Каолін в лакофарбових матеріалах
Огляд матеріалів публікацій. Укладач Ю. К. Пирогов
Каолін - повсякденна назва мінерального продукту, що складається повністю або частково ізалюмосіліката каолинита. Мелені і класифіковані марки каоліну можуть містити малі кількості споріднених пластинчастих силікатів (слюди, иллитом, хлорита, смоктати) і кварц. Більшість каолінів, які використовуються в лакофарбової промисловості, є відмитим для видалення цих мінеральних домішок. Каолін має плоску структуру, але, на відміну від тальку і слюди, його роль в покриттях визначається більшою мірою внеском в оптичні, ніж в фізичні властивості покриттів.
Структура каолинита може бути описана як шар кілець кремнію, сполучений із шаром октаедрів алюмінію за допомогою атомів кисню, що показано на рисунку 1.
Добре сформовані частки каолініту мають вигляд гексагональних пластинок. У природі ці платівки сладиваюся в "стопки" або "книжки". Оскільки індивідуальна частка каолінітаімеет кисневмісну поверхню з одного боку і гідроксильну поверхню - з іншого, вона міцно з'єднана з частинками вище і нижче її. Це робить розщеплення шарів більш складним процесом, ніж для інших плоских силікатних наповнювачів - тальку і слюди. Каолін гідрофілені тому легко диспергується у воді; для наведених застосувань сумісність з матрицею поліпшується поверхневою обробкою.
марки каоліну
Каолінові глини зазвичай діляться на тверді та м'які. згідно з термінологією, яка прийшла з гумової промисловості. Тверді глини - щодо погано кристалізовані, дуже дрібнозернисті каоліни з седиментаційним медіанного діаметром приблизно 0,2-0,4 мкм. Вони забезпечують підсилюють властивості в резинах, даючи жорсткі вулканізовані суміші. М'які глини - краще кристалізовані, грубі каоліни, з частинками приблизно 1,3 мкм діаметром. Вони мають менший підсилює ефект, даючи більш м'які суміші.
Лакофарбові марки каолінів поділяються на звичайні (гідратованих, повітряно-фракціоновані) і кальциновані. Звичайні каоліни структурно немодифіковані і зберігають свої гідрофільні поверхневі гідроксили, тобто кристаллизационную воду. Більшість звичайних каолінів, які використовуються в ЛФМ в США і Європі, є відмитим. Ці марки виходять при диспергування глини в воді з подальшим центрифугуванням або гідроціклонірованіем для видалення домішок і отримання необхідного розподілу часток за розмірами. Очищена суспензія або зневоднюється (для видалення водорозчинних домішок) і висушується, або концентрується до 60-85% сухої речовини і поставляється у вигляді суспензії або гранул. Відмиті марки часто обробляють для поліпшення їх білизни. Обробка включає хімічне відбілювання і / або високоінтенсивних магнітну сепарацію для видалення залізних, титанових та інших фарбувальних домішок.
Деламінірованний каолін отримують перетирання грубих фракцій, отриманих при відмиванні м'яких глин. При цьому каолінітові стопки розшаровуються на тонкі, широкі індивідуальні пластинки, поліпшується яскравість, світлорозсіюючі і бар'єрні властивості.
Сухоізмельченние марки каоліну сепаруються в повітряному потоці для зниження кількості домішок і отримання потрібного розподілу за розмірами. Лакофарбова промисловість використовує лише невелику кількість сухоізмельченного каоліну через його гірших колірних характеристик і більш високою абразивності, обумовленої домішками.
Кальцинований каолін отримують термообробкою відмитого і вибіленого каоліну. Низькотемпературне кальцинування, приблизно при 650-700 ° С, видаляє структурні гідроксили і дає аморфний метакаолін. Питома вага падає під час процесу з 2,58 до 2,50, в той час як твердість і пористість, а отже і яскравість, светорассеяніє і маслоемкость, зростають. Повністю кальциновані глини з максимум яскравості і светорассеяния виходять при нагріванні до 1000-1150 ° С. Це достатня температура для повного руйнування аморфної структури з подальшим збільшенням питомої ваги до 2,6-2,7, але без мінералогічної трансформації в муллит (питома вага 2,6-2,7, твердість 6-7). Баланс светорассеяния і яскравості може бути змінений за допомогою температури, швидкості нагріву і флюсів, що використовуються в процесі кальцинування.
