Dispersii polimerice diluabile cu apa, pentru acoperiri neindustriale destinate lemnului (deco si do it yourself diy) - tehnologii clariant

DISPERSII POLIMERICE DILUABILE CU APA, PENTRU ACOPERIRI NEINDUSTRIALE DESTINATE LEMNULUI (Deco si Do it yourself DIY) - TEHNOLOGII CLARIANT

In general acoperirile de protectie a lemnului trebuie diferentiate, in destinate aplicarii la interior si aplicate la exterior [25].

Figura 2.28. Acoperiri pentru lemn - aplicatii la interior

Figura II.21. : Acoperiri pentru lemn - aplicatii la exterior

Un rol important in toate aceste aplicatii il joaca grundurile [23].

Se pot defini pana la 3 clase generale diferite de sisteme de acoperire pentru lemn :

* Grunduri :

- Grunduri de imbinare (cu sau fara conservant pentru lemn) ;

- Grunduri pentru blocarea patarii (pigmentate sau transparente) ;

* Stratul final pentru aplicatii la interior

- Acoperiri pentru lambriuri si podele (transparente sau pigmentate) ;

* Stratul final pentru aplicatii la exterior

- Acoperiri de protectie impotriva intemperiilor (transparente sau pigmentate ; fara conservant pentru lemn) ;

- Acoperiri pentru protectia lemnului (transparente si pigmentate ; cu conservant pentru lemn).

1. GRUNDURI

Grundurile sunt foarte importante pentru sistemele de protectie a lemnului diluabile cu apa, destinate aplicatiilor la exterior. Datorita faptului ca dispersiile polimerice contin particule si a faptului ca apa poate umfla lemnul, necesitatea utilizarii acestor grunduri devine imperativa.

Pentru sistemele pe baza de apa destinate lemnului pot fi definite doua tipuri de grunduri : grundurile de imbinare si grundurile impotriva aparitiei petelor.

Grundurile de imbinare sunt necesare impotriva protejarii lemnului inaintea aplicarii stratului final. Acest lucru este foarte important pentru straturile finale destinate aplicarii la exterior, pentru a imbunatati durabilitatea si rezistenta acestora impotriva atacului ciupercilor. In mod normal, dispersiile pe baza de apa prezinta o adancime de impregnare mai slaba decat sistemele pe baza de solvent, datorita particulelor mult mai rugoase (pana la aproximativ 150 nm). Din acest motiv, pentru aceste grunduri, au fost dezvoltate dispersii cu particule fine (dimensiunea particulei aproximativ 50 nm), numite hidrosoli. Particulele fine sunt necesare pentru a crea un efect de impregnare suficient de mare, astfel incat polimerul impreuna cu fungicidul sa patrunda adanc in lemn.

Aceste dispersii cu particule fine se pot utiliza si la formularea de baituri transparente de imbinare, destinate vopsirii gardurilor din lemn (aplicare in minim doua straturi).

Figura 2.29. Influenta dimensiunii particulei asupra adancimii de penetrare in lemnul de pin

Aceste sisteme prezinta o buna durabilitate la exterior.

Figura 2.30. Baituri de imbinare pe baza de Mowilith DM 760 dupa doi ani de expunere

De exemplu, Mowilith dm 760 este utilizat pentru acest tip de grunduri [21].

O problema este migrarea taninului la diferite tipuri de lemn. Aceste taninuri vor fi dizolvate de apa si vor penetra filmul de vopsea in timpul uscarii. O alta posibilitate este, ca in timpul expunerii la umiditate accelerata, aceste taninuri sa migreze prin filmul uscat la suprafata stratului. Acest efect este puternic observat la acoperirile albe sau la nuantele pastel pe cedru rosu, meranti, framire sau alte esente tropicale bogate in tanini. Se poate observa un efect de decolorare. De asemenea, nodurile lemnului de molid sau pun pot fi o problema. Pentru a preveni toate aceste probleme de decolorare, sunt necesare grunduri pe baza de dispersii cu o reticulare speciala. Aceste grunduri previn sau reduc riscul de decolorare a stratului final. Figura 2.24.  prezinta efectul unui astfel de grund pe baza de Mowilith LDM 6150 [21].

