В статье рассматривается устойчивость к образованию царапин ультрафиолетового напольного покрытия при различных условиях, и обнаружены неожиданные результаты. Сравниваются покрытия с различной плотностью сшивания, полученные за счет варьирования функциональности разбавителя.

Термин 'напольные покрытия' используется применительно ко многим технологиям и продуктам, общим основным свойством которых является обеспечение наличия износостойкой и устройчивой к образованию царапин и потертостей поверхности. Исходными типами напольного материала, который можно и нужно защищать с помощью нанесения покрытия, являются дерево, бетон и ПВХ (винил), хотя далее мы будем упоминать и другие виды подложек.

Ковры являются наиболее широко продаваемыми материалами для напольного покрытия в Европе и США, хотя в глобальном масштабе наибольшей популярностью пользуются керамические плитки, занимающие 45% от общего объема рынка. Быстрее всего растет сектор рынка ламинатных напольных покрытий, хотя в настоящее время на его долю приходится всего около 5% в глобальном масштабе (но 12% в Европе). Ни одно из перечисленных покрытий не нуждается в нанесении дополнительного покрытия.

Тем не менее, это все цифры относительно продаж, и поэтому они не дают четкого представления о сфере применения каждого из типов покрытий, поскольку спрос на различные типы постоянно меняется, а средний срок эксплуатации каждого из покрытий может существенно различаться.

Все эти данные не включают очень масштабное использование бетонных покрытий самостоятельно в качестве отдельного напольного материала. Такие полы обычно создаются в функциональных участках, таких как производственные площади и складские помещения, но в ограниченном объеме они используются и в жилых домах.

Классификация покрытий
Композиции акриловых сополимеров на водяной основе используются не только для создания 'постоянных' покрытий, они также широко используются для образования недолговечных, но легко наносимых покрытий для полировки/обновления. Обычно в их состав включаются воски и пластификаторы, эти составы можно наносить просто с помощью тряпки или губки для защиты не поглощающих влагу полов любого типа.

Несмотря на то, что мы здесь уделяем основное внимание последним и будущим достижениям в области разработки технологий и применений, будет небесполезно обобщить данные о наиболее часто используемых типах покрытия, снабдив их краткими комментариями относительно их использования. Этот список не может считаться исчерпывающим в том, что касается используемых систем смолы, а также возможных областей применения каждого из типов покрытия. Тип покрытия, который здесь обсуждается в связи с его использованием, например, на дереве, может также быть переформулирован для использования на других подложках.

Износостойкие добавки
Очень твердые зернистые материалы, в особенности, оксид алюминия и кремния, часто используются для создания напольных покрытий для повышения износостойкости и устойчивости к образованию царапин. Карбид кремния (карборунд), который дает твердость, сопоставимую с твердостью алмаза при значительно меньших затратах, синтезируется и разламывается для получения твердых частиц с острыми углами, которые являются превосходной добавкой от скольжения, а также значительно повышает износостойкость.

Здесь недостатком является то, что у материала есть только два вида естественной окраски, черная и темно-зеленая, а также сильный блеск. В одном из патентов делается заявка на использование покрытий с высокой долговечностью для окраски частиц карборунда, чтобы таким образом сделать возможным его использования для широкого диапазона применений в напольных покрытиях. Предпочтительным покрытием для частиц являются двухкомпонентные эпоксиды или полиуретаны (с растворителем или на водяной основе) или низкотемпературные керамические глазури. Сам материал для безопасного напольного покрытия можно изготавливать из пластифицированного ПВХ, пластифицированного акрила, каучука, эпоксидной смолы или систем смол полиуретана, наносимых потоком.

Напольное покрытие из натуральной древесины: типы
Существует целый ряд различных типов напольного покрытия из древесины, которые можно кратко охарактеризовать все вместе, поскольку в них во всех используются аналогичные покрытия.

Напольное покрытие из твердой древесины используется уже очень давно, и некоторые образцы такого покрытия и сто лет спустя еще в хорошем эксплуатационном состоянии.

Сконструированный пол из древесины состоит из нескольких слоев древесины, причем слои шпона расположены под углом друг к другу. Это позволяет разместить тонкий слой дорогостоящего поверхностного шпона поверх более дешевых сортов древесины, здесь имеется и еще одно преимущество создания материалов со значительно более высокой размерной стабильностью, которые не нуждаются в прибивании гвоздями или скреплении скобами к нижним слоям пола, что позволяет легче производить замену поврежденных участков.

