Приведены сведения о составе силикатной краски на основе полисиликатных растворов, полученных смешиванием жидкого стекла и золя кремниевой кислоты. Предложено использовать в рецептуре золь-силикатной краски добавку – глицерин для регулирования реологических и технологических свойств. Показано, что введение глицерина улучшает разлив краски и способствует повышению качества внешнего вида покрытий.
УДК 691.57
В.И. ЛОГАНИНА, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Управление качеством и технология строительного производства»,
Е.Б. МАЖИТОВ, аспирант кафедры «Управление качеством и технология строительного производства», Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Ключевые слова: силикатные краски, золь кремниевой кислоты, полисиликатные растворы, адгезия, шероховатость поверхности
Keywords: silicate paints, silicon acid sol, polysilicate solutions, adhesion, surface roughness
Анализ научно-технической литературы убедительно свидетельствует о перспективности нанотехнологии для повышения качества строительных материалов [1-3]. Так, в работах [4, 5, 6] отмечается, что формование материалов из растворов с использованием золь-гель процессов получило интенсивное развитие в технологии керамики и неорганических композитов. О перспективности применения золя кремниевой кислоты в строительных материалах различного функционального назначения свидетельствуют также работы [7]. Золь кремниевой кислоты находит применение и при получении полисиликатных растворов, которые являются пленкообразователями для силикатных красок [8].
Нами разработан состав золь-силикатной краски на основе полисиликатных растворов, полученных путем взаимодействия стабилизированных растворов коллоидного кремнезема (золей) с водными растворами щелочных силикатов (жидкими стеклами) [9, 10, 11]. Применяли золь кремниевой кислоты Nanosil 20 и Nanosil 30, выпускаемые ПК «Промстеклоцентр». Применяли калиевое жидкое стекло с модулем М=3,29. При разработке рецептуры силикатных красок на основе полисиликатных растворов в качестве наполнителя использовали 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).
Установлено, что пленки на основе полисиликатных растворов обладают более высокой прочностью при растяжении по сравнению с пленками на основе жидких стекол. При содержании в калиевом полисиликатном растворе золя кремниевой кислоты Nanosil 20 в количестве 15% пленки на его основе обладают прочностью при растяжении, составляющей 1,1345 МПа, в то время как прочность при растяжении пленок на основе калиевого жидкого стекла равна 0,392 МПа. Для пленок на основе жидкого стекла характерен хрупкий характер разрушения, а на основе полисиликатного раствора – упруго-пластический.
Покрытия на основе полисиликатных растворов характеризуются более быстрым отверждением.
С целью улучшения розлива и предотвращения проседания пигментной части в лакокрасочный состав вводили добавку глицерина.
Материалы и методы
Изучали межфазное взаимодействие золь-силикатной краски с растворной подложкой и характер разлива на подложке (цементно-песчаный раствор). Методика определения розлива заключалась в нанесении пяти параллельных полос краски и определении степени растекаемости по числу слипшихся полос. Оценка степени растекаемости пяти параллельных полос проводилась по десятибальной шкале разлива.
Была рассчитана работа адгезии красочного состава с цементной подложкой в соответствии с термодинамическим уравнением Дюпре – Юнга:
, (1)
где Wa – работа адгезии;
σ – поверхностное натяжение красочного состава;
θ – равновесный краевой угол смачивания.
Поверхностное натяжение красочного состава определяли сталагмометрическим методом. Работа смачивания выражалась соотношением:
, (2)
смачивание характеризовали коэффициентом смачивания S и определяли отношением работы адгезии к работе когезии (относительная адгезия):
, (3)
качество внешнего вида покрытий оценивали по показателю шероховатости поверхности Rа.
Результаты исследования
Установлено, что введение добавки глицерина в состав золь-силикатной краски способствует снижению вязкости красочного состава (рис. 1). Определено оптимальное количество добавки глицерина, составляющее 10% от массы жидкого стекла.
Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 1, свидетельствует о более высоком значении работы адгезии краски на основе полисиликатных растворов с добавкой глицерина, что свидетельствует о более сильном взаимодействии краски и цементной подложки. Работа смачивания красок на основе полисиликатного раствора выше, что свидетельствует о лучшем смачивании краски поверхности цементной подложки. Так, работа смачивания золь-силикатной краски на основе калиевого полисиликатного раствора составляет 25,63 мН/м, а при введении в рецептуру глицерина – 41,95 мН/м.
