CC BY
0
АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЛАКОКРАСОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
В.И. Митрофанова, канд. хим. наук, доцент М.О. Денико, студент Амурский государственный университет (Россия, г. Благовещенск)
DOI:10.24412/2500-1000-2025-1-2-214-220
Аннотация. В данной работе представляется исследование по анализу лакокрасочных материалов, в частности эмалей. На рынке представлен достаточно разнообразный ассортимент востребованных эмалей разных производителей. Эмали широко применяются во многих областях, например, в строительной отрасли, в хозяйственно-бытовой и др. Качество эмалей по многим показателям имеет огромное значение, поэтому постоянно совершенствуется. Важным и интересным в данном исследовании было провести анализ ряда образцов эмалей, наиболее востребованных потребителем, в результате которого были определены физико-химические показатели, позволяющие установить их качество.
Ключевые слова: краска, эмаль, анализ, плотность, физико-химические показатели, вязкость, укрывистость, кислотное число, устойчивость, качество продукта.
Невозможно представить себе современную жизнь без лакокрасочных материалов, столь необходимых для реализации многочисленных задач в разнообразных областях. Так, краски применяются для обработки фасадов и внутренних помещений зданий (дизайн интерьера), деталей металлоконструкций (защита от коррозии), поверхностей мебели, инструментов, транспорта и так далее. При этом вся потенциальная польза лакокрасочных материалов напрямую связана как с отдельными физико-химическими характеристиками, так и с общими показателями качества. Следовательно, для выбора оптимального лакокрасочного изделия, особенно при разработке масштабных проектов,
следует не только иметь представление о его основных физико-химических характеристиках, но и уметь эти характеристики определять.
Лакокрасочные материалы (ЛКМ) - это сложные многокомпонентные смеси, содержащие пленкообразующие вещества, растворители, пигменты и наполнители, а также разнообразные добавки-сиккативы, отверди-тели, пластификаторы [9, с. 18]. Для более полного понимания принципа функционирования ЛКМ следует подробнее рассмотреть входящие в них компоненты.
Пленкообразующие вещества (ПВ) - основа ЛКМ, представленная или веществами
природного происхождения, или высокомолекулярными синтетическими соединениями [13]. Растворители, представленные в основном легколетучими органическими соединениями в жидкой фазе, позволяют развести ПВ до необходимой вязкости и нанести его тонким слоем. Также бывают «тяжёлые», то есть труднолетучие, растворители, предотвращающее слишком быстрое высыхание ЛКМ. Пигменты - окрашенные вещества, обычно в порошковой фазе, отвечающие за придание ПВ цвета и укрывистости. Наполнители - порошкообразные неорганические вещества с практически отсутствующими красящими свойствами (например, барит, тальк, асбест). Их задача - повышение укры-вистости и удешевление ЛКМ [9, с. 19].
По составу и области применения ЛКМ подразделяются на следующие
категории:
1. Краска (пигментированная жидкость, застывающая прочным тонким слоем после нанесения на основу).
2. Эмалевая краска (краска, которая за счёт специально подобранных высокодисперсных пигментов после высыхания принимает вид эмали).
3. Лак (раствор пленкообразующих веществ, образующий после высы-хания однородную твёрдую прозрачную поверхность).
4. Грунтовка.
5. Шпаклёвка.
6. Антисептические ЛКМ [11, 12].
При этом краски имеют также свою классификацию:
1. Алкидные краски (синтетический вариант масляных красок, изготавливаемый на основе алкидных смол).
2. Эмульсионные краски (представлены суспензией пигментов и наполнителей в водных дисперсиях полимеров в роли ПВ).
3. Силикатные краски (высокопрочные составы на основе «жидкого стекла» и этилси-ликата).
4. Клеевые краски (суспензии пигментов и наполнителей в водных растворах пленкообразующих веществ синтетического, животного или растительного происхождения).
Обратим особое внимание на ЛКМ, нашедших широкое применение в современной промышленности и в быту - эмалевые краски.
Эмали - суспензии пигмента или смеси пигментов с наполнителями в лаках, образующие после высыхания непрозрачную твёрдую пленку с различным блеском и фактурой поверхности. Их получают смешиванием и растиранием пигментов с растительным маслом (олифой) или лаком, а затем разведением полученной пасты масляным или иным лаком [11].
Эмали классифицируют по роду плёнкообразующих веществ следующим
образом:
1. Алкидные.
2. Алкидно-акриловые (сополимеры акри-латов с алкидными смолами).
