автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Полимерминеральная краска для отделки стен зданий

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Карпова Ольга Викторовна

ПОЛИМЕРМИНЕРАЛЬНАЯ КРАСКА ДЛЯ ОТДЕЛКИ СТЕН ЗДАНИЙ

Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы

и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент

В. И. Логанина кандидат технических наук, профессор

Ю.С. Кузнецов

ПЕНЗА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ................6

1.1. Виды защитно-декоративных покрытий для отделки фасадов зданий....................................6

1.2. Виды разрушений покрытий в процессе старения.....18

1.3. Оценка стойкости защитно-декоративных покрытий...21

1.4. Задачи исследований..............................34

2. ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................35

2.1. Характеристика материалов........................35

2.2. Методика оценки реологических свойств красочных составов...............................37

2.3. Методика оценки декоративных и защитных

свойств покрытий.................................38

2.4. Методика оценки физико-механических свойств защитно-декоративных покрытий....................50

2.5. Прочие методы исследований.......................55

3. РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ КРАСКИ ДЛЯ ОТДЕЛКИ СТЕН

ЗДАНИЙ................................................58

3.1. Исследования реологических свойств краски........58

3.2. Кинетика отверждения покрытий....................66

3.3. Эксплуатационные свойства покрытий на

основе сухой отделочной смеси....................70

3.4. Технология приготовления, окраски и хранения----.80

3.5. Выводы по главе..................................82

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВНЕШНЕГО ВИДА

ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ.........................83

- 3 -

4.1. Влияние реологических свойств красочных составов на качество внешнего вида покрытий......83

4.2. Влияние пористости цементной подложи на качество внешнего вида покрытий..................90

4.3. Связь качества внешнего вида покрытий с

их стойкостью в процессе эксплуатации............94

4.4. Выводы по главе.................................100

5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРМИНЕРАЛЬНЫХ

ПОКРЫТИЙ.............................................102

5.1. Закономерности изменения свойств полимерминеральных покрытий при увлажнении......102

5.2. Закономерности изменения свойств

полимерминеральных покрытий при термостарении...123 5.3. Закономерности изменения свойств

полимерминеральных покрытий при действии

УФ-облучения....................................129

5.4. Прогнозирование стойкости покрытий..............135

5.5. Выводы по главе.................................146

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................148

ЛИТЕРАТУРА..............................................150

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................162

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из основных направлений повышения качества конструктивных элементов здания является совершенствование их отделки, повышение эстетических и эксплуатационных характеристик защитно-декоративных покрытий. Анализ научно-технической литературы свидетельствует о возрастании доли красочных составов в отделке фасадов зданий. В настоящее время в высокоразвитых зарубежных странах все чаще используют сухие смеси на основе полимер-минеральных связующих, затворяемые водой непосредственно перед производством отделочных работ. Вместе с тем строительство испытывает дефицит подобных красочных составов.

В связи с этим разработка новых сухих отделочных смесей является актуальной задачей, решение которой позволит повысить качество защитно-декоративных покрытий и культуру производства отделочных работ.

Целью работы является разработка эффективной полимерминераль-ной краски для отделки стен зданий.

Поставленная цель базируется на решении следующих задач:

- разработка состава краски на основе сухой отделочной смеси, технологии ее приготовления и нанесения;

- исследование эксплуатационных свойств красочного состава и покрытий на его основе.

Научная новизна. Установлены особенности формирования качества внешнего вида полимерминеральных покрытий в зависимости от реологических свойств красочных составов, их водоудерживающей способности, пористости цементных подложек. Произведена аналитическая оценка оптимального соотношения компонентов состава.

Установлена кинетика накопления повреждений в процессе, старе-

ния полимерминеральных покрытий. Выявлено, что активная стадия накопления повреждений совпадает с началом меления покрытий и сопровождается возрастанием площади поверхности покрытий. Установлены закономерности изменения свойств полимерминеральных покрытий в процессе старения. Предложена математическая модель, позволяющая по данным, полученным на ранних стадиях старения, прогнозировать стойкость покрытий в процессе эксплуатации.

