Charakterystyka lakierów wodorozcienczalnych 2008.03.10

mgr inż. Helena Kuczyńska Instytut Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych "METALCHEM" - Oddział w Gliwicach
44-100 Gliwice, ul. Chorzowska 50 A
tel: 032 231 90 45 fax: 032 231 26 74
e-mail: h.kuczynska@ipts-metalchem.torun.pl

Streszczenie
W referacie szczegółowo omówiono zagadnienia związane z otrzymywaniem farb i lakierów wodorozcieńczalnych, należących do nowoczesnej grupy wyrobów lakierowych. Scharakteryzowano poszczególne rodzaje tych wyrobów z udziałem wodorozpuszczalnych i wodorozcieńczalnych spoiw. Porównano właściwości tych produktów z farbami konwencjonalnymi z uwzględnieniem ich składu, wymagań przy aplikacji, bezpieczeństwa pracy, transportu i składowania. Różnice we właściwościach powłok tych wyrobów lakierowych przedstawiono na kilku wybranych przykładach.


Wstęp
Dyrektywy europejskie w zakresie ograniczania zanieczyszczenia środowiska, łącznie z ostatnią dyrektywą 2004/42/WE, wymuszają produkcję i stosowanie wyrobów lakierowych o zmniejszonej zawartości lotnych związków organicznych (VOC). Stąd ograniczenie VOC w farbach i lakierach, obok poprawy jakości, stało się istotnym czynnikiem mającym wpływ na rozwój nowych technologii. Skrót VOC pochodzi z nazwy angielskiej: volatile organic compounds. - lotne substancje organiczne.

Zgodnie z przyjętą w tej Dyrektywie definicją VOC, w Unii Europejskiej wszystkie rozpuszczalniki organiczne, których początkowa temperatura wrzenia jest mniejsza lub równa 250°C, zaliczane są do lotnych substancji organicznych. W Polsce, z dniem wejścia do Unii, tj. od 1 maja 2004 roku, postanowienia tej dyrektywy i terminy osiągania założonych emisji VOC stały się obligatoryjne.

Szkodliwe działanie VOC polega na zachwianiu równowagi ozonu w atmosferze poprzez zubożenie warstwy ozonowej w stratosferze oraz powstawanie tzw. smogu letniego w troposferze, warstwie usytuowanej najbliżej powierzchni ziemi.

Za główne zagrożenia dla środowiska, wynikające ze stosowania wyrobów lakierowych, uważane są rozpuszczalniki organiczne zaliczane do VOC. Ciekłe wyroby lakierowe stanowią zawiesinę pigmentów i wypełniaczy w substancji błonotwórczej - żywicy/polimerze rozpuszczonym lub rozproszonym w ośrodku ciekłym (w rozpuszczalnikach organicznych - w przypadku farb konwencjonalnych, w wodzie - w przypadku farb wodnych) z dodatkiem odpowiednich środków pomocniczych.
Rozpuszczalniki wchodzące w skład konwencjonalnych wyrobów lakierowych można by nazwać "złem koniecznym". Głównym ich zadaniem jest zapewnienie wyrobom lakierowym określonych właściwości aplikacyjnych.
Zastąpienie szkodliwych rozpuszczalników organicznych w wyrobach lakierowych wodą było od dawna ideą pociągającą i wartą wysiłków naukowców.
Właściwości wody jako "rozpuszczalnika" różnią się od powszechnie stosowanych rozpuszczalników organicznych. Cząsteczki wody występują w postaci zasocjowanych trójwymiarowych struktur o silnych oddziaływaniach międzycząsteczkowych, co powoduje, że woda posiada odmienne właściwości fizyczne, w porównaniu do rozpuszczalników organicznych. Są to:

wysoka polarność (benzyna lakowa, węglowodory aromatyczne są niepolarne)
wysokie ciepło parowania (np. toluen o zbliżonej temp. wrzenia paruje 10 razy szybciej)
niska prężność par
wysokie napięcie powierzchniowe -70 mN/m (rozpuszczalniki organiczne mają dużo niższe -ok. 30 mN/m)
wyższa temperatura zamarzania.
Do zalet wody należy jej niepalność. Spośród rozpuszczalników stosowanych w farbach, woda jest jedynym surowcem wykazującym takie właściwości. Dlatego wyroby wodorozcieńczalne są niepalne i nie podtrzymują palenia, nawet kiedy ilość korozpuszczalników dochodzi do 35% całkowitej zawartości składników lotnych.
Reasumując, woda jako tani, dostępny, nietoksyczny i niepalny surowiec jest bardzo pożądanym rozpuszczalnikiem dla wyrobów lakierowych. Idea stosowania wody, nawet bez nacisków legislacyjnych, znalazłaby swoje miejsce w badaniach prowadzonych przez wiele firm specjalizujących się w technologiach oraz produkcji żywic i wyrobów lakierowych. Jednakże, wyjątkowe właściwości wody jako rozpuszczalnika wymagają od technologa jej "dostosowania" do otrzymywania wyrobów lakierowych (m.in. obniżenia napięcia powierzchniowego).

Farby wodne - stan techniki i zakres stosowania
Od około 50-ciu lat na całym świecie prowadzone są intensywne badania zmierzające do opracowania nowych spoiw i farb - nieszkodliwych dla środowiska.
Prace badawcze dotyczą głównie następujących grup wyrobów lakierowych:

"high solids" - wyroby o wysokiej zawartości substancji nielotnych,
ciekłe wyroby bezrozpuszczalnikowe,
lakiery utwardzane promieniowaniem UV lub strumieniem elektronów,
proszkowe,
wodorozpuszczalne i wodorozcieńczalne.
Jednym z najważniejszych systemów lakierowych przyjaznych dla środowiska stały się wyroby oparte na spoiwach charakteryzujących się wodorozpuszczalnością lub wodorozcieńczalnością.
Początkowo, zainteresowanie tymi produktami wynikało z ich podstawowych zalet: niepalności i możliwości czyszczenia urządzeń aplikacyjnych wodą. Zaostrzające się wymagania w zakresie zmniejszenia uciążliwości pracy i ochrony środowiska przyśpieszyły badania i prace w kierunku ograniczenia albo wręcz eliminacji rozpuszczalników organicznych, surowców zawierających metale ciężkie i emitujących szkodliwe związki (np. formaldehyd). Ich efektem stały się nowe generacje wyrobów wodnych, ale zakres ich stosowania w przemyśle ograniczały odmienne właściwości tych wyrobów, w porównaniu z systemami rozpuszczalnikowymi. Wraz z rozwojem technologii otrzymywania polimerów dyspersyjnych i znacznym postępem w dziedzinie środków pomocniczych do farb wodnych, nastąpił wzrost jakości wodorozcieńczalnych farb i lakierów.
W latach 90-tych XX wieku powstało wiele nowych technologii, pozwalających otrzymać wyroby o wysokiej jakości. Właściwości nowych, proekologicznych wyrobów lakierowych dorównują parametrami wielu systemom rozpuszczalnikowym, co stwarza możliwości ich zastąpienia [1].

Obecnie dostępne są farby wodorozcieńczalne z wszystkimi rodzajami spoiw lakierowych, dotychczas stosowanych tylko w farbach rozpuszczalnikowych. Są to spoiwa: winylowe, alkidowe, epoksyestrowe, bitumiczne, akrylowe, epoksydowe dwuskładnikowe, poliuretanowe dwuskładnikowe i wiele innych np. hybrydowych. Zakres stosowania tego typu wyrobów lakierowych jest bardzo szeroki i stale się rozszerza.

Największym użytkownikiem farb wodorozcieńczalnych jest budownictwo, gdzie na pierwszym miejscu plasują się farby dyspersyjne do wymalowań wewnętrznych, potem farby elewacyjne. Farby wodorozcieńczalne stosowane są do malowania konstrukcji stalowych, kontenerów, samochodów, mebli metalowych i drewnianych, maszyn, środków transportu, tworzyw sztucznych, itp.

