Добавка для лакокрасочных материалов (варианты)

Изобретение относится к химии фторорганических соединений, а именно, к технологии получения нанодисперсного фторорганического материала, который может быть использован в качестве добавок для лакокрасочных составов на основе растворителей и водоэмульсионных красках.

Известен способ получения фторполимерного мелкодисперсного порошка, включающий нагревание фторопластового материала до температуры 480-540°С с последующим испарением в токе инертного газа при времени пребывания продуктов реакции в зоне нагрева 0,2-0,3 секунды с дальнейшей конденсацией мелкодисперсного порошка политетрафторэтилена на стенках реактора, охлаждаемых до 0-100°С (см. патент РФ №1818328, МПК C08F 14/26, C08J 5/16, 1993 г.).

Полученный известным способом фторполимерный порошок при его использовании в составе присадок вследствие недостаточно малого размера его частиц требует использования специальных добавок для предотвращения их агломерации.

Известен способ получения нанодисперсного фторорганического материала, путем термодеструкции политетрафторэтилена в плазме электрического разряда в переменном электрическом поле при амплитуде переменного напряжения не менее 2 кВ в атмосфере воздуха с последующим охлаждением (см. патент РФ №2341536, МПК C08F 114/26, C08J 11/10, B82B 3/00, C08J 3/28, C08J 11/04 (2006.01), опубл. 2008 г.).

Полученный известным способом нанодисперсный фторорганический материал не является индивидуальным химическим соединением, поскольку кроме фторорганических соединений, соответствующих политетрафторэтилену, он содержит и другие фторорганические соединения. Кроме того, он состоит либо из частиц неправильной формы, являющихся агломератами более мелких образований, либо из кристаллов. Таким образом, химический состав и структура фторорганического материала, полученного известным способом, не обеспечивают требуемых свойств при его непосредственном применении в качестве ингредиента лакокрасочных покрытий.

Известен способ получения многофункциональных защитных покрытий, предусматривающий нанесение на подложку лакокрасочного материала и низкомолекулярного политетрафторэтилена, который вводят непосредственно в лакокрасочный материал в виде дисперсии в ксилоле в количестве 1-40% от сухой массы лакокрасочного материала (см. патент РФ №2619687, МПК C09D 127/18 (2006.01), C09D 5/16 (2006.01), B82Y 30/00 (2011.01), 2017 г.). Данное решение принято за прототип.

Известно, что наряду с общим составом лакокрасочных материалов (ЛКМ) существенное влияние на характеристики получаемых покрытий оказывает модификация политетрафторэтилена (ПТФЭ), степень дисперсности и морфология его частиц. Наноструктурированный низкомолекулярный ПТФЭ в зависимости от условий его получения включает нанопленки различной площади, которые могут сворачиваться в микротрубки различного размера, в свою очередь, способные впоследствии трансформироваться в нанопленки толщиной 5-25 нм, сконденсированные в микропакеты диаметром 0,1-3 мкм.

Недостатком наноструктурированного низкомолекулярного политетрафторэтилена, в виде дисперсии в ксилоле, используемого в качестве добавки, является то, что при длительном хранении и транспортировке не обеспечивается однородность дисперсии, а значит в дальнейшем и однородность лакокрасочного покрытия.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, состоит в создании стабильной, устойчивой при хранении добавки для лакокрасочных материалов с политетрафторэтиленом (ПФТЭ), которая могла бы быть использована в качестве готового торгового продукта с целью последующего применения его в составе различных лакокрасочных материалов.

Техническая проблема – повысить однородность дисперсии низкомолекулярного политетрафторэтилена и расширить сферу его применения.

Для решения поставленной технической проблемы по варианту 1 в известной добавке для лакокрасочных материалов, содержащей низкомолекулярный политетрафторэтилен в виде дисперсии в ксилоле, согласно изобретения, добавка дополнительно содержит неионогенное ПАВ – Неонол, а в качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум» с размерами частиц 0,1-0,2 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Политетрафторэтилен – 6-8

Неионогенное ПАВ - Неонол АФ 9-4 и АФ 9-6 -0,2-0,4

Ксилол – Остальное

Для решения поставленной технической проблемы по варианту 2 в известной добавке для лакокрасочных материалов содержащей низкомолекулярный политетрафторэтилен в виде водной дисперсии, согласно изобретения, добавка дополнительно содержит неионогенное ПАВ – Неонол, а в качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум» с размерами частиц 0,1-0,2 мкм диспергированную в воде обессоленной или конденсате при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Политетрафторэтилен – 6,0-8,0

Неионогенное ПАВ – Неонол АФ-9-12 и АФ-9-10 -0,2-0,4

Вода обессоленная или конденсат – Остальное

Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в создании стабильной при хранении добавке для лакокрасочных материалов с частицами политетрафторэтилена (ПФТЭ), которая может быть использована в лакокрасочных материалах для улучшения их однородности и предотвращения расслоения во время хранения.

