Для нас, производителей лакокрасочных материалов, реология — это не просто раздел физики, а ключ к управлению поведением краски, комплексный параметр, который закладывается на этапе разработки ЛКМ и определяет судьбу продукта от начала его производства до получения готового покрытия.
Именно реология отвечает на главные вопросы: почему краска стабильна в банке, легко распределяется под кистью и не стекает с вертикальной поверхности. Умение точно настраивать реологический профиль позволяет создавать материалы, которые ведут себя предсказуемо и безупречно на каждом этапе своего жизненного цикла. По сути, это инструмент превращения набора компонентов в качественный продукт.
Что такое реология?
Реология (от греческого rheos — «течение») — это наука о деформации и текучести материалов под воздействием механических напряжений. Проще говоря, она изучает, как и почему материалы текут по-разному. Сравните масло, мед и битум: все они жидкости, но их поведение кардинально отличается. В области лакокрасочных материалов (ЛКМ) реология определяет ключевые характеристики, влияющие на технологические процессы производства, хранения и нанесения покрытий.
Главный герой реологии: вязкость
Основной параметр, с которым работает реология, — это вязкость. Ее можно представить как меру внутреннего трения или сопротивление жидкости течению. Чем выше вязкость, тем «гуще» материал и тем больше усилий требуется, чтобы заставить его течь (как в случае с медом). Чем ниже вязкость, тем материал «текучее» (как вода или масло).
Размер и структура молекул жидкости играют роль в определении вязкости: высоковязкие материалы состоят из крупных, плотно связанных молекул, которые обеспечивают высокое внутреннее трение. Низковязкие жидкости состоят из более мелких молекул с ограниченным внутренним трением и, следовательно, легче текут. Кроме того, вязкость зависит от многих факторов: температуры, давления и концентрации основного вещества (если речь идет о растворах).
Чтобы материал тек, он должен подвергаться достаточному внешнему напряжению для преодоления внутреннего трения (предел текучести).
Для количественного описания этого сопротивления используется понятие динамической вязкости. Ее стандартная единица измерения в системе СИ — паскаль-секунда (Па·с). На практике часто используют более удобную единицу — миллипаскаль-секунда (мПа·с), где 1 Па·с = 1000 мПа·с. Исторически также применяется пуаз (П): 1 П = 0.1 Па·с = 100 мПа·с.
Еще определяют кинематическую вязкость. Она равна отношению динамической вязкости к плотности жидкости и измеряется в м²/с или стоксах (Ст).
Что заставляет материал течь?
Сдвиговые усилия
Чтобы понять, как вязкость проявляет себя, нужно рассмотреть силы, действующие на жидкость. Ключевые понятия здесь — напряжение сдвига и скорость сдвига.
- Напряжение сдвига — это сила, приложенная на единицу площади, чтобы вызвать течение (например, усилие, с которым вы тянете кисть по поверхности).
- Скорость сдвига — это мера того, насколько быстро слои жидкости смещаются друг относительно друга под действием этого напряжения.
Процессы хранения и нанесения краски связаны с разными скоростями сдвига:
Динамическая вязкость — это отношение напряжения сдвига к скорости сдвига. Проще говоря, она показывает, какое усилие нужно приложить, чтобы достичь определенной скорости течения.
Зависимость вязкости от скорости сдвига (и времени) является предметом изучения реологии и позволяет целенаправленно создавать и производить материалы с заданным поведением.
Почему реология важна
Реология — это не абстрактная наука, а практический инструмент, определяющий успех производства и применения лакокрасочного материала.
Производство
На стадии производства реология отвечает за создание оптимальной среды для диспергирования пигментов и наполнителей. Задача — найти баланс:
- сначала нужна низкая вязкость для эффективного смачивания сухих частиц,
- затем — более высокая.
Если система слишком жидкая, эффективность перемешивания снижается. Правильно подобранные загустители создают структуру, при которой смесь образует характерный вихрь — «эффект пончика». Это признак эффективного диспергирования компонентов краски.
Хранение
При хранении ЛКМ главный его враг — сила тяжести, вызывающая осаждение пигментов и расслаивание. Задача реологии — создать слабую обратимую пространственную структуру, которая удерживает частицы краски при низких скоростях сдвига.
Ключевой параметр здесь — предел текучести. Если при хранении ЛКМ напряжение сдвига ниже этого предела, то система не будет расслаиваться.
Нанесение
Это самый динамичный этап, где свойства материала должны меняться в реальном времени:
- при распылении (очень высокие сдвиговые усилия) вязкость должна быть минимальной для формирования мелкодисперсного факела из сопла краскопульта.
- При работе валиком (высокие сдвиговые усилия) материал должен легко распределяться по поверхности, но не разбрызгиваться.
- При нанесении кистью (средние сдвиговые усилия) краска должна «тянуться» за ней, обеспечивая хорошее окрашивание, но не стекать с малярного инструмента.
Идеальная в нанесении краска разжижается при механическом воздействии на нее и восстанавливает свою структуру после, что предотвращает ее стекание с вертикальных поверхностей.
