Farby i lakiery

Wielkość cząstek surowców użytych do produkcji farb i lakierów ma istotny wpływ na właściwości użytkowe, wytrzymałościowe i wizualne gotowych powłok. Pomiary wielkości cząstek umożliwiają kontrolowanie procesu produkcji. W ten sposób, można uniknąć niepożądanych efektów, takich jak niejednorodność koloru, niski połysk, słaba przyczepność lub szybkie zużycie. Obecność niepożądanych dużych cząstek w farbie może prowadzić do powstania wtrąceń lub chropowatości na powierzchni po jej nałożeniu. W skrajnych przypadkach wady te mogą uniemożliwić uzyskanie pożądanego wyglądu powierzchni, co może prowadzić do konieczności ponownego malowania i kosztów z tym związanych.

W przemyśle farb i lakierów wielkość cząstek wykorzystywanych do produkcji farb pigmentów waha się najczęściej między 0,2 a 0,35 μm. Pigmenty są najdroższymi surowcami wchodzącymi w skład farb, dlatego też producenci starają się zmniejszyć ich objętość przy jednoczesnym zachowaniu odpowiednich właściwości produktu końcowego. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie innych wypełniaczy.

Do opisania niniejszego problemu posłużono się badaniami z wykorzystaniem siarczanu baru (barytu). Baryt jest używany jako rozcieńczalnik do kontroli połysku powłoki, a przy tym jest chemicznie obojętny. Wielkość cząstek rozcieńczalnika pigmentu (wypełniacza) może wpływać na powłokę na jeden z dwóch sposobów:

Wypełniacz może wpływać na połysk powłoki – mniejszy rozmiar cząstek zapewnia gładszą powłokę i zwiększa połysk. Aby osiągnąć wysoki połysk rozmiar największych cząstek musi być mniejszy niż grubość powłoki.
Wielkość cząstek wypełniacza wpływa na wielkość odstępów pomiędzy pierwotnymi cząstkami pigmentu w warstwie farby. Odstępy te mają wpływ na nieprzezroczystość powłoki. Zbyt duża wielkość cząstek wypełniacza może spowodować stłoczenie cząstek pigmentu (Rysunek 1), a co za tym idzie zmniejszenie nieprzezroczystości powłoki.

Z powyższego wynika jak ważne jest kontrolowanie wielkości cząstek siarczanu baru. Wykonanie pomiarów, w których kontrolowana jest wartość percentyla Dv97 umożliwia optymalizację nieprzezroczystości powłoki i zwiększenie połysku.

Poniżej przedstawiono wyniki badań dla różnych wielkości cząstek wypełniacza.

Tabela 1. Wartość percentyla Dv97 przy różnych prędkościach mielenia.

Prędkość mielenia (rpm)	Dv97 (μm)
2850	3,58
3550	2,99
4100	2,68
5300	2,5

Połysk powłoki można zwiększyć poprzez zmniejszenie cząstek. Mniejszy rozmiar cząstek zapewnia gładszą powłokę, która lepiej odbija światło i zwiększa połysk. Zmniejszenie rozmiaru cząstek pomaga w utrzymaniu połysku w czasie w miarę wysychania powłoki.

W przemyśle farb i lakierów niezastąpionym narzędziem jest analizator wielkości cząstek metodą dyfrakcji laserowej Malvern Mastersizer 3000. Instrument wykorzystywany jest do optymalizacji procesów produkcyjnych i kontroli jakości produktów. Dzięki analizatorom Malvern Mastersizer, producenci farb i lakierów mogą dostarczać swoim klientom produkty o najwyższych standardach jakościowych, które spełniają ich wymagania i oczekiwania.

Mastersizer 3000 wymaga znacznego rozcieńczenia próbki. W przypadku potrzeby wykonywania analiz bez konieczności rozcieńczania, lub z minimalnym rozcieńczeniem możliwe jest zastosowanie analizatorów z rodziny SOPAT. Analizatory te mają postać sondy działającej na zasadzie analizy obrazu. Zastosowane w nich zaawansowane algorytmy obliczeniowe pozwalają na identyfikację i analizę wielkości cząstek nawet w stężonych układach. Na rysunku 5 przedstawiono przykład pomiaru pasty pigmentowej. Z lewej strony widzimy obraz oryginalny (w ramce podgląd ze wzmocnionym kontrastem) zaś w prawej strony na zielono zaznaczone zostały automatycznie zidentyfikowane cząstki.

SOPAT może pracować zarówno w laboratorium jak i na linii produkcyjnej. Sonda może być umieszczona bezpośrednio w młynie i w takim przypadku informacja na temat rozkładu wielkości cząstek będzie uzyskiwana w czasie rzeczywistym.

Przemysł farb i lakierów – analiza termiczna

Analiza termiczna jest ważną metodą badawczą w przemyśle farb i lakierów, ponieważ pozwala na dokładne określenie właściwości termicznych i degradacyjnych materiałów, co jest kluczowe dla zapewnienia jakości produktów. Poniżej omówiliśmy szereg urządzeń do analizy termicznej najczęściej wykorzystywanych w tej branży.

Przykładem takiego analizatora jest różnicowy kalorymetr skaningowy (DSC). W kontekście przemysłu farb i lakierów, analizatory DSC odgrywają kluczową rolę w badaniu procesów utwardzania stosowanych żywic. Pozwalają na kompleksową ocenę termiczną tych materiałów, umożliwiając precyzyjne monitorowanie i kontrolę reakcji utwardzania, co przekłada się na optymalizację jakości wyrobów końcowych. Urządzenia DSC są nieocenionym narzędziem do badania właściwości termicznych pigmentów i wypełniaczy, takich jak temperatura krystalizacji lub topnienia. Te informacje są nie tylko istotne dla procesu wytwarzania, ale również dla oceny i selekcji składników w celu osiągnięcia pożądanej wydajności i stabilności produktów.

