DYSPERSYJNYCH CZELADŹ 2 XI 214 34 Artur PAŁASZ Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Farb, Klejów i Polimerów SPEKTROCHEM, Tarnobrzeg Formułowanie receptur farb i tynków silikonowych ABSTRAKT. Przebadano dostępne na rynku masy tynkarskie silikonowe i akrylowe do wykonywania pocienionych wypraw elewacyjnych. Zauważono, że znaczna większość tynków silikonowych nie posiada wyraźnie dostrzegalnych różnic z parametrach odporności na wodę, hydrofobowości i zwiększonej jakości, w stosunku do tynków akrylowych. Zauważono również w niektórych przypadkach znacznie obniżenie jakości wypraw silikonowych. Posiadając wiedzę na temat receptur i podejścia do zagadnienia opracowywania formulacji tynków silikonowych przedstawiono sposoby ustalania składu farb i tynków opartych o odpowiedniej jakości emulsje silikonowe. Omówiono zasady formułowania receptur tynków silikonowych oraz przedstawiono wyniki badań porównawczych tynków przygotowanych z receptur ustalanych różnymi sposobami w oparciu o różne surowce. Zaprezentowano porównania cen opracowanych tynków silikonowych w oparciu o różne surowce. ABSTRACT. Formulating of silicone paints and plasters. Tested commercially available plasters, silicone and acrylic to perform thin-coat. It is noted that the vast majority of plaster silicone does not have a clearly discernable differences in the parameters of water resistance, hydrophobic and increased quality compared to acrylic plasters. It was also noted in some cases significantly reduce the quality of the silicone expeditions. With knowledge of recipes and approaches to develop a formulation of silicone plaster, methods for determining the composition of the paint and plaster based on appropriate quality silicone emulsions. The principle formulated silicone plaster recipes and presents the results of comparative studies of plaster prepared from recipes determined in different ways based on different raw materials. Presents the comparison of the cost of manufacture of silicone plaster developed based on different raw materials. Wstęp W terminologii znormalizowanej nie istnieje definicja farby lub tynku silikonowego. Przyjęło się na rynku, że farba czy też tynk silikonowy to zmodyfikowane odmiany podstawowej farby i tynku dyspersyjnego z dodatkiem określonej ilości i rodzaju emulsji silikonowej zapewniającej lepsze właściwości powłoki malarskiej i wyprawy tynkarskiej, szczególnie pod względem odpychania wody, większej przepuszczalności pary wodnej, a także braku tendencji do brudzenia się. Przeprowadzane od wielu lat w Spektrochemie badania farb i tynków silikonowych dostępnych na rynku pokazują, że zwykle farby i tynki silikonowe cechują się gorszymi parametrami jakościowymi, niż farby i tynki dyspersyjne przed modyfikacją emulsjami silikonowymi. Niniejszy referat przedstawia część wykonywanych w Spektrochemie badań surowców do produkcji farb i tynków silikonowych wraz z autorskimi metodami doboru tych surowców i sposobami formułowania receptur. Na rynku dostępnych jest wiele emulsji silikonowych dedykowanych do sporządzania farb i tynków silikonowych. Są to roztwory (5-6% suchej masy) zemulgowanych związków silikonowych, a więc powinno się je nazywać emulsjami silikonowymi, a