Imbunatatirea puterii de acoperire prin variatia materialelor de umplutura pentru vopselele emulsie de interior

Imbunatatirea puterii de acoperire prin variatia materialelor de umplutura pentru vopselele emulsie de interior

Acesta lucrare prezinta un studiu ce subliniaza importanta alegerii materialelor de umplutura care impreuna cu un pigment alb de calitate sa contribuie la atingerea acelor performante dorite pentru o vopsea emulsie de interior. Astfel, s-au studiat diverse tipuri de umplutura (sulfati, silicati, carbonati de calciu) cu pigmenti albi (oxid de zinc, dioxid de titan) intr-un copolimer vinil acetat si etilena (EVA), toate aceste combinatii analizate si masurate prin valori ale puterii de acoperire (opacitatii), indici de alb si galben si luminozitate.

Cuvinte cheie: emulsii peliculogene, filleri, umpluturi, pigmenti albi

In vederea obtinerii unor vopsele de calitate si stabile este necesara stabilirea unor parametri tehnologici optimi. Desi principiile fundamentale pot fi gasite in literatura de specialitate din perioada primului razboi mondial cand Schou descrie posibilitatea obtinerii vopselelor emulsionate pe baza unor lianti trigliceridici, vopselele emulsionate sunt relativ noi [1]. O dezvoltare a sistemelor de vopsele emulsionate a aparut insa numai dupa cel de al doilea razboi mondial, cand au devenit disponibile cantitati importante de butadiena si stiren de la instalatiile de fabricare a cauciucului sintetic. Aceste materiale combinate pentru a forma latexuri butadien-stirenice au devenit capabile sa realizeze vopsele diluabile cu apa. Exista astazi trei tipuri principale de latex care se folosesc ca lianti pentru vopsele si anume: copolimerii stiren-butadienici, polivinilacetatul precum si polimerii si copolimerii acrilici. Termenul de vopsea pe baza de latex a fost dat initial vopselelor emulsionate stiren-butadienice, dar in prezent el defineste toate sistemele realizate cu ajutorul polimerilor emulsionati [2-3].

Materiale si aparate

Baza - s-a folosit o baza care include componentii principali ai vopselei: copolimerul vinil acetat si etilena (EVA), ingrosatorul de tip eter de celuloza, umplutura, conservantul (biocid), apa si solutia amoniacala. Caracteristicile bazei sunt prezentate in Tabelul 1.  

Tabel 1. Caracteristicile bazei utilizate

Vopseaua lavabila este o nanodispersie a unor componente solide denumite baza si respectiv umpluturi intr-un mediu apos [4]. Pentru a conferi stabilitate si alte proprietati ca putere de acoperire, indice de alb, indice de galben etc. se adauga antispumantul, dispersantul, agentul de coalescenta si umpluturile. Umpluturile utilizate au fost: carbonat de calciu natural (CCN), carbonat de calciu precipitat (CCP), TiO₂, polimer opac, aluminosilicat de sodiu, 14,5SiO₂*Al₂O₃*1,4Na₂O, mica, talc, caolin, barita micronizata, diatomita, BaSO₄, silice. Proprietatile optice ale pigmentilor si umpluturilor sunt determinate de diferenta indicilor de refractie intre mediul ambient si pigmentul sau agentul de umplutura. Cu cat aceasta diferenta este mai mare cu atat este mai mare puterea de acoperire [5]. Substantele cu un indice de refractie mai mare de 1.7 sunt in general numite pigmenti albi. Diferente mai mari apar intre aer si agentii de umplutura avand ca efect oriunde apare o interfata intre pigment si aer sau intre umplutura si aer o crestere distincta a puterii de acoperire.

Se pleaca de la ipoteza ca reteta originala sa aiba umpluturi in greutate de 60%. Acest procent se va distribui pe fiecare tip de umplutura in functie de compozitia acesteia, de rolul si raportul acesteia fata de rasina din Baza.

Parte experimentala

In afara de Baza o vopsea lavabila necesita componente conform Tabelului 2:

Tabel. 2. Componentele vopselei lavabile

Variantele care stau la baza acestui studiu sunt prezentate in Tabelul 3:

Tabel 3 - variante de vopsea

S-au realizat douasprezece variante de compozitii de vopsele pentru ca in urma analizelor efectuate sa se poata preciza influenta componentelor si a concentratiilor lor asupra puterii de acoperire, indicelui de alb cat si a indicelui de galben.

Raportul umpluturilor s-a stabilit pe baza Fiselor Tehnice in care se recomanda dozajul optim al fiecarei materii prime intr-o formulare.

