Лакокрасочные материалы. Масляные и эмульсионные краски представляют собой сложные многокомпонентные системы, к которым предъявляются требования, оговоренные в ГОСТ, ТУ или других международных стандартах.
Многие краски получают в бисерных мельницах. Компоненты загружают вместе с шариками одновременно и перемешивают до нескольких часов в зависимости от вида компонентов и величины загрузки. После остановки готовую краску насосом перекачивают в тару.
Эти способ имеет ряд недостатков:
1. Низкая производительность;
2. Высокая материалоемкость оборудования;
3. Высокая энергоемкость (20-100 кВт).
Применение аппаратов вихревого слоя АВС-100 или АВС-150 значительно изменит всю технологию производства красок. Испытания показали, что производительность аппаратов вихревого слоя АВС-100 или АВС-150 вполне обеспечивает получение 0,8-1,0 т/час краски и более, что во много превышает производительность бисерных мельниц.
Масляные краски, полученные с применением аппаратов вихревого слоя АВС-100 или АВС-150, имеют более яркие и сочные цвета. По основным показателям: перетиру, укрывистости и др. краска, полученная с применением аппаратов вихревого слоя АВС-100 или АВС-150, полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ, ТУ или других международных стандартах.
Водоэмульсионные краски получают по такой же технологии, как и масляные.
В аппаратах вихревого слоя АВС очень удобно и без потерь можно проводить разбавление красок растворителями, лаками и др. В этом случае гарантируется равномерность по составу, отсутствие вздутий или неравномерностей по цвету. Удается также восстановить старые краски и значительно повысить качество готовой краски.
НА ПРОСТОРАХ ИНТЕРНЕТА БЫЛА ОБНАРУЖЕНА НИЖЕ ПРИВЕДЕННАЯ СТАТЬЯ, ПУБЛИКАЦИЯ
Модификация лакокрасочных материалов под действием магнитного поля
Интерес к воздействию магнитных полей на человека и окружающую среду возник сразу же после открытия явления. Древние приписывали магниту много чудесных свойств. Считалось, что истолченный в порошок «магнитный камень» хорош как слабительное средство, излечивает от водянки и безумия, останавливает любое кровотечение и выделения из носа, ушей и даже рассасывает раковые опухоли, а принимаемый в определенных дозах гарантирует бессмертие. Правда, рекомендации часто бывали противоречивы.
Например, одни лекари считали, что магнит – сильный яд, другие же предлагали его использовать как противоядие. Между прочим, некоторые современные японские фирмы, выпускающие магнитные браслеты, рекламируют их по примеру древних, приписывая своим изделиям массу изумительных качеств: от способности сохранять красоту до излечивания гипертонии, бронхиальной астмы и невралгии.
Проверка, проведенная различными лечебными учреждениями, показала, что при ношении магнитных браслетов субъективно самочувствие больного улучшается (скорее всего, срабатывает психотерапевтический эффект), тогда как объективные показатели практически не меняются, скажем, кровяное давление остается на том же уровне.
Магнитное поле влияет на живые организмы и растения. Эксперименты на мышах показали, что внешнее магнитное поле задерживает их развитие, замедляет рост клеток, изменяет состав крови. Сильное неоднородное магнитное поле – десять килоэрстед и больше даже способно убить молодые особи. Всхожесть и рост семян зависят от того, как первоначально они были ориентированы относительно магнитного поля Земли. Изменение внешнего магнитного поля может или ускорять или угнетать развитие растений /1/.
Магнитные явления интересуют сейчас специалистов различных профессий: врачей, биологов, геологов, физиков, химиков. В XX веке появилась развивающаяся область химии – магнетохимия, которая связана с изучением магнитных свойств молекулярных систем: неорганических, органических, высокомолекулярных соединений. Рассматриваются магнитные свойства веществ и экспериментальные методы их изучения. Устанавливается связь между магнитной восприимчивостью и электронным строением веществ /2/.
Все вещества по отношению к магнитному полю можно разделить на три большие группы: диа-, пара- и ферромагнетики. Последние характеризуются способностью к самопроизвольной намагниченности, причём относительная магнитная восприимчивость (коэффициент пропорциональности между намагниченностью вещества и напряжённостью внешнего магнитного поля) достигает значения около 105.
