Foreword
Aqueous polyacrylates, as binders, dispersing resins and thickening polymers, are nowadays impossible to do without as raw materials in the paints and coatings industry. Since their introduction in the 1950s and 60s, straight acrylic and styrene acrylic dispersions have established themselves as environment-friendly, high-performance alternatives to the solvent-borne, air-drying alkyd resin binders used principally before them. The particularly wide performance spectrum and high level of variability of the polyacrylates has enabled the propagation and consistent ongoing development of this product class as binders for coating materials.
This book attempts to give an overall view of the preparation and properties of aqueous acrylic dispersions and also the special features pertaining to their use in the architectural coatings sector. Following a general introduction to dispersions and emulsion paints manufacture at the beginning of the book, specialized chapters give a deeper insight into the diverse products such as primers, masonry paints, interior paints, plasters, wood coatings and gloss emulsion paints.
The aim of the book is to present a readable, up-to-date picture of the preparation of acrylic binders and the formulation of architectural paints. Owing to the breadth of the applications of acrylic dispersions and the diversity of present-day knowledge concerning colloid chemistry, it is impossible for this book to deal with every theory and aspect of dispersions and paints manufacture. The reader is referred to the extensive literature references, which offer a more in-depth introduction to individual topics.
The book is aimed both at the student and newcomer to the paints and coatings field and at the experienced dispersions user and practitioner in the paints and coatings industry. By offering better background information, the aim is to provide assistance in the selection and use of modern polymer dispersions.
The authors wish to thank Dr Harald Zeh (Wacker Polymer Systems) for his assistance in the drafting of the section on plasters, and their many colleagues at BASF AG without whose diverse previous works and publications this book would not have been possible.
In particular, we would like to thank Dr Michael Melan and Dr Ulrich Zorll for casting a technically trained eye over the manuscript, and for their many helpful suggestions.
Finally, thanks are due to B ASF Aktiengesellschaft at Ludwigshafen for approving the manuscript for publication.
Ludwigshafen, November 2000
Dr Roland Baumstark & Dr Manfred Schwartz
*
Contents
1 Introduction and Basic Principles 11
1.1 Architectural coatings and binders 11
1.1.1 Polymer dispersions 12
1.1.2 Binder classes, polymerization and polyacrylates 12
1.1.3 Free-radical polymerization and emulsion polymerization 13
1.2 Polyacrylates; straight acrylics and styrene/acrylic copolymers 17
1.3 Film formation of polymer dispersions 23
1.3.1 Mechanism and minimum film forming temperature 23
1.3.2 Parameters determing the minimum film forming temperature 24
1.3.3 Cosolvents and plastisizers 25
1.3.4 Environmental aspects 29
1.4 Parameters and Properties of architectural coatings binders 29
1.4.1 Solids content 29
1.4.2 Coagulum 30
1.4.3 Particle size 30
1.4.4 Surface tension 32
1.4.5 Viscosity and rheology 32
1.4.6 Stability 35
1.4.7 pH-value 35
1.4.8 Residual monomers and volatiles 36
1.5 Parameters influencing binder properties during latex preparation 36
1.5.1 Monomer selection 37
1.5.2 Auxiliaries. 37
1.5.2.1 Emulsifiers and protective colloids 37
1.5.2.2 Initiators and chain-transfer agents 39
1.5.2.3 Buffer substances and neutralizing agents 40
1.5.2.4 Preservatives 40
1.5.2.5 Defoamers 40
1.5.3 Polymerization control : 41
1.5.4 Multi-phase systems 41
1.5.5 Seed polymerization 41
1.6 References 43
2 Formulation of aqueous architectural paints 48
2.1 Introduction 48