Figura 2.31. Testarea grundurilor impotriva petelor, aplicate pe lemn de Framire

In mod special, dezvoltarea dispersiei Mowilith LDM 6150 a facut posibila formularea unor duri de izolatie sigure, eficiente si ecologice. Mowilith LDM 6150 contine toate substantele active necesare pentru a produce un efect de izolatie. Cu aceste formulari optimizate, pigmentii speciali sau compusii toxici pot lipsi cu desavarsire.

Acest lucru a fost formulat prin teste in care proprietatile grundului de izolatie pe baza de Mowilith LDM 6150 au fost investigate.

Figura 2.32. Aspectul unor substraturi dupa ce li s-a aplicat testul cu Mowilith LDM 6150.

2. ACOPERIRI DESTINATE PROTECTIEI LEMNULUI LA EXTERIOR

Lemnul, in functie de tipul sau, va fi distrus de actiunea apei, daca nu este protejat prin acoperire. Lignina din lemn va fi distrusa de actiunea razelor UV si dizolvata apoi de apa din structura celulozica a lemnului. Rezultatul este colorarea in gri a suprafetei lemnului. Aceste structuri de lemn sunt foarte sensibile la atacul ciupercilor si al insectelor. Astfel, structurile din lemn trebuie in mod normal protejate de umiditate, de actiunea radiatiilor UV si a ciupercilor pritr-un sistem de acoperire de protectie [22].

Denumirea de acoperiri de protectie impotriva intemperiilor este in mod normal folosita pentru vopselele care nu contin conservant pentru protectia lemnului impotriva atacului fungilor. Astfel, pentru aceste sisteme de acoperire, daca sunt aplicate pe o suprafata lemnoasa neimbinata, este necesara folosirea unui grund ce contine fungicizi. Ele au in principal un rol de protectie impotriva intemperiilor cum ar fi radiatiile UV sau apa.

Principalele proprietati ale sistemelor de protectie impotriva intemperiilor sunt :

durabilitate buna la exterior ;

fara pierdere puternica a flexibilitatii ;

flexibilitate buna ;

aderenta buna la substrat, chiar si in conditii de umiditate ;

transmisie a vaporilor de apa suficient de buna ;

efect hidrofob bun si absorbtie redusa de apa ;

nivel scazut al SOLVENTI ORGANICI VOLATILI (VOC) ;

fara APEO (alchil fenoletoxilati), in viitor ;

pentru Germania, in conformitate cu eticheta « blue angel »;

rezistenta buna la lipire, pentru rame de ferestre.

Pot fi definite 3 sisteme diferite :

• vopsele clasice de protectie la intemperii;
• vopsele sau emailuri lucioase pe baza de apa ;
• sisteme transparente cum ar fi baiturile sau lacurile.

Vopsele pentru protectie impotriva intemperiilor

Aceste acoperiri diluabile cu apa sunt in general pe baza de dispersie de acetat de vinil/dibutil maleat (Vina/DBM), dispersii nimite in cazul Clariant, Mowilith DM 2H si DM 2HB si folosite de mai bune de 30 de ani. Sunt pigmentate cu o valoare a PVC de aproximativ 30% si au un aspect semilucios [22].

Buna flexibilitate in conditii de umiditate este un motiv pentru proprietatile remarcabile la exterior ale acestor dispersii

Figura 2.33 Alungirea filmului unei vopsele de protectie impotriva

intemperiilor (PVC aproximati 30%)

Pentru a avea rezultate optime chiar si la nuante albe, este necesara utilizarea unui grund antipatare pe baza de Mowilith LDM 6150 sau un grund pe baza de Mowilith DM 760 care sa contina fungicid.

Figura 2.34. Parti din lemn ale unei case vechi acoperite cu vopsea de

protectie impotriva intemperiilor pe baza de Mowilith DM H2

Vopsele lucioase si lacuri (baituri)

Liantii utilizati in vopselele destinate protectiei impotriva intemperiilor pot fi utilizati numai in sisteme pigmentate datorita albirii filmului si a lipiciozitatii relativ ridicate. De altfel, datorita dimensiunilor relativ grosiere ale particulelor dispersiei, este imposibila producerea de acoperiri de protectie pigmentate cu valori mari ale luciului.

Pentru acoperirile pe baza de apa cu luciu inalt, transparente sau pigmentate, au fost dezvoltate dispersiile acrilice. Cu acesta clasa de polimeri este posibila descrierea de produse cu proprietati de exceptie, chiar si in ceea ce priveste aspectul rezistentei la lipire a acoperirilor cu nivel scazut al SOLVENTI ORGANICI VOLATILI (VOC).

