види фарб і лаків

Всі фарби поділяються на такі групи:

- водні (емульсійні, акрилові, латексні, полівінілацетатні, силіконові);

- на органічному розчиннику (алкідні, олійні, емалеві);

- силікатні;

- клейові (казеїнові та декстриновані).

Як у випадку з фарбами, так і лаки поділяють, за базовим матеріалом. Основні види лаків: алкідні, олійні, бітумні, спиртові, кам’яновугільні, акрилові, уретанові та поліуретанові, перхлорвінілові та епоксидні, нітроцелюлозні, поліефірні, пентафталеві, полівінілацетатні й епоксиефірні.

Кожному з перерахованих вище різновидів властива своя специфіка. Крім того, можуть відрізнятися виробничі моменти.

Лаки і фарби: особливості виробництва

Для виробництва матеріалів цієї групи необхідно:

- врахувати специфіку виду/видів, які будуть створюватися;

- правильно організувати робочі приміщення (досить велика площа, добре освітлення, наявність опалення та водогінної води);

- закупити обладнання. Сподіваємося, не потрібно роз’яснювати, чому воно повинне мати бездоганну якість;

- подбати про постачання високоякісної сировини (не тільки основної, а й добавок, пігментів, наповнювачів, загусників...);

- спочатку проаналізувати і надалі постійно вивчати ринок діяльності.

Що стосується технологічних нюансів, то сьогодні існують різні виробничі технології. Ось кілька популярних техноліній:

- для випуску продукції з низькою в’язкістю (ґрунтівок і просочень);

- для виробництва низько- та средньов’язких матеріалів (лаків, фарб, ґрунтівок);

- для створення шпаклівок.

Загалом, робочий процес складається з низки етапів:

- наливання води в досить велику ємність;

- включення малих обертів;

- завантаження всіх компонентів;

- додавання при необхідності крейди і діоксиду титану;

- емульгування;

- фасування.

Але є і специфічні особливості. Для отримання лаків і фарб у них, поміщених у диспергатори, окремо розсіюють пігменти, а потім виготовляють різного кольору продукти. Різнобарвні пасти отримують іншим способом. Тут змішувачі повинні працювати безперервно, приводячи в рух млини, що наповнюються пігментами. Компоненти емалі надходять у змішувач крізь дозатор, після цього продукт очищають від сторонніх включень і фасують. При виготовленні ґрунтівок задіюють дозатори, шприци та очисні фільтри. А для отримання шпаклівок беруть карбонат кальцію (крейду), латекс, клей, сульфацил і сірчанокислу мідь, все разом змішують в ємності і переносять у спеціальне обладнання, де композиція набуває бажаної консистенції.

Матеріали для лакофарбової продукції

З чого виготовляють ЛФМ? Що забезпечує захисні властивості та покриваність? Які обов’язки виконує той чи інший функціональний елемент і як варіюються властивості продукту, згідно з кінцевою метою? Всі ці питання дуже важливі для ЛФ галузі. Тому спробуємо знайти на них відповіді.

Будь-яка фарба – це мультикомпонентна композиція, що містить близько десяти інгредієнтів. Всіх їх можна розділити на основні й допоміжні. До перших належать зв’язка, пігмент та розчинник, до других – все інше. Без будь-якого з основних компонентів матеріал не перетвориться в фарбу (виняток – промислові порошкові продукти, що не містять розчинника). Без тієї чи іншої допоміжної складової фарба все-таки може бути отримана, але з певною шкодою для найвищих якісних показників, тих чи інших властивостей продукту.

В’яжуча речовина (зв’язка, плівкоутворювач)

У процесі висихання сприяє утворенню плівки, яка набуває захисних властивостей і характеризується необхідною адгезію (рівнем прилипання) до оброблюваної поверхні. Нею можуть слугувати напівфабрикатні лаки, синтетичні смоли і деякі інші плівкоутворюючі речовини. У функціональних обов’язках зв’язки – визначення ступеня глянцевості й твердості покриття, часу висихання, адгезії, стійкості до впливів різного характеру, а також експлуатаційного періоду. Якщо сказати, що вона – найважливіша частина фарби, то це не буде перебільшенням.

До речі, наведена вище класифікація фарб основана саме на цьому основному компоненті (алкідні, епоксидні, поліуретанові та ін.). Кожному виду характерний свій набір захисних властивостей. Наприклад, алкідна продукція характеризується доброю атмосферостійкістю, алкідно-уретанова – атмосферостійкістю та значними фізико-механічними параметрами, акрилова – кольоро- й глянцестійкістю, епоксидна – стійкістю до впливу води та хімічних засобів. Але цим все не обмежується. Сполучні речовини мають і інші властивості, що обумовлюють їх використання при створенні фарб.

