Акриловые полимеры

1. Акриловые полимеры и сополимеры и их получение

К этому типу пленкообразующих веществ относятся  олигомеры, полимеры и сополимеры акриловой, метакриловой кислот и их производных: эфиров, амидов, нитрилов и др. В зависимости  от применяемых мономеров и сомономеров  можно получить термопластичные или термореактивные полимеры с разнообразными физическими свойствами.

Сырьем для  получения акриловых полимеров  и сополимеров служат различные  мономеры. Полимеризацию акриловых мономеров можно проводить различными методами. Для изготовления лаков наиболее пригоден лаковый метод; метод эмульсионной полимеризации применяется для получения латекса.

При эмульсионной полимеризации акриловых мономеров инициаторами служат растворимые в воде пероксиды (пероксид аммония, пероксид водорода и т. п.). В реактор загружают дистиллированную воду и мономер в соотношении около 1:3, эмульгатор (около 3% от массы мономера) и инициатор (около 0,5%). В качестве эмульгатора применяют соли жирных высокомолекулярных кислот (олеиновая), соли органических сульфокислот и другие поверхностно-активные вещества. Реакцию ведут в нейтральной или слабокислой среде. Процесс полимеризации протекает при 60–90 °С за 2–4 ч. Окончание процесса определяют по содержанию остаточного мономера в полимере, которое не должно превышать 1 – 2 %. Получаемый латекс может служить полуфабрикатом для производства клеев, водоэмульсионных красок и других композиций.

Если необходимо выделить полимер из эмульсии, к  латексу добавляют серную кислоту  и отгоняют воду. При этом эмульсия разрушается, и полимер выпадает в осадок в виде дисперсного порошка. Осажденный полимер отфильтровывают  и промывают от эмульгатора водой  или спиртом и сушат при 40—70 °С.

При лаковой  полимеризации акриловых мономеров  в качестве растворителей применяют  бензол, изопропилбензол, хлорбензол, толуол, циклогексанон и др. Инициаторами служат органические пероксиды и динитрил азобис(изомасляной) кислоты. Процесс полимеризации ведется при температурах около 70 °С. Окончание полимеризации устанавливают по содержанию мономера в полимере, которое не должно превышать 2%. Если процесс получения полимера проводится в среде растворителя, не растворяющего полимер, то последний выпадает в осадок в виде тонкого порошка, подвергаемого затем очистке и сушке.

При лаковой  полимеризации акриловых мономеров  в качестве растворителей применяют  бензол, изопропилбензол, хлорбензол, толуол, циклогексанон и др. Инициаторами служат органические пероксиды и  динитрил азобис(изомасляной) кислоты. Процесс полимеризации ведется при температурах около 70 °С. Окончание полимеризации устанавливают по содержанию мономера в полимере, которое не должно превышать 2%. Если процесс получения полимера проводится в среде растворителя, не растворяющего полимер, то последний выпадает в осадок в виде тонкого порошка, подвергаемого затем очистке и сушке. [1]

1.1 Общие свойства

Полимеры могут  быть твердыми, растворимыми в органических растворителях или воде, а также в виде эмульсий или дисперсий.

Полиакрилаты, по сравнению с другими пленкообразующими веществами для красок, обладают рядом преимуществ:

1)  устойчивостью  к воздействию химических веществ;

2)  бесцветностью,  прозрачностью, устойчивостью к  пожелтению даже при длительном воздействии неблагоприятных температур;

3) устойчивостью к поглощению излучения с длиной волны свыше 300 нм (УФ облапь спектра, в том случае, если полиакрилаты не содержат стирол или схожие с ним ароматические соединении);

4)  отсутствием двойных связей;

5)  способностью к сохранению глянца;

6)  стабильностью акрилатов и особенно метакрилатов к гидролизу.

Считается, что  наличие перечисленных свойств  у покрытий обусловлено свойствами индивидуальных мономеров, из которых  получен полимер. Метилметакрилат  способствует повышенной атмосфероустойчивости, светопрочности, жесткости и сохранности  глянца в течение длительного  периода. Стирол увеличивает прочность  и устойчивость к воде, химическим веществам, солевому туману, по уменьшает  светопрочность и сохранность глянца. Алкилированные акрилаты и метакрилаты  придают покрытию гибкость и гидрофобность, а акриловая и метакриловая кислоты  способствуют улучшению адгезии  с металлами.

В свете того что защита окружающей среды становится псе более актуальной, к смолам красок стали применяться новые требования, что существенно расширило ассортимент лакокрасочных систем. Современные лаки и краски должны содержать малое количество растворителя (высокий сухой остаток) или совсем не содержать растворителя (порошковые покрытия), должны разбавляться водой (водно-дисперсионные краски), быть термопластичными или реакционноспособными. Все эти свойства должны быть получены за счет полимерной структуры пленкообразующих веществ. Ниже описаны наиболее важные технические параметры полимером.