Таблица 1. Межфазная энергия поверхности «золь-силикатная краска – подложка»
| Краска на основе | Поверхностное натяжение, мН/м | Угол смачивания, град. | Работа адгезии, мН/м | Работа когезии, мН/м | Межфазная энергия поверхности, мН/м |
| Полисиликатного раствора | 60,66 | 65 | 86,29 | 121,32 | 46,88 |
| Полисиликатного раствора с добавлением глицерина | 66,18 | 50,66 | 108,132 | 132,36 | 30,558 |
Анализ данных, приведенных в табл. 1, свидетельствует, что введение глицерина в рецептуру способствует снижению межфазного поверхностного натяжения и, как результат, – лучшему смачиванию поверхности растворной подложки. Наблюдается увеличение коэффициента смачивания с 0,711 до 0,816 (табл. 2).
Однако при проведении исследований не удалось зафиксировать разницу в значениях прочности сцепления краски с подложной, определяемой методом отрыва шайб, т. к. отрыв покрытия происходил по растворной подложке.
Таблица 2. Работа смачивания золь силикатной краски подложки
| Краска на основе | Коэффициент смачивания | Работа смачивания, мН/м |
| Полисиликатного раствора | 0,711 | 25,63 |
| Полисиликатного раствора с добавлением глицерина | 0,816 | 41,95 |
Для оценки поровой структуры покрытий применяли метод островов среза. Для реализации данного метода использовали программный комплекс (ПК) «Идентификация и анализ пористости строительных материалов», позволяющий определять суммарную площадь пор исследуемого композита, а также распределение пор по размерам [12]. Установлено, что поровая структура покрытий на основе силикатной краски представлена в основном порами размером до 100 мкм. Количество пор на 1 см2 поверхности покрытия на основе золь-силикатной краски составляет 90 шт., а при введении глицерина – 78. Фрактальная размерность поровой структуры покрытия на основе данной краски равна 2,1343, а покрытия на основе той же краски, но с добавкой глицерина – 2,093.
Было установлено, что введение глицерина в рецептуру краски улучшает разлив краски и способствует повышению качества внешнего вида покрытий. Так, время разлива золь-силикатной краски на растворной подложке составляет 7 мин. 20 сек., а при введении глицерина – 6 мин. 15 сек. Уменьшается шероховатость поверхности покрытия. Шероховатость поверхности покрытия на основе золь-силикатной краски – Rа=9,125 мкм, а с добавкой глицерина – 6,207 мкм (рис. 2).
Рис. 2. Шероховатость поверхности силикатных покрытий на основе:
а – золь-силикатной краски; б – золь-силикатной краски с добавкой глицерина
Качество внешнего вида поверхности покрытий, образуемой золь-силикатной краской, – в соответствии с ГОСТ 9.032-74** «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Группы, технические требования и обозначения» оценивается IV классом, с применением в рецептуре глицерина – также IV классом.
Таким образом, введение добавки глицерина в рецептуру золь-силикатной краски способствует повышению качества покрытий и срока их службы.
Библиографический список
1. Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла. – Л.: Стройиздат, 1991, – 76 с.
2. Климанова E.А., Барщевский Ю.А., Жилкин И.Я. Силикатные краски, – М.: Стройиздат, 1968, – 86 с.
3. Агафонов Г.И., Безгузикова И.А., Ицко Э.Ф. Силикатные лакокрасочные материалы. – М.: НИИТЭхим, 1989, – 44 с.
4. Greenwood P. Modified silica sols: titania dispersants and co-binders for silicate paints. PIGMENT&RESINTECHNOLOGY. 2010. Том 39. Выпуск 6. С. 315-321. DOI: 10.1108/03699421011085803.
5. 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.
6. Королев Е.В. Проблемы и перспективы нанотехнологии в строительстве//Известия КазГАСУ, № 2 (16), 2011, с. 200-208.
7. Логанина В.И., Давыдова О.А. Известковые отделочные составы на основе золь-гель технологии//Строительные материалы, №3, 2009, с. 50-51.
8. Айлер P. Химия кремнезема. В 2 т. – М.: Мир, 1982.
9. Логанина В.И., Кислицына С.Н., Мажитов Е.Б. Разработка рецептуры золь-силикатной краски// Региональная архитектура и строительство, №3, 2017, с. 51-53.
10. Логанина В.И., Кислицина С.Н., Мажитов Е.Б. Длительная прочность покрытий на основе золь-силикатной краски // Вестник МГСУ.2018. Том 13, выпуск 7, с. 877-884.
11. Логанина В.И., Кислицына С.Н., Мажитов Е.Б.. Свойства жидкого стекла с добавкой золя кремниевой кислоты // Известия вузов. Строительство, №8, 2017, с. 74-79.
12. Селяев В.П., Низина Т.А., Ланкина Ю.А. Фрактальный анализ структуры наполненных полимерных композитов // Известия вузов. Строительство, №4, 2007, с. 43-48.