Acestea reprezinta formulari teoretice ca si punct de plecare spre alt studiu. Fiecare varianta poate fi analizata separat si reprezinta un studiu la scara mica. Nu sunt formulari finale ci doar variante care pot fi mai departe dezvoltate si analizate.

Aparatura

S-a utilizat un spectrofotometru de tip Byk Gardner pentru caracterizarea peliculelor uscate: putere de acoperire, indice de alb, indice de galben. S-au mai utilizat de asemenea si urmatoarele aparate: bara aplicatoare, carduri pentru opacitate, vascozimetru Brookfield, picnometru, etuva la 105 ⁰C, pH-metru electronic, cuptor incalzit la 950 ⁰C, grindometru si criptometru pentru determinarea puterii de acoperire exprimata prin consum specific.

Mod de lucru

Pentru a obtine o vopsea lavabila de interior asemanatoare cu a uneia care corespunde cerintei pietei, numita in continuare Standard (S), se realizeaza variantele propuse la dispersorul de laborator - Dispermat, pe o cantitate minima, de 1.5 kg fiecare varianta, pastrind aceleasi erori la cantarire (acelasi cantar electronic), aceleasi loturi de materii prime care sunt mentinute constante, aceeasi tehnologie si ordine de introducere a materiilor prime, acelasi timp de omogenizare, acelasi operator. Variantele obtinute sunt pastrate in aceleasi conditii de temperatura si umiditate in laborator (20 +/- 3 ⁰ C, 50 %), si analizate din punct de vedere chimic la 24 de ore de la preparare. Analizarea acestor variante va fi realizata de acelasi operator in aceleasi conditii de lucru pentru a elimina cat mai multe erori.

Procesul tehnologic este urmatorul: baza, jumatate din cantitatea de apa, butil diglicol, jumatate din antispumant si dispersantul, se amesteca la turatie medie de 400-500 rpm, timp de 5 min, apoi se adauga umpluturile, la turatie mare de 1000-1200 rpm, in praf subtire, se umecteaza cu restul de apa, se lasa la amestecare timp de 1-2 ore, pana la o finete de frecare cat mai buna (sub 50 μm) masurata cu ajutorul Grindometrului, se aplica un strat subtire pe o placa de sticla pentru a vedea gradul de dispersie a peliculei, apoi se reduce turatia la 300-400 rpm, si se adauga diferenta de antispumant, si se mai lasa la omogenizarea timp de 2 min.

Rezultate si discutii

Formularile de vopsea notate V1 - V12 sub forma lichida s-au analizat din punct de vedere al vascozitatii, densitatii, continutului de nevolatile, continutului de rasina si organice, al finetii de frecare, al pH-ului cat si al puterii de acoperire exprimata prin consum specific.

In Tabelul 4 se redau caracteristicile acestor formulari lichide obtinute:

Caracterizarea fizico-chimica a probei Standard (S) comparativ cu Variantele realizate este prezentata in Tabelul 4.

Tabel 4 - Caracterizarea fizico-chimica a variantelor studiate comparativ cu cea a Standardului (S)

Din punct de vedere al continutului de rasina, cele douasprezece variante analizate sunt net superioare vopselei de referinta Standard, acest lucru demonstrind ca peliculele de vopsea vor avea o aderenta mai buna la suport dar si un grad de lavabilitate ridicat. Diferenta de vascozitate dintre Standard si variantele studiate se poate regla prin adaugare de apa, lucru ce va duce la scaderea continutului de rasina si implicit a puterii de acoperire. O valoare tripla a vascozitatii nu deranjeaza cu nimic, aceasta poate fi redusa la aplicare prin adaugare de apa cat sa aiba o aplicare corespunzatoare, fara a suferi mari diferente la celelalte caracteristici. Finetea de frecare, gradul de dispersie a umpluturilor, joaca un rol important in formularea unei vopsele, aceasta ducand la o omogenizare cat mai buna, apropiata de cea a unei paste, la o putere de acoperire mai mare dar si la o stabilitate chimica adecvata. Finetea de frecare trebuie sa fie max. 50 m, cu cat ea este mai mica cu atat este mai buna.

Puterea de acoperire masurata ca si consum specific, creste o data cu variatia umpluturii in formulare, lipsa acestora din formulare se vede foarte clar (ex. V1), dar nu intotdeauna o putere de acoperire mai buna duce si la acceptarea variantei ca fiind una finala, aceasta trebuie sa fie in concordanta si cu celelalte caracteristici, cum ar fi densitate, finete de frecare, corp solid.