W miarę postępu, który dokonuje się w technologii farb wodorozcieńczalnych i ich aplikacji, znajdują one zastosowanie w dziedzinach, dotychczas przeznaczonych tylko dla farb rozpuszczalnikowych, np. malowanie karoserii i detali samochodowych, malowanie parkietów, blatów roboczych mebli, tworzyw poliolefinowych itd. Jednak istnieją pewne ograniczenia i dodatkowe wymagania (np. urządzenia do aplikacji, warunki w czasie malowania i suszenia powłok, przygotowanie podłoża), które należy wziąć pod uwagę przy przejściu z wyrobów tradycyjnych na wyroby bardziej przyjazne dla środowiska, aby uzyskać powłoki o maksymalnych właściwościach ochronno-dekoracyjnych.

Skład wodorozcieńczalnych wyrobów lakierowych
Właściwe opracowanie składu farby wodorozcieńczalnej spełniającej wymagania użytkowników w zakresie jakości powłok nie jest proste i wymaga bardzo starannego doboru wszystkich niezbędnych składników. Im wyższe wymagania odnośnie obniżenia VOC w wyrobie, tym trudniejszym staje się opracowanie wyrobu o właściwościach aplikacyjnych i użytkowych oczekiwanych przez odbiorcę.
W skład wodorozcieńczalnych wyrobów lakierowych wchodzą następujące surowce [2]:

spoiwo (np. wodna dyspersja polimerowa) - jako podstawowy składnik
rozpuszczalniki koalescencyjne i rozpuszczalniki wydłużające tzw. „open time
środki zwilżąjąco-dyspergujące - do dyspergowania pigmentów i wypełniaczy z utworzeniem trwałych dyspersji pigmentów w środowisku wodnym
środki odpieniające i odpowietrzające - do zapobiegania powstawaniu piany i likwidowania spienienia wyrobu
środki zagęszczające i modyfikatory reologii - do otrzymania wymaganej lepkości wyrobu i charakterystyki reologicznej
środki poprawiające rozlewność powłoki - do poprawy wyglądu powłok
środki do zwiększenia odporności powłok na zarysowanie
środki absorbujące promieniowanie UV
inhibitory korozji nalotowej - w farbach antykorozyjnych na stal
środki neutralizujące - do regulacji pH
biocydy - do zapobiegania rozwojowi mikroorganizmów podczas składowania.
Do otrzymania wyrobów pigmentowanych lub podbarwionych stosowane są pigmenty lub barwniki, jak również wypełniacze i ewentualnie środki zapobiegające osadzaniu się pigmentów, środki matujące itp.

Spoiwo (substancja błonotwórcza) jest podstawowym składnikiem wyrobu lakierowego, składającym się z żywicy lub mieszaniny żywic i ewentualnie środków plastyfikujących. Jako substancje błonotwórcze stosuje się zarówno związki wielkocząsteczkowe, jak i małocząsteczkowe, przechodzące w wielkocząsteczkowe dopiero podczas utwardzania powłok.

Poza podstawowymi składnikami farb, jakimi są: spoiwo, pigmenty i wypełniacze, wszystkie wymienione komponenty stanowią grupę środków pomocniczych, których udział jest niezbędny, aby otrzymać wyrób o dobrej stabilności i o wysokich walorach ochronno-dekoracyjnych. Są one odpowiedzialne m.in. za lepkość, reologię, brak flokulacji zdyspergowanych pigmentów i wypełniaczy w fazie ciekłej, brak pienienia, właściwe tworzenie powłoki i jej cechy użytkowe oraz odporność na zakażenia mikrobiologiczne. Końcowe właściwości wodorozcieńczalnego wyrobu lakierowego zależą w dużej mierze od prawidłowego doboru ilości i rodzaju wszystkich środków pomocniczych.

Farby wodorozcieńczalne zawierają pewne ilości rozpuszczalników organicznych, zazwyczaj 3-10 % mas., w zależności od rodzaju spoiwa. Rozpuszczalniki organiczne dodawane są do farb wodorozcieńczalnych głównie w celu obniżenia minimalnej temperatury tworzenia filmu (MTTF) i umożliwienia koalescencji cząstek dyspersji, a tym samym utworzenia spójnej powłoki. Niezależnie od potrzeby zastosowania rozpuszczalników biorących udział w procesie koalescencji powłok farb dyspersyjnych, do uzyskania dobrej rozlewności i regulacji czasu schnięcia powierzchniowego konieczne jest użycie pewnych ilości rozpuszczalników organicznych. Ten niewielki udział poprawia charakterystykę reologiczną, zwilżanie podłoża poprzez obniżenie napięcia powierzchniowego wody, ułatwia dyspergowanie pigmentów, zmniejsza tendencję do pienienia i stabilizuje procesy zamarzania - odmarzania.
W przypadku farb wodnych schnących w podwyższonych temperaturach, rozpuszczalniki organiczne zmniejszają możliwość wystąpienia wad powłoki w postaci pęcherzyków, podczas jej utwardzania.
Rozpuszczalniki stosowane w farbach wodorozcieńczalnych są mało szkodliwe, należą najczęściej do grupy glikoli (np. glikol propylenowy, heksylowy), poliglikoli, eteroglikoli (np. etery glikolu propylenowego), wyższych alkoholi. Nie używa się szkodliwych dla zdrowia rozpuszczalników należących do węglowodorów aromatycznych, jak np. ksylen, czy toluen.

Rolą środków dyspergujących stosowanych do otrzymywania past pigmentowych jest zwiększenie wydajności dyspergowania pigmentów i wypełniaczy, otrzymanie pełnej zdolności barwienia pigmentów (zwłaszcza organicznych) oraz uzyskanie stabilnego wyrobu lakierowego. Dobór środków dyspergujących jest szczególnie ważny w przypadku otrzymywania wodorozcieńczalnych farb antykorozyjnych, z uwagi na ich wpływ na odporność powłok na działanie wody i elektrolitów. Wśród środków zwilżająco-dyspergujących zalecane są obecnie te, które nie zawierają etoksylowanych nonylofenoli.

Niemniej istotny jest dobór środka lub środków do skutecznego przeciwdziałania pienieniu. Wyroby wodorozcieńczalne na skutek obecności różnych emulgatorów i związków powierzchniowo-czynnych, koniecznych do otrzymywania trwałych układów dyspersyjnych, mają silną tendencję do pienienia. Pęcherzyki powietrza, które dostają się do farby podczas produkcji i stosowania, to najczęściej spotykane defekty powierzchni farb wodnych. Aktywnymi odpieniaczami mogą być oleje mineralne, związki polisiloksanowe, kompozycje z krzemionką i woskami. Obecność mikropiany na powierzchni powłok obniża ich połysk oraz negatywnie wpływa na właściwości odpornościowe. Efektywność środków odpieniających należy oceniać nie tylko w czasie produkcji, lecz również z uwzględnieniem metod aplikacji wyrobów, w których zostały zastosowane. Nie bez znaczenia jest również problem zachowania zdolności odpieniających, po czasie składowania wyrobu lakierowego przez dłuższy czas.

Ważnymi składnikami, z uwagi na stabilność wyrobu i charakterystykę reologiczną (lepkość, osadzanie,) i właściwości aplikacyjne (rozlewność, ściekalność) są zagęszczacze i modyfikatory reologii. Obecnie oferowane są nowoczesne środki zagęszczające, które są odporne na degradację mikrobiologiczną i nie powodują zwiększenia podatności systemów wodorozcieńczalnych na działanie mikroorganizmów.
Udział w składzie farb wodorozcieńczalnych, specjalnie opracowanych tzw. modyfikatorów reologii umożliwia otrzymanie zdefiniowanych właściwości reologicznych, (newtonowskich i nienewtonowskich) dopasowanych do przewidzianej metody ich aplikacji.