2.2 Requirements of a paint 48
2.3 Composition of architectural paints 48
2.3.1 Pigment volume concentration 49
2.3.1.1 Pigment binding power and critical pigment volume concentration 49
2.3.1.2 Methods of determining the critical pigment volume concentration 51
2.3.2 Interior and exterior paints 52
2.4 Formulation constituents of an emulsion paint 52
2.4.1 Paint binder 52
2.4.1.1 General requirements 53
2.4.1.2 Saponification resistance 55
2.4.1.3 Water resistance of the polymer film 57
2.4.1.4 Water vapour permeability of the polymer film 62
2.4.2 Pigments 64
2.4.2.1 Titanium dioxide 65
2.4.2.2 Other pigments 65
2.4.3 Fillers 66
2.4.4 Additives 67
2.4.4.1 Film-forming aids 68
2.4.4.2 Thickeners 69
2.4.4.3 Wetting agents and dispersing resins 74
2.4.4.4 Defoamers 76
2.4.4.5 Preservatives 78
2.5 References 79
3 Primers 81
3.1 Definitions and requirements 81
3.2 Aqueous primers based on acrylic dispersions 81
3.3 Formulation of primers 85
3.4 Test methods 85
3.5 References 86
4 Exterior paints on mineral substrates 87
4.1 Introduction 87
4.2 Masonry Paints 88
4.2.1 Introduction 88
4.2.2 Significance of natural weathering 89
4.2.2.1 Whitestone test 89
4.2.2.2 Comparison with artificially weathered coatings 92
4.2.2.3 Comparison of binders 93
4.2.3 Summary 97
4.2.4 Solvent containing masonry paints 97
4.2.4.1 Laboratory test methods on masonry coatings 98
4.2.4.2 Natural weathering on masonry paints 101
4.2.4.2.1 Effect of the binder type and pigment volume concentration 103
4.2.4.2.2 Effect of pigment/extender ratio on weathering properties 104
4.2.4.2.3 Effect of the extender type 105
4.2.4.3 Summary 109
4.2.5 Masonry paints formulated without solvent 109
4.2.5.1 Paint formulations and pigments used Ill
4.2.5.2 Brightness as function of the binder and Ti02 type 112
4.2.5.3 Results of artificial weathering of the paints 113
4.2.5.3.1 Colour changes in artificial weathering 113
4.2.5.3.2 Chalking 114
4.2.5.4 Outdoor exposure of masonry paints 116
4.2.5.4.1 Colour changes after 2 years of outdoor exposure 117
4.2.5.4.2 Chalking after 2 years outdoor exposure 119
4.2.5.5 Summary 121
4.2.6 Masonry paints formulated at high PVC 122
4.2.6.1 Paint formulations 123
4.2.6.2 Results on laboratory tests 123
4.2.6.3 Outdoor weathering results 126
4.2.6.3.1 Colour changes due to outdoor exposure 126
4.2.6.3.2 Chalking due to outdoor exposure 129
4.2.6.4 Summary 130
4.2.7 Formulations based on styrene/acrylic-dispersions 131
4.2.8 Formulations based on pure acrylic-dispersions 132
4.2.9 House Paints 133
4.2.10 Stainers and deep tone paints 134
4.2.10.1 Production 134
4.2.10.2 Suggestions for the formulation 135
4.2.11 Comparison of different masonry paint systems 136
4.2.1.2 Bibliography 137
4.3 Polymer dispersions in silicate systems 139
4.3.1 Introduction 139
4.3.2 Resistance to hydrolysis 140
4.3.3 Water absorption 140
4.3.4 Interactions between dispersion and water glass 141
4.3.5 Demands imposed on an optimum dispersion 144
4.3.6 The silicate dispersion system 145
4.3.6.1 Sequence of the components 145
4.3.7 Silicate dispersion plasters 145
4.3.8 Suggested formulation for a silicate emulsion paint 146
4.3.9 Suggested formulation for a silicate dispersion plaster 147
4.3.10 References 147
4.4 Polymer dispersions as binders in silicone resin systems 148
4.4.1 Introduction 148
4.4.2 Polymer dispersions in silicone resin systems 148
4.4.3 Pigment binding capacity 150
4.4.4 Silicone resin emulsion and CPVC 152
4.4.5 Weathering behaviour 154
4.4.6 Demands imposed on an optimum dispersion 154
4.4.7 Formulation of silicone resin paints 155
4.4.8 Silicone resin plasters 156
4.4.9 References 157
4.5 Elastomeric coating systems 158
4.5.1 Introduction 158
4.5.2 Effective protection against moisture, according to Kiinzel 159
4.5.3 Principal requirements of coating systems for renovating facades 160
4.5.4 Mechanical properties of dispersion films 161
