Производство эмали ПФ-115

Введение

В настоящее время лакокрасочные покрытия — основное средство защиты и отделки объектов, предметов и изделий разного назначения. На их долю приходится около 80 процентов противокоррозионной защиты изделий машиностроения, свыше 90 процентов поверхности зданий и строительных конструкций, подвергающихся окрашиванию. Нанесением лакокрасочных покрытий заканчивается процесс производства изделий мебельной, кожевенной, обувной, автомобильной, полиграфической промышленности, многих резиновых изделий.

Велика роль лакокрасочных покрытий как основного средства электроизоляции, герметизации, защиты от излучения, декоративной отделки в электротехнической и электронной промышленности, при производстве космических кораблей и летательных аппаратов.

С развитием потребляющих отраслей промышленности все более возрастают требования к лакокрасочным покрытиям. Сейчас уже нельзяговорить об универсальных покрытиях, как это было несколько десятилетий назад. Все более существенной становится роль покрытий целевого назначения: химически-, термо-, морозо-, огнеи радиационно-стойких, антифрикционных, антиадгезионных, оптически прозрачных и многих других.

Такие покрытия необходимы для борьбы с кавитацией, обледенением, грязеудержанием, обрастанием в морских условиях микроорганизмами, для целей звукоизоляции, светомаскировки и создания источников света, решения ряда санитарно-гигиенических задач.

В связи с этим лакокрасочная промышленность выпускает обширный ассортимент лакокрасочных материалов: лаки, эмали, краски, грунтовки, шпатлевки, различные вспомогательные материалы, которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности, в строительстве, на транспорте, в быту. В последние годы ассортимент лакокрасочных материалов значительно расширился.

В связи с неблагоприятной экологической ситуацией все большее значение приобретают водно-дисперсионные лакокрасочные материалы (ВД-ЛКМ), производство и применение которых не связано с использованием токсичных и пожароопасных органических веществ.

К их основным преимуществам относятся низкая токсичность, быстрое высыхание, возможность окрашивать влажные поверхности и проводить окрасочные работы при повышенной влажности воздуха.

Применение таких материалов позволяет исключить использование токсичных и пожароопасных растворителей, которые при отвержении ЛКМ безвозвратно испаряются в атмосферу. Кроме того, в промышленности при работе с этими материалами снижаются требования к охране труда, пожарои взрывоопасность окрасочных работ, не требуется применение оборудования для производства и нанесения во взрывозащитном исполнении. Таким образом, использование ВД-ЛКМ приводит кэкономии на себестоимости безвозвратно теряемых растворителей, вентиляции и мероприятиях по технике безопасности, позволяет сделать процесс окрашивания безвредным и пожаробезопасным.

В последнее время ВД-ЛКМ широко применяют в строительстве для наружной и внутренней отделки. Такие материалы должны решать задачи не только декоративной отделки зданий и сооружений, но и защищать постройки от действия влаги, солнечного света, механических или химических повреждений. Наиболее распространены в этом отношении краски на основе поливинилацетата. Преимущество их обусловлено легкостью изготовления водной дисперсии полимера и относительной дешевизной мономера, а так же пригодностью поливинилацетатных красок, как для внутренних, так и для наружных покрытий.

1. Теоретическая часть

1.1 Выбор и обоснование способа производства

Лакокрасочные материалы представляют собой композиции, способные обеспечивать формирование на подложке (поверхности изделий) покрытий с заданным комплексом свойств. Возможность формирования слоя покрытия определяется пленкообразующим веществом, которое является основой любого лакокрасочного материала. Пленкообразующие вещества — высокомолекулярные синтетические или природные вещества, а также их смеси, способные вместе с другими компонентами лакокрасочного материала при нанесении тонким слоем формировать покрытия, способные выполнять защитные и специальные функции. Для обеспечения данных функций пленкообразователь должен обладать следующими свойствами:

1) достаточной химической инертностью после его превращения в адгезированное покрытие;

2) низкой проницаемостью для внешней среды;

3) высокой адгезией;

4) комплексом физико-механических показателей (прочность, твердость, гибкость и др.),

Свойства пигментированных лакокрасочных материалов и покрытий на их основе определяют природой и соотношением компонентов, применяемых для их изготовления. Однако, поскольку в изготовлении ПЛКМ участвуют главным образом не самопроизвольные процессы, такие как диспергирование, свойства ПЛКМ в значительной степени зависят не только от рецептуры, но и от выбора способа производства /1/. В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам красок и эмалей, качества используемого сырья, масштаба производства и его технического уровня применяют периодический мелкосерийный или непрерывный поточный способы производства. Различают три следующих способа введения пигментов в пленкообразующие системы /2/.

1. Однопигментный способ, при котором с пленкообразующей системой или частью ее смешивают и диспергируют только один пигмент или пигмент с наполнителем. В этом случае, в зависимости от индивидуальных свойств пигмента можно подобрать оптимальные физико-химические и гидродинамические условия для его диспергирования, т. е. удается подобрать оптимальный вид и режим работы аппарата, что в 2…3 раза повышает производительность оборудования и улучшает дисперсность однопигментной пасты. При поточном производстве устраняются потери и простои на зачистку, и промывку оборудования, неизбежные при переходе с одного вида или цвета красок к другому. Белые однопигментные пасты являются базовыми для изготовления серии однотипных белых и цветных красок добавлением в них недостающего количества пленкообразователей и цветных (колеровочных) паст, изготовляемых отдельно также по однопигментной технологии.

2. Многопигментый способ, при котором все входящие в состав композиции пигменты и наполнители одновременно смешивают с пленкообразующей системой или ее частью, например, в шаровых мельницах, и подвергают диспергированию, которое может продолжаться сутки и более, требуют большой затраты энергии и не позволяет получить дисперсность выше 5 мкм.

