Устойчивость к загрязнению имеет такое большое значение для продукции существующих и зарождающихся рынков, особенно в том, что касается уменьшения объемов содержания VOC. В данной статье основное внимание уделяется химии устойчивости к загрязнению (DPR), и рассказывается, какие шаги следует предпринять для обеспечения принятия правильного решения (включая исследования, разработку продукта и процедуры испытания).

Компания Dow Coating Solutions занимается проблемами обеспечения устойчивости к загрязнению в  рамках постоянно ведущейся разработки новых продуктов уже на протяжении более, чем 40 лет. Тем не менее, из-за наблюдающихся на рынке тенденций и стимулов развития, которые были описаны в первой статье, компания в последнее время создала специально нацеленную на исследования платформу для научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ для ускорения внедрения в промышленное производство технологий и новых продуктов.

В обобщенном виде можно сказать, что более высокая устойчивость к загрязнению имеет большое значение по целому ряду причин, включая:

• Рост отрасли по производству “более мягких” эластомерных покрытий для стен и крыш;

• Повышение спроса на рынке на рецептуры с низким содержанием VOC, что, как правило, приводит к получению более липких покрытий из-за снижения температуры перехода в стеклообразное состояние (Tg); и

• Плановое строительства высотных коммерческих зданий в развивающихся регионах, особенно, в азиатско-тихоокеанском регионе, что стимулирует потребность в использовании покрытий, которые проще очищать и обслуживать.

Успешное измерение – стандарты для устойчивости к загрязнению

Прежде чем разрабатывать продукты, необходимо определить научные методы для измерения устойчивости к загрязнению и установить стандарты для приемлемого и желательного уровней. Несколько факторов усложняет решение проблемы, и наиболее значительным из них является географический. Грязь и пыль на различных континентах существенно отличаются друг от друга, это обусловлено и экологическими условиями, и степенью урбанизации.

Итак. Каково же определение устойчивости к загрязнению? Мы определяем покрытие с хорошим сопротивлением загрязнению как покрытие, способное сохранять свой исходный внешний вид в том, что касается загрязнения поверхности из-за воздействий внешних экологических условий. В то же время, очень важно измерить изменение внешнего вида под воздействием прочих факторов, таких как старение поверхности или воздействие атмосферных явлений.

В настоящее время наиболее распространенным методом измерения данного параметра является измерение коэффициента отражения света покрытием. Но поскольку на отражение света могут оказывать влияние не только скопления грязи, но и другие факторы, такие как, скажем, деградация краски, такое испытание не дает окончательных результатов.

Китайское правительство разработало метод испытаний DPR,  который предполагает реализацию целого ряда этапов для моделирования сценариев ситуаций из реальной жизни. Окрашенную поверхность в течение 4 часов подвергают воздействию ультрафиолетовых лучей; стандартный шлам из угольной золы наносится кистью, а затем смывается водой в ходе пяти циклов с предписанными объемами воды и давлением. Затем результаты сопоставляются с использованием как изменений из испытаний коэффициента отражения, так и результатов от применения метода оптической микроскопии для поверхностей, которые действительно использовались. Это сопоставление имеет большое значение, поскольку основные параметры любой краски могут существенно меняться на протяжении всего срока эксплуатации из-за воздействия ультрафиолетовых лучей или же каких-либо еще факторов окружающей среды. Эти изменения обычно являются окислением, которое делает поверхности более гидрофильными. Существенное окисление может привести к масштабным передачам цепи и сшиванию, что, в конечном итоге, нарушает целостность пленки.

Вполне вероятно, что имеется целый ряд частиц загрязнения, которые могут прилипать к пленкам покрытия. На рисунках 1-3 даны параметры поверхности пленок краски, у которых различные степени DPR , и, в результате, различные степени и количества загрязнения. На рисунке 1 представлено изображение оптической микроскопии поверхности только что отлитой литой пленки из 42 поликарбонатного эластомера для покрытия стенок. На рисунке 2 дан тот же вид пленки после того, как его подвергали в течение 6 месяцев воздействию при южной температуре 45 градусов в Таиланде. На поверхности очень незначительное загрязнение. Аналогичное покрытие с низким DPR также подвергалось воздействию при тех же условиях (Рисунок 3). Совершенно очевидно, что поверхность сильно загрязнена.

