С добавлением отвердителя ЛКМ становятся устойчивыми к воздействию солнечных лучей, повышают износостойкость и срок службы, максимально быстро засыхают, в некоторых случаях приобретают глянцевый блеск и уже не требуют применения лака. Одну из самых крупных и химически сложных групп отвердителей широкого и специального назначения производят на основе изоцианатов. Об этом мы и расскажем.
Что такое изоцианаты?
Изоцианаты — это ненасыщенные низкомолекулярные органические соединения, которые входят в состав промышленных материалов, известных под названием «полиуретаны», и применяются для их производства. Как правило, вторым компонентом реакции полимеризации служат диолы или полиолы, они же многоатомные спирты.
Изоцианаты образуют группу нейтральных производных от первичных аминов с общей формулой R—N=C=O. В ней R может означать радикалы: алкил- (Alk), арил- (Ar), гетерил- (или остаток гетероароматических соединений). Соответственно различают алкилизоцианаты, арилизоцианаты и гетерилизоцианаты.
Также применяются более редкие соединения: ацилизоцианаты вида R-C(O)N=C=О, сульфонилизоцианаты с формулой R-SO2N=C=O, а также элементоорганические изоцианаты, имеющие в составе атомы кремния, германия, фосфора и т.д., например (CH3)-3SiN=C=О.
Изоцианатная группа обладает специфическим строением, которое с одной стороны полярно, с другой — линейно. Длина двойной химической связи C=N равна 0,119 нанометра, а С=О — 0,118 нанометра. В инфракрасном диапазоне спектра все изоцианаты имеют отличительное светопоглощение в области от 2250 до 2270 см-1 (около 4,44 мкм), в ультрафиолетовом диапазоне – в области от 220 до 250 нанометра.
Изоцианаты самопроизвольно вступают в реакцию с соединениями, содержащими активные атомы водорода, которые мигрируют к азоту. Соединения, в состав которых входят гидроксильные группы, самопроизвольно образуют сложные эфиры замещенной диоксида углерода или уретаны.
Чаще всего в промышленности используются такие соединения:
-
2,4-толуилендиизоцианат;
-
2,6-толуилендиизоцианат;
-
дифенилметан 4,4-диизоцианат (2,4-TDI);
-
гексаметиленовый диизоцианат (2,6-TDI);
Два первых наиболее востребованы, используются как смесь в соотношении 80:20 либо 65:35. Их производят за счет реакции конденсации анилина и формальдегида с участием кислотных катализаторов.
Изоцианат при нормальных условиях в зависимости от химических особенностей может быть как жидкостью, так и твердым веществом с низкой температурой плавления. В нашей индустрии это чаще всего жидкости со значительной вязкостью. При температуре +24 градусов этот показатель составляет от 150 до 250 Па*с. Цвет массы темный, коричневый, запах выраженный, довольно специфический. Вещества совершенно не растворяются в воде. Они могут содержать примеси других составов: кислот, соединений железа.
Для хранения применяют бочки из металла, но стоит помнить, что изоцианаты вызывают коррозию алюминия, меди и ее сплавов. Оптимальная температура для переработки вещества +20…+25 градусов. Хранение допускается при +10-30 градусов. Важно защищать вещество от попадания влаги, иначе оно потеряет свои свойства, образует твердый осадок, поэтому емкости должны быть герметичными. Изоцианаты — горючие соединения.
-
чистый (мономерный кристаллический) MDI. Применяются для получения эластомерных волокнистых материалов, адгезивов, герметиков и термопластов;
-
модифицированные полимерные MDI. Эти соединения используются при изготовлении пенополиуретана (ППУ) с микропорами, при получении изделий способом литья;
-
жидкие полиизоцианаты. Востребованы при получении жестких ППУ, для формирования напольных покрытий;
-
MDI высокой очистки. Они очень вязкие, используются для получения очень жесткой пены ППУ, которая обладает огнеупорными свойствами.
Для получения материалов имеет большое значение степень чистоты компонента и его концентрация в смеси. Чем больше в состав вводится изоцианатов, тем более жестким и плотными будет покрытие или материал.