3. На практике часто используют комбинированный способ введения пигментов. Базовые однопигментные пасты изготовляют непрерывным поточным способом. Колеровочные цветные и черные пасты и другие полуфабрикаты изготовляют малыми сериями на периодически работающем оборудовании, наиболее эффективном для данных пигментов (шнековые смесители, аттриторы и др.). Полученные колеровочные пасты совмещают с базовыми красками на последней стадии производства или непосредственно у потребителей.

1.2 Теоретические основы технологических процессов

1.2.1 Преддиспергирование

Операцией преддиспергирования или приготовления замеса пигментной суспензии называют механическое смешивание и смачивание сухих пигментов и наполнителей лаками, олифами, растворителями, растворами ПАВ и другими жидкими компонентами, предусмотренными рецептурой, или частью их.

При этом получают пигментную суспензию, в которой произошли процессы смачивания и предварительная дезагрегация пигментов, что облегчает их дальнейшее диспергирование. Смачивание поверхности пигментных частиц является первой фазой формирования адсорбционного контакта между пигментом и компонентами пленкообразователя. Обладая некоторым запасом свободной энергии, пигмент всегда адсорбирует из воздуха различные газы и жидкости. При смачивании раствором связующего или дисперсионной средой, прежде всего, происходит вытеснение с поверхности пигмента этих веществ. Смачивающая способность определяется поверхностной активностью жидкой фазы и ее подвижностью. При одинаковой или близкой величине поверхностной активности (полярности) одного или нескольких компонентов жидкой фазы адсорбированные вещества с поверхности пигмента вытесняются наиболее подвижным (наименее вязким) компонентом (растворителем). Затем происходит вытеснение молекул растворителя более полярным компонентом (ПАВ, пленкообразователь). В конечном итоге на поверхности пигмента адсорбируются вещества, имеющие наибольшую разность дипольных моментов с молекулами пигмента. Многие пленкообразователи обладают собственной поверхностной активностью. В противном случае в пленкообразующую систему должны быть внесены поверхностно-активные вещества.

Полученная при преддиспергирование пигментная суспензия должна иметь оптимальные для переработки на диспергирующем оборудовании свойства.

В зависимости от концентрации пигментной суспензии выбирают тип оборудования.

Предварительное смешивание компонентов пигментных паст, диспергируемых на бисерных мельницах, производится в смесителях — дисольверах периодического действия, снабженных быстроходными дисковыми мешалками типа фреза (дискофрезными мешалками) /3/.

1.2.2 Диспергирование

Обязательным условием получения качественных пигментированных лакокрасочных материалов является равномерное распределение частиц твердой фазы в дисперсной среде. Необходимые эксплуатационные свойства покрытий, сформированных из пигментированных лакокрасочных материалов, достигаются при условии определенной степени дисперсности частиц пигмента и наполнителя.

Диспергирование пигментов в пленкообразующих веществах или растворах является наиболее энергоемкой и сложной стадией производства лакокрасочных материалов. На ее выполнение затрачивается 75−90% всех энергоресурсов, потребляемых при получении ПЛКМ /1/.

Целью диспергирования является разрушение агрегатов первичных частиц пигментов (дезагрегация) с замещением газовой адсорбционной оболочки на жидкую, достижением равномерного распределения первичных частиц в объеме пленкообразователя и предотвращения вторичных процессов флоккуляции (стабилизация).

Исходя из этого, процесс диспергирования пигментов включает две основные стадии, частично перекрывающие друг друга во времени:

1) разрушение агрегатов пигментных частиц (дезагрегация), разрушение надмолекулярных структур пленкообразователя, сопровождающееся адсорбционным блокированием ПОВ центров агрегатирования;

2) стабилизация пигментной дисперсии в результате возникновения плотных структурных оболочек из адсорбционных молекул пленкообразователя и поверхностно-активных веществ, специально вводимых при диспергировании.

Ребиндером было установлено, что оптимальным для диспергирования условиям отвечает максимальное понижение межфазной поверхностной энергии на границе раздела твердого тела с окружающей средой, которое при прочих равных условиях достигается использованием поверхностноактивных дисперсионных сред.

Согласно классическим представлениям о влиянии среды на механические свойства твердых тел, мономолекулярный слой ПАВ, адсорбировавшийся на поверхности твердого тела, уменьшает во много раз работу по преодолению молекулярных сил при образовании новой поверхности. Это обусловлено адсорбцией молекул или ионов ПАВ на поверхности клиновидных дефектов и микротрещин, возникающих при воздействии на твердые тела механических нагрузок/4/.

Адсорбционный слой раствора ПАВ, достигая устья микротрещины, образует жидкий клин (рис. 1.1), который приводит к возникновению расклинивающего давления Р_р, оно в свою очередь действует противоположно стягивающему давлению вогнутого мениска жидкости Р_л и значительно больше последнего.

Развитие микротрещин под влиянием расклинивающего действия адсорбционного слоя Наиболее эффективное действие ПАВ проявляется в результате расшатывания кристаллических структур по слабым местам — дефектам структуры. Это явление приводит к понижению упругости, прочности и твердости, благодаря чему увеличивается пластичность материала и облегчается диспергирование твердых тел. Оно получило название «адсорбционного понижения прочности» или «эффекта Ребиндера» /7/.

Рис. 1.1 Р_р— расклинивающее давление, Р_л— давление Лапласа (стягивающее давление вогнутого мениска).

