Предложено использовать в качестве связующего при изготовлении силикатной краски полисиликатные растворы, полученные смешением жидкого стекла и золя кремниевой кислоты. Для регулирования реологических свойств краски рекомендовано вводить в состав глицерин. Приведены результаты оценки разлива краски на растворной подложке. Показано, что введение добавки глицерина способствует лучшей растекаемости краски на поверхности и повышению трещиностойкости покрытий.
Ключевые слова: жидкое стекло, полисиликатное связующее, межфазное взаимодействие, смачивание, разлив
Keywords: liquid glass, polysilicate binder, interfacial interaction, wetting, spreadability
При отделке фасадов зданий широкое применение нашли силикатные краски, покрытия на основе которых характеризуются декоративной выразительностью, стойкостью к биоразрушению [1]. Для увеличения эксплуатационной стойкости силикатных покрытий предлагается введение в рецептуру смеси связующих жидкого стекла и полимерных связующих [2, 3]. Анализ патентной и научно-технической литературы свидетельствует, что повышению водостойкости силикатных красок способствует применение жидкого стекла с более высоким силикатным модулем [4, 5]. Для этого следует использовать полисиликатные растворы в качестве связующего.
Нами разработан состав золь-силикатной краски [6, 7]. При создании рецептуры силикатных красок на основе полисиликатных растворов в качестве наполнителя применяли микрокальцит марки МК-2 (ТУ 5743-001-91892010-2011), маршалит, диатомит и тальк марки МТ-ГШМ (ГОСТ 19284-79), в качестве пигмента – диоксид титана 230 рутильной формы (ТУ 2321-001-1754-7702-2014) (табл. 1). Полисиликатные растворы получали путем взаимодействия стабилизированных растворов коллоидного кремнезема (золей) с водными растворами щелочных силикатов (жидким стеклом). Применяли золи кремниевой кислоты Nanosil 20 и Nanosil 30, выпускаемые ПК «Промстеклоцентр». Применяли калиевое жидкое стекло с модулем М=3,29.
С целью улучшения разлива и предотвращения седиментации пигментной части в лакокрасочный состав предлагается вводить добавку глицерина с массовой долей 99,3%, плотностью 1,258 г/см3 (ГОСТ 6824-96). Добавка вводилась в полисиликатное связующее.
Реологические свойства связующего оценивали по показателям условной вязкости по ВЗ-4. Для оценки межфазного взаимодействия был применен термодинамический метод. Был определен краевой угол смачивания жидкости на поверхности пигментной фазы. Исследования выполнены с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова. Краевой угол смачивания определяли на приборе KRUSS DSA-30. Для определения краевого угла смачивания были заформованы таблетки из смеси пигмента и наполнителя с помощью автоматического гидравлического пресса Vaneox-40t automatic с давлением в 18 тонн за 11 секунд. Порошок прессовали в сухом состоянии, без дополнительной обработки [8]. Поверхностное натяжение растворов определяли сталагмометрическим методом.
Была рассчитана работа адгезии между фазами, количественно определяемая термодинамическим уравнением Дюпре – Юнга:
, (1)
где Wa – работа адгезии; σ – поверхностное натяжение; θ – равновесный краевой угол смачивания.
Связь между работой адгезии и работой смачивания определялась соотношением:
(2)
Результаты исследований и расчетов приведены в табл. 2.
Таблица 1. Состав пигментной части силикатной краски
| Наименование | Содержание наполнителей, % | Насыпная плотность, г/см3 | Истинная плотность, г/см3 | Удельная поверхность, см3/г | Средний размер частиц, мкм |
| Микрокальцит | 55 | 0,69 | 2,717 | 10964 | 2 |
| Оксид титана | 15 | 0,792 | 2,987 | 15650 | 2,1 |
| Микротальк | 10 | 0,428 | 3,13 | 21843 | 0,9 |
| Маршалит | 10 | 1,067 | 2,232 | 1801 | 14,9 |
| Диатомит | 10 | 0,345 | 2,02 | 14781 | 2 |
Таблица 2. Работа адгезии связующего к наполнителю (пигменту)
| Наименование пленкообразующего | Поверхностное натяжение, мН/м | Угол смачивания, ° | Работа адгезии, мН/м | Работа смачивания, мН/м | Коэффициент смачивания | Межфазное поверхностное натяжение, мН/м |
| Калиевый полисиликатный раствор (15% Nanosil 20) | 64,064 | 51,38 | 104,379 | 40, 315 | 0,814 | 21,11 |
| Калиевый полисиликатный раствор (15% Nanosil 20)+10% глицерина | 59 | 48 | 98,0 | 39,3 | 0,83 | 21,95 |
Анализ полученных данных показывает, что введение добавки глицерина приводит к снижению вязкости раствора связующего. Так, введение добавки глицерина в количестве 10% приводит к снижению вязкости полисиликатного раствора на 35%. Определено оптимальное количество глицерина, составляющее 10% от массы связующего.