Un pH intre 8 si 9 duce la o siguranta a stabilitatii mediului de reactie, a evitarii formarii bacteriilor si a fungiilor care se dezvolta in mediul apos la un pH sub 8.

In concluzie, dintre cele douasprezece variante studiate si analizate, V2, V5, V6, V8 si V12 pot fi luate in seama ca si variante de plecare si de acordat atentie la urmatoarele analize efectuate pe pelicula lor uscata.

Caracterizarea peliculelor uscate de vopsea aplicate pe carduri de opacitate

Singura modalitate de a compara doua loturi diferite de vopsea este de a avea un film uscat de grosime si textura uniforme. Cu ajutorul barei aplicatoare s-a aplicat filmul umed de grosime 75 microni pentru a determina puterea de acoperire, indicele de alb si indicele de galben. Daca grosimea filmului umed ar fi de 100 microni (sau mai mare) atunci masuratorile s-ar face pentru determinarea culorii si a luciului.

Fiecare varianta efectuata, inclusiv cea de referinta - Standard, a fost aplicata la 24 de ore dupa fabricatie, pe Test Chart, cu ajutorul Barei de aplicare de 75 microni, lasata sa se usuce si comparate intre ele vizual dar si citite cu aparatul special si analizate grafic.

Toate citirile se fac conform standardelor Comisiei Internationale de Iluminare (CIE). In practica sursele de iluminare sunt:

Lumina zilei, D65, C;

Lumina incandescenta A;

Lumina fluorescenta F2, F11.

Variatia puterii de acoperire (opacitatii) - prezentate in Figura 1

Criteriile esentiale in vanzarea vopselelor arhitecturale se reflecta prin randamnet si putere de acoperire. Cu alte cuvinte: cate straturi sunt necesare pentru o acoperirea completa si cate cutii vor fi necesare?

Opacitatea este o masura a puterii de acoperire: Opacitate (%) = YBLACK x 100 (%)  (1)
           YWHITE
unde: YBLACK = citirea realizata de spectrofotometru pe zona neagra a cardului;

YWHITE = citirea realizata de spectrofotometru pe zona alba a cardului

100% opacitate inseamna ca acopera complet, nu exista diferente ce pot fi observate intre aplicarea pe alb si aplicarea pe negru. Procedura
Se aplica cu ajutorul barei de aplicare cu grosimea de 75 microni un film uniform de vopsea pe un card de contrast alb-negru. Dupa uscare, filmul se caracterizeaza cu ajutorul spectrofotometrului Byk-Gardner. Operatorul este ghidat cu ajutorul meniului din aparat care afiseaza automat datele si valorile masurate [6-7].

Figura 1 - Variatia puterii de acoperire

Valoarea puterii de acoperire a probei de referinta Standard, 98.71 %, nu este una foarte mare, noua din cele douasprezece variante obtinute au dus la o putere de acoperire mai mare decat a acesteia, insa aceasta caracteristica trebuie corelata si cu celelalte caracteristici obtinute si citite (caracteristici fizico-chimice, Indice de Alb, Indice de Galben), astfel incat din cele noua variante care au o putere de acoperire mai mare decat 98.71 %, doar varianta V5 este cea care indeplineste si se coreleaza cu celelalte caracteristici, valoarae puterii de acoperire a acesteia fiind 99.72%.

Variatia Indicelui de Alb - prezentata in Figura 2

Figura 2 - Variatia Indicelui de Alb

Valoarea Indicelui de Alb pentru proba de referinta Standard este 90.63. Aceasta valoare reprezinta obiectiv pentru asigurarea calitatii vopselei. Singura din cele dousprezece variante incercate este varianta V5 care are un Indice de Alb de 87.54.

Variatia Indicelui de Galben - prezentata in Figura 3

Nuantele de culoare ale pigmentilor, materialelor de umplutura si substantelor de acoperire se masoara in termeni cantitativi prin valoarea unei marimi numita indice de galben. Aceasta se masoara prin metoda stabilita in DIN 6167 din valorile reflectantelor Rx, Ry, Rz determinate cu ajutorul specrofotometrului, utiliznd formula:

(Rx-Rz)/Ry (2)

Unde: Rx = reflectanta cu filtru rosu, Rz = reflectanta cu filtru albastru, Ry = reflectanta cu filtru verde

Valori negative ale indicelui de galben indica o nuanta albastruie, valori pozitive - o nuanta galbuie. Se poate vedea foarte usor din gradientul curbei de reflectanta daca exista o nuanta galbuie (=crestere pozitiva) sau albastruie (=crestere negativa).