Формирование адсорбционного слоя пленкообразователя на поверхности пигментных частиц — это сложный физико-механический процесс, зависящий от многих факторов. Основные из них — природа, структура и молекулярная масса пленкообразователя, концентрация раствора, природа растворителя.

Структура и свойства адсорбционного слоя на поверхности пигментных частиц определяется характером поверхности пигмента и адсорбционными свойствами пленкообразователя: они, как правило, не изменяются. Нижний слой связан в отдельных точках физико-химическим взаимодействием непосредственно с поверхностью пигмента, и, как правило, повторяет его надмолекулярную организацию, которую пленкообразователь имеет в растворе. Последующие слои закреплены связями в самомассоциате, но тоже испытывают ориентирующее действие пигмента. Расположенные в непосредственной близости от адсорбционного слоя молекулы тоже в определенной степени ориентированы действием пигментной частицы и образуют сольватную оболочку толщиной 0,1…10 мкм, препятствующую слипанию пигментных частиц.

Большое значение имеет плотность расположения и плотность адсорбционных центров, иначе говоря, структура силового поля твердой поверхности. Под влиянием силового поля может изменяться конформация адсорбированных молекул, нарушаться наиболее слабые внутримолекулярные связи, вследствие чего клубки могут развертываться и полимерные молекулы более плотно облегчать поверхность пигмента.

Пригодность среды к диспергированию в значительной мере зависит от свойств пигмента и определяется рядом условий, к которым в первую очередь относятся следующие:

1) вещества, образующие жидкую среду, должны содержать полярные группы с большим сродством к активным центрам поверхности пигментов;

2) молекулы пленкообразующего вещества должны иметь достаточно большие размеры (молекулярный вес в пределах 1000…3000) и линейное строение;

3) растворители должны хорошо сольватировать молекулы пленкообразующего вещества, разделять пачки и развертывать глобулы, приближая свойства растворов к ньютоновским жидкостям, но сам низкомолекулярный растворитель не должен хемосорбироваться на активных центрах поверхности пигментных частиц.

Если не выполняется первое условие, то смачивание и адсорбция будут незначительны и эффективное диспергирование становиться невозможным. При любой продолжительности диспергирования с приложением больших механических усилий частицы пигмента вновь будут объединяться в еще более крупные агрегаты, а затраченная механическая энергия превратиться в тепловую.

При соблюдении первого условия, но не соблюдении второго, т. е. при невозможности образования адсорбционных оболочек достаточной толщины, пигментная суспензия получается агрегативно неустойчивой. Полимерные молекулы со сравнительно высоким молекулярным весом (~ 4000), адсорбируясь частью полимерных звеньев на поверхности частиц, своими «хвостами» стерически блокируют доступ молекулам к пигментной поверхности. Небольшие молекулы жирных кислот и их глицеридов, легко проникают в пигментные агрегаты, смачивают их внутреннюю поверхность и оказывают расклинивающее действие.

Более активными являются относительно большие молекулы, находящиеся в растворе в развернутом виде. Молекулы, свернутые в клубки (глобулы) или связанные в пачки, не проникают в агрегаты и стерически препятствуют адсорбции на поверхности пигмента более активных малых молекул.

При самом совершенном диспергировании, если частицы пигментов лиофобны к дисперсионной среде, то образуется термодинамически неравновесная система, склонная к самопроизвольному разрушению.

Различают два вида устойчивости неоднородных систем: агрегативную и кинетическую. Первая определяется как постоянство дисперсности твердой фазы и обусловлена лиофилизацией частиц, что препятствует сливанию. Кинетическая устойчивость обусловлена тепловым (броуновским) движением частиц. Коллоидные частицы пигментов размером 0,1…0,3 мкм подвержены броуновскому движению. Сталкиваясь между собой под влиянием сил притяжения, они коагулируют, образуя агрегаты. Это вызывает снижение агрегативной устойчивости. Достигнув определенного размера, под влиянием силы тяжести агрегаты оседают, образуя плотный осадок. Это вызывает снижение кинетической или седиментационной устойчивости.

Толщина, строение и прочность адсорбционного полимерного слоя с поверхностью пигмента определяют агрегативную устойчивость пигментных дисперсий.

Введение

ПАВ обеспечивает повышение агрегативной устойчивости/4/.

Итак, диспергирование является сложным, многостадийным физико-химическим процессом, от правильности проведения которого зависит качеств лакокрасочного материала.

1.2.3 Стабилизация

Данная операция проводиться после получения готовой краски Уменьшение объемной концентрации пигмента и увеличение содержания жидкой части при разбавлении пигментных паст может сопровождаться изменениями взаимодействия компонентов системы, что отражается на дисперсности материала и его седиментационной устойчивости.

Стабильность пигментных дисперсий зависит главным образом от прочности и природы наружной поверхности сольватного слоя. Прочность сольватного слоя должна быть такова, чтобы при сжатии и больших скоростях сдвига, он не разрушался. Сольватный слой находится в равновесии с окружающим раствором, и любое изменение состава и количества пленкообразователя или растворителя приводит к перестройке слоя и установлению нового равновесия.

При полном насыщении поверхности пигмента стабильность системы может уменьшаться, так как сольватные оболочки становятся замкнутыми и связь твердой поверхности с окружающей средой ослабляется. В случае образования структурированных оболочек, но имеющих лиофобную наружную границу, может происходить флокуляция (укрупнение агрегатов) при сцеплении наружных поверхностей оболочек.

Стабильность пигментной суспензии, характеризуется неизменностью во времени ее составных параметров: дисперсности и равномерного распределения дисперсной фазы в жидкой среде.

Высокодисперсные суспензии термодинамически неустойчивы и склонны к самопроизвольному укрупнению частиц, а грубодисперсные к их оседанию.