Формирование пленки
После нанесения начинается финальный акт, где реология регулирует сразу несколько процессов:
- выравнивание. Вязкость должна оставаться достаточно низкой в первые секунды, чтобы рисунок от кисти или валика успел разровняться, образовав гладкую поверхность.
- Удержание материала на вертикальной поверхности. Восстановление структуры краски должно произойти быстрее, чем капля под действием силы тяжести образует потек.
- Контроль толщины и укрывистости. Реологические свойства влияют на то, как ведет себя мокрая пленка, определяя итоговую толщину покрытия и равномерность распределения пигмента в нем.
Таким образом, реология связывает воедино все этапы жизни ЛКМ. Умение управлять ею позволяет создать материал, который имеет гарантированно предсказуемый результат на каждом этапе работы с ним.
Три фундаментальных реологических профиля
В реологии поведение материала под нагрузкой описывается его реологическим профилем — характерной зависимостью вязкости от скорости сдвига. Понимание трех основных типов течения — ньютоновского, псевдопластичного и дилатантного — является основой для прогнозирования и управления свойствами лакокрасочных материалов.
Ньютоновское течение
Ньютоновская жидкость обладает постоянной вязкостью, которая не меняется при изменении скорости перемешивания или нанесения.
Такой реологический профиль течения характерен для простых однородных сред: воды, чистых растворителей, минеральных масел. В лакокрасочных материалах это поведение ценно для лаков и глянцевых эмалей, где оно обеспечивает превосходное растекание и формирование гладкой поверхности.
Однако для пигментированных систем ньютоновская реология нежелательна — она не способна создать структурный каркас, предотвращающий оседание твердых частиц при хранении.
Псевдопластичное течение
Псевдопластичная жидкость меняет свое поведение в зависимости от нагрузки: ее вязкость снижается при увеличении скорости перемешивания или нанесения. Это происходит из-за разрушения внутренней структуры материала — связей между частицами пигмента и полимерами. Приложенная энергия тратится на это разрушение, уменьшая сопротивление течению.
Таким поведением обладают большинство современных красок и шпатлевок. Именно псевдопластичность обеспечивает ключевые свойства ЛКМ: легкости нанесения за счет его разжижения под кистью, стабильности в банке благодаря высокой вязкости в покое, а также снижению разбрызгивания. Часто псевдопластичность дополняется тиксотропией — способностью структуры восстанавливаться после сдвига, что предотвращает стекание красок с вертикальных поверхностей.
Дилатантное течение
Дилатантная жидкость демонстрирует парадоксальное поведение: ее вязкость возрастает при увеличении скорости сдвига, словно материал сопротивляется быстрому воздействию. Этот эффект возникает в переполненных системах, где частицы пигмента упакованы слишком плотно.
В лакокрасочных материалах такое поведение — нежелательный дефект. Оно сигнализирует о серьезных ошибках в рецептуре: чрезмерной наполненности пигментами или недостатке диспергирующих добавок.
Таким образом, создание качественного ЛКМ — это выбор в пользу псевдопластичного профиля, обеспечивающего баланс его стабильности и удобства нанесения. Дилатантное поведение необходимо предотвращать как признак рецептурной ошибки, а ньютоновское — применять ограниченно, только когда требуется идеальное выравнивание пленки покрытия.
Тиксотропия в лакокрасочных материалах
Тиксотропия — это свойство материала обратимо снижать вязкость под постоянным механическим воздействием с последующим восстановлением структуры, находясь в покое. Этот эффект основан на разрушении и постепенном восстановлении связей между частицами пигмента, наполнителей и полимеров.
В лакокрасочных материалах тиксотропия обеспечивает ключевые технологические преимущества.
- В состоянии покоя высокая вязкость предотвращает оседание пигментов в материале, гарантируя стабильность при хранении.
- При перемешивании и нанесении материал разжижается, облегчая работу с ним, а после такого воздействия быстро восстанавливает свою структуру, предотвращая стекание с вертикальных поверхностей и способствуя формированию плотных, ровных слоев покрытия.
Главное отличие тиксотропии от псевдопластичности заключается во временнóм факторе: тиксотропные материалы меняют вязкость постепенно при постоянном сдвиге и медленно восстанавливаются, в то время как псевдопластичные мгновенно реагируют на изменение скорости. Часто эти два свойства проявляются в красках вместе, обеспечивая материалу оптимальные характеристики.
Модификаторы реологии: архитекторы вязкости и структуры ЛКМ
Модификаторы реологии, или загустители, — это специальные химические добавки, главная задача которых заключается в управлении вязкостью и структурой лакокрасочного материала. Если связующее и пигменты — его основа, то загустители регулируют поведение этой основы на всех этапах жизни ЛКМ: при перемешивании, хранении, нанесении и формировании пленки. Для водных систем их роль особенно критична, так как связующее не создает достаточной структурной вязкости, в отличие от растворов полимеров в органических растворителях.
Выбор загустителя определяет не только «густоту», но и реологический профиль (ньютоновский, псевдопластичный, тиксотропный), что напрямую влияет на стабильность, розлив, устойчивость к стеканию и итоговый внешний вид покрытия.