4.5.4.1 Glass transition temperature (Tg) 161
4.5.4.2 Crosslinking 162
4.5.4.2.1 Tensile strength-elongation test 162
4.5.4.2.2 Types of crosslinking 163
4.5.4.3 Summary of the mechanical requirements 166
4.5.5 Dirt pick-up resistance 166
4.5.5.1 Tack 167
4.5.5.2 Tack measurement 167
4.5.5.3 Surface crosslinking 170
4.5.5.4 Summary of the findings relating to dirt pick-up resistance 170
4.5.6 Standards 171
4.5.7 Polymers on the market 173
4.5.8 Summary 174
4.5.9 References 175
4.6 Synthetic resin plasters and exterior insulation and finish systems (EIFS) 176
4.6.1 Introduction and definition 176
4.6.2 Classification of synthetic resin plasters and technical requirements 177
4.6.2.1 Requirements imposed on the binder 179
4.6.2.2 Binding power 179
4.6.2.3 Water absorption and moisture protection 179
4.6.2.4 Thermoplasticity, alkali resistance, and flammability 181
4.6.2.5 Processing properties 183
4.6.3 Surface structures 183
4.6.4 Exterior insulation and finish systems (EIFS) 184
4.6.5 Formulation scheme for synthetic resin plasters 187
4.6.6 Typical binders for synthetic resin plasters 189
4.6.7 References 190
5 Wood coatings 191
5.1 Special features of wood as a building material 192
5.2 Classification of wood coatings 193
5.2.1 Primers/Impregnating stains 194
5.2.2 Stain blocking primers 195
5.2.3 Exterior topcoats 195
5.2.3.1 Woodstains .* 196
5.2.3.2 Opaque coatings; waterproofing paints 200
5.2.4 Binders for wood coatings 200
5.2.5 Interior wood finishes 207
5.3 References 210
6 Gloss emulsion paints 213
6.1 Introduction and requirements 213
6.2 Gloss and Haze 215
6.3 Binders for gloss emulsion paints 218
6.3.1 Binders and gloss 219
6.3.2 Titanium dioxide and gloss; effect of the dispersing operation 220
6.4 Properties of acrylic gloss emulsion paints 222
6.5 Interaction with associative thickeners 224
6.7 References 225
7 Interior paints 227
7.1 Introduction and definition 227
7.2 Technical requirements for interior paints 227
7.3 Pigment binding capacity and critical pigment volume concentration 228
7.3.1 Factors influencing the CPVC 228
7.3.1.1 The influencing factor of the polymer dispersion 228
7.3.1.2 The influencing factor of the pigment 230
7.3.1.3 The influencing factor of the filler 231
7.4 Wet and dry hiding power 232
7.5 Processing properties 234
7.6 High-volume application in one operation (one-coat paint) 234
7.7 Open time 235
7.8 Mud cracking 235
7.9 Compatibility with tinting colours/deep tone paints 237
7.10 Wash and scrub resistance 237
7.11 Emission and solvent free interior paints (low VOC) 239
7.12 Formulation scheme for interior paints 240
7.13 Latex paints 245
7.14 References 247
Definitions of terms - Glossary for the "Dispersions" Division 248
Index 274
-------------------
Предговор
Водните полиакрилати, като свързващи вещества, диспергиращи смоли и сгъстяващи полимери, днес са невъзможни без тях като суровини в индустрията за бои и покрития. От въвеждането им през 50-те и 60-те години на миналия век, директните акрилни и стирен акрилни дисперсии се утвърдиха като щадящи околната среда, високоефективни алтернативи на свързващите вещества на основата на разтворители, съхнещи на въздух алкидни смоли, използвани основно преди тях. Особено широкият спектър на действие и високото ниво на променливост на полиакрилатите позволиха разпространението и последователното продължаващо развитие на този клас продукти като свързващи вещества за покриващи материали.
Тази книга се опитва да даде общ поглед върху подготовката и свойствата на водните акрилни дисперсии, както и особеностите, свързани с тяхното използване в сектора на архитектурните покрития. След общото въведение в производството на дисперсионни и емулсионни бои в началото на книгата, специализираните глави дават по-задълбочен поглед върху различните продукти като грундове, бои за зидария, интериорни бои, мазилки, покрития за дърво и гланцови емулсионни бои.