З огляду на значущості впливу каоліну на оптичні властивості покриттів, кальциновані каоліни пропонуються в більшому асортименті, ніж інші силікатні функціональні наповнювачі, з метою надати весь спектр кристалличности і структури, розмірів частинок, яскравості і колірних відтінків, покриваності і матирующих властивостей. Каолін можуть бути ще більш різноманітними при хімічної модифікації. Існують марки з покриттям диспергаторами для легкості диспергирования в воді, також як і оброблені силанами або стеарат для поліпшеної сумісності з органічними матрицями.
Властивості і використання каоліну
США є основним постачальником лакофарбових марок каолінів, які виробляють в даний час близько 7,5 млн тонн / рік, 45% з яких експортуються. Внутрішнє споживання каоліну складається з приблизно 64% відмитого, 15% деламінірованного, 11% кальцинованого і 9% сухоізмельченного. Близько 66% внутрішнього споживання використовується у виробництві паперу для покриттів (56%) і наповнення (10%); наступним споживачем є лакофарбова промисловість з 6%.
- з України 150-160 тис. т. (90-93%), в тому числі 120-140 тис. т. каолінової глини для кераміки, вогнетривів і цементу, 2-3 тис. т. сухоізмельченного каоліну і більше 20 тис. т . гідроціклонірованного каоліну для наповнення і покриття паперів;
- з Іспанії 0,6-1 тис. т (для кераміки);
- кальцинований і деламінірованний каоліну ввозиться з Німеччини, Англії та Фінляндії (реекспорт / США) 14-15 тис. т. в основному для підприємств з іноземною участю - паперова (98-99%) і лакофарбова (до 1%) промисловість.
Спектр властивостей різних марок каолінів представлений у Таблиці 1.
Каолін в основному використовується в рецептурі ЛКМ як екстендер (розподільник) діоксиду титану в водорозбавляються архітектурних фарбах. Тут кальциновані каоліни зазвичай реалізують свої видатні властивості - яскравість, розподіл діоксиду титану і криють властивості. Відмитий і деламінірованний каолін також частково покращує розподіл діоксиду титану, кілька збільшує криючу здатність і може використовуватися для регулювання глянцю (чим менше розмір часток, тим сильніше глянець).
Незважаючи на той факт, що лакофарбова промисловість зацікавлена в основному в оптичних властивостях каолінів, цей мінерал служить також і функціональним наповнювачем. Каолін - тонкодисперсний, шаруватий, хімічно інертний матеріал. Він має нейтральний або слабокислий рН 10% водної дисперсії і може поставлятися з заданим розподілом часток за розмірами. Каолін використовуються для поліпшення тиксотропних властивостей, плинності, що вирівнюють властивостей, гладкості плівок, міцності плівок і атмосферостойкости. Деламінірованние каоліни кращі для поліпшення бар'єрних властивостей, зменшення вицвітання і загальної стійкості зовнішніх покриттів. Кальциновані каоліни через свою підвищеної твердості збільшують також зносостійкість покриттів. Типи покриттів, в яких використовуються каоліни, наведені в Таблиці 2.
Каолін як екстендер пігментів
В оптимізації рецептів фарб для досягнення найкращого співвідношення "ціна-якість" вибір каолінового екстендера є вирішальним, і цей вибір залежить від типу покриття.