3. Пентафталевые (изготавливаются на основе алкидных лаков - модифицированных полиэфиров пентаэритрита и фталевой кислоты).
4. Нитроцеллюлозные (лаковые коллоксилины, нитроалкидные композиции).
5. Полиакриловые (сополимеры (и полимеры) акриловых и метакриловых кислот, их эфиров и других производных со стиро-лом/винилацетатом).
6. Алкидно-меламиновые.
Для нашего исследования качественных показателей ЛКМ были отобраны четыре образца эмалей разных производителей, разного цвета и, соответственно, различающихся качеством по физическим и физико-химическим
показателям (выбор образцов проводился на основе анализа отзывов в интернете, опросом коллег, друзей, родных).
1 образец - Эмаль ПФ-115 (алкидная, жёлтая), производитель «ЛАКРА», Россия.
2 образец - Эмаль ПФ-115 (алкидная, салатовая), производитель «HAMMERTON», Россия.
3 образец - Эмаль ПФ-115 (алкидная голубая), производитель «KRAFOR», Россия.
4 образец - Краска МА-15 (масляная, коричневая «сурик»), производитель «NORMA», Россия.
Надо отметить, что базовая основа алкидных эмалей - алкидный лак. Этот компонент относится к плёнкообразователям, считается главным в определении технических характеристик. В алкидную эмаль добавляют лак на основе: пентафталевой смолы; глифталевых смол; меламиноформальдегидной смолы; ал-кидно-стирольной смолы [13].
Как было показано ранее, для анализа были подготовлены три алкидные эмали и одна масляная краска. В свою очередь, это позволит сравнить свойства как масляной краски с эмалями, так и свойства эмалей между собой. С другой стороны по своим техническим и потребительским характеристикам эмали и масляные краски имеют свои положительные стороны и недостатки, но тем не менее и те и другие широко востребованы.
Физико-химический анализ был проведен на основе нормативных требований ГОСТ Р 51691-2008, ГОСТ 6465-2023, ГОСТ 1050371 и по соответствующим государственным методикам [1-3] В ходе анализа были определены пять физических и физико-химических характеристик, отражающих потребительские свойства эмалей: укрывистость, устойчивость к воздействию переменных температур, плотность, условная вязкость, кислотное число [9]. В целом нормативные требования в подавляющем большинстве корректируются общими техническими требованиями на каждый вид ЛКМ. В нашем случае мы ориентировались на усредненные значения, представленные в открытом доступе на большинство исследуемых изделий.
Определение укрывистости. Как наиболее важная для практического применения величина - укрывистость, была определена в первую очередь. Укрывистость (D, кроющая
способность) - способность пигментов при нанесении эмали ровным слоем делать невидимым цвет закрашиваемой поверхности, или же, при нанесении на черно-белую подложку, понижать контрастность между черной и белой поверхностями до исчезновения видимой разницы между ними. Выражается минимальным числом граммов краски, необходимым для закрашивания 1 м2 поверхности указанным образом. Для выбранных красок находится в пределах 35 ~ 200 г/м2 и зависит от цвета краски. Рассчитывается укрыви-стость по формуле:
D =
(т1 — ш0) * 106 S
где: Ш1 - масса неокрашенной стеклянной пластинки, г;
т2 - масса пластинки с высушенной плёнкой, г;
£ - площадь стеклянной пластинки, мм2. Анализ проводился согласно ГОСТ 8784-75 Материалы лакокрасочные. Метод определения укрывистости [4].
Для определения укрывистости использовались прямоугольные стеклянные пластинки размерами 90x120 мм и толщиной 1,8 мм. Также был подготовлен отрезок белой бумаги 90x120 мм с двенадцатью квадратами 30х30 мм, закрашенными в шахматном порядке в чёрный цвет. Пластинки были предварительно пронумерованы и взвешены на аналитических весах с погрешностью не более 0,0002 г.