3. DISPERSII APOASE DE POLIMERI

O mare parte a dispersiilor apoase de polimeri sunt obtinute utilizand ceea ce se cunoaste despre metoda polimerizarii in emulsie. In timpul procesului de fabricatie intervin diferiti parametri care influenteaza structura dispersiei apoase de polimer [25].

Figura 2.35. Structura latexurilor

Proprietatile latexurilor sunt influentate in principal de proprietatile coloidului de protectie (de exemplu sistemul de stabilizare), de proprietatile particulei (de exemplu dimensiunea particulei si distributia granulometrica) si de proprietatile polimerului.

Tipul sistemului de stabilizare influenteaza dimensiunea particulei si distributia granulometrica a acestora. Morfologia particulei este de asemenea un parametru important.

Proprietatile polimerului sunt influentate de diferitele clase si tipuri de monomeri si de faptul ca ei sunt « hard si soft de stabilizare » sau « monomeri de reticulare si functionali ».

Clasificarea monomerilor :

monomeri hard : stiren, metacrilat de metil, clorura de vinil, acetat de vinil, propionat de vinil,acrilonitril ;

monomeri de stabilizare : acid acrilic, acid metacrilic, acid fumaric, vinil sulfonat de sodiu, acrilamida ;

monomeri soft : acrilat de butil, acrilat de 2-etilhexil, etilena, versaticacidvinilester, butadiena ;

monomeri de reticulare functionali : compusi cu grupe halogenate, compusi polivinil si poliamidici; copusi N- mabiol si esterii corespunzatori.

In mod normal sunt utilizate dispersii de copolimeri acrilici. Prin alegerea monomerilor si a raportului acestora, valoarea Tg poate fi ajustata. Comparativ cu esterii metacrilici, esterii acrilici confera mai multe proprietati « flexibile » polimerului (aratate prin valoarea Tg a homopolimerului corespunzator).

Pentru lacurile de lemn sunt preferate in mod normal dispersii cu dimensiunea particulei fina, stabilizate cu emulgatori, in principal datorita transparentei mai bune.

4. DISPERSII OMOGENE

Dispersiile acrilice conventionale sunt produse printr-un proces de polimerizare in dispersie intr-o singura faza. Prin acest proces, duritatea necesara pentru lacurile de mobila, poate fi atinsa numai folosind o dispersie cu o valoare Tg mare si de aceea cu o valoare MFFT mare [25].

Figura 2.36. arata influenta raportului dintre monomeri, la un monomer hard MMA si la unul soft BuA asupra valorii Tg (care este un indicator pentru duritatea polimerului) si a valorii MFFT rezultata. Se arara ca MFFT si Tg scad ca o functie a continutului de copolimer.

Figura 2.36. Dispersie de copolimer pe baza de metacrilat si acrilat de butil, MFFT si Tg ca functie a compozitiei de copolimeri

MFFT este in general mai mica decat Tg, datorita efectului de plastifiant pe care il are apa in polimer. La un raport al monomerilor de 10/60 (MMA/Bua) valoarea MFFT a dispersiei rezultata este de 0⁰C. S-a masurat MFFT in domeniul 0-80⁰C.

Lacurile transparente care au la baza aceste dispersii, prezinta o tendinta similara la testarea unor proprietati tehnice importante, cum ar fi rezistenta la lipire si alungirea la rupere.

Figura 2.37. Rezistenta la lipire si la alungirea unui lac transparent pe baza de dispersie omogena : acrilat de butil/metacrilat de metil

Rezistenta la lipire este forta pe suprafata necesara separarii placilor lipite. Valorile mari indica o rezistenta la lipire proasta, ceea ce inseamna ca placile testate se lipesc mai mult sau mai putin si de aceea este nevoie de o forta mai mare pe suprafata pentru a separa placile.

Figura 2.30. arata influenta raportului de monomeri asupra rezistentei la lipire si a alungirii la rupere. Raportul monomerilor si prin urmare Tg au o influenta asupra rezistentei la lipire si a alungirii la rupere. Tendinta de lipire si alungirea la rupere cresc prin cresterea cantitatii de BuA [25].

