Алкидные смолы: состав, назначение, применение и производство лакокрасочных изделий

Алкидные смолы занимают одну из лидирующих позиций в качестве сырья для производства современных лакокрасочных материалов. Пленкообразующие составы на их основе имеют широкую область применения. Свойства покрытий зависят от типа смол и полуфабрикатных лаков. Наибольшее распространение получили модифицированные составы, так как они обладают высокими декоративными и защитными качествами.

Описание

Алкидные смолы (или алкиды) – это сложные эфиры, появляющиеся в результате реакции многоатомных спиртов с многоосновными кислотами или их ангидридами. По внешнему виду они представляют собой высоковязкую липкую массу, цвет которой от темно-желтого до коричневого.

Алкиды также сочетают с другими смолами и целлюлозой (алкиднокарбамидоформальдегидные, фенолалкидные, алкидноакриловые сополимеры и прочие соединения). Для снижения поверхностного натяжения в их состав вводят бутиловый спирт, что облегчает розлив готового продукта.

Химический состав и классификация

Систематизация алкидных смол осуществляется по нескольким критериям:

1. По наличию жирных кислот в составе: немодифицированные (фталатные) и модифицированные.

2. По содержанию масла: жирные (>60 %), средней жирности (40-60 %), тощие (35-60 %), сверхтощие (<34 %). Жирные алкиды готовят в основном на высыхающих маслах.

3. По виду спирта, на основе которого получают состав: глифталевые, ксифталевые, пентафталевые, этрифталевые.

4. По способности к высыханию: высыхающие и невысыхающие.

5. По способу растворения: разбавляемые органическими растворителями или водой.

По химическому составу алкидная смола представляет собой 40-60 % раствор нелетучих веществ в органических растворителях.

Характеристики

Свойства алкидов зависят от вида многоатомного спирта, его концентрации и наличия других компонентов. Ароматические компоненты придают покрытиям на основе этих соединений твердость и износостойкость, алифатические полиолы –эластичность, циклоалифатические структурные звенья – сбалансированность характеристик.

Растворы алкидных смол характеризуются следующими параметрами:

• вязкость – 35-100 с (по вискозиметру ВЗ-4);

• молекулярная масса – 1500-5000 кДа;

• плотность – 0,9-1,05 г/см³;

• количество гидроксида калия, являющегося основным показателем качества масел, – не более 20.

При увеличении температуры вязкость алкидов снижается и наоборот. Чем меньше жирность вещества, тем хуже оно растворяется алифатических и нафтеновых углеводородах.

Улучшение свойств

Немодифицированные алкиды образуют твердые и хрупкие пленки, плохо растворяются. Для улучшения их качеств в состав реакционной смеси вводят дополнительные компоненты, которые придают покрытиям глянец, эластичность, стойкость к воде, растворителям, маслам и атмосферному воздействию, ускоряют сушку при комнатной температуре, повышают адгезию с основным материалом. Модифицированные алкидные смолы получают с помощью льняного, таллового, тунгового, подсолнечного, касторового, хлопкового масла, канифоли, синтетических жирных кислот.

Выделяют 3 основных способа модифицирования:

• введение мономеров при производстве смолы;

• путем реагирования готовых алкидов с модифицирующими веществами;

• смешением смол с другими пленкообразователями.

Получение

Синтез алкидов производят двумя способами: алкоголизом и жирнокислотным методом.

В первом случае процесс проходит в 3 этапа:

1. Переэтерификация растительного масла или триглицеридов его жирных кислот многоатомными спиртами. Химическая реакция проходит при температуре 240-260 °C и в присутствии катализатора. Для производства глифталевых смол из спиртов используют глицерин, для этрифталевых – этриол, для пентафталевых – пентаэритрит.

2. Этерификация неполных эфиров фталевым ангидридом, в результате чего образуется кислый эфир.

3. Полиэтерификация с выделением воды и образованием алкида.

При втором способе получения смол производится этерификация и полиэтерификация эфиров жирных кислот и многоатомных спиртов.

Вещества для разбавления алкидов

Растворителями для алкидных смол служат следующие углеродные соединения:

• алифатические (гексан, гептан, парафины С6-С12);

• ароматические (бензол, сольвент, толуол, ксилол и другие);

• терпеновые (скипидар);

• галогенсодержащие (трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, перхлорэтилен);

• нефтяные (нефрас, бензин).