Каждая эмаль была предварительно перемешана, отобраны пробы с середины ёмкости. Каждой пробой с помощью кисти равномерно закрасили по одной пластинке. После высыхания на пластинки нанесли дополнительные слои того же ЛКМ, так как контрастность подложенного чёрно-белого листа просматривалась через пластинку в рассеянном отражённом цвете. Когда все пробы высохли, они были взвешены на тех же аналитических весах с погрешностью не более 0,0002 г. За результат испытания принимают среднее арифметическое трех параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 5% среднеарифметического значения. Результаты анализа и расчётов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты определения укрывистости
№ Значение укрывистости, г/м2 Нормируемые значения в
обр. Среднее арифметическое значение Округлённое значение среднем, г/м2
1 36,1065 36 ГОСТ 9754-2020 35-120
2 35,0949 35
3 50,1759 50
4 49,1065 49 ГОСТ 10503-71
45-200
Как видно из полученных данных только все образцы соответствует нормативным требованиям (минимальным). Но еще раз отметим, что на каждый образец есть данные по укрывистости, нормируемые производителем по своим техническим условиям, таким образом, возможно предположить, что полученные данные по ТУ производителя на конкретное изделие соответствует техническим требованиям.
Определение устойчивости к воздействию переменных температур.
Устойчивость к воздействию переменных температур определяется по изменению декоративных и защитных свойств эмали в результате воздействия на неё последовательно
высокой и низкой температуры. В качественных ЛКМ изменения должны быть минимальны, или вовсе отсутствовать.
Анализ проводился согласно ГОСТ 2703786 Материалы лакокрасочные. Метод определения устойчивости к воздействию переменных температур [6]. Метод заключается в чередующемся воздействии на ЛКМ высокой и низкой температур с последующим определением изменений декоративных и защитных свойств по сравнению с контрольным образцом.
Для исследования каждый образец, подготовленный по методике означенного документа, нанесли ровным слоем на четыре металлические пластинки. По одной пластинке с
каждым образцом оставили в качестве контрольных. По три пластинки с каждым образцом поместили в сушильный шкаф при температуре порядка 60 °С на 1 час, затем в течении минуты перенесли их в камеру холода с температурой порядка минус 30 °С на 1 час. Цикл повторялся десять раз, после каждого цикла производился осмотр поверхности образцов при температуре порядка 20 °С в течении 15 минут.
Таким образом, после первых трёх циклов второй образец начал терять изначальный блеск, а по окончании испытаний вообще заметно утратил эмалевый блеск. На одной из пластинок третий образец приобрёл заметные невооружённым глазом трещинки, однако блеск сохранил. Первый и четвертый образцы не претерпели каких-либо изменений.
Определение плотности. Плотность - физическая величина, численно равная массе единицы объёма ЛКМ. Как правило, плотность коррелирует с такими характеристиками, как укрывистость и вязкость.
Плотность ЛКМ как физическая величина не может однозначно указывать на качество изделия, однако она напрямую связана с другими характеристиками лакокрасочного изделия (показано выше) и особенностями его применения, поэтому определяют и регули-
Все исследуемые образцы по плотности соответствуют требованиям нормативных документов (ТУ по конкретному изделию) за исключением образца 3, значение плотности которого превышает нормативное требование.
руют её значение технические условия от производителя.
Плотность определялась согласно ГОСТ 28513-90 Материалы лакокрасочные. Метод определения плотности [5].
Для анализа использовали пикнометры объёмом 25 см3, по два пикнометра для каждого из четырёх образцов. Температура в ходе испытания была постоянной, равной 21 °С. Каждый пикнометр был промыт и просушен, а затем взвешен на аналитических весах с погрешностью не более 0,0002 г. Далее каждый пикнометр был заполнен дистиллированной водой комнатной температуры и взвешен на аналитических весах аналогичным образом. Таким образом, зная плотность воды при заданной температуре, был определён объём каждого пикнометра.
После очередного просушивания и остывания, пикнометры были заполнены исследуемыми ЛКМ, и взвешены на аналитических весах с погрешностью не более 0,0002 г. Расхождения между результатами параллельных определений не должны превышать 0,001 г/см3 при определении плотности в стеклянном пикнометре.
За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов трех параллельных определений. Результаты расчётов и измерений приведены в таблице 2.
Определение условной вязкости. Вязкость есть физическая характеристика ЛКМ, указывающая на его густоту, механические свойства и особенности нанесения. Наиболее
Таблица 2. Результаты определения плотности ЛКМ
№, п/п Параллельные определения Плотность ЛКМ, г/см3 Плотность ЛКМ средняя, г/см3 Нормируемое значение, г/см3 (по требованиям ТУ на изделие)
1 1,1173
1 2 1,1167 1,1172 ~ 1,1 0,9-1,3
3 1,1175
1 1,3558
2 2 1,3547 1,3554 ~ 1,36 1,35-1,45
3 1,3557
1 1,5984
3 2 1,6096 1,5523 ~ 1,60 1,35-1,45
3 1,5988
1 1,5790
4 2 1,5789 1,5789 ~ 1,58 1,6-3,1
3 1,5787
удобна для определения условная вязкость, измеряемая в Па*с.