ППУ, полученный на основе изоцианатов, имеет заметные преимущества:
-
значительная тепло-и звукоизоляция;
-
легкость материала; устойчивость к воздействию влаги;
-
возможность получения бесшовного покрытия;
-
быстрый и удобный метод нанесения;
-
длительный срок службы;
-
адгезия с разными поверхностями;
-
универсальность.
При помощи жесткого ППУ выполняют утепление холодильных камер, жилых, промышленных и административных объектов, изоляцию трубопроводов. Пенополиуретан применяется для изготовления сэндвич-панелей, которые используются для обшивки быстровозводимых зданий.
Кроме получения ППУ, изоцианаты применяются для:
-
производства клеев для соединения вискозы, резиновых или нейлоновых элементов;
-
изготовления полиуретановых лакокрасочных покрытий;
-
покрытия цистерн, емкостей, труб;
-
выполнять отделку напольных покрытий;
-
смешивания отдельных видов бетона;
-
изготовления древесных материалов — МДФ, ХДФ;
-
производства искусственной кожи, искусственной древесины;
-
изготовления автомобильных фильтров;
-
синтеза пестицидов.
Получаемый с применением изоцианатов полиуретановый клей достаточно востребован. Его используют при формировании покрытий из резиновой крошки, которыми оформляют детские и спортивные площадки. Такие составы не боятся ультрафиолета, выдерживают влияние температуры от -50 до +80 градусов, отличаются высокой адгезией к различным поверхностям: металлу, тканям, дереву, пластику, стеклу. Изоцианаты можно использовать как компонент клеевых составов на основе каучука или полиуретана, а в некоторых случаях в чистом виде.
Еще одно важное направление применения изоцианатов — получение герметиков. За счет своей эластичности и прочности такие средства используются в строительстве и при ремонтах, в автомобилестроении и авиации.
Полиизоцианатные отвердители
Полиизоцианатные отвердители — отвердители, содержащие в структуре две и более изоцианатные группы. Имеют широчайший спектр применения. В отличие от простых изоцианатов они менее токсичны и более безопасны. В покрытиях выполняют функцию компонента Б, или второго компонента, который отверждает основной компонент А (2К покрытия).
Полиизоцианатные отвердители подразделяются на две основных группы:
1. Ароматические – производные MDI (дифенилметандиизоцианата) или TDI (тоулилендиизоцианата).
Отвердители на основе MDI очень широко применяются во всех сферах промышленности: монтажные пены, сэндвич-панели, теплоизоляция, производство обуви, клеев, искусственной кожи и т.д.
Отвердители на основе TDI применяются как отвердители для промышленной окраски древесины (мебель, фасады, паркет) в сочетании в полиэфирными полиолами, а также для различных грунтовок в авторемонте в сочетании с акриловыми полиолами.
Покрытия на основе ароматических полиизоцианатов отличаются:
-
быстрым отверждением и набором твердости
-
возможностью сделать покрытие большой толщины (более 1 мм);
-
возможностью менять механические свойства покрытия в широком диапазоне (например, от твердого до очень эластичного);
-
хорошей химической стойкостью и гидрофобностью;
-
относительно низкой ценой.
Ароматические полиизоцианаты менее дороги и по этой причине более распространены. Главный недостаток ароматических полиизоцианитов заключается в том, что под воздействием солнечного света (УФ-излучения) происходит фотохимическая деградация лакокрасочного покрытия, что приводит к необратимому изменению цвета и снижению блеска (потому нежелательно их эксплуатировать под открытым небом). Кроме того, они имеют малое время жизни после смещения компонентов А и Б и сравнительно невысокие декоративные свойства (MDI).
2. Алифатические — производные HDI (гексаметилендиизоцианата) или IPDI (изофорондиизоцианата)
Отвердители на основе HDI широко используются в сочетании с акриловыми полиолами для верхних покрытий (эмаль, лак) в авторемонтных красках, антикоррозионных покрытиях, покрытиях для транспорта и мебели. Производятся как в виде растворов в органических растворителях, так и в безрастворном 100%-ном виде. Покрытия на основе данных отвердителей могут называться акрил-уретановыми и полиуретановыми.