1.2.4 Фильтрование

Фильтрованием называется процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают ее жидкую фазу.

Фильтрование осуществляется в фильтровальных мешках, которые представляют собой толстостенные, пористые короткие трубки. В процессе фильтрации краска продавливается через длинные каналы малого сечения, пронизывающие стенку мешка, при этом в потоке фильтруемого материала возникают большие касательные напряжения, за счет которых протекает процесс дополнительного диспергирования агрегатов пигментных паст.

Фильтрование связано со сложной взаимозависимостью между свойствами суспензии и фильтровальной перегородки.

Твердые частицы, увлекаемые потоком жидкости к фильтровальной перегородке, попадают в различные условия. Твердая частица задерживается на поверхности фильтровальной перегородки, если размер пор на этой поверхности меньше размера частиц. При условии, что размер твердой частицы меньше размеры поры в самом узком ее сечении, частица может пройти через фильтровальную перегородку вместе с фильтром. Однако она может задержаться внутри фильтровальной перегородки в результате адсорбции на стенках поры или механического торможения на том ее участке, который имеет неправильную форму. Такая застрявшая частица будет уменьшать эффективное сечение поры, и вероятность задерживания в ней последующих твердых частиц увеличивается. Возможен такой случай, когда отдельная твердая частица полностью закупоривает пору и делает ее непроходимой для других частиц/5/.

1.3 Выбор основного оборудования

Преддиспергирование пигментной суспензии По конструкции оборудование для преддиспергирования представляет собой смесители. Выбор конструкции смесителя определяется главным образом вязкостью получаемой пигментной суспензии (пасты).

Для получения паст высокой вязкостью применяются горизонтальные двухвальные смесители с Z-образными лопастями, а также вертикальные смесители с подъемными планетарными мешалками и передвижным конвейером — дежой.

Предварительное смешение компонентов пигментных паст низкой и средней вязкости производиться в быстроходных смесителях — дисольверах /1/.

Для преддиспергирования выбираем дисольвер, так как получаемая пигментная паста обладает средней вязкостью.

Дисольвер — цилиндрический аппарат, снабженный быстроходной мешалкой дискофрезного типа — импеллером.

В дисольверах происходит процесс смешения пигмента с раствором пленкообразователя, смачивание пигмента, а также процесс первичного диспергирования. При вращении импеллера содержимое дисольвера приводится в интенсивное движение, и паста подвергается воздействию сил сдвига. За счет этого достигается определенная степень дисперсности пасты в результате разрушения крупных агрегатированных структур.

Различают несколько типов дисольверов:

1) дисольверы периодического действия с индивидуальным приводом;

2) дисольверы периодического действия с подъемно-поворотной мешалкой, предназначенной для обслуживания двух стационарных корпусов;

3) дисольверы периодического действия с подъемной мешалкой и сменным корпусом;

4) дисольверы непрерывного действия;

Диспергирование пигментной суспензии:

Диспергирование — наиболее трудои энергоемкая операция, осуществляемая при получении пигментированных лакокрасочных материалов.

Аппаратурное оформление процесса диспергирования зависит от требований, предъявляемых к качеству пигментной суспензии, от количественного соотношения пигментов и пленкообразователей в перерабатываемой пасте, вязкости перерабатываемой пасты. Качественное проведение процесса диспергирования обеспечивает стабильность лакокрасочного материала и заданные свойства покрытий. Обычно операция диспергирования проводиться в машинах — диспергаторах, классифицируемых по двум признакам: по характеру движения рабочих тел и по реологическим свойствам (вязкости) обрабатываемой пасты.

Существенной особенностью диспергаторов является жесткое или свободное крепление в них рабочих тел. В первом случае скорость движения рабочих тел не зависит от вязкости пигментной суспензии, во втором, зависти в большей мере, вплоть до прекращения их движения. В связи с этим диспергирующее оборудование делиться на две группы:

1) машины с жестко закрепленными рабочими телами (валковые машины, экструдеры, резиносмесители и т. д.)

2) машины со свободнодвижущимися в пигментной пасте рабочими телами (шаровые машины, бисерные мельницы, аттриторы).

Эффективность действия оборудования первой группы растет с повышением вязкости обрабатываемой пасты. Максимальная эффективность аппаратов второй группы достигается при оптимальной вязкости паст /1/.

Поскольку пигментная суспензия имеет среднюю вязкость, то более подробно рассмотрим диспергирующее оборудование, используемое для пигментных суспензий средней вязкости.

ь Шаровая мельница является аппаратом периодического действия со свободно движущимися телами — шарами. В ней одновременно проводиться замес и перетир пигментной пасты. Она представляет собой стальной барабан, который внутри футерован фарфоровыми плитками или металлическим кожухом из броневой нержавеющей стали.

К преимуществам шаровых мельниц относят:

1) полная герметичность;

2) простота и надежность конструкции;

3) возможность исключения операции предварительного смешения пигментов и наполнителей со связующим;

4) возможность диспергирования паст с труднодиспергируемыми пигментами и наполнителями;

К недостаткам:

1) громоздкость;

2) шум во время работы;

3) трудность очистки при переходе на другой вид пасты (длительная замывка);

4) более низкая производительность по сравнению с бисерными мельницами и аттриторами;

5) в шаровых мельницах с гладкой футеровкой работу по диспергированию осуществляют только верхние слои шаров. Большая масса шаров неподвижна относительно друг друга /1/.