Фарби з високою об'ємною концентрацією пігментів
Фарби з високою об'ємною концентрацією пігментів (ОКП), що перевищує критичну об'ємну концентрацію пігментів (кокпіт), економічні та зазвичай мають високу криючу здатність при низькій і дуже низької концентрації ТiO2. Здатність, що криє - вирішальне властивість фарб з високою ОКП, вона регулюється як концентрацією ТiO2. так і упаковкою екстендера-наповнювача. При даній концентрації ТiO2 площа контакту "наповнювач-повітря" в упаковці екстендера-наповнювача є Главниі регулятором здатності, що криє в сухих плівках фарб. Екстендери з пористою структурою, такі як кальцинований каолін, забезпечують високу площу контакту "наповнювач-повітря" і, отже, високу криючу здатність лакофарбових покриттів.
Фарби з ОКП нижче критичної, такі як блискучі і напівматові фарби, не мають газової фази в сухих плівках. Тут вся поверхня твердих частинок змочена сполучною, що створює гладку плівку ЛК-покриття, і здатність, що криє визначається в основному частинками ТiO2 і лише в меншій мірі - замкнутими повітряними мікрополем частинок каоліну. При будь-якої концентрації ТiO2 здатність, що криє поліпшується при досягненні максимальної експозиції поверхні частинок ТiO2 до світла.
Використовуючи тонкодисперсний каолін з розмірами частинок порядку 0,2-0,4 мкм (аналогічними розмірами частинок ТiO2) ми отримуємо оптимальне об'ємне розподіл часток ТiO2. запобігаючи подальшу агломерацію і забезпечуючи максимальну експозицію до світла.
Вибір екстендера пов'язаний безпосередньо з основними властивостями, які вимагають поліпшення або регулювання при складанні рецептури фарби.
При наповненні вище кокпіті фарби будуть матовими. Ступінь матовості визначається відображенням світла при 85 градусах, званому блиском. Наповнені нижче кокпіті фарби мають глянець і можуть бути напівматовими або високоглянсовими. Глянець вимірюється при кутах віддзеркалення світла 60 або 20 градусів. Розглянемо використання відповідних каолінових екстендерів в матових слабо блискучих фарбах. Мета - поліпшити криють властивості, зберігши або поліпшивши інші властивості.
Для досягнення низького блиску в системах з високою ОКП використовуються наповнювачі-екстендери з великими частками, які несприятливо впливають на криють властивості.
Для уникнення зниження криють властивостей при низькому блиску розроблені тонкодисперсні високобелие кальциновані каоліни, наприклад KAOKAL ®. Міка ® 03-98, Міка ® 02-98. Cтруктурірованная поверхню частинок кальцинованого каоліну ефективно розсіює світло, даючи зниження блиску. Крім низького блиску і високою покриваності ця поверхнева структура показує чудові фінішні властивості (мінімальне розходження в блиску при різній товщині шару фарби).
Тонкодисперсний (1-3 мкм по методу лазерної дифракції) екстендер дає хороший розподіл TiO2. приводячи до поліпшення покриваності. Унікальна поверхнева структура ефективно розсіює світло, даючи низький блиск. Порівняльні характеристики кальцинованих каолінів різних марок, а також поліпшеного збагаченого каоліну КВФ-90-1 приведені в Таблиці 3.
Зі збільшенням попиту на більш чисті відтінки і високу білизну фарб розроблені нові кальциновані каоліни з високою яскравістю. Ці марки з яскравістю вище 95% дають блакитні або нейтральні відтінки і чудову покриваність фарб, які можуть бути отримані при помірних витратах.
висновок
Рецептура фарб може бути оптимізована з поліпшенням покриваності при збереженні або зниженні витрат при правильному виборі екстендера. Ціна якісної фарби сильно залежить від кількості використовуваного TiO2. Застосовуючи відповідні екстендери на основі кальцинованого каоліну для поліпшення здатності, що криє при скороченні витрати TiO2. ми отримуємо технологічно обумовлене зниження економічних витрат без погіршення інших важливих властивостей лакофарбових покриттів. Розуміння взаємозв'язку між розмірами частинок, їх формою, структурою поверхні і складу (наявність прихованих мікропорожнин, оптично неоднорідних шарів і т.п.), маслоемкость дає рецептурщіку можливість і гнучкість в отриманні потрібних властивостей при заданій вартості.