При реализации изобретения установлено, что добавка эффективно распределяется в составе лакокрасочных материалов, обеспечивая стабильность однородного состояния. Данный эффект объясняется тем, что жидкостные растворы многих поверхностно-активных веществ обладают особыми свойствами, отличающими их как от истинных растворов низкомолекулярных веществ, так и от коллоидных систем. Одной из отличительных особенностей растворов ПАВ является возможность существования их как в виде молекулярно-истинных растворов, так и в виде мицеллярных - коллоидных.

Критическая Концентрация Мицеллообразования (ККМ) - это концентрация ПАВ, при достижении которой при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но, в то же время, происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. 

Переход из молекулярного состояния в мицеллярное происходит, как правило, в достаточно узкой области концентраций, ограниченной, так называемыми, граничными концентрациями. Эти граничные концентрации лежат ниже и выше средней ККМ; только при концентрациях, меньших минимальной граничной концентрации, растворы ПАВ аналогичны истинным растворам низкомолекулярных веществ. 

ККМ для Неонола составляет 0,2-0,4 мас. %. В этом диапазоне обеспечивается мицеллообразование во всем объеме. Таким образом, при диспергировании политетрафторэтилена (ПТФЭ) с Неонолом, будет обеспечено капсулирование мицеллами микрочастиц ПТФЭ, что исключит их слипание. Кроме этого разные марки Неонола растворимы в воде (АФ-9-12 и АФ-9-10) и в Ксилоле (АФ 9-4 и АФ 9-6).

Количественное содержание ПТФЭ от 6 до 8 мас.% в добавке объясняется тем, что это оптимальное количество, которое позволяет равномерно распределить ПТФЭ в готовом лакокрасочном материале (ЛКМ) при смешивании его с добавкой. Уменьшение количества ПТЭФ в добавке не позволит обеспечить требуемые свойства ЛКМ (по улучшению показателей по однородности - отсутствию расслоения ЛКМ, смачиваемости, стойкости к истиранию). Увеличение количества ПТЭФ в добавке не позволит повысить ее эффективность, но при этом приведет к удорожанию добавки.

Заданные параметры частиц ПТФЭ оптимальны по условиям эффективной поверхностной активизации их при минимизированном расходе в составе добавки. Заданные параметры частиц ПТФЭ оптимальны и по условиям эффективного взаимодействия их с поверхностями покрытия. Уменьшение размеров частиц ПТФЭ (менее 0,1 мкм) нецелесообразно, т.к. приводит к удорожанию технологического процесса их получения. Использование в составе добавки частиц ПТФЭ с параметрами более 0,2 мкм ухудшает устойчивость к слипанию полученных при смешивании компонентов, а также снижает эффективность взаимодействия частиц с поверхностями покрытия.

Полученная мицеллярная добавка нанодисперсного политетрафторэтилена предназначена для использования в лакокрасочных составах на основе растворителей (марка А) и водоэмульсионных красках (марка Б), в качестве компонента, повышающего однородность лакокрасочного состава, а значит и его прочность и, отчасти, адгезионные свойства.

Мицеллярную добавку нанодисперсного политетрафторэтилена получают методом диспергирования сухой смазки «Форум» по ТУ 2213-001-15259672-2016 в ксилоле (марка А) или в воде обессоленной или конденсате (марка Б). Для создания мицеллярной добавки служит неионогенное ПАВ – Неонол.

Добавка вводится в лакокрасочный состав на любой стадии его приготовления, в том числе и в уже готовый ЛКМ.

Добавку ПТФЭ диспергируют в ЛКМ с помощью роторно-пульсационного диспергатора-кавитатора.

Сухая смазка «Форум» - это ультрадисперсный модифицированный порошок политетрафторэтилена (ТУ 2213-001-15259672-2016)

Порошок ФОРУМ® имеет высокую температурную стойкость до 500 градусов Цельсия. Он является прекрасным диэлектриком. Химически порошок ФОРУМ® устойчивее золота и платины, не растворяется даже в «царской водке», поэтому создаваемое им покрытие надежно защищает поверхность от любой агрессивной среды. ФОРУМ® полностью предотвращает окисление и коррозию металла. Покрытие ФОРУМ® с коэффициентом трения 0,02 «мокрый лед по мокрому льду» полностью устраняет «сухое» трение. Учитывая, что и наноразмерные частицы ПТЭФ при смешивании с жидкостью (водой или ксилолом) не растворяются в ней, а образуют дисперсный раствор, который в процессе хранения начинает расслаиваться, введение в состав присадки ПАВ Неонол в количестве от 0,2 до 0,4 мас% позволяет обеспечить создание стабильного мицеллярного раствора, не расслаивающегося на жидкую и твердую среды.