Хотя, строго говоря, это скорее трава, нежели древесина, бамбук все чаще и чаще используется в качестве поверхностного слоя для напольных материалов. Он тверже и обладает более высокой размерной стабильностью, чем многие твердые породы дерева.

Недавно было разработано несколько слегка отличающихся технологий для придания натуральной древесине большей размерной стабильности и устойчивости к биологическим атакам с помощью нагревания до высоких температур в низко-кислородной атмосфере. Эти технологии были разработаны для наружных применений, но в настоящее время они привлекают интерес со стороны рынка продажи паркетных покрытий, поскольку они позволяют делать древесину более темной. А это означает, что твердые породы дерева, имеющие светлую окраску (дуб, береза или ясень), могут быть использованы для имитации темных видов тропической древесины, которые дороги и зачастую не достаточно надежно контролируются.

Тем не менее, в недавно опубликованной статье указывается, что древесина, прошедшая термическую обработку, может быть не идеальным материалом для изготовления напольных покрытий. Она становится более хрупкой, и может из-за этого растрескиваться при высоких механических нагрузках, в то время как ее светостойкость при смоделированных условиях внутреннего освещения очень низкая. Дополнительным недостатком является то, что некоторые типы древесины, прошедшей термообработку, выделяют существенные количества токсичных фурфуролов.

Покрытия полов из древесины
Как уже было показано в приведенной ранее таблице, на деревянные полы наносится множество покрытий, большинство из них применяется с использованием какой-либо из форм полиуретановой технологии. Полиуретан обладает огромным достоинством: он может входить в рецептуру покрытий, которые очень эластичны, и, в тоже время, очень устойчивы к образованию царапин; недостатком полиуретана является его дороговизна. Между полиизоцианатами и гидрокси-функциональными полиолами происходит сшивание уретана, которое дает широкий выбор сырьевых материалов и модификаций. В условиях все увеличивающегося давления на производителей с целью заставить их снижать концентрации летучих органических соединений, отрасль покрытий переходит к использованию систем полиуретана с высоким содержанием твердых частиц и типов на водяной основе.

Акрилатные полиолы проявляют более высокие эксплуатационные характеристики в системах на водяной основе, и используются в двух различных формах. Типы, полимеризованные в эмульсии, имеют низкие концентрации летучих органических соединений и быстро высушиваются, но у них неважный внешний вид, что делает их непригодными для нанесения прозрачных покрытий. Типы, полученные с помощью технологии вторичной дисперсии, имеют значительно более низкую молекулярную массу и прекрасные оптические свойства, но традиционно необходимо было использовать высокие концентрации сорастворителя в процессе производства, что приводило к образованию в готовом продукте высоких концентраций летучих органических соединений до 15%. Тем не менее, не так давно была найдена возможность исключить использование сорастворителя за счет использования реактивного разбавителя, такого, как гидроксифункциональный полиэфир-поликарбонат диол, который ведет себя как растворитель в ходе первичной полимеризации, и обеспечивает сшивание в готовом продукте.

Лаки для пола с радиационным отверждением
Нанесение покрытия с радиационным отверждением популярно при работе с паркетными полами, поскольку можно получать очень твердые, долговечные и прозрачные лаковые покрытия, а отверждение производится легко и быстро. Тем не менее, для получения хорошей адгезии следует действовать с осторожностью.

Грунтовые покрытия на водяной основе обычно дают более адекватное проникновение и адгезию, чем составы, не содержащие растворителя. Химическое сшивание грунтовочного покрытия и древесины очень хорошо получается, например, при использовании уретановых акрилатов со свободными изоцианатными группами в грунтовочном покрытии. В ходе нескольких испытаний было установлено, что нанесение поверхностного слоя в два этапа с частичным отверждением первого слоя дает большую устойчивость к истиранию, чем использование одного только поверхностного покрытия.

В древесине, такой как красное дерево, может содержаться большое количество фенольных компаундов, структура которых похожа на структуру некоторых материалов, которые используются в рецептурах с ультрафиолетовым отверждением. Поэтому возможно создание с их стороны помех отверждению и/или усиление связывания с древесиной. Некоторые авторы обнаружили значительные помехи отверждению со стороны твердых пород дерева, в то время как другие обнаружили, что эти воздействия минимальны. В этой связи представляется возможным предположить, что эти воздействия зависят от конкретных рецептур, а также от того, какая древесина используется.