Разработанный в Китае протокол проведения испытаний  предоставляет разработчикам продукции управляемый метод измерения устойчивости к загрязнению для вновь создаваемых рецептур. В то время как этот метод является наиболее распространенным в Азии, в других частях света разрабатывают свои собственные методы. У компании Dow Coating Solutions имеется свой собственный патентованный метод, позволяющий сочетать реальные данные, полученные от заказчиков, и информацию, которая тщательно собиралась в рамках программы испытаний с помощью каркаса для испытания атмосферостойкости лакокрасочных покрытий на атмосферной крышной станции. Это позволило компании создать прочную информационную основу для настоящего и будущего научно-исследовательского и проектно-конструкторского изучения проблемы устойчивости к загрязнению.

Что же работает? Различные подходы к устойчивости к загрязнению

Проблема совершенствования устойчивости к загрязнению не является новой проблемой. Практически с того самого момента, как компании начали наносить покрытия, они начали изучать способы придания им меньшей привлекательности для частиц грязи и пыли.

Самым простым способом повышения устойчивости к загрязнению является повышение температуры перехода в стеклообразное состояние (Tg) покрытия, что позволяет быстрее создавать значительно более твердое поверхностное покрытие.3 У такого подхода множество недостатков. Во-первых, он неприменим для эластомерных продуктов, таких как белые кровельные покрытия, для которых необходимы удлинение и гибкость. Вторым недостатком является, то, что для повышенной температуры перехода в стеклообразное состояние обычно необходима и более высокая концентрация VOC в рецептуре по сравнению с составами, использующими покрытия с более низкой Tg. А это прямо противоречит требованию относительно уменьшения содержания летучих органических веществ, которые правительственные постановления предъявляют к создателям рецептур красок. На рисунке 4 показан результат воздействия изменения Tg латекса в составе покрытия на устойчивость к загрязнению. Здесь латексы с более низкой Tg дали и худшую DPR (более низкие значения означают лучшую DPR). Здесь следует также отметить, что воздействие ультрафиолетовых лучей (измеренное в часах с использованием камеры ускоренного выветривания QUV) может оказать положительное воздействие на DPR за счет затвердения поверхности пленки при наличии соответствующих ультрафиолетовых сшивателей.

В число прочих исторических методов входят:

• Использование высоко сшитых полимеров, которые дают низкую липкость поверхности, препятствующую проникновению пыли. Хотя этот метод широко используется при работе с автомобильными покрытиями, использование при работе с эластомерными и архитектурными покрытиями создает целый ряд особых проблем, поскольку здесь необходимо сохранять удлинение, что делает этот метод менее адекватным.4

• Увеличение концентрации красителя (PVC) является еще одним методом создания более твердой поверхности и повышения устойчивости к загрязнению за счет уменьшения количества полимера на поверхности окончательного покрытия. Тем не менее, увеличение концентрации красителя со значительным превышением критического объема концентрации красителя (CPVC) дает обратный эффект. Образуется большее количество пор, и проблема с загрязнением становится еще серьезнее. 5

• Использование более высоких концентраций органических замутнителей дает более твердую поверхность с повышенной гидрофобностью. Хотя устойчивость к загрязнению и повышается, большая твердость покрытия делает этот метод неэффективным для эластомерных применений.6

• Вещества, вызывающие фотокаталитическое разложение, обычно не используются, поскольку, несмотря на то, что они эффективно повышают устойчивость к загрязнению, они потенциально могут вызвать разложение и латексного вяжущего вещества, сокращая, тем самым, срок эксплуатации покрытия. 7

• Многоступенчатые полимеры являются относительно новой технологией, при реализации которой используется смесь полимеров с различными диапазонами Tg, что в результате дает смесь твердых и мягких сегментов. Тем не менее, на сегодняшний день для этой технологии также не удалось преодолеть те же проблемы, которые обычно стоят перед разработчиками рецептур, особенно, в том, что касается свойств удлинения, в особенности, после тепловой обработки 8,9

• Технология нанесения гидрофобного покрытия является одной из самых многообещающих для получения устойчивости к загрязнению. В гидрофобном покрытии вода собирается в капли более охотно и сохраняет высокое поверхностное натяжение, что не дает воде осуществлять пластификацию пленки. Недостатком здесь является то, что у покрытий с использованием гидрофобных материалов легко образуются полосы. 10

Помимо этих методов исследователи разработали и более современные решения в рамках науки о полимерах, включая покрытия с уникальными физическими параметрами поверхности, которые от природы отталкивают грязь и пыль. В то же время компании продолжают экспериментировать с неполимерными решениями, такими как самоочищающиеся поверхности.