Отвердители на основе IPDI используются в сочетании с отвердителями на основе HDI для ускорения сушки покрытий и увеличения их твердости. В чистом виде почти не используются. Представляют собой растворы в органических растворителях.
Алифатические полиизоцианаты (например, из HDI или IPDI) стоят дороже, чем ароматические, но имеют гораздо более высокие показатели световой и атмосферной стойкости.
Отдельным классом являются водорастворимые (водоэмульгируемые) полиизоцианатные отвердители. Они могут быть как на основе ароматических, так и алифатических изоцианатов.
Изоцианатный индекс и формула расчета
Изоцианатный индекс — это основной критерий качества продукта на основе изоцианатов (в том числе отвердителей). Изоцианатным индексом называют выраженное в процентах отношение взятого количества изоцианата к теоретически необходимому. То есть, это количество компонента Б (полиизоцианата), введенного в реакцию, деленное на эквивалентное теоретическое количество компонента Б (полиизоцианата), требуемое для взаимодействия с активными атомами водорода, содержащимися в компоненте А в гидроксильных и аминогруппах.
Так при расчете NCO-индекса для реакции получения ППУ учитывается, что в одной ОН-группе имеется один химически активный атом водорода, в NH2-группе (аминогруппа) имеется один химически активный атом водорода, и в молекуле воды имеется два таких водорода.
Формула расчета NCO-индекса такова:
Изоцианатный индекс = (Действительно используемое количество изоцианата / Необходимое теоретическое количество изоцианата) х 100%, где теоретическое количество изоцианата рассчитывают через стехиометрические эквиваленты.
Чем выше изоцианатный индекс, тем большее количество изоцианата введено в реакцию. Изоцианатный индекс влияет на свойства получаемого ППУ. В ряде научных работ установлено, что повышение NCO-индекса ведет к существенному возрастанию прочностных свойств при одновременном понижении вялоупругих свойств (эластичности). То есть, чем выше индекс, тем жестче будет получаться ППУ. К примеру, для жестких ППУ NCO-индекс, как правило, составляет от 100% до 115%. С целью снижения процессов усадки ППУ в рецептуру обычно закладывают избыток изоцианата.
Стоит отметить, что самовольное изменение рецептуры ППУ-компонентов, например, путем добавления воды в компонент А, поставляемый производителем, может привести к изменению изоцианатного индекса, как следствие, свойств конечной полиуретановой пены. Как правило, такое нарушение баланса химической реакции приводит лишь к отрицательным и трудно контролируемым вне лаборатории процессам.
Применение отвердителей для краски
При введении отвердителя в краску или лак, срок жизнеспособности полученной смеси сокращается. Срок годности ее — не более нескольких часов, после чего материалы переходят в гелеобразное состояние и становятся непригодны для использования. Поэтому количество ЛКМ, подготовленных с помощью отвердителей, должно быть рассчитано примерно на 2–3 часа работы.
При смешивании необходимо четко соблюдать дозировку, т.к. избыток или недостаток отвердителя приводит к снижению защитных свойств покрытия, а также придерживаться инструкции о том, в какой последовательности и при каких температурных условиях нужно смешивать компоненты. Полученная масса должна быть тщательно перемешана.
Верное разведение позволит получить качественный термореактивный состав, который будет обладать такими признаками: высокая адгезия с большинством известных материалов; отличная водостойкость, прочность на разрыв, разлом, механическое повреждение и действие химии; диэлектрические качества; безусадочная форма или незначительная усадка по время эксплуатации. Отвердители следует хранить в особо плотно закрытой таре. В присутствии влаги воздуха кристаллизуются и приходят в негодность.
Полиизоцианаты и другие группы отвердителей в каталоге Actis Chemicals
В нашем каталоге представлены 8 типов отвердителей:
-
алифатические полиизоцианаты со сверхнизким содержанием мономеров;
-
предполимеры со сверхнизким содержанием свободных мономеров.
Напишите нам о своей задаче. Будем рады обсудить подробности и подобрать подходящее решение.