По природе магнетизма выделяют две группы - собственно ферромагнетики и антиферромагнетики. Ферромагнетики характеризуются однонаправленным упорядоченным расположением магнитных моментов не спаренных электронов, принадлежащих взаимодействующим атомам, а антиферромагнетики имеют две или более магнитные подрешётки, каждая из которых образована ионами, занимающими одни и те же кристаллографические позиции.
Широко распространёнными антиферрромагнетиками являются ферриты. У наиболее типичных ферритов со структурой шпинели ионы в тетраэдрических и окаэдрических узлах образуют отдельные подрешётки, а суммарный магнитный момент равен разности магнитных моментов этих подрешёток. Ферриты, как и магнитные сплавы, имеют доменную структуру, высокую магнитную проницаемость и типичную гистерезисную кривую намагничивания. Вместе с тем в отличие от магнитных сплавов ферритам, как правило, свойственно высокое электрическое со-противление и, как следствие, малые потери энергии при перемагничивании, что делает их незаменимыми в технике высоких и сверхвысоких частот /3,4/
Магнитные краски - это сложные коллоидные растворы ферромагнетиков. В зависимости от технологии приготовления они могут изменять свои характеристики (вязкость, намагниченность, способность к испарению) в очень широких пределах. Коллоидные частицы, присутствующие в растворе имеют очень малые размеры (сотые доли микрона) и могут, поэтому свободно проникать практически в любой пористый материал. От других мелкодисперсных ферромагнетиков магнитные краски отличаются не только малыми размерами частиц, но и специфическим откликом на внешнее магнитное поле.
Модификация лакокрасочных материалов путем совместного влияния магнитного поля и механической обработки позволяет улучшать физико-механические свойства ЛКМ и расширяет возможности их подбора для различных условий эксплуатации /5,6,7/.
Для приготовления ЛКМ в лакокрасочной промышленности используются в основном три типа диспергирующего оборудования: бисерные, шаровые и валковые мельницы. Каждый имеет свою сравнительно узкую область применения, характеризуется невысокой производительностью, большими затратами энергии, сложностью в обслуживании и ремонте. Получить требуемую дисперсность, например для грунтовок ГФ-021, ФЛ-03К, чрезвычайно трудно.
Специалистами Ярфилиала ГИПИ ЛКП в 1982г. разработан новый эффективный аппарат для диспергирования. Аппарат состоит из цилиндрической рабочей камеры объемом 50 л, выполненной из коррозионно-стойкой стали Х18Н10Т и заполненной рабочими элементами (мелющими телами), в качестве которых используются сферические магниты из оксидной керамики на основе гексаферрита бария. Диаметр мелющих тел 1,5-5 мм. Рабочую камеру охватывает электрическая обмотка, выполненная из двенадцати отдельных секций. Каждая секция намотана на каркас из стеклотекстолита и снабжена защитным металлическим кожухом.
Пространство между защитным кожухом и секцией электрической обмотки залито эпоксидным компаундом. Индуктор с рабочей камерой связан рамой, образованной верхним и нижней опорными плитами из стеклотекстолита и стойками. Выходы секций электрической обмотки осуществлены через патрубки с фланцами, при помощи которых секции крепятся к одной из стоек. Электрическая коммутация осуществляется внутри этой стойки. Рама с индуктором и рабочей камерой помещена на основании на неподвижных цилиндрических опорах. Рабочая камера имеет контур водяного охлаждения, выполненная в виде змеевика с бифилярной намоткой. На входе в рабочую камеру установлен шаровой обратный клапан. Крышка рабочей камеры имеет люк для загрузки мелющих тел.