ь Бисерные машины в настоящее время являются основным видом диспергаторов, применяемых в производстве пигментированных лакокрасочных материалов. Они состоят из вертикально или горизонтально расположенного контейнера, заполненного мелющим телами с размером 0,5…3 мм, которые приводятся в движение установленными на валу дисковыми мешалками различной конструкции. Мелющими телами служат шарики из стекла, фарфора, стали, карбида вольфрама, силикальцита, оксида циркония и других материалов. Частота вращения вала с мешалками меняется от 500 до 1500 об/мин в зависимости от диаметра контейнера. Бисерные машины оснащены рубашками охлаждения для регулирования температуры пигментной суспензии.

Горизонтальные бисерные мельница обладают рядом преимуществ по сравнению с вертикальными:

— более экологически чистые, потому что имеют герметичный контейнер;

— лучшее распределение диспергирующих тел по объему контейнера, в результате чего увеличивается удельная производительность с единицы объема размольной камеры;

— высокая эффективность диспергирования, поскольку увеличивается степень заполнения контейнера бисером.

Основные преимущества бисерных машин:

1) высокая производительность при относительно небольших габаритах;

2) простота конструкции и обслуживания;

3) непрерывность процесса диспергирования и возможность его автоматизации;

4) возможность достижения высокой степени диспергирования;

5) бесшумная работа;

6) хорошая герметичность;

7) более низкий расход электроэнергии по сравнению с шаровыми мельницами и трехвалковыми краскотерочными машинами.

К недостаткам бисерных машин относят:

1) малая эффективность диспергирования грубодисперсных и абразивных пигментов при использовании керамического и стеклянного бисера;

2) необходимость установки сравнительно громоздкого и энергоемкого оборудования (дисольверов) для проведения операции преддиспергирования;

3) быстрый износ мелющих тел, ротора и корпуса контейнера/1/.

Выбираем горизонтальную бисерную, так как шаровая мельница имеет низкую производительность.

Составление и постановка краски на тип Составление пигментированных лакокрасочных материалов производится, как правило, в смесителях. Различают вертикальные и горизонтальные смесители. При объеме смесителя до 16 м³ это почти всегда вертикальные смесители, а при емкости более 16 м³ всегда горизонтальные. Это объясняется тем, что вертикальные при большом объеме имеют общую высоту 10…13 м, что затрудняет их монтаж в цехе.

Для проекта выбираем вертикальный смеситель. Смеситель представляет собой вертикальный аппарат с цилиндрическим корпусом, приварным сферическим днищем и съемной сферической крышкой. На крышке смесителя установлена стойка, к которой крепиться редуктор с установленным на нем электродвигателем. Также на крышке размещаются технологические люки и штуцера, предназначенные для загрузки сырья, подачи инертного газа, отбора проб, осмотра и ремонта аппарата. Смеситель снабжен тихоходной якорно-рамной мешалкой. Вал мешалки соединен с валом редуктора посредством соединительной муфты. Выгрузка содержимого смесителя осуществляется насосом через сливной штуцер, расположенный в нижней части аппарата.

Фильтрация краски Для очистки краски от крупных агрегатов, частиц пигмента, механических примесей применяют центрифуги, сепараторы и фильтры.

Центрифуги применяются для очистки ЛКМ от механических примесей, имеющих плотность большую, чем плотность среды. Но поскольку в состав краски входят пигмент и наполнители, плотность которых больше плотности среды (пленкообразователя), а также тонкодисперсные включения, плотность которых незначительно отличается от плотности среды, то центрифуги применять не рекомендуется /1/.

Для очистки ЛКМ от примесей любой плотности, в том числе равной или меньшей плотности пленкообразователя, применяют фильтры.

При фильтрации краски возникает ряд трудностей, обусловленных их значительной вязкостью и наличием не только твердых механических примесей, но и частиц гелей. В алкидных лаках возможно наличие хлопьевидных и слизистых веществ. Примеси этого вида выделяются из лака в виде мажущихся пастообразных осадков, которые способны закупоривать поры фильтрующего материала, делая его непроницаемым для жидкости. Распространение в промышленности нашли фильтры различных конструкций, в которых фильтрация осуществляется через ткань, картон или намывной слой из вспомогательных материалов.

В данном проекте для фильтрации краски применяется высокоэффективный фильтр типа «Кюно».

Фасовка краски Фасовка готовой краски в тару производиться с помощью фасовочных машин. Работа фасовочных машин основана на весовом и объемном принципе.

Для машин, работающих по принципу взвешивания, применяются весы, оборудованные отсекателями заданного веса (пневматическими, магнитными). При первом взвешивании фиксируется масса тары, автоматически включается наполнительное устройство, при этом фиксируется суммарная масса тары и готового продукта. По достижению заданной массы срабатывает отсекатель и прекращается подача краски в тару.

В машинах с объемным принципом дозирования применяются поршневые дозаторы с точной регулировкой хода поршня, а следовательно, и объема подаваемой порциями жидкости. Такие машины применяются для фасовки ПЛКМ, обладающих повышенной вязкостью, и для фасовки в мелкую тару /1/.

В проектируемом производстве фасовку краски в тару осуществляем с помощью автоматической установки для дозирования и укупоривания ОВ-16-Compact, работающей по принципу взвешивания. Это универсальная машина для розлива всех типов жидких и пастообразных продуктов низкой и средней вязкости в тару с широкой горловиной. Обладает следующими возможностями:

1) возможность розлива в тару от 0,5 до 16 кг;

2) укупорка плоских крышек под прессом;

3) компактность и экономичность;

4) простота и легкость эксплуатации;

5) быстрая замывка при переходе с цвета на цвет;

6) работа в трех режимах: только розлив, только упаковка, розлив и упаковка.