При виборі зв’язки необхідно враховувати призначення ЛФМ, експлуатаційні умови майбутнього покриття і, що важливо, її вартість. Якщо взяти, наприклад, органічно розчинну продукцію, то для неї краще використовувати алкідні та алкідно-уретанові плівкоутворювачі. Це один з найкращих варіантів у плані співвідношення ціни і якості. Епоксидні й поліуретанові поряд з високими захисними властивостями коштують дорожче.

Пігмент

Основне завдання цього складника – надання і самому матеріалу, і утворюваному покриттю певного кольору. Серед інших: забезпечення покривання поверхні, підвищення міцності, надання антикорозійних характеристик. Пігментами можуть виступати речовини органічної і неорганічної природи в формі порошку.

Від покривання часто відштовхуються при виборі сировини для створення фарб. Це надважлива властивість пігментів, що відрізняє їх від барвників. За допомогою барвників зафарбовування поверхні неможливе, а завдяки пігментам – ще й як. Ступінь покривання матеріалу може бути різним: якщо він з першого разу не закрив поверхню, значить пігменту застосовано недостатньо.

При виробництві фарб наповнювачі, зокрема й пігменти, перетирають, подрібнюють у спеціальних диспергаторах до мінімально можливих розмірних параметрів. Шляхом забезпечення належного покривання досягається висока питома поверхня.

Один з найпопулярніших у ЛФ промисловості і не тільки пігмент – алюмінієва пудра. Однорідний порошок з високою дисперсністю сіро-сріблястого кольору, подрібнений в пудру метал. У продуктах, які випускаються різними виробниками, кількість активного алюмінію становить 82-92 %. Покривання – 10 г/м². Густина – 0,15-0,3 г/см³.

Цей матеріал доповнюється змазкою, найчастіше парафіном, олеїновою кислотою або стеариновою кислотою, рослинними або мінеральними оліями. Змазка вводиться при подрібненні металу. Завдяки присутності її частинок на поверхні пудри, метал під впливом кисню повітря не окислюється, його частинки не злипаються в процесі зберігання, а також забезпечується вплив на змочування плівкоутворювачами. Коли змочування погіршується, матеріал спливає на поверхню лакофарбового покриття. Це основа специфічних і дуже цінних властивостей цієї пудри, серед яких – листування. Порошок з товщі лакофарбового шару спливає, розташовуючись паралельно до поверхні. При цьому відбувається часткове перекривання один одного. Ступінь листування залежить також від змазки, розчинника і плівкоутворювача, використовуваних у ЛФМ.

Найкраще алюмінієва пудра поєднується з металевими виробами (передусім зі сталі), а також з бетонними, дерев’яними та ін. На ринку представлена в двох варіантах: ПАП-1 і ПАП-2. За складом обидва однакові, проте другий більш подрібнений. Крім того, відрізняються вони покривною здатністю на воді (7200-9700 г/см²).

Алюмінієву пудру задіюють при виготовленні стійких до атмосферного впливу і високих температур (до 450 °С) фарб. Покриттю забезпечуються значна відбивна здатність, водо-, газо- та корозійна стійкість. Найбільш відома фарба, що виготовляється з участю цього матеріалу – «сріблянка» (БТ-177). Також самостійно або разом з кольоровими пігментами він може бути застосований для створення ЛФМ, призначення яких – декоративне оздоблення. Марки пігменту, що не спливають, вводять до складу молоткових емалей, якими покривають техніку, прилади тощо. У зв’язку з легкою взаємодією з кислотами і лугами, цю пудру можна використовувати з нейтральними плівкоутворювачами.

Зазвичай ПАП – компонент фарб, що випускаються в двох упакуваннях, змішувати вміст яких потрібно безпосередньо перед фарбуванням, задля уникнення передчасного загустінаня.

Розчинник

Необхідний для того, щоб ЛФМ перебували в рідкому стані, а відтак для того, щоб їх можна було наносити, куди потрібно. Виглядають розчинники для цієї сфери застосування як рідкі прозорі речовини, що не мають забарвлення, але зі специфічним запахом. Винятком є тільки вода, якій запах не властивий. Якщо забрати з фарби розчинник, то вона перетвориться в сухий твердий продукт, який неможливо буде нанести на поверхню за допомогою характерного фарбувального інструменту (пензлика або валика). А після нанесення в розчиннику вже немає потреби, тому він у повному обсязі випаровується.

Вибір цього основного компонента базується по типу зв’язки. Його хімічна природа схожа до сполучної речовини, він здатний розчиняти або розбавляти. Який розчинник краще брати для певних матеріалів? Для алкідних – уайт-спірит, епоксидних – 646, нітроемалей – 647, акрилових – бутил- і етилацетати, водно-дисперсійних – відповідно, воду.