Процесс диспергирования в ЭМИ осуществляется следующим образом. При включении индуктора в сеть переменного тока в объеме рабочей камеры создается переменное магнитное поле, воздействующее на каждый рабочий элемент. При определенных значениях параметров магнитного поля каждый рабочий элемент будет вращаться с частотой, равной частоте создаваемого индуктором поля. В рабочей камере пленкообразующий лакокрасочный материал подвергается воздействию рабочих элементов, интенсивно движущихся по сложным (из-за взаимных соударений) траекториям, диспергируется и сливается через выходной патрубок. По своей эффективности один аппарат заменяет четыре шаровые мельницы объемом 4 м3 каждая и более чем в 3 раза уменьшает энергозатраты /8/.
Использование энергии электромагнитных полей является одним из способов повышения эффективности различных химико-технологических процессов /14/.
В отличие от применяемой химической аппаратуры с мешалками аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц образуют следующие процессы:
- перемешивание жидкостей и газов;
- перемешивание твердых сыпучих материалов;
- сухое измельчение твердых веществ;
- измельчение твердых веществ в жидких дисперсионных средах;
- активация поверхности частиц твердых веществ;
- осуществление химических реакций;
- изменение физических и химических свойств вещества.
Свойства вихревого слоя ферромагнитных частиц могут быть использованы для самых разнообразных целей. Только способность к диспергированию веществ проверена на десятках процессов и дала положительный эффект. Разработан способ размола твердых веществ в вихревом слое, при котором сокращается расход электроэнергии /5/. Создан активатор для тонкого измельчения материалов нового типа /15/. Принцип действия активатора основан на нетрадиционном способе передачи механической энергии слою размольных элементов с использованием стационарного магнитного поля постоянного тока. Диспергирующее усилие формируется в процессе образования силового взаимодействия между рабочими органами аппарата под действием электромагнитных и механических сил. При прохождении через элементы устройства магнитного потока размольные тела организуются в различные структурные построения и создают слой, сцепляющий поверхности, ограничивающие объем обработки продукта. При относительном смещении поверхностей структурные построения разрушаются, и мелющим телам сообщается кинетическая энергия движения в рабочем объеме аппарата. Процесс целенаправленной переориентации размольных элементов в структурных группах сопровождается созданием многоточечных контактных взаимодействий между этими элементами и частицами обрабатываемого продукта. Силовое воздействие проявляется как в виде усилий сжатия, так и ударно-истирающих нагрузок. Способ формирования диспергирующих нагрузок обеспечивает энергонапряженный характер диспергирующих сил, легко подлежит автоматизации, требует малых затрат мощности, что соответствует современным требованиям организации процесса измельчения материалов различного целевого назначения.
Интенсивное диспергирование твердой фазы с одновременной активацией частиц может быть использована в производстве лаков и красок. Железоокисные пигменты, например, в АВС в любом пленкообразующем веществе диспергируются до размеров менее 20 мкм в течение 15-60 с, тогда как в шаровых мельницах время помола составляет несколько часов. В процессе измельчения пигментов идет одновременно и измельчение с поверхности самих ферромагнитных частиц. Для белых и светлых красок это неприменимо. Однако для красок разных цветов добавка металла не только не ухудшает свойств, но зачастую даже значительно их улучшает /16/. Были опробованы аппараты на процесс получения водоэмульсионных красок, в состав которых входят мел, тальк, двуокись титана, ультрамарин. Опыты показали, что краска удовлетворительного качества может быть получена в течение 1 – 2 минут.
Для физической активации ЛКМ может быть использован аппарат вихревого слоя (АВС), в котором под влиянием электромагнитного поля и механического воздействия стальных иголок достигается высокая степень гомогенизации смеси и создаются условия для равномерного распределения частиц пигмента в объеме краски /5/.
Принцип работы, заложенной в АВС, основан на одновременном воздействии на обрабатываемые вещества вращающегося электромагнитного поля промышленной частицы, высокой мощности и механического воздействия рабочих тел (иголок), находящихся в обрабатываемых веществах и вращающихся под воздействием этого поля. В рабочей зоне, в единице ее объема сконцентрирована огромная энергия, непосредственно воздействующая на вещество. Под действием поля и рабочих тел любые вещества в рабочей зоне установки очень быстро перемешиваются, измельчаются и приобретают высокую химическую активность (ионизируются). Под влиянием этой энергии происходят глубокие изменения в строении веществ и активация взаимодействующих компонентов независимо от того, в каком виде они находятся: газообразном, жидком или твердом.