Новые исследования – разработка современных технологий, полимеров и добавок

В компании Dow Coating Solutions изучают новые решения на основе химии с использованием множественности подходов к проблеме. Решая данную проблему с точки зрения особенностей применения и географии его использования, компания работает с материалами, которые способны удовлетворять специальным требованиям без ущерба для эксплуатационных характеристик.

Так, например, в Северной Америке одной из отраслей, в которой быстрее всего растет потребность в повышении устойчивости к загрязнению, является отрасль по производству эластомерных кровельных покрытий. На этом рынке не подойдет решение, которое функционирует на основе угнетения удлинения или эластичности. Точно также не подойдет и решение, которое существенно повышает содержание VOC в рецептуре, поскольку существует национальная тенденция к снижению содержания VOC. Для того, чтобы решить проблемы для этого рынка, необходимо совершенно новое решение.

Используя существующие и внутренние протоколы испытаний и измерений, исследователи технологий устойчивости к загрязнению стремятся определить для таких применений как можно больше параметров поверхности и внешних факторов. В результате таких исследований создаются модели, на основе которых компания сможет запустить в промышленное производство новые решения для своих продуктов. Такие модели создаются на основе учета множества факторов, включая географические соображения, типы загрязнения, особые потребности заказчика и так далее. 11,12. Кроме того, в компании изучают варианты для различных применений, включая архитектурные покрытия с низким содержанием VOC и системами внешней изоляции и поверхностного покрытия (EIFS).

Выводы

В деле разработки новых решений в области повышения устойчивости к загрязнению существует несколько препятствий, которые еще предстоит преодолеть. Во-первых, следует разработать новые аналитические стандарты и инструменты. Во-вторых, для каждого географического региона и применения имеются свои специфические требования, которые не всегда совпадают. И, наконец, хотя на рынке имеются определенные решения, они не могут применяться там, где необходимо сохранение удлинения и эластичности покрытия.
Улучшение устойчивости к загрязнению имеет решающее значение для дальнейшего продвижения в деле разработки новых применений по всему миру, таких как эластомерные кровельные покрытия, архитектурные краски с низким содержанием VOC и новые строительные проекты в странах с развивающейся экономикой. Продолжение исследований и создания новых продуктов существенны для дальнейшего продвижения в этой области.

Джеральд Вандезанд
Джеральд Вандезанд, глава Global Coatings Product Development | Dow UCAR Emulsion Systems, Кэри, Северная Каролина

Ссылки
1. Vandezande, G. Paint and Coatings Ind. 2007, 9, 116.
2. Vandezande, G. International Coatings Exposition preprint, 2007.
3. Xuanyl, L. European Coatings J. 2000, (12):32.
4. Smith, A.; Wagner, O. JCT 1996, 68(862).
5. Wagner, O.; Baumstark, R. Macromol. Symp., 2002, 187, 447.
6. Bhagwat, G.A. Paintindia 2001, 51(12):35.
7. Parkin, I.P. J. Mater. Chem., 2005.
8. Gebhard, M.S. Macromol. Symp., 2002, 187, 771.
9. Adamson, L.A. Proceedings of FSCT, (79th):84 (2001).
10. Ludwick, F. Asia Pacific Coatings J. 2003, 16(6) 20.
11. Bagda, E. Soiling of exterior wall coatings, FATIPEC Congress 2000 25th 2: 299 (2000).
12. Peters, A.; Shultz, H.; Kreyling, H.; W.G. und Whichmann H.E. Staub, Dust and Dust Constituents/fine and ultra-fine particles) in Wichmann.Schlipkoter.Fullgraff Handbuch der Umweltmedizin-14 Erg.Lfg. 10/98.

www.newchemistry.ru