Поскольку при самом незначительном механическом усилии микронные образования (микротрубки, пакеты нанопленок) наноструктурированного низкомолекулярного ПТФЭ легко распадаются на нанопленки, то в ходе эксплуатации лакокрасочного покрытия при деформационном воздействии на его поверхность со стороны различных факторов окружающей среды за счет образовавшихся нанопленок возникает эффект «сухой смазки». Это явление препятствует разрушению покрытия: при усилении деформационного воздействия увеличивается масса высвобождающихся нанопленок ПТФЭ и усиливается противодействующий эффект. Благодаря низкой поверхностной энергии наночастиц и нанопленок ПТФЭ сглаживается рельеф поверхности лакокрасочных покрытий и наблюдается снижение их износа и коэффициента трения, повышение гидрофобных и противообрастающих свойств, при этом важное значение имеют эксплуатационные характеристики лакокрасочной основы. Благодаря введению в состав добавки Неонола, за счет стокойти к расслаиванию, обеспечивается более равномерное распределение как добавки в ЛКМ, так и ЛКМ на поверхности обрабатываемых деталей.

В составе предлагаемого низкомолекулярного политетрафторэтилена практически отсутствуют как крайние низкомолекулярные, так и крайние высокомолекулярные компоненты. Известный ультрадисперсный ПТФЭ содержит молекулы перфторуглерода с 5-70 атомами углерода, в то время как предлагаемый низкомолекулярный политетрафторэтилен преимущественно включает молекулы с 13-48 атомами. Отсутствие либо незначительное количество низкомолекулярных составляющих является предпочтительным с экологической точки зрения преимущественно из-за того, что они выбрасываются в атмосферу при нагревания поверхностей.

Практически сферическая форма и малый размер частиц ПТФЭ и обеспечение стойкого равномерного его распределения в добавке из-за образующихся мицеллярных связей, обеспечивают их эффективное проникновение в микро- и нанопоры. Кроме того, улучшение свойств предлагаемого материала связано с возможностью нанесения более тонкого слоя лакокрасочного покрытия на поверхность различных материалов и изделий при ее высоком качестве.

Примеры конкретного осуществления

Вар.1

ПТФЭ диспергировали в ксилоле с помощью роторно-пульсационного диспергатора-кавитатора.

Пример 1 - ПТФЭ с размером частиц 0,1 мкм (в качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 6 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ 9-4 и АФ 9-6 -0,2;Ксилол – Остальное

Пример 2 - ПТФЭ с размером частиц 0,15 мкм (в качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 7 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ 9-4 и АФ 9-6 -0,3;Ксилол – Остальное

Пример 3 - ПТФЭ с размером частиц 0,2 мкм (в качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 8 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ 9-4 и АФ 9-6 -0,4;Ксилол – Остальное

Пример 4 - ПТФЭ с размером частиц 0,2 мкм (в качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 6 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ 9-4 и АФ 9-6 -0,1;Ксилол – Остальное

Пример 5 - ПТФЭ с размером частиц 0,2 мкм (качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 6 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ 9-4 и АФ 9-6 -0,5;Ксилол – Остальное

Вар.2

ПТФЭ диспергировали в воде обессоленной или конденсате с помощью роторно-пульсационного диспергатора-кавитатора.

Пример 1 - ПТФЭ с размером частиц 0,1 мкм (качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 6 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ-9-12 и АФ-9-10 -0,2; Вода обессоленная или конденсат – Остальное

Пример 2 - ПТФЭ с размером частиц 0,15 мкм (качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 7 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ-9-12 и АФ-9-10 -0,3; Вода обессоленная или конденсат – Остальное

Пример 3 - ПТФЭ с размером частиц 0,2 мкм (качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 6 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ-9-12 и АФ-9-10 -0,4; Вода обессоленная или конденсат – Остальное

Пример 4 - ПТФЭ с размером частиц 0,2 мкм (качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 6 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ-9-12 и АФ-9-10 -0,1; Вода обессоленная или конденсат – Остальное

Пример 5 - ПТФЭ с размером частиц 0,2 мкм (качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум») – 6 мас.%; Неионогенное ПАВ - Неонол АФ-9-12 и АФ-9-10 -0,5; Вода обессоленная или конденсат – Остальное

Полученные по приведенным выше примерам продукты оценивались по обеспечению мицеллообразования во всем объеме, то есть при диспергировании политетрафторэтилена (ПТФЭ), должно быть обеспечено капсулирование мицеллами микрочастиц ПТФЭ и тем самым исключено их слипание в оценочный срок, результаты приведены в табл.1, 2.

Приведенные в табл. 1 оценочные показатели по обеспечению мицеллообразования во всем объеме свидетельствуют о стабильности к хранению добавки по вар. 1, 2 в оценочный срок, что подтверждает целесообразность применения добавки, образующей продукт, готовый к применению в течение длительного срока без дополнительных технологических затрат на восстановление его первоначальных свойств.

Заявляемая добавка для лакокрасочных материалов может быть изготовлена с использованием указанных веществ и применением известных технологий.

Добавка может быть использована для улучшения свойств лакокрасочных материалов.