Производство лакокрасочных материалов

Подробная информация есть по ссылке лакокрасочные материалы

Сырьевые компоненты лакокрасочных материалов

Лакокрасочные материалы представляют собой многокомпонентные системы, в которых каждый компонент выполняет строго определённую функцию. Состав краски, лака или эмали включает связующее вещество, пигменты, наполнители, растворители и функциональные добавки. От соотношения этих ингредиентов и их химической природы зависят реологические свойства, условия отверждения и эксплуатационные характеристики покрытия. Технологическая схема производства регламентируется, в частности, требованиями ГОСТ 9825-73 в части классификации и условных обозначений лакокрасочной продукции.

Связующие вещества: функциональные типы и свойства

Связующее вещество является плёнкообразующей основой, которая после испарения растворителя или химического отверждения формирует сплошное покрытие. Оно определяет адгезию к подложке, механическую прочность, эластичность и стойкость к внешним воздействиям. По механизму плёнкообразования связующие делятся на термопластичные (физическое высыхание) и термореактивные (химическое сшивание). Алкидные смолы — сложные полиэфиры, модифицированные растительными маслами. Молекулярная масса алкидов колеблется в пределах 2000–6000 Да. Температура плёнкообразования для пентафталевых алкидов составляет 18–25 °C при доступе кислорода. Алкидные покрытия обладают хорошей атмосферостойкостью и эластичностью, но уступают эпоксидным составам по химической стойкости. Акриловые (полиакрилатные) связующие выпускаются в виде растворов в органических растворителях или водных дисперсий. Акриловые сополимеры на основе метилметакрилата и бутилакрилата обеспечивают высокую светостойкость и УФ-стабильность. Минимальная температура плёнкообразования водных акриловых дисперсий составляет 8–15 °C. Акрилы широко применяются в фасадных и интерьерных красках. Эпоксидные смолы — олигомеры на основе эпихлоргидрина и бисфенола А. Отверждаются аминными или полиамидными отвердителями при температурах от +5 до +60 °C в зависимости от типа. Эпоксидные покрытия характеризуются высокой твёрдостью (по карандашной шкале 3H–5H), отличной адгезией к металлу и бетону, стойкостью к растворителям и щелочам. Эпоксиды относятся к термореактивным связующим. Водные акриловые дисперсии содержат 45–55 % сухого вещества. В отличие от органорастворимых систем, вода как дисперсионная среда не образует летучих органических соединений в процессе высыхания. Однако водные плёнки требуют более длительного времени сушки при повышенной влажности и чувствительны к низким температурам.

Пигменты, наполнители и функциональные добавки

Пигменты — тонкодисперсные неорганические или органические вещества, придающие цвет, укрывистость и коррозионную стойкость. Неорганические пигменты: диоксид титана (рутильная форма, средний размер частиц 0,2–0,3 мкм), оксид железа (красный, жёлтый, чёрный), хроматы стронция и цинка. Органические пигменты (фталоцианиновые синие и зелёные, хинакридоны) обеспечивают яркие чистые тона, но требуют тщательного диспергирования из-за склонности к агломерации. Наполнители снижают себестоимость и регулируют реологические свойства. Тальк (гидратированный силикат магния) улучшает седиментационную стабильность и шлифуемость. Микрокальцит (карбонат кальция с размером частиц 5–50 мкм) увеличивает объёмную концентрацию пигмента. Барит (сульфат бария) повышает плотность и химическую инертность. Для органорастворимых систем используют бентонитовые глины в качестве тиксотропных загустителей. Функциональные добавки подразделяются на диспергаторы (полиакрилаты, полифосфаты), смачиватели (алкилфенолэтоксилаты), пеногасители (минеральные масла, полидиметилсилоксаны) и консерванты (изотиазолиноны для водных систем). Каждый тип добавки вводится в дозировке 0,1–2,0 % от массы рецептуры и существенно влияет на стабильность хранения и качество нанесения.

При выборе пигмента для водной краски учитывают его электрокинетический потенциал (дзета-потенциал), который должен находиться в интервале от −30 до −50 мВ для устойчивой дисперсии без флокуляции.