1.4 Выбор и обоснование способа производства

Лакокрасочные материалы представляют собой композиции, способные обеспечивать формирование на подложке (поверхности изделий) покрытий с заданным комплексом свойств. Возможность формирования слоя покрытия определяется пленкообразующим веществом, которое является основой любого лакокрасочного материала. Пленкообразующие вещества — высокомолекулярные синтетические или природные вещества, а также их смеси, способные вместе с другими компонентами лакокрасочного материала при нанесении тонким слоем формировать покрытия, способные выполнять защитные и специальные функции. Для обеспечения данных функций пленкообразователь должен обладать следующими свойствами:

1. достаточной химической инертностью после его превращения в адгезированное покрытие;

2. низкой проницаемостью для внешней среды;

3. высокой адгезией;

4. комплексом физико-механических показателей (прочность, твердость, гибкость и др.),

Именно свойствами пленкообразователя в основном определяется свойства лакокрасочного покрытия /1,2/.

Вторым по важности компонентом пигментированных лакокрасочных материалов являются пигменты. Взаимодействуя сорганическими пленкообразователями, пигменты создают с ними структурные сетки, формируя пленку, тем самым, увеличивая прочность и долговечность покрытия.

Пигментные частицы в пленке, поглощая, отражая и рассеивая равномерно или избирательно лучи падающего света, придают белую, черную или цветную окраску пленке, полностью укрывая цвет находящейся под пленкой подложки. Одновременно пигменты защищают пленкообразователь от деструкции под воздействием солнечных лучей, задерживая его разрушение, и в несколько раз увеличивая долговечность покрытий.

Многие пигменты обладают противокоррозионными свойствами. Находясь в составе грунтовок и непосредственно примыкая к поверхности окрашенного металла, они оказывают пассивирующее действие и задерживают коррозию /3/.

Кроме того, при введении пигментов можно получить покрытия со специальными свойствами: электропроводящие и электроизолирующие, теплостойкие и термоиндикаторные, огнезащитные, противообрастающие, светящиеся и др. /2/.

Пигменты в лакокрасочных покрытиях являются включенной (дисперсной) фазой; непрерывную фазу составляет пленкообразователь и некоторые другие компоненты пленкообразующей системы: пластификаторы, модификаторы и др./6/.

При выборе пигментов необходимо учитывать его химическую совместимость с пленкообразователем, а также назначение, условия отверждения и эксплуатации покрытий.

Свойства пигментированных лакокрасочных материалов и покрытий на их основе определяют природой и соотношением компонентов, применяемых для их изготовления. Однако, поскольку в изготовлении ПЛКМ участвуют главным образом не самопроизвольные процессы, такие как диспергирование, свойства ПЛКМ в значительной степени зависят не только от рецептуры, но и от выбора способа производства /1/. В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам красок и эмалей, качества используемого сырья, масштаба производства и его технического уровня применяют периодический мелкосерийный или непрерывный поточный способы производства. Различают три следующих способа введения пигментов в пленкообразующие системы /5/.

1. Однопигментный способ, при котором с пленкообразующей системой или частью ее смешивают и диспергируют только один пигмент или пигмент с наполнителем. В этом случае, в зависимости от индивидуальных свойств пигмента можно подобрать оптимальные физико-химические и гидродинамические условия для его диспергирования, т. е. удается подобрать оптимальный вид и режим работы аппарата, что в 2…3 раза повышает производительность оборудования и улучшает дисперсность однопигментной пасты. При поточном производстве устраняются потери и простои на зачистку, и промывку оборудования, неизбежные при переходе с одного вида или цвета красок к другому. Белые однопигментные пасты являются базовыми для изготовления серии однотипных белых и цветных красок добавлением в них недостающего количества пленкообразователей и цветных (колеровочных) паст, изготовляемых отдельно также по однопигментной технологии.

2. Многопигментый способ, при котором все входящие в состав композиции пигменты и наполнители одновременно смешивают с пленкообразующей системой или ее частью, например, в шаровых мельницах, и подвергают диспергированию, которое может продолжаться сутки и более, требуют большой затраты энергии и не позволяет получить дисперсность выше 5 мкм.

3. На практике часто используют комбинированный способ введения пигментов. Базовые однопигментные пасты изготовляют непрерывным поточным способом. Колеровочные цветные и черные пасты и другие полуфабрикаты изготовляют малыми сериями на периодически работающем оборудовании, наиболее эффективном для данных пигментов (шнековые смесители, аттриторы и др.). Полученные колеровочные пасты совмещают с базовыми красками на последней стадии производства или непосредственно у потребителей.

2. Технологическая часть

2.1 Характеристика выпускаемой продукции

Краски поливинилацетатные ВД-ВА представляют собой суспензию пигментов, наполнителей и других специальных добавок в водной гомополимерной поливинилацетатной дисперсии и применяются для покрасок внутри помещений по картону, гипсокартону, штукатурке, шпатлевке, дереву, бетону и другим строительным материалам.

Краска ВД-ВА интерьерная ТУ 2316−005−20 514 586−04должна соответствовать качественным показателям, приведенным в таблице 2.1

Таблица 2.1

Качественные показатели краски ВД-ВА интерьерной ТУ 2316−005−20 514 586−04

2.2 Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов

Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов приведена в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов

2.3 Обоснование состава композиции

Рецептура краски ВД-ВА представлена в табл.2. 3

Таблица 2.3

Рецептура краски ВД-ВА интерьерной

Примечание:

1. Допускается погрешность дозировки отдельных компонентов по массе неболее +2%.

2. Допускается замена в эквивалентном количестве этиленгликоля на диэтиленгликоль других производителей, в том числе импортных при условии сохранения их регламентируемых показателей качества.