Vopselele lucioase si baiturile care au la baza dispersiile omogene, prezinta urmatoarele proprietati :

luciu bun ;

flexibilitate buna si durabilitate la exterior (in functie de raportul de monomeri) ;

aderenta buna chiar si in conditii de umiditate ;

fara albire (decolorare) ;

absorbtie redusa de apa.

Daca acoperirea trebuie sa aiba o rezistenta la lipire mai buna (de exemplu pentru ferestre) se pot utiliza cantitati mici de solvent sau asa numitele dispersii heterogene.

5. DISPERSII HETEROGENE

Pe langa clasicul proces de polimerizare intr-o faza, exista posibilitatea obtinerii dispersiilor printr-un proces in doua faze. Prin acest proces se pot obtine particule de polimeri cu o structura multifazica [21].

Aceste dispersii de polimeri in doua faze sunt numite dispersii cu nucleu invelit (core/shell) sau dispersii heterogene. Astfel de posibile structuri sunt descrise in figura 2.38.

Figura 2.38. Structuri ale particulelor de latex polimer Hard/Soft

Diferitele structuri heterogene pot fi atinse prin variatia compozitiei de monomeri (de exemplu monomeri hidrofilihidrofobi), a sistemului de stabilizare sau procedeul procesului de polimerizare (procedeu tehnologic).

Este posibila monitorizarea morfologiei particulei prin metoda AFM (Atomic Force Microscopy). In figura 2.39. este prezentata o morfologie tipica de nucleu invelit (core/shell), in care faza soft din exterior este capabila sa curga, spre deosebire de faza hard. Faza soft este responsabila pentru formarea filmului iar cea hard pentru efectul anti-blocking (rezistenta la lipire).

Figura 2.39. Fotografia particulelor semisferice cu structura de nucleu invelit

Cresterea valorii fazei hard conduce la o imbunatatire semnificativa a rezistentei la lipire si doar o usoara crestere a valorii MFFT. In acest caz, faza soft actioneaza ca o faza respunzatoare pentru formarea filmului, iar faza hard actioneaza ca un ''filler''. In cazul in care cantitatea de faza hard este prea mare, faza soft nu este capabila sa formeze un film omogen si de aceea MFFT creste.

Figura 2.40. Rezistenta la lipire si MFFT in functie de raportul dintre fazele soft si hard

Pentru acest motiv in sistemele model, a fost atins un compromis bun, utilizand o cantitate de 50% faza hard si 50% faza soft. Rezistenta la lipire este buna iar MFFT nu este prea mare.

6. COMPARATIE INTRE DISPERSIILE OMOGENE SI CELE

HETEROGENE, IN LACURI

Pentru a da indicatii precise despre diferitele proprietati ale dispersiilor omogene comparativ cu dispersiile heterogene in cazul utilizarii lor in lacuri, s-a comparat o dispersie model omogena cu un raport al monomerilor 50% MMA si 50% BuA cu o valoare MFFT rezultata de aproximativ 8⁰C, cu un model de dispersie heterogena cu o valoare MFFT aproape egala (de aproximativ 10⁰C). Dispersia heterogena contine doua faze polimerice in report de 1 : 1, cu aceeasi compozitie completa de monomeri ca si dispersia omogena [25].

Figura 2.41. arata ca dispersia omogena prezinta o rezistenta la lipire foarte proasta si o elasticitate foarte mare. Dispersia heterogena prezinta o buna rezistenta la lipire si o elasticitate relativ scazuta.

Figura 241. Alungirea si rezistenta la lipire a dispersiilor omogene si

heterogene cu acelasi raport al monomerilor (50 MMA/50 BuA)

Acesta este un punct foarte important deoarece dispersiile heterogene pot esua in aplicatiile la exterior daca au un film prea casant (friabil). Este nevoie de mult know-how si costuri, multa putere de cercetare pentru a concepe o astfel de structura a polimerului, cu o suficienta durabilitate la exterior si o buna rezistenta la lipire.

Dispersiile de succes pentru aceste aplicatii sunt Mowilith DM 7410, LDM 7450/7451 si LDM 7416.

7. COMPARATIE CU RASINILE ALCHIDICE

O comparatie schematica este prezentata in figura 2.42.

Figura 2.42. Comparatie intre performantele unei dispersii acrilice si o rasina alchidica

Acrilatii si in special dispersiile heterogene de acrilati, se prezinta bine in comparatie cu rasinile alchidice pe baza de solventi. Duritatea pe termen bun este mult mai buna in comparatie cu rasinile alchidice [25].