Технологические этапы производства

Процесс производства лакокрасочного материала строится на последовательном выполнении трёх стадий: получении пигментного концентрата, его диспергировании и завершающем компаундировании до товарной кондиции. Типовая партия включает дозирование компонентов, перемешивание, помол, нормализацию вязкости и фильтрацию. Для водных продуктов дополнительно требуются стадии нейтрализации и регулирования pH.

Подготовка пигментного концентрата и диспергирование

Первоначально сухие пигменты и наполнители смешиваются с частью связующего и растворителя (или воды) в смесителе с ребристым валом — диссольвере. Диссольвер выполняет предварительное смачивание и разрушение рыхлых агломератов при окружной скорости лопастей 12–25 м/с. Время перемешивания на этой стадии составляет 15–30 мин при температуре до 50 °C. Полученная грубая суспензия (паста) поступает в бисерную мельницу. Бисерная мельница обеспечивает тонкое диспергирование пигмента до размера частиц 5–30 мкм за счёт интенсивного соударения с мелющими телами из стекла, циркония или алюмооксида. Диаметр бисерных элементов составляет 0,8–2,0 мм. Производительность бисерной мельницы зависит от вязкости суспензии, числа проходов и скорости вращения ротора. Для паст с высокой твёрдостью пигмента устанавливают два-три последовательных прохода с охлаждением корпуса. Ресурс бисерной навески — 100–300 часов работы до износа. Степень дисперсности контролируют с помощью гриндометра (по ГОСТ 6589-74, глубина риски клина 0–100 мкм). Для эмалей с глянцевым эффектом допустимый остаток на гриндометре не превышает 10 мкм; для матовых систем — 40–60 мкм.

Компаундирование, колеровка и доведение до товарной вязкости

Готовый пигментный концентрат перекачивают в диссольвер или смеситель с низкооборотным рамным/якорным перемешивателем. На этой стадии добавляют оставшуюся часть связующего, растворителя, добавок (пеногасители, матирующие агенты, УФ-стабилизаторы) и перемешивают до гомогенности. При изготовлении цветных материалов используется колеровка — введение цветных колерных паст в базовую краску. Колеровочное оборудование (миксеры-шейкеры или насосы-дозаторы) позволяет подобрать оттенок по системе RAL или NCS. Технологическая схема включает этап фильтрации через мешочные фильтры с размером ячейки 50–200 мкм, чтобы удалить недиспергированные частицы и случайные включения. Затем вязкость доводится до номинала добавлением растворителя или воды. Для водных систем содержание воды корректируют по показателю сухого остатка, который должен соответствовать техническим условиям (обычно 50–65 %). Для двухкомпонентных материалов (эпоксиды, полиуретаны) процесс заканчивается фасованием отдельно смоляной основы и отвердителя. Смешение осуществляется потребителем непосредственно перед нанесением.

• Типичное содержание связующего в эмали: 30–55 %.
• Доля пигмент/наполнитель: 20–40 %.
• Массовая доля растворителя или воды: 15–30 %.
• Общая энергоёмкость производства 1 тонны краски: 120–250 кВт·ч.

Контроль качества готовой продукции

Лаборатория завода проводит входной контроль сырья, операционный (межоперационный) контроль полупродуктов и приёмо-сдаточные испытания готовой партии. Каждую партию проверяют по регламентированному перечню показателей, установленных техническими условиями или ГОСТ.

Физико-химические испытания (вязкость, плотность, сухой остаток)

Вязкость определяют при 20,0 ± 0,5 °C с помощью вискозиметра ВЗ-246 (сопло 4 мм) или ротационного вискозиметра Брукфильда. Для эмалей условная вязкость по ВЗ-246 составляет 40–120 с; для лаков — 15–60 с. Зависимость вязкости от температуры описывается экспоненциальным законом Аррениуса: на каждый 1 °C изменения температуры вязкость меняется на 3–5 %. Ротационный метод измеряет динамическую вязкость (Па·с) при заданном градиенте сдвига. Плотность определяется пикнометрическим методом по ГОСТ 28513-90. Типичные значения для органорастворимых эмалей: 1,2–1,6 г/см³; для водных красок: 1,3–1,8 г/см³. Отклонение плотности от номинальной свидетельствует о нарушении дозирования или воздушном захвате. Сухой остаток — доля нелетучих веществ — определяется высушиванием навески при 105 °C до постоянной массы. Для водных лаков сухой остаток составляет 30–45 %, для алкидных эмалей — 55–75 %. Низкое значение сухого остатка указывает на избыток растворителя, что ведёт к снижению толщины мокрой плёнки.