Widząc tak dużą ilość niezbędnych dodatków do receptur farb wodorozcieńczalnych, mogących potencjalnie pozostać w utworzonej powłoce, chyba nie dziwi fakt, że rozwój układów dyspersyjnych do zastosowań przemysłowych trwał tak długo. Wprowadzone zmiany w zasadach formułowania składu farb wodorozcieńczalnych (m.in. staranny dobór wysokojakościowych środków pomocniczych) spowodowały otrzymanie ekologicznych wyrobów lakierowych o doskonałych właściwościach i ich akceptację przez odbiorców zarówno indywidualnych jak i w przemyśle przy malowaniu na linii.

Regulacje UE ograniczające zawartość VOC w wyrobach lakierowych przyczyniły się również do postępu w dziedzinie środków pomocniczych dla farb. Nowa generacja środków pomocniczych o różnym działaniu praktycznie nie zawiera VOC. Produkty te spełniają wymagania i potrzeby producentów wyrobów lakierowych pozwalając na formułowanie farb ekologicznych, przyjaznych środowisku. Istnieje duża różnorodność środków pomocniczych obecnie produkowanych i zalecanych do układów wodorozcieńczalnych. Każdorazowo, dokonanie właściwego doboru wymaga przeprowadzenia szeregu prób eksperymentalnych, nie tylko w skali laboratoryjnej, ale przede wszystkim w rzeczywistych warunkach stosowania.

Podział i rodzaje farb wodnych.
4.1. Farby wodorozpuszczalne


Farby wodorozpuszczalne zawierają niskocząsteczkowe żywice z grupami funkcyjnymi, kwasowymi lub zasadowymi, które po neutralizacji są rozpuszczalne w wodzie. Pierwsze farby wodorozpuszczalne z żywicami fenolowymi i poliestrowych przeznaczone były do malowania zanurzeniowego i następnie do polewania wielostrumieniowego. Przełomowym momentem w rozwoju żywic wodorozcieńczalnych było zastosowanie ich do malowania elektroforetycznego, początkowo metodą anaforezy, a później kataforezy. Dzisiaj technika malowania kataforetycznego ma szczególne znaczenie w przemyśle motoryzacyjnym do antykorozyjnego zabezpieczania karoserii samochodowych i detali. Wyroby wodorozpuszczalne znalazły zastosowanie nie tylko w metodach elektroforetycznych.
Znanych jest wiele grup spoiw wodorozpuszczalnych:

addukty olejów lub ich kwasów tłuszczowych z bezwodnikiem kwasu maleinowego
addukty dienowe (głównie polibutadienu) z bezwodnikiem kwasu maleinowego, często modyfikowane żywicami fenolowymi
żywice alkidowe i poliestrowe
żywice fenolowo-formaldehydowe
żywice epoksyestrowe
żywice akrylowe
Główną zaletą tych wyrobów, obok właściwości ochronnych, jest ich praktyczna niepalność i minimalne zagrożenie pożarowe. Udział rozpuszczalników mieszających się z wodą, takich jak np.: butyloglikol, etery glikolu propylenowego, alkohol dwuacetonowy, jest w tych farbach dość znaczny i stanowi ok. 10-30% masowych. Są one odpowiedzialne za stabilność przy składowaniu i wygląd powłoki (rozlewność). Mogą to być powłoki schnące na powietrzu, ale najczęściej - sieciujące w podwyższonych temperaturach (150 - 180°C). Najlepszymi właściwości odpornościowymi wyróżniają się farby do nakładania kataforetycznego. Powłoki farb do kataforezy nakładane na uprzednio fosforanowane blachy stalowe lub stalowe ocynkowane wykazują, przy grubościach 15-20 µm, odporność na działanie mgły solnej do 720 godz.[3]

4.2. Farby wodorozcieńczalne (dyspersyjne)

Do grupy farb wodorozcieńczalnych należą wyroby zawierające wodne dyspersje polimerowe. Terminem wodne dyspersje polimerów określany jest układ heterogeniczny, w którym fazę zdyspergowaną stanowi polimer pochodzenia syntetycznego, a ośrodkiem dyspersyjnym jest woda z zawartymi w niej dyspergatorami i środkami powierzchniowo-czynnymi. Spoiwo występuje w postaci cząstek polimeru, otrzymanego na drodze polimeryzacji emulsyjnej, o wysokiej masie cząsteczkowej, o różnej temperaturze zeszklenia (Tg) [4]. Powłoka lakierowa w oparciu o wodne dyspersje powstaje w wyniku procesu odparowania z niej wody i wchłonięcia wody przez podłoże (przy podłożach porowatych) oraz koalescencji, czyli "zlepiania się" poszczególnych cząstek polimeru w jednorodną ciągłą warstewkę. Rozpuszczalniki organiczne zawarte w tych wyrobach pełnią funkcję środka pomocniczego - tzw. koalescenta. Procesowi temu nie towarzyszą przemiany chemiczne i dlatego substancja błonotwórcza zawarta w wyrobie lakierowym jest identyczna z odpowiadającą jej substancją w wyschniętej powłoce lakierowej. W następstwie odparowania składników lotnych zwiększa się stężenie makrocząsteczek spoiwa. W wyniku ich zbliżenia jest możliwe wystąpienie między makrocząsteczkami substancji błonotwórczej oddziaływań na zasadzie sił van der Waalsa (wiązania drugiego rzędu), które decydują o kohezji uzyskiwanych powłok. Proces ten jest szybki i dlatego w krótkim czasie uzyskuje się powłokę o dobrych właściwościach użytkowych.

Jednolitość powłoki powstałej z dyspersji polimerowej wynika z przebiegu procesu koalescencji cząstek polimeru zdyspergowanego w fazie wodnej. Podatność cząstek polimeru na deformację i wzajemnie zlepianie zależy od temperatury aplikacji, temperatury zeszklenia polimeru i skuteczności działania rozpuszczalników koalescencyjnych. Jeżeli temperatura otoczenia jest niższa od minimalnej temperatury tworzenia filmu (MTTF) otrzymuje się powłokę niejednorodną, z licznymi spękaniami. Wartość MTTF jest związana z temperaturą Tg polimeru może być niższa od Tg z powodu plastyfikującego wpływu środków powierzchniowo-czynnych z procesu polimeryzacji. W systemach dyspersyjnych na metal, problem prawidłowego otrzymania powłoki lakierowej nabiera szczególnego znaczenia.

W porównaniu ze spoiwami wodorozpuszczalnymi, stosowanie wodnych dyspersji umożliwia minimalizację zawartości VOC w wyrobach lakierowych.
Obecnie, udoskonalone metody polimeryzacji emulsyjnej pozwalają na otrzymanie dyspersji o wymiarach nanocząstek, dyspersji bez emulgatorów, dyspersji o budowie tzw. core-shell (rdzeń-otoczka), stabilnych przy działaniu sił ścinających i odpornych na wielokrotne cykle zamarzania/odmarzania. Powłoki tych polimerów charakteryzują się dobrą odpornością na działanie wody i małą przepuszczalnością pary wodnej i gazów.
Wodne spoiwa polimerowe wg budowy chemicznej można podzielić na następujące grupy:

dyspersje butadienowo-styrenowe
dyspersje octanu winylu (homo- i kopolimery)
dyspersje akrylowe
dyspersje akrylowo-styrenowe
emulsje alkidowe
dyspersje poliuretanowe
dyspersje i emulsje epoksydowe.
Oprócz w/w są jeszcze dyspersje tzw. hybrydowe, składające się z kombinacji dwóch różnych chemicznie spoiw (np. dyspersje alkidowo-akrylowe) oraz inne spoiwa w postaci emulsji (np. emulsje silikonowe).
Tak duża różnorodność wodnych dyspersji polimerowych daje możliwość otrzymania wyrobów lakierowych o wymaganych parametrach. Podobnie jak w przypadku farb konwencjonalnych, właściwości farb wodorozcieńczalnych mogą być skrajnie różne, w zależności od rodzaju bazy błonotwórczej.