Условную вязкость определяли по ГОСТ 8420-74 Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости [7].
За условную вязкость лакокрасочных материалов густой консистенции, определяемую шариковым вискозиметром, принимают время прохождения в секундах стального шарика между двумя метками вертикально установленной стеклянной трубки вискозиметра, наполненной испытуемым материалом.
В вертикально установленную стеклянную трубку диаметром 20 мм до нижней метки (50 мм) наливают глицерин, затем заполняют трубку отобранной пробой ЛКМ на 1-2 см выше верхней метки (250 мм). Затем свободно опускают стальной шарик диаметром 7,938 мм в центр трубки и в момент достиже-
Определение кислотного числа. Кислотное число - масса едкого калия КОН (в мг), необходимая для нейтрализации 1 г органического вещества, в нашем случае, пробы ЛКМ. Кислотное число характеризует содержание в веществе свободных кислот. Для алкидных смол кислотное число обычно составляет 20-100 (в мг КОН/г).
Определение кислотного числа относится к химическому анализу. Сущность метода заключается в нейтрализации исследуемого образца раствором гидроокиси калия объемным способом. Окончательная точка титрования устанавливается визуально в присутствии индикатора.
Отбор проб для анализа проводился в соответствии ГОСТ 9980.2-86 [8]. Данный стан-
ния нижним краем шарика верхней метки включают секундомер. Когда шарик достигнет нижним краем нижней метки трубки, секундомер останавливают и отсчитывают время прохождения шарика в секундах между двумя метками трубки вискозиметра с погрешностью не более 0,2 с. Определение проводилось для каждого ЛКМ в виде параллельных измерений.
Согласно ГОСТ 8420-74, за величину условной вязкости, определенной по шариковому вискозиметру, принимают среднее арифметическое значение трех параллельных определений времени прохождения стального шарика между двумя метками вискозиметра. Допускаемые отклонения отдельных определений от среднего значения не должны превышать ± 2,5%. Результаты определения приведены в таблице 3.
дарт включает информацию об условиях хранения ЛКМ, выборке точечных, объединенных и средних проб, температуре, и прочих условиях проведения анализа.
Определение проводилось согласно ГОСТ 23955-80 Материалы лакокрасочные. Метод определения кислотного числа [8].
Отобранные навески - по 25 г каждого исследуемого ЛКМ - растворяют в 25-50 мл нейтрализованного растворителя ксилола, добавляют 20 мл насыщенного раствора хлористого натрия, колбу закрывают пробкой и несколько раз встряхивают.
Затем добавляют несколько капель фенолфталеина и титруют 0,1 н. спиртовым раствором гидроокиси калия, постоянно перемешивая, до получения устойчивой розовой окрас-
Таблица 3. Условная вязкость ЛКМ по шариковому вискозиметру
№ образца, п/п Номер пробы Время прохождения шарика между метками, с Среднее время прохождения шарика между метками, с
1 2,7
1 2 2,8 2,77
3 2,8
1 5,5
2 2 5,4 5,47
3 5,5
1 18,7
3 2 18,5 18,6
3 18,6
1 10,4
4 2 10,6 10,47
3 10,4
ки водяного слоя. Добавляют несколько миллилитров точно измеренного избытка раствора гидроокиси калия, который оттитровывают 0,1 н. раствором соляной кислоты до исчезновения розовой окраски раствора.
За результат испытания принимают среднее арифметическое трех параллельных опре-
Обсуждение результатов. По показателям укрывистости все образцы ЛКМ соответствуют установленным нормам. Плотности трёх образцов (1, 2 и 4) практически соответствуют заявленным значениям, а плотность третьего образца (ККАБОЯ эмаль ПФ-115 ал-кидная голубая) превышает нормативное требование, что может свидетельствовать о меньшем количестве растворителя в его составе. Условная вязкость исследуемых образцов находится в пределах нормы, однако вязкость второго и третьего образца значительно различаются (несмотря на то, что обе эмали -ПФ-115, т.е. одного класса), что также может свидетельствовать о меньшем количестве растворителя в составе третьего образца. По результатам определения устойчивости к воздействию переменных температур первый и четвёртый образцы полностью выдержали все циклы испытания. При этом второй образец на всех пробах стал менее блестящим по сравнению с контрольным, а на одной из трёх параллельных проб третий образец покрылся трещинками. По результатам определения кислотного числа в целом все образцы полностью соответствуют нормативным требованиям. Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы по качеству анализируемых образцов лакокрасочных материалов:
делений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать величин, указанных в таблице 2 приложения выше означенного нормативного документа (от ± 0,03 до ± 0,1). Результаты титрования и расчётов представлены в таблице 4.