Figura 3 - Variatia Indicelui de Galben

Valoarea Indicelui de Galben pentru proba de referinta Standard este 1.15. Aceasta valoare se impune pentru obtinerea calitatii dorite. Singura din cele douasprezece variante incercate este varianta V5 care are un Indice de Galben de 2.53. Cu cat aceasta valoare este mai mica, cu atat produsul este mai putin galben, deci tinde spre un grad de alb mai mare.

Valori de reflectie

Valorile de reflectie sunt obtinute tot cu aparatul Spectrofotometru Byk Gardner, valori ce dau informatii despre luminozitatea si stralucirea unei vopsele dupa uscare.

Luminozitatea, care se masoara conform DIN 53163 la o lungime de unda de 520 nm, da indicatii asupra proprietatilor optice ale produsului cat si asupra domeniilor de aplicare si utilizatorului in estimarea puritatii produsului.

Termenul de "stralucire" care este foarte important pentru fabricantii de vopsele, necesita de asemenea o clarificare. Conform ISO 2470, gradul de stralucire este masurat la o lungime de unda de 457 nm; aceasta se coreleaza cel mai bine cu impresia fiziologica a ochiului uman, in timp ce la 520 nm, lungimea de unda la care se masoara luminozitatea, ochiul prezinta cea mai inalta sensibilitate.

Diferentele de citire dL si dE pentru cele dousprezece variante comparative cu cele ale vopselei de referinta Standard sunt prezentate in Tabelul 5.

Tabel 5 - diferente citiri CIE

dE reprezinta eroarea probei incercate fata de Standard, aceasta fiind considerata optima la 0, la centrul axelor. Se accepta o eroare in jurul centrului de max +/- 1 a acestor probe. Astfel ca, V5 se afla la o eroare pana in max. 1, adica 0.9, lucru care corespunde cerintei si care prin modificari usoare are formularii aceasta valoare se poate micsora spre 0. dL trebuie sa aiba valoare pozitiva obligatoriu, asa ca din cele pozitive V5 si V7 sunt cele mai apropiate de 0, insa V7 cade datorita valorii dE mari fata de Standard.

Concluzii

Dintre cele douasprezece variante produse, analizate, studiate, doar varianta V5, constituie in continuare obiectul unui alt studiu, cu aceeasi tema, dar de imbunatatire a acestei formulari, in vederea obtinerii unei vopsele lavabile de interior care sa se ridice la nivelul cerintelor pietei de lacuri si vopsele. In acest caz se poate afirma ca alumino-silicatul de sodiu, poate inlocui cu succes dioxidul de titan, intr-un procent mai mare decat cel utilzat in formulare. O imbunatatire a acestei vopsele poate consta prin mentinerea constanta a raportului dintre dioxidul de titan si alumino-silicatul de sodiu si adaugarea unor alte tipuri de umpluturi in combinatie cu acestea.

Un lucru este sigur, si anume ca: Alumino silicatul de sodiu - partial inlocuitor de dioxid de titan, ofera urmatoarele avantaje introdus intr-o vopsea :

-imbunatateste proprietatile optice (indice de alb si opacitate ridicate) ;

-scade costul de pret al vopselei;

-imbunatateste caracterul reologic al vopselei: o stabilitate mai mare in timpul depozitarii, stabilizarea pH-ului, fiind si un agent de anti-depunere;

- imbunatateste proprietatile vopselei: o rezistenta la spalare si lavabilitate mai bune, rezistenta la agentii atmosferici.

Bibliografie

1. TALBERT, RODGER (2007). Paint Technology Handbook. Grand Rapids, Michigan, USA.
2. G. GEUSKENS, M. BORSU, C. DAVID, Eur. Polym. J. 8 (1972) 883.

J. LACOSTE, D.J. CARLSSON, J. Polym. Sci. A: Polym. Chem. 30 (1992) 493.

4. M. COPUROGLU, M. SEN, Polym. Adv. Technol. 16 (2005) 61.
5. GEUSKENS G, BORSU M, DAVID C. Eur. Polym. J. 1972; 8:
6. Federal Test Method Standard, Paint, Varnish, Lacquer and Related materials: methods of inspection, sampling and testing, March 22, 2001.
7. WESTLUND, H., and MEYER, G., "Applying Appearance Standards to Light Reflection Models"' Proceedings of SIGGRAPH'01, 501-510, (2001).