4.2.1.Dyspersje butadienowo-styrenowe

Dyspersje butadienowo-styrenowe stanowią, chronologicznie biorąc, pierwszy typ dyspersji stosowanych w przemyśle farb i lakierów. Mają szereg istotnych wad, wynikających z budowy chemicznej. Pierścienie aromatyczne są przyczyną żółknięcia (mała odporność na światło) a obecność podwójnych wiązań powoduje szybkie starzenie się powłoki. Powłoka powstała z dyspersji butadienowo-styrenowej poddana działaniu światła, podwyższonej temperatury i tlenu atmosferycznego szybko traci swoje walory ochronne i dekoracyjne. Obecnie te dyspersje są szeroko stosowane we włókiennictwie jako impregnaty.

4.2.2.Dyspersje octanu winylu

Dyspersje homopolimeru octanu winylu stosowane są szeroko jako tanie dyspersje do wielu zastosowań: do klejów, apretur we włókiennictwie i do farb dyspersyjnych wewnętrznego stosowania. Głównymi wadami są niska odporność na hydrolizę, słaba odporność na czynniki atmosferyczne, mierna przyczepność, słaba wodoodporność. Powszechnie produkowane są i stosowane są polimery polioctanu winylu plastyfikowane zewnętrznie lub wewnętrzne ftalanem dwubutylu oraz kopolimery octanu winylu z maleinianem dwubutylu. Podstawową wadą powłok farb otrzymanych na tych dyspersjach jest duża podatność na brudzenie.
W celu poprawy właściwości tych dyspersji otrzymywane są kopolimery octanu winylu z różnymi monomerami np. akrylowymi. Poprzez kopolimeryzację z winylo- i akrylosilanami można znacznie poprawić adhezję i odporność chemiczną.

4.2.3. Dyspersje akrylowe

Obecnie do najbardziej popularnych i stosowanych należą dyspersje akrylowe (akrylowo-styrenowe lub czysto akrylowe). Główne ich zalety to: odporność na działanie czynników atmosferycznych, dobra przyczepność, trwałość barwy powłok, odporność na wodę i zmydlanie. Cechują się one dobrą odpornością na działanie alkalicznego podłoża mineralnego.
Dyspersje kopolimerów akrylowych bez styrenu wykazują doskonałą odporność na żółknięcie. Dzięki swojej budowie nie podlegają one degradacji pod wpływem promieni UV i nie wykazują zmiany połysku.
Farby oparte na dyspersjach akrylowych zostały wprowadzone początkowo jako wyroby przewyższające swoimi właściwościami wyroby oparte na lateksach styrenowo-butadienowych i emulsjach polioctanu winylu. Obecnie zakres stosowania wyrobów na dyspersjach akrylowych jest bardzo szeroki, począwszy od farb i tynków dla budownictwa, poprzez farby i lakiery na drewno, a kończąc na wysokojakościowych gruntach antykorozyjnych i farbach do systemów ochronno-dekoracyjnych na metal. Tak duży obszar zastosowań powoduje zróżnicowanie we właściwościach produkowanych dyspersji akrylowych.
Właściwości kopolimerów akrylowych i ich temperatura zeszklenia (Tg), zależą od rodzaju monomerów: estrów kwasu akrylowego lub metakrylowego. Wpływ rodzaju monomerów zastosowanych do polimeryzacji emulsyjnej jest bardzo zbliżony do tego, jaki odgrywają monomery w układach rozpuszczalnikowych. Ważnym parametrem dyspersji jest wielkość zdyspergowanych cząstek polimeru. Decyduje ona o takich właściwościach powłok jak: połysk, odporność na działanie wody, paroprzepuszczalność. Wielkość cząstek polimeru lub kopolimeru wiąże się głównie z rodzajem stosowanego środka emulgującego [5].
Znane i stosowane w skali technicznej są technologie dwustopniowej polimeryzacji emulsyjnej (Sequential Gradient Technology) pozwalającej na otrzymywanie dyspersji kopolimerów typu "core - shell". Cząsteczki posiadają rdzeń z polimeru o wysokiej Tg i otoczkę z miękkiego polimeru. Dzięki temu można uzyskać powłoki elastyczne i równocześnie bardzo twarde, o dużej odporności na sklejanie, brudzenie oraz o bardzo dobrej przyczepności do tworzyw sztucznych. Ten rodzaj dyspersji, z punktu widzenia możliwości formułowania wyrobów lakierowych o VOC bliskim zera są szczególnie cennymi spoiwami.
Powłoki akrylowych farb dyspersyjnych wysychają fizycznie, mogą być utwardzane chemicznie lub być samosieciujące.

4.2.4. Emulsje alkidowe.

Ważną grupę spoiw, spełniającą obecne i być może przyszłościowe przepisy ochrony środowiska, stanowią emulsje alkidowe. Są to spoiwa heterogeniczne, w których fazą ciągłą jest woda a żywica jest w niej zawieszona w postaci kropelek, stąd wywodzi się ich nazwa "emulsje". Istnieją dwa typy emulsji alkidowych: otrzymywane z żywic alkidowych samoemulgujących zawierających hydrofilowe łańcuchy oraz otrzymywane z żywic alkidowych przy udziale tzw. zewnętrznych emulgatorów. Proces emulgowania przeprowadza się przy wysokich siłach ścinających. Stosowanie zewnętrznych emulgatorów daje emulsje o niezbyt wysokich wodoodpornościach i ograniczonej stabilności.
Główny surowiec do ich produkcji to oleje roślinne pochodzące ze źródeł odnawialnych (biologicznych). Ponadto powłoki alkidowe są biodegradowalne i łatwiejsze w recyklingu, co ma istotne znaczenie dla ochrony środowiska.

Cząstki emulsji alkidowej zawierają oligomer o bardzo niskim Tg. Proces tworzenia filmu polega na odparowaniu wody i następnie koalescencji kropelek w ciągłą powłokę. Opowiednie właściwości użytkowe uzyskuje się dopiero po jej usieciowaniu. Powłoka tworzy się w wyniku oksypolimeryzacji, która jest katalizowana zwykle obecnością sykatyw. Efektem tego jest dłuższy czas schnięcia, wydłużony dodatkowo przez obecność wody i środków pomocniczych w powłoce. Jednakże po pełnym wyschnięciu uzyskuje się powłokę usieciowaną i odporną na sklejanie. Powłoki z emulsji alkidowych są nieporowate, w związku z czym ich przepuszczalność dla gazów i cieczy jest mała, zbliżona do przepuszczalności powłok z konwencjonalnych żywic alkidowych.

Mają również wady tradycyjnych żywic alkidowych, a więc brak odporności na warunki atmosferyczne, UV, niższą odporność na żółknięcie pod wpływem podwyższonej temperatury. Powłoki tych farb szybko tracą walory dekoracyjne, połysk, kredują i po dłuższym czasie ulegają łuszczeniu.

4.2.5. Dyspersje poliuretanowe.

Dyspersje poliuretanowe należą do najnowocześniejszych i najdroższych typów wodnych spoiw lakierowych. Rozwój tych nowych technologii otrzymywania spoiw rozpoczął się w latach 90-tych ubiegłego wieku. Mogą to być układy jednoskładnikowe i są to wtedy wtórne dyspersje termoplastycznych poliuretanów lub dwuskładnikowe.[6] Wytwarzane obecnie dyspersje poliuretanowe są z reguły ok. 35-40% wodnymi dyspersjami poliuretanów i poliuretanomoczników z grupami hydrofilowymi - jonowymi lub niejonowymi. Zawartość tych ugrupowań jest dobrana tak, aby nadać polimerowi zdolność do samodyspergowania się w wodzie. Dzięki takiemu wewnętrznemu systemowi dyspergującemu nie jest konieczne stosowanie emulgatorów i przy odpowiednim doborze receptury można otrzymać powłoki o wodoodporności znacznie lepszej niż dla powłok z innych dyspersji (np. akrylowych).
Ich ogromną zaletą jest duża różnorodność, którą można uzyskać dzięki stosowaniu szerokiej gamy surowców. Na przykład, zastosowanie alifatycznych izocyjanianów daje dyspersje o bardzo dobrej odporności na żółknięcie, a w przypadku gdy jako składnik poliolowy będą stosowane polietery, produkt będzie charakteryzował się bardzo dobrą elastycznością.