Практическая значимость. Создан оптимальный состав краски на основе сухой отделочной смеси, предназначенный для отделки бетонных и штукатурных поверхностей, разработана технология его приготовления .

Разработаны рекомендации по повышению качества внешнего вида полимерминеральных покрытий, заключающиеся в применении красочных составов с высокой водоудерживающей способностью, поверхностным натяжением 48 * 56 мДж/м2 и цементных подложек с поверхностной пористостью 3*7%.

Разработаны временные технические условия на изготовление и применение краски на основе сухой отделочной смеси.

Разработанный красочный состав получил промышленное опробование на ОАО ЖБК-1 г. Пензы при окраске 330 м2 стеновых панелей 9ПСВ-59-28-ЗП, 9ПСВ-59-28-2п, 9ПСВ-59-28-1п в заводских условиях и при отделке поверхности фасада школы № 4 г. Пензы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Виды защитно-декоративных покрытий для отделки фасадов зданий

К середине 90-х годов мировое производство лакокрасочных материалов превысило 21 миллион тонн [133, а, по прогнозам, к 2000-му году достигнет 25 миллион тонн, увеличиваясь ежегодно на 3 %. Наиболее быстрыми темпами будет расти рынок лакокрасочных материалов в развивающихся странах Азиатско-Тихоокеанского региона, Африки, Ближнего Востока, Центральной и Кйсной Америки (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Прогноз потребления лакокрасочных материалов

Регион Потребление лакокрасочных материалов, млн.т Среднегодовой прирост, %

1994 г. 2000 г.

Северная Америка 5,195 7,07 + 2,2

Западная Европа 5,405 6,27 + 2,5

Япония 1,520 1,76 + 2,5

Азиатско-Тихоокеанский

регион 3,2 4,46 + 5,7

Центральная и Южная

Америка 1,20 1,52 + 4,0

Восточная Европа 2,713 3,07 + 2,1

Африка и Ближний Восток 0,830 1,05 + 4,0

Как видно из таблицы 1.1, самый низкий прирост лакокрасочных материалов (2,1%) ожидается в странах Восточной Европы. Это объясняется беспрецедентным падением производства лакокрасочных материалов в этом регионе в период 1986 - 1994гг. особенно в республиках бывшего СССР, в том числе и России. Только за 1992 - 1994 гг. ежегодный спад производства на российских лакокрасочных заводах составил 30% [13]. Несколько лучшее положение наблюдается в Чехии, Польше и Венгрии. Однако, и эти страны испытывают трудности из-за сокращения российского рынка, куда традиционно экспортировалась значительная доля лакокрасочной продукции С133.

Постоянное ужесточение законодательства по охране окружающей среды привело к постепенному вытеснению на мировом рынке органо-разбавляемых лакокрасочных материалов водоразбавляемыми С47, 86, 88, 112, 1133, порошковыми С75, 127], материалами с высоким сухим остатком (ВСО) и радиационного отверждения. Особенно это заметно по данным, отражающим динамику потребления лакокрасочных материалов в США [13] (табл. 1.2).

Наряду с этим четко определилась тенденция к использованию при изготовлении, нанесении и сушке лакокрасочных материалов новых методов, основанных на ресурсо- и энергосберегающих экологически чистых технологиях. Увеличился спрос на высококачественные лакокрасочные материалы, отличающиеся повышенной долговечностью покрытий и меньшим расходом на единицу площади. Эти обстоятельства привели к резкому сокращению потребления масляных красок и расширению применения лакокрасочных материалов на основе синтетических смол [13] (табл. 1.3).