Оценка эксплуатационных свойств (адгезия, твёрдость, атмосферостойкость)

Адгезию покрытия к подложке оценивают методом решётчатого надреза по ГОСТ 31149-2014 (по 6-балльной шкале). Для грунтовок показатель адгезии не должен превышать 1–2 балла (разрушено менее 5 % площади). Метод заключает нанесение сетки из 12 надрезов через 1 или 2 мм. Твёрдость покрытия по маятниковому прибору ТМЛ (метод Кёнига) измеряют в условных единицах — число колебаний до затухания. Для эпоксидных эмалей твёрдость достигает 0,75–0,95 отн. ед., для алкидных — 0,25–0,45. Время высыхания до степени 3 по ГОСТ 19007-73 для органорастворимых составов обычно не превышает 2 ч при 20 °C. Атмосферостойкость испытывают в камерах ксеноновой лампы или УФ-конденсации по методикам ASTM G154 или ISO 11507. Параметры цикла 8 ч УФ-облучения (340 нм, 0,89 Вт/м²) при 60 °C и 4 ч конденсата при 50 °C. После 500–1000 ч испытаний оценивают изменение блеска, цветоразность ΔE (по CIE Lab) и наличие микротрещин.

1. Укрывистость (г/м²) — масса сухой плёнки, необходимая для полного укрытия чёрно-белого поля.
2. Условная светостойкость (ч) — время до изменения ΔE более 3 единиц.
3. Относительная влажность высыхания: до 80 % для водных красок.

Экологические и безопасностные ограничения производства

Производство лакокрасочных материалов связано с выбросами летучих органических соединений, образованием сточных вод и рисками на производственных участках. Нормативное регулирование включает требования к эмиссии, пожарной безопасности и охране труда.

Выбросы летучих органических соединений и системы очистки

Основные источники эмиссии ЛОС на производстве — диссольверы, мельницы, участки фасовки и ёмкости с растворителями. Согласно европейской директиве 2004/42/CE, содержание ЛОС в красках для наружных работ не должно превышать 130–300 г/л в зависимости от типа. В РФ аналогичные требования устанавливаются Техническим регламентом Таможенного союза «О безопасности лакокрасочных материалов» (ТР ТС 042/2017). Для очистки выбросов применяют системы адсорбции на активированном угле (рекуперация растворителей), каталитическое дожигание (термическое обезвреживание при 350–500 °C) или биофильтры. Эффективность улавливания составляет 90–99 % при правильном расчёте загрузки. Предельно допустимая концентрация толуола в рабочей зоне — 50 мг/м³, ксилола — 50 мг/м³, ацетона — 200 мг/м³. Предприятия, выпускающие водные системы, сокращают выбросы ЛОС в 5–10 раз по сравнению с органорастворимыми. Замена растворителя на воду позволяет отказаться от дорогостоящих систем рекуперации, однако требует очистки сточных вод от остатков дисперсий и пигментов.

Требования к охране труда и пожарной безопасности

Большинство растворителей (толуол, ксилол, бутилацетат, этилгликольацетат) относятся к 3-му классу опасности (умеренно опасные вещества). Предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе рабочей зоны регламентируются ГОСТ 12.1.005-88. Контроль концентраций осуществляется стационарными газоанализаторами и экспресс-мониторингом. Производственные помещения относятся к категории А или Б по взрывопожароопасности (наличие горючих газов и жидкостей с температурой вспышки ниже 28 °C). Электрооборудование должно иметь взрывозащищённое исполнение (маркировка Ex). Обязательны системы аспирации и местные отсосы над точками загрузки сыпучих компонентов.

Для персонала устанавливаются средства индивидуальной защиты: респираторы с противоаэрозольными/органическими фильтрами, химически стойкие перчатки (бутилкаучук или неопрен) и защитные очки. Периодичность медицинских осмотров — 1 раз в 2 года. Техника безопасности при работе с растворителями включает заземление тары и инструмента для отвода статического электричества, проверку герметичности фланцевых соединений и отсутствие открытого огня. Обязательны планы локализации и ликвидации разливов с аварийным запасом сорбентов (вермикулит, цеолит).

Видео