Zalety wyrobów poliuretanowych znane są od szeregu lat, a zwłaszcza wysoka odporność powłok na czynniki chemiczne i atmosferyczne. Szeroko stosowane dwuskładnikowe poliuretany rozpuszczalnikowe pozwalają otrzymywać powłoki o jakości nieosiągalnej dla innych wyrobów lakierowych. Wiadomym jest, że systemy poliuretanowe nie tolerują wody, a nawet wilgoci. Postęp w dziedzinie wodnych dwuskładnikowych układów poliuretanowych stał się możliwy dzięki rozwojowi badań nad niskolepkimi poliizocyjanianami do sieciowania z wodnymi dyspersjami polimerowymi zawierającymi grupy hydroksylowe. Uniknięcie reakcji grup NCO z wodą możliwe jest poprzez stosowanie poliizocyjanianów hydrofobowych, nierozpuszczalnych, ale dyspergowalnych w wodzie. Poprzez blokowanie grup izocyjanianowych wewnątrz hydrofobowej cząsteczki zapobiega się niepożądanej reakcji z wodą, tak aby mogła zajść reakcja ze składnikiem poliolowym.
Dwuskładnikowe wodne układy poliuretanowe mogą być stosowane jako systemy schnące na powietrzu, w podwyższonej temperaturze lub jako piecowe. Początkowo produkowane na skalę techniczną wodne dyspersje poliuretanowe stosowano do wykańczania tkanin i skór, a nieco później do lakierów i farb na drewno (parkiety), meble, na stal i tworzywa sztuczne.
Dyspersje poliuretanowe ze względu na swoją wysoką cenę mają zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest bardzo wysoka jakość powłok.
Powłoki z dyspersji poliuretanowych odznaczają się szczególnie dobrymi właściwościami odpornościowymi np. na działanie wody, czynników chemicznych oraz dobrą wytrzymałością mechaniczną, w tym odpornością na ścieranie.
W związku z zaostrzającymi się wymaganiami w zakresie emisji VOC w ostatnich latach mocno wzrosło zainteresowanie dyspersjami poliuretanowymi.
Względy ekonomiczne dyktują często stosowanie w miejsce drogich dyspersji poliuretanowych tańszych mieszanek z dyspersjami akrylowymi lub dyspersji hybrydowych poliuretanowo-akrylowych (w tych dziedzinach zastosowań gdzie stawiane wymagania są nieco niższe).

4.2.6. Dyspersje i emulsje epoksydowe

Układy epoksydowe rozcieńczalne wodą stanowią bazę błonotwórczą dwuskładnikowych wyrobów lakierowych, które, ze względu na połączenie wysokich właściwości ochronnych otrzymywanych powłok z takimi korzyściami, jak większy komfort pracy, wywołują coraz większe zainteresowanie. Wodne systemy epoksydowe należą do najbardziej ekologicznych wyrobów lakierowych, gdyż praktycznie nie zawierają rozpuszczalników organicznych, a w reakcji utwardzania (addycji) nie wydzielają się lotne produkty reakcji.
Właściwości odpornościowe i antykorozyjne powłok tych wyrobów dorównują rozpuszczalnikowym farbom epoksydowym. Przeznaczone są przede wszystkim do ochrony i zabezpieczania powierzchni betonów i stali [7].
Typowe żywice epoksydowe są nierozpuszczalne w wodzie, a ich wodorozcieńczalność uzyskuje się dopiero po procesie tzw. hydrofilizacji. Nadanie żywicom epoksydowym postaci zdolnej do rozcieńczania wodą można osiągnąć poprzez ich modyfikację chemiczną lub fizyczną:

wprowadzenie do polimeru lub oligomeru epoksydowego grup hydrofilowych
emulgowanie lub dyspergowanie żywic epoksydowych w wodzie przy użyciu substancji powierzchniowo-czynnych
wytwarzanie emulsji lub dyspersji żywicy epoksydowej w wyniku stosowania specjalnej grupy utwardzaczy.
Producenci żywic epoksydowych oferują produkty zemulgowane lub zdyspergowane w wodzie. Ich wadą jest ograniczona stabilność i brak odporności na niskie temperatury przy przechowywaniu (podobnie jak wszystkich pozostałych wyrobów lakierowych zawierających wodę).
Kluczowym problemem przy otrzymywaniu powłok epoksydowych jest rodzaj zastosowanego utwardzacza. Decyduje to o właściwościach technologiczno-aplikacyjnych oraz o właściwościach fizyko-mechanicznych i ochronnych. Do najczęściej stosowanych należą utwardzacze poliaminowe, poliaminoamidowe oraz addukty.
Tendencje rozwojowe w dziedzinie wodnych układów epoksydowych idą w kierunku otrzymywania utwardzaczy zdolnych do emulgowania ciekłych żywic epoksydowych bez konieczności stosowania dodatkowo środków powierzchniowo-czynnych.
Schnięcie (utwardzanie) powłok wodorozcieńczalnych wyrobów epoksydowych polega na jednocześnie odbywających się dwóch procesach: odparowaniu wody oraz reakcji żywicy epoksydowej z utwardzaczem. Czas schnięcia zależy, tak jak w przypadku wszystkich wyrobów wodorozcieńczalnych, od warunków odparowania wody z powłoki, czyli od temperatury, wilgotności powietrza. Zemulgowana lub zdyspergowana w fazie wodnej żywica epoksydowa musi wejść w reakcję sieciowania z utwardzaczem w trakcie tworzenia się powłoki. Z postępem reakcji wzrasta masa cząsteczkowa, temperatura zeszklenia (Tg), odporność na odkształcenia i minimalna temperatura tworzenia filmu (MTTF). Tworzenie się powłok lakierowych z wodorozcieńczalnych wyrobów epoksydowych podlega zatem temu samemu mechanizmowi, który zachodzi przy jednoskładnikowych wodnych dyspersjach polimerowych.
Podstawowe cechy systemu epoksydowego wodorozcieńczalnego zebrano w tabeli 1.


Tabela 1. Porównanie cech systemu epoksydowego wodorozcieńczalnego i rozpuszczalnikowego.
Zalety Wady
Brak rozpuszczalników organicznych, brak zanieczyszczenie atmosfery, ochrona zdrowia, brak zagrożenia pożarowego Krótki czas przydatności do stosowania po zmieszaniu składników
Łatwość czyszczenia urządzeń produkcyjnych i aplikacyjnych wodą Brak odporności na zamarzanie
Dobra przyczepność do różnych podłoży, np. wilgotnego betonu Wolne odparowanie wody z powłoki
Dobra przyczepność międzywarstwowa (nawet do starych powłok) Niższa odporność chemiczna, zwłaszcza na kwasy
Możliwość malowania tworzyw sztucznych

Podstawową różnicą we właściwościach aplikacyjnych pomiędzy epoksydowymi systemami wodnymi a rozpuszczalnikowymi jest względnie krótki tzw. "czas życia" farb wodnych, który jest trudny do zaobserwowania wizualnie, bo często nie zachodzi żelowanie, tak jak w przypadku dwuskładnikowych wyrobów rozpuszczalnikowych.
Czas przydatności do stosowania wyznacza się poprzez zmiany we właściwościach powłok, np. spadek połysku. Powłoka farby użytej pod koniec jej "czasu życia" ma niski połysk wskazujący na powstanie niejednorodnego filmu.
Powłoki wodnych epoksydów osiągają pyłosuchość z opóźnieniem, zwłaszcza w warunkach niskich temperatur i wysokiej wilgotności powietrza. Właściwości ochronne powłok wodnych systemów epoksydowych w warunkach stałego narażenia na działanie czynników korozyjnych (np. zanurzenie w wodzie) mogą odbiegać od właściwości powłok systemów rozpuszczalnikowych, z uwagi na hydrofilową naturę spoiwa. Pomimo tych ograniczeń wodne wyroby epoksydowe są szeroko stosowane w następujących dziedzinach:


powłoki ochronne i dekoracyjne na podłoża mineralne (podłogi, ściany - wszędzie tam, gdzie stawia się ostre wymagania higieniczne),
grunty antykorozyjne na metal,
grunty lub wymalowania jednopowłokowe na metal do przemysłowego stosowania (utwardzanie w temperaturze 80-100şC),
grunty lub wymalowania jednopowłokowe na tworzywa sztuczne,
powłoki bezbarwne z wysokim połyskiem na drewno.
Stosowanie farb wodorozcieńczalnych
Wymagane właściwości odpornościowe i mechaniczne powłok determinują dobór odpowiednich wodnych wyrobów lakierowych. Niezależnie od rodzaju spoiwa w farbach wodorozcieńczalnych, ich stosowanie związane jest z pewnymi niedogodnościami aplikacyjnymi, wynikającymi z obecności w ich składzie wody, jako ośrodka, w którym zdyspergowane są pigmenty i wypełniacze oraz spoiwo.
Przy malowaniu stali, nakładanie powłok wymaga bardzo starannego przygotowania powierzchni stalowych przed nakładaniem farb wodnych. Podłoże powinno być całkowicie oczyszczone ze śladów rdzy i zanieczyszczeń olejowych. Obecność nawet niewielkich ilości smaru lub oleju powoduje złe zwilżanie podłoża przez farbę dyspersyjną, a w rezultacie pogorszenie przyczepności powłok. Woda, ze względu na wysokie napięcie powierzchniowe, gorzej zwilża podłoże niż rozpuszczalniki organiczne. Pozostawienie na podłożu nawet śladów rdzy stwarza niebezpieczeństwo powstania i rozszerzenia ognisk korozji. Nie zaleca się stosowania do oczyszczania podłoża preparatów przekształcających rdzę, gdyż wymalowania na tak przygotowanym podłożu mają gorszą odporność korozyjną i mniejszą trwałość.
Problem właściwego przygotowania podłoża stalowego przed malowaniem jest bardzo ważny i stanowi przyczynę dość umiarkowanego postępu w stosowaniu farb dyspersyjnych do antykorozyjnego zabezpieczania powierzchni stalowych.
Ilość możliwych metod aplikacji farb wodnych jest większa niż farb konwencjonalnych. Powłoki farb wodorozcieńczalnych można nakładać: pędzlem, wałkiem malarskim, natryskiem pneumatycznym, hydrodynamicznym, elektrostatycznym, natryskiem HVLP (High Volume Low Pressure), malowaniem przez polewanie, przez zanurzenie, malowaniem elektroforetycznym. Trzy ostatnie metody są przeznaczone wyłącznie dla farb wodnych.
Farby wodorozcieńczalne mają inne właściwości aplikacyjne niż farby rozpuszczalnikowe [8]. Podstawową różnicą pomiędzy farbami rozpuszczalnikowymi a wodorozcieńczalnymi jest charakterystyka reologiczna. Farby wodorozcieńczalne są najczęściej tiksotropowe. Cechuje je zachowanie pseudoplastyczne, związane z lepkością strukturalną. Oznacza to, że w stanie ich przechowywania farby mają stosunkowo wysoką lepkość, która zapobiega osadzaniu się pigmentów i wypełniaczy. Podczas aplikacji pod działaniem znacznych sił lepkość tych farb spada, co umożliwia uzyskanie dobrej rozlewności powłoki. Po ustaniu działania sił ścinających, lepkość szybko się odbudowuje i zapobiega ściekaniu nałożonej warstwy farby. Zmiany reologii farb wodorozcieńczalnych w wyniku oddziaływań sił ścinających mają wpływ na rozlewność powłok i ich wygląd w zależności od techniki aplikacji.
Lepkości farb wodorozcieńczalnych przed aplikacją nie powinny być oznaczane, tak jak tradycyjnie postępuje się z farbami rozpuszczalnikowymi, metodą mierzenia czasu wypływu określonej ilości farby przez kalibrowany otwór pod wpływem sił grawitacji. Ta metoda w przypadku farb wodorozcieńczalnych zawodzi. Aby zmierzyć lepkość roboczą farby przed natryskiem, konieczne jest zastosowanie wiskozymetru rotacyjnego, który poddaje farbę działaniu sił ścinającym podobnym do tych, które występują podczas natryskiwania. Czasami konieczny jest również pomiar pH, ponieważ jego zmiana może wpływać na lepkość i stabilność farby. Na ogół korekta wartości pH odpowiednim czynnikiem neutralizującym pozwala na otrzymanie założonych parametrów.
Ważnym czynnikiem mającym wpływ na lepkość i czas schnięcia powłok jest temperatura otoczenia przy stosowaniu farby. Nie bez znaczenia jest także temperatura malowanego podłoża. Im niższa temperatura farby i podłoża tym dłuższy czas schnięcia wynikający z wolniejszego procesu odparowania wody z powłoki. Ponieważ woda ma w przybliżeniu dwukrotnie większe ciepło właściwe i dużo większe ciepło parowania niż rozpuszczalniki organiczne, wpływ temperatury i wilgotności powietrza przy aplikacji farb wodorozcieńczalnych jest dużo wyraźniejszy niż dla farb konwencjonalnych.
Przy nakładaniu powłok farb wodnych należy zwrócić szczególną uwagę na ich rozcieńczanie wodą. Zbyt duża ilość dodanej wody może spowodować gorsze zwilżenie malowanej powierzchni i osłabienie przyczepności do podłoża [9]. Najczęściej lepkość tych farb w postaci handlowej jest lepkością roboczą dostosowaną do zalecanej metody aplikacji.
Powłoki farb dyspersyjnych mogą wysychać w temperaturze otoczenia, w temperaturze podwyższonej (80oC) oraz w piecu (150-180oC).
Schnięcie powłok farb wodorozcieńczalnych może przebiegać wg następujących mechanizmów:

schnięcie fizyczne w temperaturze otoczenia - odparowanie wody i innych lotnych składników + proces koalescencji
schnięcie oksydacyjne - schnięcie fizyczne + koalescencja + reakcja polimeryzacji z tlenem z powietrza
schnięcie chemiczne
utwardzanie promieniowaniem UV.
Transport i przechowywanie
Uregulowania prawne dotyczące wyrobów lakierowych obejmują szereg aspektów związanych z bezpieczeństwem pracy, ekologii, utylizacji odpadów, transportu, składowania i wielu innych.
W przypadku farb rozpuszczalnikowych, ich łatwopalność i wybuchowość, narzuca na użytkowników obowiązek wprowadzenia szczególnych zabezpieczeń. Sporo problemów może przysporzyć transport i magazynowanie farb rozpuszczalnikowych. Wysokie klasy ADR, obowiązek tworzenia stref wybuchu, odpowiednia wentylacja w pomieszczeniach zamkniętych to dość duże uciążliwości związane z farbami rozpuszczalnikowymi. W przypadku stosowania farb wodorozcieńczalnych unika się tych problemów.
Warunki transportu i składowania wyrobów lakierowych, z uwzględnieniem farb wodorozcieńczalnych, ujęte są w normie PN-89/81400, ustanowionej przez PKNMiJ dnia 11 kwietnia 1989r. i obowiązującej do dzisiaj. Komitet Techniczny 175 ds. farb i lakierów przy Instytucie Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych "METALCHEM" planuje jej nowelizację.
Przedmiotem tej normy są wymagania dotyczące pakowania, przechowywania i transportu wyrobów lakierowych, półproduktów, rozcieńczalników i innych pomocniczych środków lakierniczych. Normę należy stosować przy opracowywaniu norm przedmiotowych na wyroby lakierowe, półprodukty, rozcieńczalniki i inne środki pomocnicze oraz w obrocie tymi wyrobami.
Wyroby lakierowe pakowane są do opakowań transportowych, zgodnych z wyszczególnionymi wymaganiami podanymi w tej normie, lub do innych opakowań, uzgodnionych z odbiorcą i przewoźnikiem, pod warunkiem, że zabezpieczają one wyrób w czasie transportu i przechowywania w sposób nie gorszy niż wymagania podane w normie.
Opakowania transportowe zaleca się układać na paletach ładunkowych płaskich jednopłytowych drewnianych o odpowiednich wymiarach i zabezpieczyć przed przesuwaniem. Wyroby lakierowe w opakowaniach jednostkowych powinny być znakowane zgodnie z PN-76/O-79251.
Na każdym opakowaniu wyrobów rozpuszczalnikowych powinien być umieszczony napis informujący o temperaturze zapłonu oraz znak ostrzegawczy dla materiałów łatwopalnych wg PN-76/O-79251 p.2.3.4, rys. 6 oraz napis o treści " Wyrób zawiera szkodliwe substancje lotne. W pomieszczeniach zamkniętych stosować tylko w przypadku sprawnie działającej wentylacji."
Na każdym opakowaniu wyrobów lakierowych dyspersyjnych i wodorozcieńczalnych winien być umieszczony znak ostrzegawczy wg PN-76/O-79251 p.2.4, rys.16.
Norma precyzuje wymagania i warunki przechowywania wyrobów lakierowych. Opakowania z wyrobami lakierowymi należy przechowywać w sposób zabezpieczający przed czynnikami atmosferycznymi oraz dla wyrobów rozpuszczalnikowych zgodnie z obowiązującymi przepisami bezpieczeństwa i ochrony przeciwpożarowej. Temperatura magazynowania powinna wynosić od 5 do 25oC. Metalowe urządzenia i wyposażenie magazynów, zbiorniki, opakowania itp., na których mogą się gromadzić ładunki elektryczne, powinny być uziemione.
W normie podane są wymagania i warunki transportu wyrobów lakierowych, tak aby zabezpieczyć dostarczenie partii od producenta do odbiorcy w stanie nieuszkodzonym. Transport powinien się odbywać zgodnie z obowiązującymi przepisami transportowymi regulującymi przewóz materiałów, w tym niebezpiecznych, w komunikacji krajowej i międzynarodowej. Podczas transportu opakowania powinny być zabezpieczone przed opadami atmosferycznymi i bezpośrednim działaniem promieni atmosferycznych. Ponadto, dla wyrobów emulsyjnych i wodorozcieńczalnych powinna być zapewniona temperatura nie niższa niż 5oC.
Powyższa norma nakazuje unikać ryzyka zamrożenia farb wodorozcieńczalnych. Należy je transportować i przechowywać nie tylko w temperaturze powyżej 5oC, lecz nie wyższej niż 30oC. Tej górnej granicy dla farb wodorozcieńczalnych norma nie precyzuje, ale ze względu na heterogeniczność spoiw zawartych w tych farbach, ich stabilność w temperaturach podwyższonych jest również ograniczona.

Porównanie właściwości wyrobów rozpuszczalnikowych i wodorozcieńczalnych.
Ogólne podsumowanie podstawowych właściwości, zalet i ograniczeń obu grup wyrobów lakierowych zebrano w tabeli 2.


Tabela 2. Porównanie właściwości farb wodorozcieńczalnych i rozpuszczalnikowych
Parametr Farby wodorozcieńczalne Farby rozpuszczalnikowe
Skład
Zawartość VOC niska wysoka
Formułowanie trudniejsze, z uwagi na heterogeniczność spoiwa łatwiejsze
Składniki większa ilość składników, które muszą być kompatybilne mniej środków pomocniczych w recepturach
Aplikacja
Charakterystyka reologiczna na ogół tiksotropowa najczęściej newtonowska
Przygotowanie podłoża konieczność całkowitego usunięcie rdzy i zanieczyszczeń olejowych wg instrukcji stosowania
Aplikacja trudniejsza, przy natrysku nie można nakładać warstw "mokro na mokro" łatwiejsza
Warunki przy aplikacji zalecana temperatura powietrza 15-30°C, wilgotność względna powietrza nie większa niż 75%, przewiew zapewnienie dobrej wentylacji
Suszenie powłok wymaga odpowiednich temperatur i niskiej wilgotności powietrza zapewnienie dobrej wentylacji
Komfort pracy duży, bo brak emisji VOC, łatwy sposób czyszczenia narzędzi i urządzeń aplikacyjnych wodą, bezpośrednio po skończeniu pracy mały, opary rozpuszczalników, uciążliwe czyszczenie narzędzi malarskich z użyciem rozpuszczalników
Bezpieczeństwo przeciwpożarowe niska emisja lotnych związków organicznych (VOC), brak zagrożenia pożarowego wysoka klasa niebezpieczeństwa z powodu łatwopalności, zapalności i zagrożenia wybuchowego
Emisja rozpuszczalników (VOC) brak lub niska emisja VOC wysoka emisja szkodliwych dla zdrowia rozpuszczalników organicznych, w tym węglowodorów aromatycznych
Odpady nieklasyfikowane jako niebezpieczne klasyfikowane jako niebezpieczne
Transport i magazynowanie konieczność przechowywania w dodatnich temperaturach konieczność zachowania ostrożności i zabezpieczeń przy transporcie, magazynowaniu
Właściwości powłok
Wygląd trudniej uzyskać wysoki połysk powłok niż dla powłok rozpuszczalnikowych duże walory dekoracyjne
Właściwości użytkowe niższa odporność powłok na zarysowanie niż dla powłok rozpuszczalnikowych zależne od rodzaju wyrobu lakierowego

Wyroby wodorozcieńczalne i rozpuszczalnikowe można porównać badając wybrane właściwości mechaniczne, odpornościowe itp.
Dla przedstawienia różnic we właściwościach tych wyrobów wytypowano do oceny: grunty antykorozyjne, emalie nawierzchniowe i lakiery poliuretanowe jednoskładnikowe.
W tabeli 3 podano wyniki badań odporności korozyjnej powłok rozpuszczalnikowej farby ftalowej do gruntowania i antykorozyjnego gruntu dyspersyjnego z udziałem dyspersji butadienowo-styrenowej. Oba wyroby przeznaczone są do antykorozyjnego zabezpieczania podłoży stalowych przy malowaniu pojazdów szynowych np. wagonów kolejowych, wagonów tramwajowych. Mogą być użyte do malowania nowego sprzętu lub przy ich renowacji, jako warstwa podkładowa w systemie, z farbami nawierzchniowymi



Tabela 3. Porównanie właściwości antykorozyjnych gruntu dyspersyjnego i farby ftalowej do gruntowania.
Rodzaj badania Metoda badania Grunt antykorozyjny Farba ftalowa do gruntowania
Odporność na działanie wody PN-EN ISO 2812-2:2000 wytrz. 300 h wytrz. 72 h
Odporność na działanie mgły solnej PN-ISO 7253:2000 wytrz. 216 h wytrz. 96 h
Odporność na działanie mgły wodnej PN-EN ISO 6270:1:2002U wytrz. 144 h wytrz. 72 h
Odporność na działanie warunków atmosferycznych PN-ISO 2810:2002 wytrz. 3 lata po 1 roku- liczne punkty korozji i pojedyncze popękania

Wyniki badań przedstawione o powyższej tabeli świadczą o dobrej jakości gruntu dyspersyjnego. W porównaniu do powszechnie stosowanej w kolejnictwie farby ftalowej wykazuje on bezsprzecznie lepsze zabezpieczenie podłoża stalowego przed korozją.
Alternatywę konwencjonalnych farb alkidowych stanowią dyspersyjne farby akrylowe, oparte na polimerach lub kopolimerach estrów kwasu akrylowego lub metakrylowego.
Porównano białe emalie ogólnego stosowania alkidowe i dyspersyjne emalie akrylowe, biorąc pod uwagę m.in. stopień krycia powierzchni i odporność na działanie promieniowania UV. Wyniki przedstawiono w tabeli 4.