Целта на книгата е да представи четлива, актуална картина на подготовката на акрилни свързващи вещества и формулирането на архитектурни бои. Поради широчината на приложенията на акрилните дисперсии и разнообразието от днешни познания относно колоидната химия, е невъзможно тази книга да се занимава с всяка теория и аспект на производството на дисперсии и бои. Читателят се насочва към обширната литература, която предлага по-задълбочено въведение в отделните теми.
Книгата е насочена както към студентите и начинаещите в областта на боите и покритията, така и към опитните потребители на дисперсии и практикуващите в индустрията за бои и покрития. Чрез предлагането на по-добра основна информация, целта е да се осигури помощ при избора и използването на съвременни полимерни дисперсии.
Авторите искат да благодарят на д-р Harald Zeh (Wacker Polymer Systems) за помощта му при изготвянето на раздела за мазилките и на многото им колеги от BASF AG, без чиито разнообразни предишни разработки и публикации тази книга не би била възможна.
По-специално бихме искали да благодарим на д-р Майкъл Мелан и д-р Улрих Зорл за това, че хвърлиха технически обучен поглед върху ръкописа и за техните много полезни предложения.
И накрая, дължим благодарност на B ASF Aktiengesellschaft в Лудвигсхафен за одобрението на ръкописа за публикуване.
Лудвигсхафен, ноември 2000 г
Д-р Роланд Баумстарк и д-р Манфред Шварц
*
Съдържание
1 Въведение и основни принципи 11
1.1 Архитектурни покрития и свързващи вещества 11
1.1.1 Полимерни дисперсии 12
1.1.2 Класове свързващи вещества, полимеризация и полиакрилати 12
1.1.3 Свободнорадикална полимеризация и емулсионна полимеризация 13
1.2 Полиакрилати; равни акрили и стирен/акрилни съполимери 17
1.3 Образуване на филм от полимерни дисперсии 23
1.3.1 Механизъм и минимална температура на образуване на филм 23
1.3.2 Параметри, определящи минималната температура на образуване на филм 24
1.3.3 Съразтворители и пластификатори 25
1.3.4 Екологични аспекти 29
1.4 Параметри и свойства на свързващите вещества за архитектурни покрития 29
1.4.1 Съдържание на твърди вещества 29
1.4.2 Коагулум 30
1.4.3 Размер на частиците 30
1.4.4 Повърхностно напрежение 32
1.4.5 Вискозитет и реология 32
1.4.6 Стабилност 35
1.4.7 pH-стойност 35
1.4.8 Остатъчни мономери и летливи вещества 36
1.5 Параметри, влияещи върху свойствата на свързващото вещество по време на подготовката на латекс 36
1.5.1 Избор на мономер 37
1.5.2 Помощни средства. 37
1.5.2.1 Емулгатори и защитни колоиди 37
1.5.2.2 Инициатори и агенти за прехвърляне на верига 39
1.5.2.3 Буферни вещества и неутрализиращи агенти 40
1.5.2.4 Консерванти 40
1.5.2.5 Пеногасители 40
1.5.3 Контрол на полимеризацията: 41
1.5.4 Многофазни системи 41
1.5.5 Зародишна полимеризация 41
1.6 Препратки 43
2 Състав на водни архитектурни бои 48
2.1 Въведение 48
2.2 Изисквания към боя 48
2.3 Състав на архитектурни бои 48
2.3.1 Обемна концентрация на пигмента 49
2.3.1.1 Сила на свързване на пигмента и критична обемна концентрация на пигмента 49
2.3.1.2 Методи за определяне на концентрацията на критичния обем на пигмента 51
2.3.2 Интериорни и екстериорни бои 52
2.4 Компоненти на формулата на емулсионна боя 52
2.4.1 Свързващо вещество за боя 52