Распространенной проблемой при создании покрытий с ультрафиолетовым отверждением является замедление окисления, из-за которого образуется мягкий поверхностный слой поверх твердого и полностью отвержденного материала. Большинство исследователей, тем не менее, обнаружили, что необходимо только уменьшить количество кислорода, даже не удаляя его совсем, для того, чтобы свести эту проблему к минимуму. Поэтому промышленные технологии позволяют производить жесткие покрытия, но материалы для нанесения повторных покрытий следует создавать с осторожностью. Правильно составленное полиуретановое покрытие с ультрафиолетовым отверждением может давать устойчивость к образованию царапин аналогичную значениям для двухкомпонентного полиуретана даже при отверждении на воздухе.

Было заявлено, что противомикробные добавки, в особенности триклозан (5-хлор-2-(2,4-дихлорфенокси)фенол) можно включать в состав уретаново-акрилатных покрытий и отверждать с помощью ультрафиолетового излучения при поразительно незначительном повреждении триклозана от облучения. Покрытия этого типа можно обычно наносить на деревянные полы, панели и мебель, расположенные в таких помещениях как рестораны, залы, где собирается большое количество людей.

Однокомпонентные покрытия на водяной основе с ультрафиолетовым отверждением, в котором используются PUD (дисперсии полиуретана), можно получать различными способами. Независимо от используемого метода, у них значительно более низкая плотность сшивания, и, поэтому, более высокая эластичность по сравнению со стандартными покрытиями с ультрафиолетовым отверждением. Помимо добавления функциональности акрилата с радиационным отверждением к самим PUD, можно еще добавить и многфункциональные акрилаты или олигомеры к смоле до диспергирования. Ультрафиолетовое отверждение приведет скорее к созданию полимерной цепи акрилатов и PUD со взаимопроникновением или полу-взаимопроникновением, чем одиночной сшитой системы.

Прочие лаки для паркетов
Хотя к ним и относятся, как к чему-то очень старомодному, лаки на масляной основе все еще используются для покрытия паркетных полов. Хотя их эксплуатационные характеристики и долговечность и ниже, чем у современных лаков, они дают очень естественный внешний вид, и хорошо воспринимают повторное нанесение покрытия.

Проводились испытания с использованием метилэфиров льняного масла в качестве реактивного разбавителя для самого масла. Было установлено, что это дает более мягкие пленки, но позволяет уменьшать содержание летучих органических соединений хорошо проникающего лака. Было отмечено, что когда эти лаки наносили на древесину сосны, высыхание проходило быстрее, чем над стеклом, что указывало на наличие определенной формы реакции между древесиной и высыхающим маслом. Хотя это может показаться желаемым результатом, при этом возникает перспектива того, что при существенном ускорении высыхания, проникновение лака в древесину может сократиться.

Снятие верхнего слоя и повторная обработка
Недостатки нанесения твердых (и, в особенности, отверждаемых радиационно) лаков на древесину полов становятся явными, когда полы изнашиваются до состояния, при котором необходима замена покрытия: с них даже уже может быть невозможно нормально снять верхний слой.

Наилучшим подходом здесь является предусмотрительность. В одном патенте заявлено использование грунтовочного покрытия или слоя промежуточного покрытия, которое легко снимается с помощью химических веществ, и подвергается нанесению износостойкого поверхностного слоя на водяной основе, который составляется так, чтобы быть способным пропитываться химическими веществами для снятия слоя, которые предпочтительно должны содержать эмульгированные растворители. Когда необходимо снятие верхнего слоя, химический раствор проникает через верхний слой, вызывает расслоение нижнего слоя, и, таким образом, позволяет легко удалить оба слоя без повреждения подложки. (Желательно, чтобы промежуточный слой был из катализируемого металлом акрилового покрытия, а поверхностный слой мог подвергаться радиационному отверждению).

Было замечено, что включение твердых частиц для повышения устойчивости покрытия к образованию царапин также позволяет усилить проникновение раствора для удаления верхнего слоя через этот слой. Такие покрытия могут наноситься на виниловые плитки, бетон, мраморные плитки, а также паркет. В качестве альтернативы в напольное покрытие могут включаться смолы, растворимые в щелочи. Использование вещества для снятия слоя, содержащего щелочь или алифатический аминоспирт вместе с эмульгированными полярными растворителями, означает, что проникновение растворителей увеличивается за счет использования щелочи.