Dzięki swojej precyzji i wszechstronności, analizatory DSC stanowią nieodłączny element w badaniach i rozwoju nowych materiałów. W połączeniu z innymi technikami analizy termicznej, takimi jak termograwimetria (TGA) czy termomechaniczna analiza (TMA), urządzenia te tworzą kompleksowy zestaw narzędzi, które pozwalają na pełne poznanie zachowań termicznych materiałów w różnych warunkach.

Termograwimetria (TGA) jest jedną z powszechnie stosowanych technik analizy termicznej w przemyśle farb i lakierów. Metoda ta umożliwia szczegółową charakterystykę zmiany masy próbki w zależności od temperatury, co pozwala na dokładne określenie składu chemicznego i właściwości termicznych analizowanego materiału. Wykorzystanie analizatorów TGA jest szczególnie przydatne w badaniu degradacji termicznej polimerów używanych w farbach i lakierach.

Przeprowadzenie analizy TGA pozwala również na wyznaczenie zawartości składników, takich jak wypełniacze, pigmenty i żywice, obecnych w farbach i lakierach. Poprzez monitorowanie zmiany masy materiału w funkcji temperatury, można dokładnie określić ilości poszczególnych składników, co jest istotne dla oceny jakości i stabilności produktów.

Niemniej, należy pamiętać, że nie wszystkie mechanizmy degradacji próbki objawiają się jako reakcje termiczne lub utrata masy próbki. Oznacza to, że przeprowadzenie eksperymentów w klasycznym DSC lub TGA może nie dać pełnego obrazu tego, co dokładnie dzieje się z próbką. Problem ten rozwiązuje zastosowana w analizatorach firmy Hitachi technologia Real View, która pozwala monitorować zmianę koloru badanego materiału i umożliwia obserwację tego co dzieje się w piecu podczas całego eksperymentu. Real View jest szczególnie niezastąpiony w przypadkach drobnych zmian koloru, które trudno wykryć wzrokowo. Pomaga również zapobiegać błędom ludzkim, ponieważ każdy z nas widzi kolory inaczej.

Na Rysunku 6 przedstawiono wyniki analizy termograwimetrycznej podgrzewania do 600 °C próbki polipropylenu z dodatkiem 10% włókien celulozowych – włączona funkcja Real View. Korzystając z trybu analitycznego Lab, widzimy, że indeks „b” (żółty) wzrósł między 200 °C a 300 °C. Sygnał TG nie zmienił się w tym czasie, ale zmiana koloru mówi nam dokładnie, gdzie nastąpiła degradacja próbki.

Kolejnym zaawansowanym narzędziem stosowanym w analizie termicznej jest analizator DMA (Dynamic Mechanical Analyzer). Instrument jest wszechstronnym narzędziem wykorzystywanym w przemyśle farb i lakierów do charakteryzacji właściwości mechanicznych i dynamicznych materiałów polimerowych.

DMA jest niezastąpionym narzędziem wykorzystywanym do badania własności lepkosprężystych materiału, a także określania innych mechanicznych właściwości jednocześnie w funkcji temperatury i częstotliwości. Właściwości mechaniczne danej substancji ściśle związane są ze zmianami strukturalnymi, zatem technika ta pozwala także na ilościowe badanie zmian w strukturze. W wyniku takich badań można uzyskań informacje m. in. o zespolonym module ścinania, a w efekcie o sieciowaniu i reakcjach utwardzania tworzyw termoplastycznych i elastomerów, kompatybilności mieszanin, wpływie wypełniaczy i innych dodatków na zachowanie mechaniczne substancji, tłumiącym zachowaniu materiałów.

W badaniach DMA zwykle wykorzystuje się metodę sinusoidalnego odkształcenia i rejestruje reakcję materiału na naprężenie oscylacyjne. Przesunięcie fazowe między przyłożonym naprężeniem a zmierzonym odkształceniem odzwierciedla tendencję materiału do płynięcia (właściwości lepkosprężyste), natomiast jeśli odpowiedź jest zgodna w fazie ma on właściwości elastyczne.

Urządzenie daje możliwość zbadania zachowania mechanicznego powłok polimerowych w odpowiednich warunkach pracy. Przykładowo, można zbadać ich wytrzymałość na rozciąganie, zginanie, skręcanie, sprężystość, kruchość i wytrzymałość na zmęczenie. Te właściwości mechaniczne są kluczowe dla oceny odporności powłok farb i lakierów na zewnętrzne obciążenia, takie jak wstrząsy, uderzenia, deformacje termiczne czy naprężenia cykliczne. Analizator DMA pozwala na generowanie krzywych naprężenia-odkształcenia, które są wykorzystywane do określenia granicznej wytrzymałości mechanicznej oraz właściwości dynamicznych powłok polimerowych, co ma duże znaczenie dla ich stosowania w praktyce.

Podsumowując, wymienione powyżej analizatory pozwalają na precyzyjne określenie właściwości termicznych, mechanicznych i chemicznych materiałów, co jest niezbędne dla zapewnienia najwyższej jakości produktów. W zależności od potrzeb badawczych, dostępne są różne analizatory, które pozwalają na wykonanie szerokiego spektrum badań niezbędnych w przemyśle farb i lakierów.