Низкокипящие эфиры (этиловый спирт, этилацетат), простые эфиры гликолей, кетоны (ацетон) также могут использоваться в качестве разбавителей. Бутанол для этих целей непригоден, так как его молекулы притягивают к себе большое количество растворителя, содержащегося в алкидных смолах. Тощие алкиды растворяются только в ароматических углеводородах, а жирные – в алифатических.

Существуют также водорастворимые смолы, на основе которых выпускают водоразбавляемые ЛКМ (эмали и грунтовки горячей сушки).

Применение

Основное назначение алкидных смол – это получение лакокрасочных материалов (ЛКМ). Немодифицированные составы применяют для изготовления электроизоляционных лаков и клеев.

Из растворов смол делают полуфабрикатные и готовые лаки, использующиеся в промышленности и быту.

Лакокрасочные материалы

Алкидные ЛКМ получили наибольшее распространение из всех материалов на основе поликонденсационных смол. Так как у спирта пентаэритрита имеется 4 гидроксильные группы, то алкиды с его содержанием отверждаются быстрее и образуют более глянцевые покрытия. В связи с этим в промышленности преимущественно выпускают материалы лакокрасочные на основе алкидных смол пентафталевого типа. Использование большого количества ароматических компонентов обеспечивает твердость и стойкость покрытий к механическому воздействию.

Пигментированные ЛКМ на основе алкидов подразделяют на следующие группы:

• глифталевые (ГФ), пентафталевые (ЭФ), этрифталевые (ЭТ) эмали;

• грунты;

• шпаклевки.

Высыхающие алкидные смолы используются в качестве самостоятельных пленкообразователей для лакокрасочной продукции, а невысыхающие – в составах с карбамидными смолами, нитратами целлюлозы (для улучшения эластичности и сцепления покрытий с основным материалом).

Свойства ЛКМ зависят от их химического состава. Так, более жирные алкидные смолы в органических растворителях легче наносятся кистью, имеют повышенную эластичность и атмосферостойкость, но медленнее высыхают и обладают меньшей стойкостью к воздействию минеральных масел. Максимальная скорость сушки характерна для смол, модифицированных тунговым или льняным маслом. Среднее время высыхания на отлип для алкидных эмалей составляет 24 ч.

Специфика ЛКМ

Алкидные смолы, в зависимости от компонентного состава, применяются в следующих целях:

• На основе бензойной кислоты (содержание масла 38-50 % по массе) – эмали для окраски сельскохозяйственных машин, радиаторов, ремонта автомобилей. Обладают высокой стойкостью к выцветанию и воздействию атмосферы.

• Содержащие 9,12-линолевую и 9,11-линолевую кислоты – ремонт оборудования.

• Тощие – быстросохнущие однослойные покрытия, грунтовки, краска для радиаторов.

• На льняном масле и глицерине – антикоррозионные покрытия, печатные краски. Могут быстро выцветать под воздействием солнечного света, поэтому применяются чаще всего в грунтовках и выравнивающих составах.

• На соевом или талловом масле – покрывные эмали, обладающие хорошей атмосферостойкостью.

• Модифицированые природными смолами (кислоты канифоли) – производство грунтовок и шпатлевок. Составы склонны к выцветанию.

• Модифицированные стиролом, акрилатом – грунтовки, шпатлевки, выравнивающие составы, ЛКМ для окраски судов, оборудования, листового металла, древесины, подвергающейся сильным механическим нагрузкам (паркетные лаки, эмали для пола, мебели); упаковка эмалей в тюбики. Обладают повышенной стойкостью к истиранию и упругостью.

Экологические аспекты

Так как алкидные смолы содержат органические растворители, то они представляют определенную опасность для здоровья человека и окружающей среды. При проведении лакокрасочных работ с использованием ЛКМ на их основе необходимо применять средства индивидуальной защиты (противогазы, спецодежда). Покраска должна производиться в помещениях с приточно-вытяжной вентиляцией.

По уровню токсичности растворителей алкиды можно разделить на 3 группы:

• наименее токсичные (ПДК=300-1000 мг/м³) – этиловый эфир, спирт, бензин;

• средней токсичности (ПДК=100-200 мг/м³) – ацетон, бутиловый эфир;

• высокотоксичные (ПДК=20-50 мг/м³) – этиленгликоль, бензол.

За рубежом предъявляются высокие требования к экологичности производства ЛКМ, поэтому в настоящее время ведутся работы по созданию материалов с высоким содержанием сухого вещества и водоразбавляемых составов. Однако алкидные смолы с органическими растворителями по-прежнему превосходят водорастворимые по технологическим свойствам.