2.4.1.1 Общи изисквания 53
2.4.1.2 Устойчивост на осапунване 55
2.4.1.3 Водоустойчивост на полимерния филм 57
2.4.1.4 Пропускливост на водни пари на полимерния филм 62
2.4.2 Пигменти 64
2.4.2.1 Титанов диоксид 65
2.4.2.2 Други пигменти 65
2.4.3 Пълнители 66
2.4.4 Добавки 67
2.4.4.1 Помощни средства за образуване на филм 68
2.4.4.2 Сгъстители 69
2.4.4.3 Омокрящи агенти и диспергиращи смоли 74
2.4.4.4 Пеногасители 76
2.4.4.5 Консерванти 78
2.5 Препратки 79
3 Грундове 81
3.1 Дефиниции и изисквания 81
3.2 Водни грундове на базата на акрилни дисперсии 81
3.3 Формулиране на праймери 85
3.4 Методи за изпитване 85
3.5 Препратки 86
4 Екстериорни бои върху минерални основи 87
4.1 Въведение 87
4.2 Бои за зидария 88
4.2.1 Въведение 88
4.2.2 Значение на естественото изветряне 89
4.2.2.1 Тест Whitestone 89
4.2.2.2 Сравнение с изкуствено изветряли покрития 92
4.2.2.3 Сравнение на свързващи вещества 93
4.2.3 Резюме 97
4.2.4 Бои за зидария, съдържащи разтворител 97
4.2.4.1 Лабораторни методи за изпитване на зидарски покрития 98
4.2.4.2 Естествено изветряне на боите за зидария 101
4.2.4.2.1 Влияние на вида на свързващото вещество и обемната концентрация на пигмента 103
4.2.4.2.2 Ефект на съотношението пигмент/разпълнител върху свойствата на атмосферни влияния 104
4.2.4.2.3 Ефект на разширителя тип 105
4.2.4.3 Резюме 109
4.2.5 Бои за зидария, формулирани без разтворител 109
4.2.5.1 Използвани състави на бои и пигменти Ил
4.2.5.2 Яркостта като функция на свързващото вещество и Ti02 тип 112
4.2.5.3 Резултати от изкуственото изветряне на боите 113
4.2.5.3.1 Промени в цвета при изкуствено изветряне 113
4.2.5.3.2 Тебешир 114
4.2.5.4 Излагане на зидарски бои на открито 116
4.2.5.4.1 Промени в цвета след 2 години излагане на открито 117
4.2.5.4.2 Тебешир след 2 години излагане на открито 119
4.2.5.5 Обобщение 121
4.2.6 Бои за зидария, формулирани с високо PVC 122
4.2.6.1 Бояджийски състави 123
4.2.6.2 Резултати от лабораторни изследвания 123
4.2.6.3 Резултати от атмосферни влияния на открито 126
4.2.6.3.1 Промени в цвета поради излагане на открито 126
4.2.6.3.2 Тебешир поради излагане на открито 129
4.2.6.4 Обобщение 130
4.2.7 Състави на базата на стирен/акрилни дисперсии 131
4.2.8 Състави на базата на чисти акрилни дисперсии 132
4.2.9 Домашни бои 133
4.2.10 Байцове и бои с дълбоки тонове 134
4.2.10.1 Производство 134
4.2.10.2 Предложения за формулировката 135
4.2.11 Сравнение на различни системи за боядисване на зидария 136
4.2.1.2 Библиография 137
4.3 Полимерни дисперсии в силикатни системи 139
4.3.1 Въведение 139
4.3.2 Устойчивост на хидролиза 140
4.3.3 Водопоглъщане 140
4.3.4 Взаимодействия между дисперсия и водно стъкло 141
4.3.5 Изисквания, наложени за оптимална дисперсия 144
4.3.6 Силикатна дисперсна система 145
4.3.6.1 Последователност на компонентите 145
4.3.7 Силикатни дисперсионни мазилки 145
4.3.8 Предложена формула за силикатна емулсионна боя 146
4.3.9 Препоръчителен състав за силикатна дисперсионна мазилка 147
4.3.10 Препратки 147
4.4 Полимерни дисперсии като свързващи вещества в системи от силиконова смола 148
4.4.1 Въведение 148
4.4.2 Полимерни дисперсии в системи от силиконова смола 148
4.4.3 Капацитет на свързване на пигмента 150
4.4.4 Емулсия от силиконова смола и CPVC 152