- первый образец - алкидная эмаль ПФ-115 «ЛАКРА», жёлтая - идеально прошёл все испытания;
- второй образец - алкидная эмаль ПФ-115 «HAMMERTON», салатовая - соответствует большинству требований, имеет идеальную вязкость и плотность, однако теряет блеск вследствие воздействия переменных температур;
- третий образец - алкидная эмаль ПФ-115 «KRAFOR», голубая - имеет в своём составе недостаточное количество растворителя, в связи с чем его плотность и условная вязкость не соответствуют нормам, а устойчивость к воздействию переменных температур непостоянна;
- четвёртый образец - краска масляная МА-15 «NORMA», сурик - имеет наилучшие показатели качества.
Сравнивая физико-химические показатели качества масляной краски и эмалей, можно отметить, что масляные краски имеют больший интервал рабочих значений, они проще в обращении и хранении. Однако это никак не преуменьшает роль эмалей в нашей жизни, поскольку именно они являются надёжным способом сформировать непрозрачную твердую пленку с различным блеском и фактурой поверхности, на что другие краски не способны.
Таблица 4 Результаты определения кислотного числа
№ образца Кислотное число среднее арифметическое значение, мг KOH/г Кислотное число округленное значение, мг KOH/г Нормируемое значение, мг КОН/г (по требованиям ТУ на изделие)
1 0,1921 0,19 не более 0,3
2 0,2257 0,23 не более 0,3
3 0,2732 0,27 не более 0,3
4 0,8340 0,83 не более 3
Библиографический список
1. ГОСТ Р 51691-2008. Материалы лакокрасочные. Эмали. Общие технические условия. - М.: Стандартиформ, 2009.
2. ГОСТ 6465-2023. Эмали ПФ-115 Технические условия. - М.: Российский Институт стандартизации, 2024.
3. ГОСТ 10503-71. Краски масляные, готовые к применению. Технические условия. - М.: Изд. стандартов, 1971 (переиздание 2002).
4. ГОСТ 8784-75. Материалы лакокрасочные. Метод определения укрывистости. - М.: Изд. стандартов, 1975 (переиздание 2002).
5. ГОСТ 28513-90. Материалы лакокрасочные. Метод определения плотности. - М.: Изд. стандартов, 1990.
6. ГОСТ 27037-86. Материалы лакокрасочные. Метод определения устойчивости к воздействию переменных температур. - М.: Изд. стандартов, 1987.
7. ГОСТ 8420-74. Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости. - М.: Изд. стандартов, 1974 (переиздание 2004).
8. ГОСТ 23955-80. Материалы лакокрасочные. Метод определения кислотного числа. - М.: Изд. стандартов, 1980.
9. Лившиц М.Л. Лакокрасочные материалы. - М.: Химия, 1992. - 360 с.
10. Орлова О.В. Технология лаков и красок / О.В. Орлова, Т.Н. Фомиченко. - М.: Химия, 1990. - 384 с.
11. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий. - СПб.: Химия, 1999. - 384 с.
12. Сорокин М.Ф. Химия и технология пленкообразующих веществ. - М.: Химия, 1991. -448 с.
13. Энциклопедия лакокрасочных материалов. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.lkmportal.com/enc.
ANALYSIS OF PHYSICO-CHEMICAL QUALITY INDICATORS PAINT AND VARNISH PRODUCTS
V.I. Mitrofanova, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor
Amur State University
(Russia, Blagoveshchensk)
M.O. Deniko, Student
Amur State University
(Russia, Blagoveshchensk)
Abstract. This paper presents a study on the analysis of paint and varnish materials, in particular enamels. The market offers a rather diverse range of popular enamels from different manufacturers. Enamels are widely used in many fields, for example, in the construction industry, household and others. The quality of enamels by many indicators is of great importance, so it is constantly being improved. Important and interesting in this study was to analyze a number of samples of enamels, the most demanded by the consumer, as a result of which the physical and chemical indicators that allow to establish their quality were determined.
Keywords: paint, enamel, analysis, density, physical and chemical properties, viscosity, hiding power, acid number, stability, product quality.