Tabela 4. Wyniki badań emalii wodorozcieńczalnych i rozpuszczalnikowych ogólnego stosowania
Właściwość Metoda badania Wyniki badań
Emalie wodorozcieńczalne, akrylowe Emalie alkidowe rozpuszczalnikowe
Czas wysychania powłoki w temp. (23ą2) i wilgotności względnej powietrza (50ą5)%, h -stopień 5 PN-C-81519: 1979 7 30 30 144
Krycie jakościowe, stopień PN-C-81536: 1989 I I I II
Odporność powłoki na działanie wody, wciągu 24 h, wygląd powłoki PN-C-81521:1976 powłoka bez zmian zmatowienie powłoki znikające po 24 h bez zmian bez zmian
Odporność powłoki na działanie światła lamp ksenonowych w czasie 168 h, wygląd powłoki PN-EN ISO 1341:2000 powłoka bez zmian powłoka bez zmian zmatowie-nie lekkie zmato-wienie


Powłoki emalii akrylowych schną szybciej niż powłoki emalii alkidowych. Krycie powłok obu rodzajów jest porównywalne. Odporność powłok na wodę jest nieco większa dla powłok farb rozpuszczalnikowych. Natomiast lepszą odporność na działanie promieniowania UV wykazują powłoki wodorozcieńczalnych emalii akrylowych.

Przy ocenie lakierów poliuretanowych wybrano do badań porównawczych oznaczenie: twardości, ścieralności i odporności na zarysowanie.
Wyniki przeprowadzonych porównawczych badań handlowych lakierów poliuretanowych do malowania parkietów wodorozcieńczalnych i rozpuszczalnikowych zebrano w tabeli 5.


Tabela 5. Wyniki badań jednoskładnikowych lakierów poliuretanowych wodorozcieńczalnych i rozpuszczalnikowych
Rodzaj badania Metoda badania Wyniki badań
Lakiery wodorozcieńczalne Lakiery rozpuszczalnikowe
1 2 3 4 5 6
Czas wysychania powłoki w temp. (23ą2) i wilgotności względnej powietrza (50ą5)%, h -stopień 3 PN-C-81519:1979 1,5 3,0 2,0 5,0
Twardość względna powłoki PN-EN ISO 1522:2001 0,54 0,72 0,44 0,68
1 2 3 4 5 6
Ścieralność powłoki aparatem Tabera, średni ubytek masy, mg (1000 g, CS-10, 500 obrotów) PN-ISO 7784-2:2000 20,3 77,8 12,0 18,0
Odporność powłoki na zarysowanie, widoczna rysa ciągła przy obciążeniu, g PN-EN ISO 1518:2000 200 200 1000 1100

Wyniki badań jednoskładnikowych lakierów poliuretanowych rozpuszczalnikowych i wodorozcieńczalnych wskazują, że przy tej samej ilości nakładanych warstw, twardość powłok wykonanych z lakierów wodorozcieńczalnych i rozpuszczalnikowych jest porównywalna. Natomiast powłoki wykonane z lakierów wodorozcieńczalnych wykazują gorszą odporność na ścieranie i zarysowanie. Pod względem właściwości aplikacyjnych lakiery wodorozcieńczalne charakteryzują się krótszym czasem wysychania w porównaniu z lakierami rozpuszczalnikowymi. Ponadto systemy rozpuszczalnikowe schnące na powietrzu wymagają dłuższego czasu kondycjonowania przed ich ostatecznym użytkowaniem (np. lakiery do parkietów).


8. Prognozy rozwojowe farb wodorozcieńczalnych

W ciągu ostatnich 10 lat nastąpił w Europie znaczny wzrost produkcji wyrobów wodorozcieńczalnych, co przedstawiono w tabeli 5 [9]. Prognozy do roku 2007 zakładają zachowanie tej tendencji.


Tabela 5. Przewidywany udział poszczególnych rodzajów farb w roku 2007
Rodzaj wyrobu lakierowego 1994 1997 2002 2007
Farby rozpuszczalnikowe 65,5 % 56,8 % 50,5 % 46,3 %
Farby wodorozcieńczalne 12 % 13 % 15,3 % 17,2 %
Farby proszkowe 7 % 13,2 % 16 % 18,1 %
Farby typu high solids 13 % 14 % 14,1% 14,2 %

Aktualne prognozy nie przewidują, aby którakolwiek grupa wyrobów lakierowych uzyskała zdecydowaną przewagę. Tradycyjne lakierowe wyroby rozpuszczalnikowe nadal, pomimo tendencji malejących, będą miały znaczący udział w całkowitej ilości stosowanych wyrobów lakierowych. [8]
W raporcie Synthetic Emulsion Polymers in Europe (II wydanie) podano, że całkowite zapotrzebowanie na dyspersje polimerowe w roku 2002 wyniosło ok. 1,6 mln ton w czterech sektorach zastosowań: farby i lakiery, kleje i uszczelniacze, papier i opakowania oraz tkaniny i dywany. Sektor farb i lakierów zużył 38% tej ilości, sektor papiernictwa ok.23%, klejów 21% i 18% dla sektora tkanin i dywanów. W sektorze farb i lakierów systemy akrylowe obejmują 62% rynku, a winylowe 38%. [11]
W Polsce wg danych roczników GUS, rynek farb i lakierów w roku 2003 wykazał znaczne ożywienie i wzrósł prawie o 13% w porównaniu z rokiem 2002. Oczekuje się, że tendencja wzrostowa powinna być zachowana. Przyjęte specyfikacje GUS dzielą wszystkie wyroby lakierowe na wodorozcieńczalne i rozpuszczalnikowe. Wg klasyfikacji GUS - asortyment farb i lakierów wodorozcieńczalnych mieści się w grupie "farby i pokosty (łącznie z emaliami i lakierami) na bazie polimerów akrylowych lub winylowych, w środowisku wodnym. Wg rocznika GUS produkcję tych farb w Polsce w latach 2000-2003 zebrano w tabeli 6 [12].



Tabela 6. Produkcja farb w Polsce (w tonach).
Wyroby 2000 r. 2001 r. 2002 r. 2003 r.
Farby i pokosty (łącznie z emaliami i lakierami)
na bazie polimerów akrylowych lub
winylowych, w środowisku wodnym. 176 183 198 034 228 430 254 430
Farby i pokosty (łącznie z emaliami i lakierami) na bazie
polimerów akrylowych lub
winylowych, w środowisku niewodnym, w tym na bazie poliestrów 104 048 97 947 102 559 107 454



LITERATURA

Helena Kuczyńska, Andrzej Kwiatkowski: .III Konferencja „Otrzymywanie, zastosowanie i analiza wodnych dyspersji i roztworów polimerów Ustroń-Jaszowiec, 19-20 X 1995, 20-25.
Robert D. Athey: European Coatings Journal, 1996, 3, 98-103
Helena Kuczyńska: Antykorozyjne zabezpieczanie karoserii samochodowych metodą elektroforetyczną, Konferencja „Lakiernictwo Samochodowe XXI wieku Łódź, 26-28.04.2000 r.
Vladimir V. Verkholantsev: European Coatings Journal, 1997, 11, 1036-1042
Bernard. Presing, Alicja Bartosz, Wanda Sporysz: III Konferencja „Otrzymywanie, zastosowanie i analiza wodnych dyspersji i roztworów polimerów Ustroń-Jaszowiec, 19-20 X 1995, 105-106
Mike Brady: Lakiernictwo, 2004, 6(32), 8-11
L.Kahl, H.Bock, J.Pedain: Farbe und Lacke.1994, nr 10, 845-869
Alex Wegmann: Journal of Coatings Technology, 1993, vol. 65, 827
Małgorzata Zubielewicz, II Ogólnokrajowa konferencja techniczna „Czystsze Technologie - Powłoki ochronne, Łódź, 25-27.11. str. 85-100
Anon: Coating World 1999, 5, 65-86
insider news 12.04.04 www.ialconsultants.com
Jacenty Siewierski: Rynek chemii budowlanej, 2004, 11, 10-13

CHARAKTERYSTYKA LAKIERÓW WODOROZCIEŃCZALNYCH -
SKŁAD, PORÓWNANIE Z LAKIERAMI KONWENCJONALNYMI,
TRANSPORT I PRZECHOWYWANIE