4.4.5 Поведение при атмосферни влияния 154
4.4.6 Изисквания, наложени за оптимална дисперсия 154
4.4.7 Състав на бои от силиконова смола 155
4.4.8 Мазилки от силиконова смола 156
4.4.9 Препратки 157
4.5 Еластомерни покривни системи 158
4.5.1 Въведение 158
4.5.2 Ефективна защита срещу влага, съгласно Kiinzel 159
4.5.3 Основни изисквания към покривните системи за обновяване на фасади 160
4.5.4 Механични свойства на дисперсионни филми 161
4.5.4.1 Температура на встъкляване (Tg) 161
4.5.4.2 Омрежване 162
4.5.4.2.1 Изпитване за якост на опън-удължение 162
4.5.4.2.2 Видове омрежване 163
4.5.4.3 Обобщение на механичните изисквания 166
4.5.5 Устойчивост на замърсяване 166
4.5.5.1 Так 167
4.5.5.2 Измерване на халс 167
4.5.5.3 Повърхностно омрежване 170
4.5.5.4 Обобщение на констатациите, свързани с устойчивостта на замърсяване 170
4.5.6 Стандарти 171
4.5.7 Полимери на пазара 173
4.5.8 Обобщение 174
4.5.9 Препратки 175
4.6 Мазилки от синтетична смола и системи за външна изолация и довършителни работи (EIFS) 176
4.6.1 Въведение и определение 176
4.6.2 Класификация на мазилки от синтетична смола и технически изисквания 177
4.6.2.1 Изисквания, наложени на класьора 179
4.6.2.2 Сила на обвързване 179
4.6.2.3 Водопоглъщане и защита от влага 179
4.6.2.4 Термопластичност, алкална устойчивост и запалимост 181
4.6.2.5 Свойства на обработка 183
4.6.3 Повърхностни структури 183
4.6.4 Външни изолационни и довършителни системи (EIFS) 184
4.6.5 Формулираща схема за мазилки от синтетична смола 187
4.6.6 Типични свързващи вещества за мазилки от синтетична смола 189
4.6.7 Препратки 190
5 Дървесни покрития 191
5.1 Особености на дървото като строителен материал 192
5.2 Класификация на покрития за дърво 193
5.2.1 Грундове/импрегниращи байцове 194
5.2.2 Грундове за блокиране на петна 195
5.2.3 Външни покрития 195
5.2.3.1 Петна за дърво .* 196
5.2.3.2 Непрозрачни покрития; хидроизолационни бои 200
5.2.4 Свързващи вещества за дървени покрития 200
5.2.5 Вътрешни дървени покрития 207
5.3 Препратки 210
6 Гланцови емулсионни бои 213
6.1 Въведение и изисквания 213
6.2 Блясък и мъгла 215
6.3 Свързващи вещества за гланцови емулсионни бои 218
6.3.1 Свързващи вещества и гланц 219
6.3.2 Титанов диоксид и гланц; ефект от диспергиращата операция 220
6.4 Свойства на акрилни гланцови емулсионни бои 222
6.5 Взаимодействие с асоциативни сгъстители 224
6.7 Препратки 225
7 Интериорни бои 227
7.1 Въведение и определение 227
7.2 Технически изисквания към интериорни бои 227
7.3 Капацитет на свързване на пигмента и критична обемна концентрация на пигмента 228
7.3.1 Фактори, влияещи върху CPVC 228
7.3.1.1 Факторът на влияние на полимерната дисперсия 228
7.3.1.2 Влияещият фактор на пигмента 230
7.3.1.3 Влияещият фактор на пълнителя 231
7.4 Мокра и суха покривност 232
7.5 Свойства на обработка 234
7.6 Нанасяне на голям обем в една операция (еднослойна боя) 234
7.7 Отворено време 235
7.8 Напукване на кал 235
7.9 Съвместимост с тониращи цветове/бои с дълбок тон 237
7.10 Устойчивост на пране и търкане 237
7.11 Интериорни бои без емисии и разтворители (ниско VOC) 239
7.12 Рецептурна схема за интериорни бои 240
7.13 Латексови бои 245
7.14 Препратки 247
Дефиниции на термини - Речник за раздел "Дисперсии" 248
Индекс 274