На отечественном рынке на долю лакокрасочных материалов непрогрессивного ассортимента (масляные краски, олифы и нитроцеллю-лозные) все еще приходится свыше 40%, однако, в последние годы наблюдается постепенное увеличение удельного веса лакокрасочных

Таблица 1.2

Динамика потребления лакокрасочных материалов в СНА

Тип лакокрасочного материала Доля на рынке, %

1994г. 1999г.(прогноз)

Органоразбавляемые 33,4 18,0

Водоразбавляемые 50,5 62,0

Порошковые 6,0 8,5

с ВСО 9,5 10,5

Радиационного отверждения 0,6 0,8

Таблица 1.3

Доля лакокрасочных материалов на основе синтетических смол в ассортименте лакокрасочной продукции

Тип пленкообразователя Доля в ассортименте, %

Западная Европа США

Алкидные 33,0 27,3

Акриловые 18,0 26,8

Винильные 14,5 19,1

Эпоксидные 7,5 7,1

Прочие 27,0 19,1

материалов на основе конденсационных и полимеризационных смол: с 55,-9 % в 1993 г. до 57,4 % в 1994 г. и до 58,9 % в I полугодии 1995 г. [71].

Все перечисленные выше пленкообразователи используются для изготовления как традиционных органоразбавляемых композиций (лаков и эмалей), так и экологически благоприятных систем с пониженным содержанием летучих органических соединений (ЛОС). Анализ ситуации на мировом рынке указывает на рост производства и потребления последних при явном сокращении спроса на органоразбавляемые системы.

Главной причиной увеличения спроса на прогрессивные лакокрасочные материалы является ужесточение экологических законодательств в большинстве развитых стран, в соответствии с которыми резко ограничивается содержание летучих органических соединений и других токсичных компонентов в рецептурах различного назначения. В США, например, в 1995 г. в соответствии с действующими нормами содержание летучих органических соединений для декоративных красок составляло 250 г/л.

В 1996 г. предполагалось ужесточить указанные нормативы в среднем на 20 - 25 % от уровня 1990 г. С13]. Подобные ограничения действуют и в странах Западной Европы.

В России контроль за загрязнением окружающей среды осуществляется на основе общегосударственных норм предельного содержания вредных веществ в воздухе, сточных водах и т.п. В последние годы возобновлена работа по созданию нормативной базы для проведения сертификации отечественной лакокрасочной продукции.

Уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу при изготовлении и применении лакокрасочной продукции можно достичь двумя путями: использование инженерно-технических решений (оптимизация процесса окраски, автоматизация оборудования, модернизация систем рециркуляции и очистки отходов), а второй - внедрение новых типов

- 10 -

лакокрасочных материалов и современной технологии.

К перспективным направлениям относится использование порошковых красок на основе эпоксидных, полиуретановых, эпоксиполиэфирных и других смол. В России порошковые краски в основном используются для окраски листового и рулонного металла.

По объемам производства и потребления в настоящее время лидируют водоразбавляемые краски. Причиной этого является низкое содержание летучих органических соединений (240 - 300 г/л, а в ряде случаев - 120 г/л), малая токсичность, пожаробезопасность, простота и доступность методов нанесения и т.д. Но эти лакокрасочные материалы из-за сложного состава рецептур и большого числа добавок, как правило, на 5 * 10 % дороже органоразбавляемых аналогов. Однако, с учетом экономии на использование очистного и рециркулярного оборудования окраска водоразбавлямыми лакокрасочными материалами обходится не дороже, а иногда даже дешевле, чем обычными составами. Достоинства водных лакокрасочных материалов способствовали тому, что в некоторых секторах потребления они опередили все другие виды лакокрасочной продукции, включая органоразбавляемые системы. Это относится прежде всего к строительству, где потребление водо-разбавляемых лакокрасочных материалов достигает 70 * 80 % общего объема лакокрасочной продукции, расходуемого на указанные цели (в промышленном секторе в развитых зарубежных странах оно не превышает 20 * 23 %). В ассортименте строительных красок преобладают латексные (воднодисперсионные) краски. Наибольшее распространение получили краски на основе акриловых сополимеров, эпоксидных и ал-кидных, винильных пленкообразователей. За рубежом особенно популярны акриловые, стирол-, винил-, силиконакриловые латексы, покрытие на основе которых обладают уникальным сочетанием блеска, ат-мосферо-, водо-, масло-, щелоче- и цветостойкости.

Весьма перспективными являются силиконакриловые и силиконовые

воднодисперсионные краски, выпускаемые рядом зарубежных фирм специально для строительных работ. Эти краски обеспечивают исключительное сочетание пористости и водостойкости [67, 101, 117].