Повышение качества, надежности и долговечности ЛКМ может быть достигнуто воздействием электромагнитных полей /9/.
Авторами статьи /9/ были проведены исследования лакокрасочных материалов: алкидной эмали, кремнийорганической эмали и эпоксидной грунтовки. Испытания проводилась при комнатной температуре в течение 30 с в капсуле со стальными иголками. Переменное электромагнитное поле создавалось аппаратом В-150К-04 /10/. В ходе исследований определялись физико-механические показатели до и после проведения электромагнитной обработки в АВС за время экспозиции в нем образцов с нанесенными ЛКМ.
Проведенные исследования показали, что электромагнитная обработка в аппарате вихревого слоя позволяет улучшить физико-механические показатели лакокрасочных материалов. Максимальный эффект достигнут при использовании кремнийорганической эмали.
В ряде статей описаны эксперименты по воздействию магнитного поля на полимеры. В статье /11/ описывается влияние энергетически очень слабых воздействий магнитной обработки (не влияющих непосредственно на решетчатую структуру твердого тела) на микротвердость полимеров. Исследуемые образцы представляли собой прозрачные пленки, толщиной 80-100 мкм, подвергнутые сдвиговым деформациям под высоким давлением или полученные горячим прессованием. Магнитная обработка заключалась в том, что над поверхностью свежеизготовленных исследуемых полимерных пленок на расстоянии 0,5-1 мм 5-6 раз проводили самарий-кобальтовым магнитом. Авторы приводят графики экспериментальных данных, показывающих значительное изменение микротвердости в приповерхностном слое испытанных образцов.
В работе /12/ рассматривается влияние магнитного поля на упругие и вязкие свойства магнио¬эластиков. Обнаружено, что магнитное поле, в котором находится магнитоэластик, сильно влияет на его упругие и вязкие характеристики, увеличивая эффективную вязкость и модуль Юнга. Другим рассматриваемым в работе объектом являются полимерные пористые структуры, гидрогели и полимерные волокна, модифицированные частицами магнитных жидкостей. Процесс проникновения магнитных частиц магнитной жидкостью в гидрогели и поли¬мерные губки рассматривался как в магнитном поле, так и без него. Обнаружено, что внеш¬нее градиентное магнитное поле увеличивает глубину проникновения магнитной жидкости в гидрогель. В работе также были рассмотрены условия приготовления, и магнитные свойства новых магнитоуправляемых высокоэластичных материалов, сделана оценка толщины магнитного покрытия. Показано, что толщина магнитного покрытия зависит от концентрации магнитной жидкости, рН среды, поверхностного заряда и способа предварительной обработки. Изобретен магнитоуправляемый эластичный композиционный материал на основе каучука, содержащий магнитный наполнитель, пластификатор и сшивающий агент, который под действием магнитного поля изменяет свои размеры и формы и полностью восстанавливает их при выключении /13/.
В работах /17-22/ описаны способы магнитной обработки воды, которые ускоряют процесс твердения и повышают прочность бетона и других строительных материалов. В лаборатории Дальневосточного политехнического университета получены очень интересные результаты о влиянии магнитного поля на растворение, смачивание, кипение, адсорбцию, коагуляцию и другие активные свойства воды, что, в конечном счете, сказывается на химических реакциях в очень многих технологических процессах. Эти явления полностью относятся к реакциям гидратации и гидролиза вяжущих веществ.
В работах /22-26/ описаны технологии получения строительных материалов повышенной активности путем активации их в магнитном поле. Обработка осуществляется последовательно в магнитных полях, вращающихся в противоположные стороны. При этом достигается совмещение интенсивного перемешивания, диспергирования, магнитного и вибрационного воздействия на смеси при незначительных удельных энергозатратах. По результатам испытаний определено, что в результате воздействия магнитного поля повышается плотность и механическая прочность строительных изделий, пластичность, морозостойкость, снижается водоотдача и газопроницаемость растворов и бетонов.