nie jak to funkcjonuje na rynku błędnie żywicami. Określenie żywica odnosi się do materiału bezpostaciowego, a tu mamy do czynienia z emulsją (postacią koloidalną). Wybór danej emulsji silikonowej do wytworzenia farby czy tynku silikonowego zwykle jest przypadkowy i opiera się o analizę danych dostarczonych przez producenta emulsji i jej cenę. Emulsje te bardzo różnią się od siebie, zarówno efektywnością działania, wpływem na właściwości powłok oraz zachowaniem się po nałożeniu na podłoże. W Tabeli 1 przedstawiono zestawienie wyników badań wyschnięcia powłok nałożonych emulsji silikonowych na nienasiąkliwe podłoże. Jak wynika z Tabeli 1, nie każda emulsja silikonowa wysycha, a nawet jeżeli tak, to powłoki cechują się zróżnicowaną wytrzymałością. Nie pozostaje to bez wpływu na jakość otrzymywanych farb i tynków silikonowych. Mieszanie się dyspersji polimerowej z emulsją silikonową zachodzi w bardzo zróżnicowany sposób w zależności od składu monomerów w dyspersji, rozkładu wielkości cząstek, rodzaju emulgatorów, itp. Badania mieszanin dyspersji polimerowej z emulsjami silikonowymi można dokonywać analizując rozkład wielkości cząstek, wykonując zdjęcia mikroskopem elektronowym oraz prowadząc badania wpływu poszczególnych emulsji
DYSPERSYJNYCH CZELADŹ 2 XI 214 35 silikonowych i ich ilości na właściwości powłok i wypraw otrzymywanych z farb i tynków dyspersyjnych. Bardzo ważne są badania stabilności w czasie składowania farb i tynków silikonowych, gdyż niektóre emulsje silikonowe bardzo drastycznie przyspieszają proces koalescencji cząstek spoiwa polimerowego prowadząc do wzrostu lepkości wyrobu i osłabienia wytrzymałości powłok i wypraw. Tabela 1. Ocena wyschnięcia powłok emulsji silikonowych Emulsja silikonowa nr 1 2 Ocena po 24 h od nałożenia Wyschnięta, brak odlepu, wytrzymała mechanicznie Wyschnięta, brak odlepu, miękka powłoka, brak wytrzymałości mechanicznej 3 Wykazuje odlep i łuszczenie się 4 Wyschnięta, brak odlepu, wytrzymała mechanicznie 5 Nie wyschnięta 6 Wyschnięta, brak odlepu, miękka powłoka, brak wytrzymałości mechanicznej 7 Wykazuje odlep i łuszczy się Tynki silikonowe Zwykle formułując receptury tynków silikonowych stosuje się modyfikację bazowego tynku dyspersyjnego polegającą na ujęciu 3% lub 5% ilości dyspersji polimerowej i podstawieniu w to miejsce emulsji silikonowej. Producenci tynków stosują również i mniejsze podstawienia podyktowane ceną wsadu surowcowego tynku. Takie sporządzenie receptury prowadzi do otrzymania tynku o dużo gorszych parametrach jakościowych, szczególnie pod względem przyczepności, trwałości w czasie eksploatacji oraz wytrzymałości mechanicznej. Spoiwo polimerowe jest odpowiedzialne za wytrzymałość wyprawy, zatem jego ujmowanie powoduje drastyczne osłabienie wytrzymałości. Emulsja silikonowa, mino zastosowania nawet takiej, która tworzy wizualnie mocną powłokę, nie bierze tak naprawdę udziału w formowaniu powłoki i nie podwyższa jej wytrzymałości. Na wykresie 1 pokazano wyniki badań współczynnika przepuszczalności wody przez wyprawy tynkarskie mas tynkarski dwóch producentów z krajowego rynku. Z wykresu 1 widać, że w przypadku producenta nr 1 tynk akrylowy posiada niższy współczynnik przepuszczalności wody, niż tynk