Температура стеклования (Т) влияет на адгезию, хрупкость и  отслаивание от подложки, образование трещин и устойчивость к высоким ударным воздействиям. Отрегулировать Т в акрилатах относительно легко, например, при помощи изменения соотношения метилированного метакрилата (Т_g гомополимера – 105 °С) к n-бутил-акрилату (Т_g гомополимера – 54 °С). Т также влияет им свойства дисперсий и вязкость растворов. При высоких значениях Т увеличивается время сушки. При низких значениях молекулярной массы (< 6000), что весьма важно особенно для красок с высоким содержанием сухого остатка, температура стеклования зависит от молекулярной массы. Последующее структурообразование приводит к повышению температуры стеклования, который не зависит от плотности образования поперечных межмолекулярных связей.

Наличие стирола  в составе пленкообразующих веществ  снижает устойчивость к УФ-облучению  и к атмосферным воздействиям, но при этом повышает устойчивость к воздействию химически активных веществ, улучшает адгезию и смачиваемость пигмента. Поэтому производители стараются не использовать стирол в красках, которые применяются в качестве верхнего слоя при наружной окраске и для получения прозрачных покрытий.

Разработка красок с низким количеством растворителя (с высоким содержанием сухого остатка) напрямую связана с использованием полимеров, обладающих очень низкой вязкостью. Для таких пленкообразующих веществ принципиально важными параметрами, определяющими вязкость, являются молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение (ММР). Для изготовления красок с высоким содержанием сухого остатка необходимы олигомеры с молекулярной массой около 1000—3000. Акрилатное пленкообразующее вещество с молекулярной массой 100 000 можно использовать для получения краски с содержанием сухою остатка около 12,5 % и с низкой вязкостью, достаточной для ее нанесения. Пленкообразующее вещество с молекулярной массой около 6000 дает возможность получись краску с содержанием сухого остатка рапным 50 %. Для получения низкой вязкости достаточно минимального ММР. Однако с увеличением молекулярной массы физико-механические свойства краски улучшаются. Поэтому пленкообразующие вещества с низкой молекулярной массой, которые сшиваются после нанесения, используются для изготовления красок с низким содержанием твердого сухого остатка. Исходная краска состоит из низкомолекулярных олигомеров, а прочные полимерные пленки образуются после поперечной сшивки и в процессе высыхания. Дальнейшие возможности по уменьшению вязкости связаны со специфическими взаимодействиями между молекулами пленкообразующего вещества и с выбором низковязкого растворителя, который практически не взаимодействует с полимером. Для порошковых покрытий особенно важна вязкость расплава. В этом отношении акриловые полимеры находятся в невыгодном положении по сравнению с полиэфирами.

Для промышленного производства дисперсий необходимо введение функциональных групп в полимерную цепь. Большинство водно-дисперсионных систем представляют собой полимеры со свободными карбоксильными группами. Способность к разбавлению водой достигается посредством нейтрализации кислотных групп водной щелочью или аминами. Пленкообразующие вещества могут также содержать группы азота. Последующее образование дисперсии может происходить после нейтрализации (например, уксусной или молочной кислотой). Так как вязкость дисперсий очень слабо зависит от молекулярной массы, то обычно используются полимеры с очень высокой молекулярной массой. Поэтому дисперсии идеально подходят для получения покрытий, высыхаемых физическим способом. Структурообразование происходит за счет введения функциональных групп.[2]

При использовании  безводных дисперсий можно уменьшить выделение растворителя из красок без понижения молекулярной массы. Акрилаты были описаны выше как пленкообразующие вещества для безводных дисперсий, но кроме низкой вязкости они обладают еще некоторыми преимуществами над обычными покрытиями и, более того, должны конкурировать с красками с высоким содержанием сухого остатка и с порошковыми покрытиями.

1.2 Структурообразование полиакрилатов

В отличие от термопластических полимеров структурированные полимеры нерастворимы, обладают более высокой твердостью и устойчивостью к воздействию химических веществ. Эти свойства чрезвычайно важны для изготовления высококачественных покрытий. Реакции структурообразования приобрели значимость в 1950-х годах после внедрения акриловых смол в автомобильную промышленность.