Figura 2.43. Vopsea lucioasa aplicata pe lemn de molid, dupa doi ani de

expunere la exterior (45⁰/sud)

Pentru a rezuma, dispersiile heterogene ca Mowilith DM 7410 sa o Mowilith LDM 7451 sun produse foarte bune recomandate pentru obtinerea acoperirilor pentru lemn transparente sau pigmentate, cu SOLVENTI ORGANICI VOLATILI (VOC) redus, pentru aplicare la interior si exterior.

Tabelul 2.27. Profil de produs al diferitelor dispersii de lacuri de lemn

8. FORMULARI DE VOPSELE

Cea mai buna dispersie pentru aceste aplicatii poate esua, daca in receptura sunt utilizate componente necorespunzatoare.

Un punct foarte important este tipul de solvent utilizat in recepturi. Principal, solventul trebuie sa reduca MFFT sau sa imbunatateasca formarea filmului in situatii critice, de exemplu cand vopseaua este aplicata in conditii de umiditate ridicata si temperaturi scazute. Tipul de solvent confera diferite reduceri ale valorii MFFT. Exista de asemenea si o influenta asupra reologiei vopselei.

Un alt aspect este open time-ul. Acesta este influentat, de asemenea, de tipul de solvent. De asemenea, in mod normal in recepturi se folosesc amestecuri de diferiti solventi (hidrofili si hidrofobi).

Pentru a obtine o buna durabilitate exterioara a sistemelor transparente este nacesara utilizarea oxizilor de fier transparenti si/sau absorberilor UV. Astfel, radiatiile UV distrug structurile de lemn sub stratul de vopsea, efect vizibil prin decolorare, atac al ciupercilor si pierdere de aderenta a filmului de vopsea. Sistemele transparente pigmentate cu oxizi de fier transparenti, prezinta o durabilitate exterioara mai buna decat sistemele transparente nepigmentate, in care s-au utilizat numai absorberi UV. In principiu, este posibila folosirea de sisteme nepigmentate pentru aplicatii la exterior, dar in acest caz este necesar adaosul de 1-2% absorber UV (de exemplu Sanduvor de la Clariant sau Tinuvin de la CBA), pentru a obtine o durabilitate exterioara suficienta [23].

Tipul de agent de ingrosare, produce un efect puternic in ceea ce priveste raportul absorbtiei de apa, cretarii, stabilitatii la stocare si alte aspecte.

Chiar si tipul de dispersie de ceara influenteaza rezistenta la zgariere, hidrofobicitatea si luciul.

Pentru sistemele pigmentate, tipul de bioxid de titan si al agentului de umectare sunt foarte importante pentru obtinerea unei valori optime a luciului, a durabilitatii la exterior si a stabilitatii la stocare.

Acestea sunt numai cateva aspecte in ceea ce priveste formularea.

9. CONCLUZII

Optimizarea si imbunatatirea proprietatilor acoperirilor pentru lemn prin modificarea dispersiilor de polimer este scopul pentru anii urmatori. Un aspect foarte important este imbunatatirea proprietatilor la aplicare a acoperirilor diluabile cu apa prin imbunatatirea reologiei si a open time-ului chiar in conditii climatice critice. Un alt aspect este dezvoltarea de sisteme care sa nu contina deloc, sau in cantitati foarte mici, solventi, pentru un miros cat mai redus in cazul aplicatiilor la exterior.

Pentru aplicatiile la exterior, trebuie imbunatatita rezistenta la lipire, fara pierderea durabilitatii.

Rezultatele discutate mai sus arara ca dispersiile de polimer pe baza de apa, aici dispersiile tip Mowilith (produs de Clariant), sunt produse necesare pentru a formula acoperiri pentru lemn cu SOLVENTI ORGANICI VOLATILI (VOC) redus.

Rezultatele arara ca este posibila producerea de dispersii cu o valoare MFFT relativ redusa dar cu buna rezistenta la lipire, duritate la pendul si flexibilitate, prin utilizarea procesului de polimerizare in mai multe etape.

Cooperarea dintre producatorii de vopsele, a celor de materii prime si a furnizorilor si institutelor este de asemenea foarte importanta pentru obtinerea de rezultate optime in acoperirile pentru lemn [25].