Влияние добавки глицерина на свойства золь-силикатной краски

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

Ключевые слова: жидкое стекло, полисиликатное связующее, межфазное взаимодействие, смачивание, разлив
Keywords: liquid glass, polysilicate binder, interfacial interaction, wetting, spreadability

Предложено использовать в качестве связующего при изготовлении силикатных красок 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.

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).

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.

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.