Следующий импульс  и области создания ЛКМ был связан с ужесточением законодательства об охране окружающей среды. Появление требований к понижению содержания растворителей в красках и замене традиционных красок на растворителях красками со средним и высоким сухим остатком означало, что молекулярная масса пленкообразующих веществ может быть снижена до такого уровня, при котором невозможно сохранить требуемые свойства красок (например, получение покрытий с оптимальным пленкообразованием, твердостью и эластичностью). Эти свойства возможно получить путем увеличения молекулярной массы в результате структурообразования после нанесения покрытия. Химическая реакция после нанесения также дает преимущества дисперсиям с высокой молекулярной массой. У них повышается температура стеклования и прочность пленки.

Широко используемый метод структурообразования пленок краски состоит из реакции между  гидроксилсодержащими акрилатами и  меламинформальдегидными смолами  или мочевиноформальдегидными смолами. Гидроксилсодержащие акрилаты получают при помощи сомономеров, таких как гидроксиэтилметакрилат или моноакрилат бутандиола. Аминосмолы являются в некоторой степени самоструктурирующимися, они также образуют межмолекулярные связи с акрилатами через гидроксильные группы. Структурообразование может происходить в процессе отверждения при температуре около 130 °С, либо при наличии кислотных катализаторов. Такие краски обладают замечательным глянцем и устойчивостью к атмосферным воздействиям.

Другой важный метод структурирования — это  взаимодействие гидроксилсодержащих  акрилатов с полиизоцианатами, которые  выступают в качестве отвердителей. Такая смесь структурируется  при комнатной температуре и, следовательно, должна изготовляться  и храниться как двухкомпонентная система, состоящая из основы и отвердителя. Реакция между ароматическими изоцианатами и гидроксилсодержащими акрилатами происходит очень быстро. Поскольку алифатические изоцианаты вступают в реакцию гораздо медленнее, то реакцию катализируют путем добавления дибутилоловодилаурата, аминов или кислот. Свойства таких полиуретановых красок превосходят свойства большинства других лакокрасочных материалов, и их сфера применения постоянно растет. Имеются также однокомпонентные полиуретановые краски, созданные на основе гидроксилсодержащих акрилатов. В них в качестве отвердителя используются блокированные изоцианаты. Для таких систем обычно требуется относительно высокая температура сушки (более 150 °С).

Третья группа реакций структурообразования затрагивает  акриловые смолы, содержащие свободные  группы карбоновой кислоты. Полиэпоксиды в основном используются как структурообразующие  вещества для производства органорастворимых  красок или порошковых покрытий. В  отношении стойкости к щелочам  и растворителям такие соединения превосходят другие, например, отвержденные изоцианатами, или меламиноформальдегидными смолами. Для этого им требуется  очень высокая температура отверждения (более 200 °С). Температуру отверждения  можно уменьшить до 120-150 °С, если в качестве катализатора использовать иодид тетрабутиламмония или  третичные амины. Однако использование  катализаторов снижает стабильность при хранении до нескольких недель.

Если к химической устойчивости, истиранию и прочности  предъявляются менее жесткие  требования (за это ответственна полнота  сшивки), то карбоксилсодержащие акрилаты можно отверждать путем использования  диаминов или комплексов металлов. Этот метод широко применяется, особенно при изготовлении водных дисперсий. Сообщалось также о структурообразонлиии с бисоксазолином.

Водные акриловые дисперсии активно применяются в производстве покрытий для дерева или антикоррозийных покрытий. Такие краски чаще не требуют сушки при повышенных температурах и их механические свойства улучшаются, если структурообразование происходит при комнатной температуре. Азиридины или дигидраиты обычно используют в качестве сшивающих агентов, которые смешивают с дисперсиями после окончания производственного процесса.

Существует много других структурообразующих процессов, но они не нашли широкого применения, либо появились лишь недавно как результаты научных разработок. Сообщается о структурообразовании зпоксидсодержащих акрилатов с аминосмолами и реакциях с полисульфоназидами.

Альтернативой отверждаемым краскам является получение самосшивающихся акриловых полимеров, которые реагируют между собой при пониженных темперах без добавления внешних структурирующих веществ. Такие покрытия нашли применение благодаря устойчивости к химическим веществам, прочности и эластичности, но они менее разнообразны по составу и могут создавать проблемы из-за своей нестабильности в процессе хранения. Кроме того, для достижения высокой степени структурообразования необходимо, чтобы минимальная молекулярная масса была больше, чем у смол, которые не являются самоструктурирующимися. Соответственно, при использовании таких систем невозможно получить краски с высоким содержанием сухого остатка.[3]

1.3 Области применения

Акриловые краски и лаки используются в разных областях и их наносят всеми обычно применяемыми методами. Недавние исследования красок с низким содержанием растворителей и водных дисперсий показали, что возникла необходимость в создании новых специальных рецептур.