Роль пирогенного диоксида кремния в лаках? 

Когда слышишь про ?пирогенный диоксид кремния в лаках?, первое, что приходит в голову — это, наверное, матовость. Да, это так, но это лишь верхушка айсберга, и именно здесь многие, особенно те, кто только начинает работать с материалом, попадают в ловушку, думая, что это просто ?добавка для шероховатости?. На деле же, если копнуть глубже, его роль куда сложнее и капризнее. Я много раз видел, как партия лака ?пошла не туда? именно из-за непонимания того, как эта самая аэросил ведет себя в системе. Не та дисперсия, не та вязкость, не тот конечный эффект — и все, продукт можно списывать. Давайте разбираться без глянца, с тем самым ?привкусом? практики.

Не просто матирующий агент: физика процесса

Итак, начнем с основ, но не с учебника, а с того, что видишь в цеху. Пирогенный диоксид кремния — это не инертный наполнитель вроде мела. Его получают в пламени, частицы первичные — нанометровые, но они тут же сцепляются в эти самые агрегаты и агломераты, образуя трехмерную сетку. Вот эта сетка — ключ ко всему. Когда мы вводим его в лак, мы вводим не порошок, а структуру.

Первый и самый очевидный эффект — матирование. Но почему? Не потому, что частицы крупные и царапают поверхность. Как раз наоборот. Эта сетка из диоксида кремния создает микропористость в пленке при высыхании. Свет рассеивается на этих неоднородностях — вот вам и матовость. Грубая ошибка — сыпать его ?на глаз? для нужной степени матовости. Получишь неконтролируемый рост тиксотропии, лак станет как паста, кисть будет вставать колом. Нужно точно считать, исходя из удельной поверхности конкретного сорта. У того же Aerosil? 200 (около 200 м2/г) и Aerosil? 300 (около 300 м2/г) поведение будет разным при одинаковой массовой доле.

И вот здесь важный нюанс из практики: дисперсия. Сухой порошок в готовый лак не засыплешь — получишь комки, которые не разобьешь. Его нужно предварительно диспергировать, и часто — на высоких оборотах. Но и это не гарантия. Видел случаи, когда из-за неправильно подобранного растворителя или слишком высокой температуры при диспергировании сетка разрушалась недостаточно или, наоборот, слишком сильно, и загущающий эффект не достигался. Получался просто дорогой мутный лак с плохой адгезией.

Загуститель и контролер реологии: где тонко, там и рвется

Вторая, может быть, даже более ценная для технолога роль — это загущение и тиксотропия. Та самая трехмерная сетка из частиц диоксида кремния резко повышает вязкость системы в состоянии покоя. Но стоит приложить сдвиговое усилие — перемешать, нанести кистью или валиком — сетка временно разрушается, вязкость падает, и лак легко течет. Перестал наносить — сетка восстанавливается, лак не стекает с вертикальной поверхности.

Идеально, правда? Теоретически — да. На практике — масса подводных камней. Классическая проблема — синерезис, то есть отделение жидкой фазы при длительном хранении. Сетка со временем может уплотняться, выдавливая связующее. Открываешь банку через полгода — а сверху прозрачное масло. Борются с этим комбинацией пирогенного диоксида кремния с другими загустителями, например, органическими, или использованием пирогенного диоксида кремния с гидрофобной обработкой. У того же китайского производителя, например, Hubei Huifu Nanomaterials Co. (их сайт — https://www.hifull.ru), в ассортименте есть как гидрофильные, так и гидрофобные модификации. Их материалы, кстати, в последнее время стали встречаться на рынке все чаще, и по опыту могу сказать, что с их гидрофобными марками, предназначенными для систем на неполярных растворителях, проблема синерезиса стоит менее остро.

Еще один момент — влияние на блеск при разных методах нанесения. При напылении можно получить одну степень матовости, при наливе — другую. Все из-за той же реологии и ориентации частиц в пленке во время формирования. Это нужно закладывать в рецептуру заранее, тестировать.

Влияние на механические свойства: прочность против хрупкости

Тут мнения часто расходятся. Одни говорят, что аэросил укрепляет пленку, другие — что делает ее более хрупкой. Истина, как обычно, посередине и зависит от всего. Нанодисперсные частицы могут работать как упрочняющий наполнитель, мешая распространению микротрещин. Это может немного повысить твердость и износостойкость.

Но есть огромное ?но?: степень дисперсии. Если в пленке остались микронные агломераты, они становятся центрами напряжения, точками, где пленка начнет рваться при изгибе или ударе. Я сам однажды ?попал? на этом, пытаясь сэкономить время на стадии диспергирования. Лак на дереве давал красивую матовую поверхность, но при температурных деформациях основания покрытие покрывалось паутинкой мелких трещин. Пришлось переделывать всю партию.

Кроме того, большое количество диоксида кремния может снизить эластичность пленки за счет избыточного структурирования. Поэтому в составах для гибких подложек его используют очень осторожно и в комбинации с пластификаторами или более эластичными связующими.

Взаимодействие с другими компонентами: система в системе

Пирогенный диоксид кремния — не остров. Он активно взаимодействует со связующим, растворителями, добавками. Особенно это касается поверхностно-активных веществ (ПАВ) и диспергаторов. Некоторые ПАВ могут так адсорбироваться на поверхности частиц кремнезема, что полностью разрушат его загущающую сетку, сведя на нет все усилия. Это нужно проверять экспериментально для каждой конкретной системы.

Еще один практический момент — влияние на время высыхания. Из-за высокой удельной поверхности он может адсорбировать на себе часть сиккативов (в алкидных системах) или аминов (в полиуретанах), немного замедляя отверждение. Это не всегда критично, но если стоит жесткий техпроцесс по времени, то этот фактор нужно учитывать. Иногда помогает переход на гидрофобную модификацию, которая меньше взаимодействует с полярными компонентами системы.

Что касается упомянутой компании Hubei Huifu Nanomaterials Co., которая, как указано, работает в сфере наноматериалов более 20 лет, то их материалы часто поставляются с техническими паспортами, где указана не только удельная поверхность, но и, например, рекомендуемое содержание влаги. Это важный параметр, так как гидрофильный диоксид кремния активно впитывает воду, что может вызвать проблемы в влагочувствительных системах, например, с полиизоцианатами.

Экономика и альтернативы: всегда ли он нужен?

Аэросил — материал дорогой. Его применение должно быть технически и экономически обосновано. Иногда для простого матирования дешевле и эффективнее использовать осажденный диоксид кремния или восковые матирующие добавки. Они дадут менее выраженный загущающий эффект, но и проблем с диспергированием и синерезисом будет меньше.

Однако, когда нужен комплексный эффект — матирование + контроль реологии + некоторое упрочнение — альтернатив пирогенному диоксиду кремния мало. Важно точно рассчитать его минимально эффективную концентрацию. Часто ?золотая середина? находится в диапазоне 0.5-3% от массы композиции, но, повторюсь, все зависит от марки, системы и требуемого эффекта.

В конце концов, работа с ним — это всегда поиск баланса. Баланса между матовостью и глянцем, между тиксотропией и текучестью, между прочностью и эластичностью, между ценой и качеством. Это не та добавка, которую можно просто добавить по рецепту из книги. Это инструмент, требующий понимания, опыта и множества пробных выкрасов. Но когда находишь эту точку баланса, получаешь продукт с превосходными и, что важно, стабильными свойствами. И это, пожалуй, главная роль пирогенного диоксида кремния в лаках — быть тем самым тонким регулятором, который превращает хороший лак в отличный.