silikonowy stworzony przez modyfikację tynku akrylowego. W przypadku producenta nr 2 w asortymencie znajduje się jeden tynk akrylowy i dwa silikonowe (A i B). Wykres przedstawia, że tynk silikonowy A posiada znacznie wyższy współczynnik przepuszczalności wody niż tynk akrylowy, zaś tynk silikonowy B posiada nieco wyższą wartość współczynnika przepuszczalności wody, niż tynk akrylowy będący bazą do jego stworzenia. Powodem takiego zachowania się wypraw i uzyskanych wyników badań jest właśnie modyfikacja opierająca się na ujęciu spoiwa polimerowego i zastąpieniu go emulsją silikonową. Zwiększenie przepuszczalności wody przez wyprawę może mieć również podłoże w zastosowaniu innej, często gorszej jakościowo dyspersji polimerowej, niż w tynku akrylowym. Wykres 1. Współczynnik przepuszczalności wody przez wyprawy tynkarskie rynkowe,6 Współczynnik przepuszczalności. wody, kg/(m 2 h,5 ),5,4,3,2,1 kat. W 1 (duża) kat. W 2 (średnia) Producent 1 tynk akrylowy Producent 1 tynk silikonowy Producent 2 tynk akrylowy Producent 2 tynk silikonowy A Producent 2 tynk silikonowy B,115,143,62,145,85, kat. W 3 (mała) Tynki Spektrochem zaleca formułowanie tynków silikonowych w oparciu o dodawanie emulsji silikonowej w ilości np. 1%, 15%, 25%, 3% zawartości dyspersji polimerowej w recepturze. Dodawana ilość emulsji silikonowej nie może skutkować ujmowaniem spoiwa polimerowego, jak również nie może być brana pod uwagę w obliczeniach SOP. Sporządzenie tynków w oparciu o
DYSPERSYJNYCH CZELADŹ 2 XI 214 36 różne emulsje silikonowe, określenie właściwości wypraw pod kątem przepuszczalności wody, pary wodnej, trwałości oraz własności mechanicznych może być podstawą do wybrania odpowiedniej emulsji silikonowej. Wszystkie modyfikacje powinny być prowadzone w stosunku do bazowej masy tynkarskiej dyspersyjnej tak, aby uzyskać odpowiedni kompromis pomiędzy poprawieniem właściwości wyprawy silikonowej (głównie pod względem trwałości i przepuszczalności wody) oraz ceną wsadu surowcowego i ceną rynkową akceptowalną przez klienta. Na wykresie 2 przedstawiono wyniki współczynnika przepuszczalności wody przez wyprawy tynkarskie silikonowe sporządzone w laboratorium Spektrochemu na podstawie 7 próbek emulsji silikonowych (patrz Tabela 1). Udział emulsji silikonowych w tynku wynosił 3% zwartości dyspersji polimerowej (dodanej na plus do tynku zamiast wody). Tynki sporządzono w oparciu o dyspersję polimerową nr 1 opisywaną w referacie VI Seminarium Spektrochemu Jak wybrać dyspersję polimerową do produkcji farb i tynków (str. 2). Wykres 2. Współczynnik przepuszczalności wody przez wyprawy tynkarskie przygotowane w laboratorium Współczynnik przepuszczalności. wody, kg/(m 2 h,5 ),7,6,5,4,3,2,1,,686,478,91 Wyprawa bazowa. Bez emulsji silikonowej,283,252 1 2 3 4 5 6 7,587 kat. W 1 (duża) kat. W 2 (średnia),248,261 kat. W 3 (mała) Z wykresu 2 wynika, że dodatek emulsji silikonowych w ilości 3% zawartości dyspersji polimerowej (na plus, bez ujmowania spoiwa dyspersyjnego) wpływa na obniżenie współczynnika przepuszczalności wody. Najwyższą efektywność w obniżaniu współczynnika przepuszczalności wody wykazuje emulsja silikonowa nr 2, zaś najniższą emulsja nr 5. Przedstawione badania dotyczą ilości 3% masy dyspersji, jednakże