Ультрафиолетовая повторная обработка
Лаки с ультрафиолетовым отверждением могут также использоваться для нанесения покрытия на паркет прямо на месте. Некоторые типы отверждаются в присутствии солнечного света или флуоресцентного освещения, или же можно передвигать по полу передвижные устройства для отверждения для того, чтобы покрытие высохло. Одна из таких установок снабжена одним или более источниками ультрафиолетового излучения, которые излучают лучи одновременно с двумя разными значениями длины волны, например, в диапазоне 350 - 380 нм и 240 - 270 нм. Целью является получение одновременно поверхности и глубокого отверждения покрытия пола, которое должно включать индикаторы с диапазонами поглощения, соответствующими значениям длины волны установки для отверждения.

Было продемонстрировано использование подходящей смеси фотоинициаторов для отверждения прозрачного слоя на напольном покрытии с помощью естественного солнечного света на протяжении примерно недели, а также обычной люминесцентной лампы на протяжении примерно двух часов. При работе с применениями для повторной обработки использование фотообесцвечивающего красителя либо в грунтовочном покрытии, либо в самом ультрафиолетовом покрытии является удобным средством, используемым для того, чтобы убедиться в том, что произошло отверждение покрытия полностью во всех участках.

Моделирование и реальность: испытание устойчивости к истиранию
Хорошо известно, что проведение ускоренных испытаний на погодостойкость, хотя и полезно, но имеет лишь косвенное отношение к тому, что происходит в реальном мире. Те же проблемы возникают и при попытка организовать ускоренные испытания износостойкости паркетного или ламинатного покрытий.

Для этих целей широко используется тестирование с абразивным материалом по Таберу, при этом происходят объективно измеряемые изменения как в области потери массы, так и в области снижения блеска. Тем не менее, тестирование ламинатных полов может быть затруднено, если имеется текстура поверхности, и задавались вопросы относительно того, дает ли этот тест какие-либо имеющие значение для реальной ситуации данные при испытаниях таких отличающихся друг от друга составов.

Прибор для определения твердости царапанием Мартиндейл, который создает фигуры Лиссажу из царапин (т. е. они отличаются направлением и пространственным расположением), исследовался на возможность применения, как для испытаний паркета, так и для испытаний ламината. Было сделано заключение, что можно получить воспроизводимые результаты (на паркете) с царапиной глубиной, которая соответствует реально существующим значениям за счет использования соответствующим образом выбранных абразивного материала и нагрузки. Количество циклов имеет решающее значение, а скорость функционирования нет. Было решено, что наилучшим критерием определения результатов испытания является потеря блеска, а не снижение массы.

При более подробном исследовании было установлено, что ни один из этих методов испытаний не соответствовал в должной мере последствиям реального погодного воздействия. Масляно-смоляной лак, у которого была очень низкая износостойкость, дал самые лучшие результаты при тестировании по Таберу. Были оценены и три других метода испытаний, при этом было решено, что наиболее репрезентативные результаты дал прибор для выявления микротрещин (APP-0437.0000).

Рассмотрение других физических свойств лаков, а также того, как результаты изменялись после применения различных (увеличенных) сроков отверждения, позволило сделать вывод, что твердость, пластическая деформация и сопротивление ползучести покрытий также имели большое значение для их эксплуатационных характеристик. В особенности, если покрытие с низким сопротивлением ползучести (либо от природы, либо у него не было достаточно времени для полного отверждения) подвергается изнашиванию, в покрытии может накапливаться напряжение, что может привести к преждевременному отказу.

Масштабы пластической деформации, которая имеет место в действительности, зависят от типа износа, которому подвергается покрытие, а также от твердости подложки. Таким образом, делается вывод, что исследование параметров деформации в сочетании с данными изучения микротрещин может давать более качественный прогноз практического срока эксплуатации покрытий.

Были рассмотрены устойчивость к образованию царапин ультрафиолетового напольного покрытия при различных условиях, и обнаружены неожиданные результаты. Сравнивались покрытия с различной плотностью сшивания, полученные за счет варьирования функциональности разбавителя. Как и ожидалось, высокая плотность сшивания повысила сохранение блеска и снизила уровень пластической деформации. Тем не менее, неожиданно было обнаружено, что восстановление формы по прошествии определенного периода времени было пропорционально больше при высокой плотности сшивания, что доказывает, что это не препятствует противотечению, а скорее придает большую восстанавливающую способность.

Сэнди Моррисон,
www.specialchem4coatings.com