2.3.1 Дисперсия ПВА

Краски на основе ПВА достаточно светостойки и атмосферостойки. Структуру молекулярной цепи ПВА можно представить следующим образом:

Структурная формула

[-CH₂CH (OCOCH₃)-]_n

Основные физические и химические свойства

— физические свойства:

Поливинилацетатная дисперсия (ГОСТ 18 992−80) представляет собой вязкую белую однородную жидкость с удельным весом 1,1г/см³, являющуюся продуктом полимеризации винилацетата в водной среде в присутствии эмульгатора и инициатора реакции полимеризации, смешанную с пластификатором или без него.

1. Молекулярная масса от 10 000 до 1 500 000 ;

2. Температура размягчения 30−50 °С;

3. Плотность 1,19 г/см³;

4. Относительное удлинение 10−20%;

5. Теплопроводность 0,16 Вт/(м· К);

6. Температура стеклования 28⁰C;

7. Теплостойкость по Вику 44−50⁰C, по Мартенсу 30−32⁰C;

8. Электрическая прочность 1 МВ/м;

9. Влагопроницаемость (2,5−5,8)· 10^-14 кг/(м· с·Па);

10. Газопроницаемость по H₂ 56· 10^-15 м³/(м· с·Па).

Поливинилацетат обладает хладотекучестью, устойчив к старению в атмосферных условиях, высокой адгезией к различным поверхностям, хорошими оптическими свойствами, износостоек. Хорошо растворим в кетонах, сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, метаноле, хуже — в этаноле. Не растворим в воде, алифатичных углеводородах, бензине, минеральных маслах, гликолях.

- химические свойства:

Химические свойства ПВА определяются наличием сложноэфирных групп и привитых цепей, соединенных с главной цепью сложноэфирными связями. ПВА омыляется водными растворами кислот или щелочей и подвергается алкоголизу под действием каталитических количеств кислот и алкоголятов щелочных металлов в безводных средах с образованием ПВС.

Получение ПВА В промышленности поливинилацетат получают радикальной полимеризацией винилацетата в растворе, эмульсии или суспензии. Мономер винилацетата диспергируют в воде при сильном перемешивании в присутствии эмульгаторов. В этой дисперсии мономера в воде при введении ингибитора начинается процесс полимеризации. Постепенно формируется поливинилацетат, который растворяется в остаточном мономере, но не растворяется в воде, с которой он образует эмульсию. Наряду с линейным может образовываться и разветвленный поливинилацетат.

В процессе полимеризации в растворе (обычно в метаноле) при 60−65 ⁰C в присутствии инициатора получаемый поливинилацетат перерабатывается главным образом в поливиниловый спирт. В случае непрерывного процесса реакцию прекращают при степени превращения винилацетата 50−65%; образующийся поливинилацетат имеет меньше разветвлений, его степень полимеризации достигает 1800−2000.

Эмульсионную полимеризацию винилацетата в воде проводят при 65−90⁰C в присутствии защитных коллоидов (например, поливинилового спирта, гидроксиэтилцеллюлозы) или ПАВ и окислительно-восстановительных инициирующих систем.

Выпускается в виде гранул (бисера), водных дисперсий или растворов (лаков).

Способы отверждения ПВА Отверждение может происходить вследствие различных механизмов, которые в основном делятся на три группы:

1. Отверждение с добавлением солей металлов.

2. Отверждение с добавлением термореактивных смол, полученных в результате конденсации формальдегида.

3. Отверждение с добавлением изоцианата /8/.

2.3.2 Пигменты

Пигменты в рецептурах ВД-ЛКМ используют не только для обеспечения необходимых укрывистости и цвета покрытий, но и повышения атмосферостойкости и стойкости к действию УФ-излучения. В настоящее время наиболее широко применяемым белым пигментом является диоксид титана благодаря более высокому коэффициенту преломления, чем у оксида и сульфида цинка и литопона. Последние мало используются, потому что не обеспечивают высокой белизны и укрывистости покрытия, более склонны к мелению.

Диоксид титана: (двуокись титана) TiO₂ — полиморфный кристаллический пигмент, кристаллизуется в двух сингониях: брукитв ромбической, рутил и анатаз в тетрагональной, но последние различаются строением кристаллической решетки. В обоих случаях каждый атом титана находиться в центре октаэдра и окружен 6 атомами кислорода. Пространственное же расположение октаэдров разное: в анатазе на каждый октаэдр приходиться 4 общих ребра, в рутиле только 2 рис. 2.1 /5/

рутил анатаз Рис. 2.1 Кристаллические структуры диоксида титана Благодаря более плотной упаковке ионов в кристаллах рутил превосходит анатаз по стабильности, плотности, твердости, показателю преломления, диэлектрической постоянной и обладает пониженной фотохимической активностью.

В чистом виде диоксид титана, особенно в анатазной форме, обладает высокой фотохимической активностью, что вызывает разрушение лакокрасочной пленки («меление») и выцветание органических пигментов. Закрытие активных центров поверхности частиц титана гидроксидами Al, Si, Zn резко уменьшает фотохимическую активность. Такой модифицированный рутильный диоксид титана обладает незначительной фотохимической активностью и пригоден для атмосферостойких красок.

Диоксид титана химически инертен, нерастворим в слабых кислотах и щелочах и органических растворителях. Он может применяться со всеми видами пленкообразователей.

2.3.3 Наполнители

Наполнители — неорганические соединения, имеющие более низкий коэффициент преломления, чем пигменты (значение коэффициента преломления для наполнителей менее 1,7).