dla pełnego scharakteryzowania efektywności działania emulsji silikonowych zaleca się przygotowanie próbek z innymi ilościami, dla różnych typów spoiw dyspersyjnych. Na wykresie 3 przedstawiono wyniki oznaczonych przepuszczalności pary wodnej według PN-EN ISO 7783-1:212 wypraw tynkarskich sporządzonych na różnych emulsjach silikonowych Wykres 3. Przepuszczalność pary wodnej wypraw tynkarskich na różnych emulsjach silikonowych 15 Przepuszczalność pary wodnej, g/m 2 d. 1 5 V 2 (średni) 98,8 99,8 97,5 17 13 88,2 91,4 65,6 1 2 3 4 5 6 7
DYSPERSYJNYCH CZELADŹ 2 XI 214 37 Z wykresu 3 widać, że emulsje silikonowe nadają wyprawom tynkarskim przepuszczalność pary wodnej na zbliżonym do siebie poziomie. Wyjątkiem jest wyprawa tynkarska z emulsją silikonową nr 6, która posiada znacznie mniejszą przepuszczalność pary wodnej. Farby silikonowe Formułując receptury farb silikonowych zasada jest identyczna jak przy tynkach. Emulsję silikonową dodaje się do receptury w ilości ustalonej na drodze badań jakości otrzymanych powłok, na plus, zamiast wody. Nadmierne zwiększenie suchej pozostałości farby można zredukować, jednakże zawsze zachowując pierwotny SOP farby. Do obliczeń SOP nie uwzględnia się emulsji silikonowej. Poniżej przedstawiamy wyniki badań farb silikonowych będących modyfikacją receptur bazowych farb SOP 65% opartych o dyspersje polimerowe nr 1 i nr 5 opisywane w referacie na str. 2. Farby bazowe zmodyfikowano w taki sposób, że dodano emulsje silikonowe nr 2, 4 i 5 do bazowych farb w ilości 15% (tylko dla dyspersji nr 1) oraz 3% masy dyspersji polimerowej wynikającej z receptury bazowej. Celowe było wybranie takich dyspersji polimerowych, gdyż spoiwo nr 1 pod względem przepuszczalności wody miało najgorszy wynik, zaś spoiwo nr 5 najlepszy. Dla porównania przygotowano również farby bez spoiwa polimerowego na samej emulsji silikonowej. W Tabeli 2 zestawiono koszty surowcowe przygotowania farb silikonowych. Ceny do kalkulacji z października 214 r, przyjęty kurs 4,2 zł Tabela 2. Koszty wsadu farb silikonowych do badań Dyspersja Dyspersja nr 1 Emulsja nr 5 silikonowa nr +15% +3% +3% 4,1 zł/l 3,66 zł/l 2 4,78 zł/l 5,53 zł/l 5,18 zł/l 4 4,79 zł/l 5,54 zł/l 5,19 zł/l 5 5,25 zł/l 6,45 zł/l 6,11 zł/l Na wykresach poniżej przedstawiono wyniki badań farb przygotowanych opisywanym sposobem. Wykres 4. Współczynnik przepuszczalności wody przez powłoki farb silikonowych Współczynnik przepuszczalności. wody, kg/(m 2 h,5 ),5,4,3,2,1 Dyspersja 1 + 15% emulsji Dyspersja 1 + 3% emulsji Dyspersja 5 + 3% emulsji Bez dyspersji (sama emulsja) Bez emulsji (dyspersja 1) Bez emulsji (dyspersja 5),237,15,32,19,239,69,268,19,7,44,279,4 kat. W 2 (średnia),13,42, Emulsja nr 2 Emulsja nr 4 4 Emulsja nr 5 5 Bez emulsji kat. W 3 (mała) Wyniki badań pokazane na wykresie 4 wskazują, że w przypadku dyspersji polimerowej nr 1 farby wykazują najmniejszą przepuszczalność wody przy zastosowaniu emulsji nr 2, 4 i 5 w ilości +3% wagowej zawartości dyspersji. Zastosowanie +15% emulsji silikonowej nr 1 nie przynosi znaczących rezultatów, zaś przy emulsjach nr 4 i 5 powłoki przepuszczają więcej wody niż bez dodatku emulsji silikonowej. W przypadku dyspersji nr 2 najlepsze wyniki uzyskano przy zastosowaniu 3% emulsji nr 1 i emulsji nr 5. Emulsja nr 4 zastosowana w farbie z dyspersją nr 5 nie wpływa wcale na wynik. Powłoki nie zawierające dyspersji polimerowych sporządzone na samych emulsjach silikonowych, uzyskują w miarę dobre wyniki przepuszczalności wody dla emulsji nr 1, zaś dla emulsji nr 4 i nr 5 powłoki posiadają najwyższe współczynniki przepuszczalności wody. Na wykresach nr 5 i 6 przedstawiono odporność powłok na szorowanie na mokro. Z wykresu 5 wynika