Бурное развитие экологически полноценных лакокрасочных материалов, сопровождающееся сокращением потребления органоразбавляе-мых, привело к изменению ситуации на рынке растворителей. По статистическим данным европейский рынок растворителей с начала 1990-х годов ежегодно сокращается на 1 %. Наиболее быстрыми темпами снижается потребление углеводородов (на 4,8 %/год) и особенно хлорированных растворителей (на 8,5 %/год) [13, 72, 761.

Аналогичная картина наблюдается и в США, где в период до 2000-го года потребление хлорированных углеводородов будет снижаться на 9,8 %/год, а ароматических и алифатических углеводородов - на 5,7 %/год [13].

Снижение спроса на растворители сопровождается изменением ассортимента растворителей в сторону замены токсичных летучих органических соединений более безопасными и удобными в применении кис-лородосодержащими аналогами: спиртами, терпенами, сложными эфирами гликолей и т.п. Их потребление в ближайшие годы будет увеличиваться на 0,4 * 1,7 %/год.

В отличие от развитых зарубежных стран, где охране окружающей среды придается первостепенное значение, на отечественном рынке почти половину ассортимента все же составляют традиционные лаки и эмали, на производство которых ежегодно расходуется свыше 2 миллионов тонн органических растворителей [13]. Столь высокое потребление дорогих и токсичных растворителей резко ухудшает экономические показатели производителей и потребителей лакокрасочных материалов и крайне отрицательно влияет на экологическую обстановку в стране.

Тем не менее, сокращение выпуска масляных красок (для этих целей ежегодно используется 350 - 400 тысяч тонн растительных ма-

сел) С47] будет компенсировано увеличением выпуска безмасляных -воднодисперсионных, алкидных и других марок эмалей, что позволит значительно сократить расход растительных масел и одновременно повысить срок службы покрытий.

В России для отделки фасадов зданий применяются перхлорвини-ловые летучесмоляные красочные составы. Производство наружных окрасочных работ перхлорвиниловыми составами марок ХВК, ХВ-161, ХВ-182, ХВ-124, ХС-119, ЭП-773 допускается и в зимнее время. В числе новых разработок ОАО "Лакокраска" матовые алкидные эмали "Интерьер" различных цветов [723.

Для наружной окраски стеновых панелей более дешевыми по сравнению с перхлорвиниловыми красками являются цементно-перхлорвини-ловые пасты (ЦПХВ).

В настоящее время лакокрасочная отечественная промышленность продолжает выпускать ряд кремнийорганических эмалей: КО-174, КО-168, КО-1163, ВН-30, которые широко применяются в отделке фасадов зданий. Образуемые покрытия сочетают хорошую адгезионную прочность, достаточную эластичность с атмосферостойкостью и гидрофоб-ностью. Однако, высокая стоимость, плохая укрывистость, излишний блеск и токсичность поставили вопрос о модернизации составов таких покрытий.

Введение в эмаль КО-174 наполнителей - талька, маршалита, молотого кварцевого песка в соотношении от 3:1 до 1:1 (по объему) к кремнийорганическим эмалям позволило получить однородные пасты (кремнийорганополимерные). Покрытия на основе этих паст отличаются матовой фактурой поверхности, позволяют исключить шпатлевание пор и раковин.

Отделка воднодисперсионными полимерными красочными составами позволяет значительно упростить процесс нанесения отделочных слоев по сравнению с использованием эмалей и лаков. В ассортименте вод-

нодисперсионных красок широко распространены акрилатные краски, которые отличаются высокой атмосферостойкостью, устойчивостью к действию ультрафиолетового облучения, водостойкостью и высокой адгезией к бетонам.

Наиболее высокое качество строительных красок обеспечивается при использовании латексов акриловых сополимеров. Так, краски на их основе отличаются высокой атмосферостойкостью, устойчивостью к УФ - облучению, водостойкостью. Для них характерно отсутствие растрескивания или отслаивания при нанесении на поверхность кирпичной кладки, штукатурки. На основе латексов полиакрилатов разработано большое количество строительных красок [112, 113]. Полиакриловые �