Было установлено, что значение свободной поверхностной энергии наполнителя (пигмента) равно 61,43 мН/м, в том числе дисперсионная составляющая – 42,86 мН/м, полярная составляющая – 18,57 мН/м.
Анализ данных, приведенных в табл. 2, свидетельствует, что для калиевого полисиликатного раствора характерна большая работа адгезии к наполнителю (пигменту). Так, работа адгезии калиевого полисиликатного раствора к наполнителю (пигменту) составляет 104,379 мН/м.
Для калиевого полисиликатного раствора характерна и большая работа смачивания, составляющая 40,315 мН/м. Введение глицерина приводит к некоторому увеличению коэффициента смачивания. Наличие более полного смачивания поверхности наполнителя и пигмента в случае применения калиевого полисиликатного раствора с добавкой глицерина способствует формированию более плотной структуры покрытия и повышению физико-механических свойств. Об этом свидетельствуют данные об изменении прочности при растяжении пленок на основе красочных составов (рис. 1).
1 – с добавкой глицерина; 2 – без добавки глицерина
Прочность при растяжении пленок краски на основе состава с глицерином составляет Rp=2,296 МПа, а без добавки глицерина – 2,062 МПа. Пленки на основе состава с глицерином характеризуются большей растяжимостью, составляющей 0,026 мм/мм, в то время как на основе контрольного состава (без глицерина) – 0,018 мм/мм. Модуль упругости пленки краски на основе состава с глицерином составляет Е=0,1739⋅104 МПа, а на основе состава без глицерина – 0,2105⋅104 МПа.
Было установлено, что введение глицерина в рецептуру краски улучшает разлив краски. Так, время разлива золь-силикатной краски на растворной подложке составляет 7 мин. 20 сек., а при введении глицерина – 6 мин. 15 сек. Кроме того, уменьшается шероховатость поверхности покрытия.
Наличие в рецептуре данной краски добавки глицерина способствует ее хранению при температуре -5°С в течение более 46 суток с неизмененными свойствами, что повышает технологичность краски. Адгезия покрытий, определяемая методом решетчатого надреза в соответствии с ГОСТ 31149-2014, составляет 2 балла.
УДК 691.57
В.И. ЛОГАНИНА, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление качеством и технология строительного производства»; Е.Б. МАЖИТОВ, аспирант кафедры, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Библиографический список
1. Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла. – Л.: Стройиздат, 1991. – 176 с.
2. Figovsky O., Beilin D. Improvement of Strength and Chemical Resistance of Silicate Polymer Concrete// International Journal of Concrete Structures and Materials. 2009, vol. 3, №2, pp. 97-101. DOI: 10.4334/IJCSM.2009.3.2.097.
3. Figovsky O., Borisov Yu., Beilin D. Nanostructured Binder for Acid-Resisting Building Materials // J. Scientific Israel-Technological Advantages– 2012 –Vol. 14. No 1. –P. 7-12.
4. Получение и применение гидрозолей кремнезема / под ред.
Ю. Г. Фролова. – М.: Труды МХТИ им. Д. И. Менделеева. – 1979.
5. Айлер P. Химия кремнезема. В 2 т. – М.: Мир, 1982.
6. Логанина В.И., Кислицына С.Н., Мажитов Е.Б. Разработка рецептуры золь-силикатной краски// Региональная архитектура и строительство. – 2017 – №3, с. 51-53.
7. Логанина В.И., Кислицына С.Н., Демьянова В.С., Мажитов Е.Б. Свойства модифицированного связующего для силикатных красок// Региональная архитектура и строительство –2017–№ 4(33), с. 17-23.
8. Строкова В.В., Айзенштадт А.М., Сивальнева М.Н., Кобзев В.А., Нелюбова В.В. Оценка активности наноструктурированных вяжущих термодинамическим методом// Строительные материалы–2015–№2, с. 3-9.