DYSPERSYJNYCH CZELADŹ 2 XI 214 38 wyraźnie, że powłoki otrzymane z farb na samych emulsjach silikonowych posiadają słabą wytrzymałość na szorowanie. Oznaczone odporności przekładają się na obserwacje wyschnięcia powłok emulsji silikonowych pokazane w Tabeli 1. Na wykresie 6 przedstawione wyniki pokazują, że w przypadku zastosowania emulsji nr 2 w dyspersji 1 w ilości +15% jak i +3% oraz w dyspersji nr 2 w ilości +3% wytrzymałość powłok jest zadowalająca. W przypadku emulsji nr 4 i nr 5 widać wyraźny spadek wytrzymałości na szorowanie przy zastosowaniu w dyspersji nr 2 w ilości +3%. Wykres 5. Odporność powłok na szorowanie na mokro wg PN-C-81913:1998 pkt. 2.5.8 farb bez dyspersji polimerowych sporządzonych na samych emulsjach silikonowych 5 47 cykli liczba posuwów, cykli. 4 3 2 1 21 cykli 5 cykli 2 4 5 Wykres 6. Odporność powłok na szorowanie na mokro wg PN-C-81913:1998 pkt. 2.5.8 farb silikonowych 6 > 5 cykli > 5 cykli > 5 cykli > 5 cykli liczba posuwów, cykli. 5 4 3 2 1 34 cykli 39 cykli Dyspersja 1 +3% emulsji Dyspersja 5 +3% emulsji Dyspersja 1 +15% emulsji 2 4 5
DYSPERSYJNYCH CZELADŹ 2 XI 214 39 Wykres 7. Przepuszczalność pary wodnej wg PN-EN ISO 7783-1:212 przez powłoki farb na samych emulsjach silikonowych Przepuszczalność pary wodnej, g/m 2 d. 25 2 15 1 5 226 214 23 V 1 (duży) V 2 (średni) 2 4 5 Wykres 8. Przepuszczalność pary wodnej wg PN-EN ISO 7783-1:212 przez powłoki farb silikonowych Przepuszczalność pary wodnej, g/m 2 d. 75 6 45 3 15 Dyspersja 1 +3% emulsji Dyspersja 5 +3% emulsji Dyspersja 1 +15% emulsji Dyspersja 1 Dyspersja 5 V 2 (średni) 58 57,8 32 35,4 27 25,6 22,4 28,7 V 3 (mały) nr 4 4 Bez emulsji 5 nr 5 Oznaczenia przepuszczalności pary wodnej powłok na samych emulsjach silikonowych przedstawiono na wykresie 7. Jak widać powłoki posiadają bardzo niską szczelność przez co przepuszczają bardzo dużo pary wodnej. Nie jest to zaleta, wbrew potocznie krążącym opiniom. Na wykresie 8 przedstawiono oznaczenia przepuszczalności pary wodnej powłok farb silikonowych, które można było zakwalifikować do badania na swobodnych powłokach. Pozostałe powłoki wykazały tak duży skurcz przy wysychaniu, że spękały do tego stopnia, iż nie możliwe było jakiekolwiek manipulowanie powłokami. Jest to objaw świadczący o interakcji cząstek dyspersji polimerowej z cząstkami zemulgowanego silikonu. Badania te wykonano na tekturkach jako podłożu. Wyniki są dostępne na zapytanie. Z wykresu 8 widać, że powłoki farb zmodyfikowanych emulsjami silikonowymi nr 1 w ilości +3% nie posiadają wyższej przepuszczalności pary wodnej, niż ich bazowe farby dyspersyjne. W przypadku emulsji silikonowej nr 5 uzyskano wyższą przepuszczalność pary wodnej dla dyspersji polimerowej nr 1 zarówno z dodatkiem emulsji +15% jak i +3%. Dla emulsji silikonowej nr 5 w ilości +3% w farbie z dyspersją polimerową nr 5 otrzymano znacznie niższą przepuszczalność pary wodnej, niż dla bazowej farby dyspersyjnej. Wbrew krążącej opinii o zwiększaniu przepuszczalności pary wodnej przy zastosowaniu emulsji silikonowych, nie poprawiają one tego