Большой интерес представляют работы /27-/ по получению композиционных материалов и их составляющих (пигментов и связующих), обладающих магнитными свойствами. Преимущества составов, описанных в этих работах: упрощенность технологии приготовления, высокая коррозионная стойкость, высокая стабильность магнитных свойств, высококачественные защитные и декоративные свойства покрытий.
Типографская краска для защиты ценных бумаг от подделки, включает пигмент, с защитными свойствами, отличается тем, что она содержит в качества пигмента ультрадисперсный ферромагнитный порошок оксида железа с размерами частиц 0,005-0,5 мкм в количестве до 60% от веса краски /27/.
Предложены капсулированные магнитные частицы для полиграфических красок. Капсулированные частицы включают частицы, имеющие покрытие на своей поверхности, образованные из иономера или масла, тиксотропного агента и/или связующей смолы. Метод получения таких частиц исключает органические растворители и удешевляет процесс диспергирования капсулированных окрашивающих пигментов или сажи в требуемом связующем веществе /28/.
Описан способ получения дешевого магнитного пигмента, на основе магнитопроницаемого технического углерода с размерами агрегатов 0,2-0,3 мкм и размерами частиц в агрегате 18-22 нм, покрытых пленкой магнетита, полученного путем разложения водной эмульсии гидроокиси железа /29/.
В работе /30/ описан способ получения магнитного дисперсного материала, предназначенного для использования в качестве наполнителя, придающего материалам электропроводность, магнитные и радиоэкранирующие свойства. Способ предусматривает использование в качестве исходного железографитового материала отходов плавильного производства. Обработка этих отходов предусматривает разделение компонентов и последующее смешивание в заданном соотношении. Способ позволяет получать продукты, обладающими высокими свойствами электропроводности, коррозионной стойкости стабильностью магнитных свойств.
В работе /31/ описывается способ получения, применения полимерных пленкообразующих полимеров на основе блокированных полиизоцианатов, в качестве компонента защитных и декоративных покрытий. Преимущества данного метода: низкая токсичность композиций, одностадийность процесса, получение высококачественных защитных и декоративных покрытий.
Известен ферромагнитный клей, содержащий эпоксидную диановую смолу, отвердитель (триэтаноламин), дибутилфталат и карбонильное железо /32/. Однако ввиду того, что частицы входящего в его состав наполнителя (карбонильного железа) имеют достаточно большой размер (около 3-4 мкм), данный клей имеет недостаточную магнитную проницаемость и не удовлетворяет повышенным требованиям к материалам такого назначения.
Известна ферромагнитная краска, содержащая олифу или лак на основе синтетического полимера (30-40 мас.%) и керамическое карбонильное железо или феррит помола от 30 до 80 мкм (60-70 мас.%) /33/. Ферромагнитная краска предназначена только для покрытия ученических досок. Краска создает более гладкую поверхность контрастирующего с мелом цвета и обладает магнитными свойствами, необходимыми для фиксирования бумажных листов (рисунков, плакатов, чертежей) посредством удерживающих миниатюрных постоянных магнитов. Стоимость такой доски на 50 – 80 % ниже стоимости доски с покрытием из линолеума и в 10 – 20 раз ниже стоимости стеклянной ученической доски.
Известен клеящий компаунд специального назначения, применяемый, в частности, в тепло- и электронной технике при изготовлении пленочных микросхем, содержащий эпоксидную смолу диановую (20-60 мас.%), канифоль (13-45 мас.%) и остальное - порошкообразный теплопроводный наполнитель (медь, вольфрам, алюминий, окись бериллия, окись алюминия) с размером частиц 0,2-35 мкм /34/. Однако данный клеящий компаунд хотя и имеет хорошую теплопроводность и электропроводность, не обладает всем необходимым комплексом магнитных свойств, определяющих возможность его использования в качестве магнитных материалов широкого назначения.
Известен способ склеивания ферромагнитных пластин (при изготовлении магнитопроводов) с помощью различных клеев (фенольно-поливинил-ацетатные, эпоксидные), при котором после нанесения клея на склеиваемые поверхности осуществляют последующую обработку в постоянном магнитном поле 1100-1350 Э /35/. Однако этот способ технологически сложен и имеет ограниченное назначение.