Допоміжні інгредієнти оптимізують ЛФ виробництво, забезпечують потрібний термін придатності продукції, ефективність нанесення матеріалу, скорочують період висихання і надають спеціальних властивостей ЛФМ. До них належать:

- тверді наповнювачі (наприклад, мармурова пудра, що задіюється з метою збільшити міцність покриття);

- сикативи (беруть участь у хімічних реакціях під час висихання покриття);

- модифікатори іржі (дають можливість фарбувати поверхню, на якій присутній допустимий шар іржі);

- диспергатори (інтенсифікують подрібнення твердих пігментів і наповнювачів);

- антиседиментаційні додатки (не дають пігментам і наповнювачам при зберіганні ЛФМ випадати в осад);

- загусники і піногасники (допомагають досягати результативного виробництва водних фарбувальних сумішей);

- консерванти (стоять на сторожі проникнення в водні ЛФМ згубної мікрофлори при зберіганні);

- коалесценти (функціональні добавки, що сприяють плівкоутворенню в водних фарбах).

Це частина допоміжних речовин, які часто використовуються в лакофарбовій галузі, але не всі. Є й деякі інші.

Хімічна складова фарб і лаків

Як ви розумієте, і основні, і допоміжні компоненти – це переважно речовини хімічної природи. Перелік найменувань – дуже великий. Але є хімія, яка використовується найчастіше. Про неї – далі.

Діоксид титану. Білий твердий реактив, що не розчиняється у воді та кислотах. Має велику розбілювальну здатність і покривання, характеризується значною стійкістю до вологи, хімічних і атмосферних факторів, добре компонується з усіма речовинами, що утворюють плівку, не токсичний. У зв’язку з перерахованими властивостями виступає основним білим пігментом у ЛФ галузі (на нього припадає 90 %). Не тільки дає можливість створювати покриття різних кольорів, але й в рази покращує їх якість, тому гідної альтернативи в лакофарбових рецептурах не має.

Ацетон. Розчинник, що використовується найчастіше при виготовленні нітролаків, які завдяки йому набагато швидше висихають після нанесення. Крім того, може застосовуватися для розведення олійних фарб і ґрунтівок, для знежирення поверхонь перед нанесенням фарбувальних матеріалів і для видалення ЛФ продуктів.

Толуол. Розчинник, який бере участь у створенні дорожніх фарб, нітроцелюлозних лаків та емалей. Часто входить до складу комплексних розчинних композицій, що задіюються при отриманні і застосуванні епоксидних, вінілових, акрилових, нітроцелюлозних і хлоркаучукових ЛФМ.

Уайт-спірит. Цей розчинник при виробництві і нанесенні фарб використовують чи не найчастіше. Він добре розбавляє олійні й алкідні матеріали. Може бути задіяний для знежирення перед фарбуванням.

Ізопропанол. Ще один розчинник, що добре показує себе в виробництві нітро- та етилцелюлози.

Бутилацетат. Призначення – доведення ЛФМ до робочої консистенції. Також може вводитися до складу інших розчинників.

Ксилол нафтовий. Є інгредієнтом деяких емалей і компонентом великої кількості розчинних комплексів.

Етиленгліколь. Антифриз, що дозволяє без ризику перевозити водно-дисперсійні ЛФМ і фарбувати ними при низьких температурах навколишнього середовища.

Карбамід (сечовина). Затверджувач. Застосовується при виготовленні акрил-уретанових фарб і емалей. При внесенні у фталеву емульсійну фарбу сприяє полімеризації емульсії. Завдяки йому покриття виходить міцним і хімічно нерозчинним.

Їдкий натр. Задіюється при виготовленні барвників і пігментів для ЛФ продукції. Також добре дає раду зі старими лакофарбовими покриттями, якщо їх потрібно видалити з дерева, металу або інших поверхонь.

Замість висновку

На основі складових ЛФМ і їх функцій можна визначити, як регулювати і покращувати властивості продукції.

Якщо не влаштовує:

- в’язкість (занадто велика, не сприяє доброму нанесенню матеріалу, формує патьоки або надмірно товстий шар), потрібно додати розчинник, який відповідає фарбі. Завдяки йому композиція прийме більш зручну для нанесення форму. А потім він просто випарується;

- глянець (недостатній), можна використати відповідний лак (наприклад, в ПФ емаль ПФ лак);

- захист (захисні властивості) покриття, до фарби додатково вводиться лак;

- час висихання алкідної фарби, до неї додають алкідно-уретановий лак. Значне прискорення висихання в такому випадку буде пояснюватися більш оперативним висиханням лаку, плюс його сумісністю з матеріалом.

Що стосується невдоволення з приводу покривання, то тут можна прибрати недолік тільки на виробництві, споживач для поліпшення цього параметру зробити вже нічого не зможе. Пігментів у роздрібному продажу немає, хіба що алюмінієва пудра, про яку ми згадували вище. Та й ввести їх у фарбу без специфічного обладнання, що виконує диспергування, неможливо. Тому добре, якщо виробник подбає про якість ЛФМ, а споживачеві, крім виконання дрібних маніпуляцій на кшталт розведення фарби або підвищення глянцевості, нічого робити додатково не доведеться. Від цього виграє кожен.