DYSPERSYJNYCH CZELADŹ 2 XI 214 4 parametru. W oddziaływaniu między cząstkami niektórych dyspersji polimerowych, w przypadku nie tworzenia powłoki przez emulsje silikonowe lub w przypadku modyfikacji receptur przez ujmowanie spoiwa polimerowego można uzyskać wyższe przepuszczalności pary wodnej. Takie zabiegi jednak są niecelowe, gdyż powłoka, szczególnie elewacyjna, musi być do pewnego stopnia szczelna. Wnioski Formułując receptury farb i tynków silikonowych należy zwracać szczególną uwagę na znoszenie się dyspersji polimerowych i emulsji silikonowych. Objawem nie znoszenia się są mierne wyniki badań w zakresie odporności na szorowanie, przepuszczalności wody, czy zbyt wysoka przepuszczalność pary wodnej. Wybierając dyspersje polimerowe do produkcji farb i tynków silikonowych należy kierować się jak najniższym współczynnikiem przepuszczalności wody i wysoką odpornością na szorowanie przy interesującym nas SOP powłoki. Nie ma sensu modyfikować emulsjami silikonowymi powłok farb dyspersyjnych, które przepuszczają dużo wody. Lepiej jest zastosować modyfikację farb, których powłoki już z samych właściwości polimeru posiadają niską przepuszczalność wody. Powoduje to znaczne oszczędności w stosowaniu emulsji silikonowych. Prowadząc selekcję emulsji silikonowych należy mieć na uwadze, iż inaczej zachowują się one w wyprawach tynkarskich, a inaczej w powłokach malarskich. Trzeba zatem wykonywać badania dwutorowo, jeżeli chce się opracować dobrej jakości farbę i tynk silikonowy. Uczulamy na mity krążące po rynku chemii budowlanej w sprawie sposobów ustalania receptur farb i tynków silikonowych oraz ich właściwości. Przedstawione tu sposoby formułowania receptur są stosowane przez firmy produkcyjne w kraju, a na ich podstawie powstało wiele dobrych jakościowo wyrobów silikonowych. Nie sposób opisać wszystkich ocenianych właściwości powłok i wypraw tynków silikonowych oraz oznaczenia stabilności przechowywania farb i mas tynkarskich w czasie. Badania licznych emulsji silikonowych i spoiw polimerowych, również tych hybrydowych są nadal prowadzone w laboratorium Spektrochemu. Badania tendencji do brudzenia się powłok i wypraw silikonowych opisane zostały w kolejnym referacie VI Seminarium Spektrochemu. W sprzeczności, racji i z pokorą Reagujemy przyjaźnie na teorie zgodne z naszymi, natomiast jesteśmy niechętni tym, które nam się sprzeciwiają, podczas gdy zdrowy rozsądek podpowiada nam, aby działać w sposób całkiem przeciwny Michael Faraday (1791-1986) angielski chemik i fizyk Nie wiem jak wyglądam w oczach świata, lecz dla siebie jestem tylko chłopcem bawiącym się na morskim brzegu, pochylającym się i znajdującym piękniejszą muszelkę lub kamień gładszy niż inne, podczas gdy wielki ocean prawdy jest ciągle zakryty przede mną Sir Isaac Newton (1643-1727) angielski fizyk, matematyk, astronom, filozof, historyk, badacz Biblii i alchemik Przemysław Słowiński, Sławni ludzie w anegdocie, Videograf II, Katowice, 29