Известен адгезив, поглощающий микроволновое излучение, содержащий рассеивающие частицы с размером 0,1-150 мкм (в виде волокон, чешуек и т.д.), диспергированные в полимерном диэлектрическом материале, например термореактивном или термопластичном адгезиве (полиамидном, этилен-винилацетатном). В качестве рассеивающих частиц адгезив содержит материал, выбранный из группы, включающей в себя хром, алюминий, медь, титан, нитрид титана, железо, никель, углерод, магнитные металлические волокна /36/. Адгезив поглощает излучение 0,252 ккал при частоте ~2-20 ГГц.
В работе /37/ описана технология получения различных адгезивных композиций (клеев, компаундов, герметиков), обладающих магнитными свойствами и способных поглощать электромагнитное излучение. Адгезивная полимерная композиция с магнитными свойствами, включающая полимерное связующее (эпоксидная смола, фенолоформальдегидная смола, кремнийорганическая смола, перхлорвиниловая смола, бутадиеннитрильный каучук, акриловая смола), частицы магнитного материала размером 1-1000 нм, стабилизированные поверхностно-активным веществом и целевые добавки (пигмент и/или пластификатор дибутилфталат или диоктилфталат) и технический углерод с размером частиц 0,2-0,3 мкм, обладает стабильностью при хранении, хорошими адгезионными свойствами к различным поверхностям (металл, стекло, керамика, бетон, пластмассы), повышенными магнитными характеристиками. Полученный на ее основе магнитный материал может обеспечивать коэффициент поглощения электромагнитного поля не менее 30 дБ в диапазоне частот 100 кГц - 2 ГГц.
Разработана водоразбавляемая магнитная краска для внутренних работ по бетонным, зашпатлеванным, гипсовым, древесностружечным поверхностям. Благодаря особым свойствам краски, магнитная крошка схватывается с окрашенной поверхностью и она приобретает магнитные свойства. Для прикрепления записок небольшим магнитом можно использовать окрашенную поверхность. Сама по себе магнитная краска черного цвета, но нанеся ее на стену, можно сверху покрыть обычной краской любого цвета. Краска безопасна для детей (не содержит свинца). Магнетик представляет собой матовую водоразбавляемую краску специального применения для внутренних работ. Благодаря своим особым свойствам Магнетик не только защищает поверхность, но также отлично притягивает магниты к окрашенной поверхности. Таким образом, окрашенная поверхность превращается в информационное табло, для установления которого не нужны ни гвозди, ни булавки, ни клеи. продукции марки Тиккурила (Финляндия)
Проведеный патентный поиск по воздействию магнитного поля на лакокрасочные материалы показал, что лакокрасочные материалы обладает стабильностью при хранении, хорошими адгезивными свойствами к различным поверхностям (металл, стекло, керамика, бетон, пластмассы), повышенными магнитными характеристиками.
Так как наша лаборатория занимается разработкой рецептур и технологий производства лакокрасочных материалов проблема обработки ЛКМ путем активации их в магнитном поле, в зону действия которого помещены ферромагнитные тела, заинтересовала и нас. В качестве ферромагнитных тел предполагается использовать отрезки стальной проволоки длиной 10 – 15 мм и диаметром 1 мм. Эти тела будут вращаться в зоне действия магнитного поля. При действии магнитного поля на лакокрасочный материал он подвергается интенсивному перемешиванию и диспергирующему действию от ферромагнитных тел, которые вращаются и вибрируют.
Планируется исследовать следующие лакокрасочные материалы: фасадные краски, краски и эмали для внутренних и наружных работ, эмали специального назначения.
В ходе исследований предполагается определить физико-механические показатели до и после проведения обработки в магнитном поле: вязкость, степень перетира, время высыхания покрытий, адгезию, укрывистость покрытий, твердость пленок, блеск.
Намечаются расширенные испытания в условиях умеренного климата с определением срока службы покрытий магнитных красок.
Считаем, что работа решит проблему создания долговечных и лакокрасочных материалов и расширит возможность их подбора для различных условий эксплуатаци