Большинство наполнителей — это природные минералы: кальцит, мел, доломит, каолин, тальк, слюда, диатомитовая земля, барит, кварц. Но некоторые из них получены реакцией осаждения (карбонат кальция или сульфат бария, пирогенный диоксид кремния). Плотность обычных наполнителей составляет 2,5—2,8, барита — 4 г/см³.

Наиболее часто применяемым наполнителем является карбонат кальция. В Западной Европе карбонат кальция в форме кристаллического кальцита и аморфного мела составляет 80—90% всех используемых наполнителей. В рецептурах многих ЛКМ в качестве наполнителя применяют только кальцит.

Однако в рецептурах матовых красок может быть использовано до шести видов различных наполнителей, отличающихся по размеру частиц, кристаллической форме и активности.

Как правило, наполнители используют для снижения стоимости материалов, но иногда они могут применяться и для модификации свойств красок. При использовании наполнителей можно достигать значений объемной концентрации пигментов (ОКП)> критической объемной концентрации пигментов (КОКП), при которых заполненные воздухом поры обеспечивают укрывистость высушенной пленки, позволяя таким образом экономить дорогой диоксид титана.

Наполнители повышают твердость покрытий, укрывистость и удельный вес краски, снижают ее себестоимость. Кроме того, тип наполнителя влияет на атмосферостойкость, устойчивость к истиранию, блеск покрытий, их устойчивость к загрязнению и газопроницаемость, а также на реологические свойства красок.

Основными свойствами наполнителей являются размер частиц, яркость и белизна. Чем мельче частицы, тем светлее наполнитель, но тем выше его впитывающая способность, характеризуемая маслоемкостью.

Кристаллическая форма наполнителя существенно влияет на его способность к диспергированию и реологическую активность в жидких ЛКМ и физико-механические свойства покрытий.

2.3.4 Функциональные добавки

Функциональные добавки — это вспомогательные вещества, применяемые для улучшения процессов пленкообразования и нанесения ЛКМ, повышения стабильности и долговечности красок и покрытий, а также для придания им каких-либо специальных свойств. Основные используемые в настоящее время добавки можно разделить по их назначению на следующие группы:

коалесценты (пленкообразующие добавки);

загустители;

пеногасители;

смачивающие или диспергирующие агенты;

нейтрализующие агенты;

*биоциды (консерванты).

Коалесценты, как известно, позволяют снижать температуру пленкообразования водных дисперсий. Так как температура пленкообразования наиболее широко распространенных дисперсий составляет 13—18°С, а нанесение ВД-ЛКМ должно происходить при температуре, по крайней мере 5 °C. практически во всех рецептурах необходимо использовать добавки, понижающие температуру пленкообразования.

Подходящими для этих целей являются растворители, которые в течение времени их испарения пластифицируют полимер. Кроме снижения температуры пленкообразования, пленкообразующие добавки влияют на время высыхания и твердость покрытия. Использование растворителей с высокой температурой кипения, из-за их высокой пластифицирующей активности может приводить к повышению грязеудержания покрытия. Пленкообразующие добавки также влияют на вязкость и смачиваемость ЛКМ и на устойчивость покрытия к мокрому истиранию.

В практической работе следует помнить, что чаше всего при добавлении коалесцентов дисперсии и краски теряют коллоидную стабильность. При быстром добавлении этих веществ могут образовываться микрогели или произойти полная коагуляция. Это явление (так называемый «шок от действия растворителя») можно предотвратить путем медленного введения коалесцента или предварительного разбавления его водой и/или растворителем, смешиваемым с водой.

В качестве самого простого коалесцента используется уайт-спирит. Уайт-спирит — бесцветная маслянистая жидкость с запахом, напоминающим керосин, но более слабым. Четкой формулы для уайт-спирита нет, поскольку это не чистое химическое вещество, а смесь углеводородов как линейного, так и ароматического строения. Химическая формула C_10,5H_21,0.

Загустители — это специфические реологические добавки, которые применяют для достижения реологических свойств ВД-ЛКМ оптимальных для их получения, хранения и нанесения. Загущающие системы могут быть как органической, так и неорганической природы.

Загустители повышают вязкость краски вплоть до придания ей небольшой пластичности вследствие высокой собственной, обусловленной гидратацией, вязкости в водном растворе и формирования мостичных связей между дисперсными частицами.

В качестве загустителя в нашем случае применяется натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) набухающая в щелочи.

Бланозе (Blanose) или натрий-карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ) представляет собой натриевую соль целлюлозогликолевой кислоты в виде мелкозернистого или волокнистого порошка белого/кремового цвета, применяется в качестве стабилизатора и загустителя консистенции.

Ассоциативные загустители содержат в молекуле гидрофобные группы и поэтому могут адсорбироваться на поверхности частиц пленкообразователя, образуя в водной фазе мицеллярные ассоциативные комплексы. В результате можно добиться повышения вязкости красок с высоким содержанием пленкообразователя при средних и высоких скоростях сдвига. На рис. 2.2 схематически изображен ассоциативный механизм загустителя.

Рис. 2.2 Схема действия ассоциативного загустителя Пеногасители ПАВ (эмульгаторы, смачивающие агенты, ассоциативные загустители), используемые при производстве ВД-ЛКМ, накапливаясь на поверхности жидкой фазы (границе раздела жидкость — воздух), понижают поверхностное натяжение системы. Это приводит к стабилизации воздушных пузырьков, образовавшихся в процессе диспергирования, перемешивания и транспортировки. Внешне этот эффект проявляется в виде пены или микропены. Воздушные пузырьки поднимаются к поверхности или в высоковязких системах остаются внутри жидкой фазы в виде стабильной микропены. Схема образования пузырьков пены представлена на рисунке 2.3.

Рис. 2.3 Схема образования пузырьков пены (В-воздух, С-вода)