Условно загустители можно разделить на две большие группы: неорганические (органоглины) и органические, которые, в свою очередь, делятся на неассоциативные и ассоциативные.
Неорганические загустители: органоглины
Органоглины представляют собой природные минералы, бентониты, которые химически модифицированы для эффективной работы в лакокрасочных системах. Благодаря слоистой структуре, в полярной среде (будь то вода или органический растворитель) их частицы способны набухать, формируя при этом пространственную сетку из-за водородных связей и электростатического взаимодействия.
Такое поведение обеспечивает материалу выраженный тиксотропный эффект и высокий предел текучести, что делает органоглины идеальным выбором для предотвращения осаждения пигментов в банке и борьбы со стеканием с вертикальных поверхностей. Они экономичны и эффективны, однако могут несколько ухудшать прозрачность и блеск покрытия. Чаще всего их применяют в системах на органических растворителях (например, алкидных или масляных), а также в некоторых водно-дисперсионных грунтовках и шпатлевках.
Органические неассоциативные загустители
Их механизм основан на увеличении вязкости из-за образования длинных гидрофильных полимерных цепей в водной среде.
Эфиры целлюлозы
Эфиры целлюлозы — это полусинтетические полимеры, получаемые на основе природной целлюлозы. Механизм их действия основан на способности молекул при гидратации значительно увеличиваться в объеме, создавая физический барьер, который препятствует свободному течению жидкости.
Это обеспечивает материалу хорошую структурную вязкость, отличную стабильность при хранении и эффективную стойкость к разбрызгиванию. Однако эфиры целлюлозы имеют и заметные недостатки: они могут ухудшать выравнивание и розлив, снижать водостойкость покрытия и служат питательной средой для микроорганизмов.
Щелочно-набухающие эмульсии (ASE)
Это дисперсии на основе полиакриловой кислоты. Их уникальное свойство проявляется при достижении pH = 8–9: частицы эмульсии набухают, превращаясь в гель. Это приводит к резкому увеличению объема и вязкости системы.
Такие эмульсии обеспечивают эффективное загущение при низких скоростях сдвига, придают составу эластичность и способствуют его хорошей стабильности. Однако их применение имеет и недостатки: вязкость сильно зависит от уровня pH, возможна склонность материала к разбрызгиванию, а в некоторых случаях может снижаться водостойкость покрытия.
Органические ассоциативные загустители
Это современный класс модификаторов реологии, где вязкость создается не просто объемом полимера, а обратимыми связями (ассоциациями) между его гидрофобными частями и компонентами краски (частицами связующего, пигмента).
Гидрофобно модифицированные щелочно-набухающие эмульсии (HASE)
Представляют собой усовершенствованную версию ASE. Их молекулярная структура дополнена гидрофобными боковыми группами. При активации щелочью полимерная цепь HASE обеспечивает загущение. Однако гидрофобные группы добавляют ключевую функцию — они формируют ассоциативные связи с частицами связующего и пигмента, создавая единую пространственную сетку.
Это обеспечивает высокую эффективность загущения, значительно лучший розлив и выравнивание по сравнению с обычными ASE, а также оптимальный баланс вязкости при различных режимах сдвига. Основным недостатком является чувствительность материала к присутствию ПАВ и сорастворителей.
Гидрофобно модифицированные эфиры полиуретана (HEUR)
Представляют собой синтетические полимеры, имеющие гидрофильную (полиэтиленгликолевую) основную часть и гидрофобные концевые группы.
Механизм их действия основан на том, что гидрофобные концы «прилипают» к поверхности частиц связующего и пигмента, формируя пространственную сетку. При механическом воздействии связи сетки обратимо рвутся, после — восстанавливаются.
HEUR — «золотой стандарт» загустителей для высококачественных красок. Они обеспечивают превосходное выравнивание покрытия, высокий глянец, хорошую водостойкость и прочность пленки.
Основные недостатки этих загустителей — чувствительность к количеству и типу ПАВ и сорастворителей, высокая стоимость по сравнению с вышеуказанными модификаторами реологии.
Правильный выбор и комбинация загустителей — это ключ к созданию краски с заданным комплексом технологических и эксплуатационных свойств. Современные тенденции смещаются в сторону использования ассоциативных модификаторов реологии (HASE, HEUR), которые обеспечивают лучшее качество покрытия при оптимальном сбалансированном реологическом профиле ЛКМ.
Разработчики ЛКМ учитывают состав рецептуры в целом при выборе подходящего модификатора реологии, так как существует множество факторов, которые влияют на вязкость красок, включая, помимо прочего: тип связующего, содержание пигмента/наполнителя, сорастворители и т. д.
Как измерить реологию: от простого контроля до глубокого анализа
Понимание реологических свойств требует учета трех ключевых факторов: внутренней структуры материала, внешних воздействующих сил (напряжение сдвига) и условий окружающей среды (температура, время). Для измерения используются специальные приборы — вискозиметры.
Вискозиметры для оперативного контроля
Эти приборы просты в использовании и идеальны для входного/выходного контроля и проверки соответствия ЛКМ спецификациям.
Вискозиметр ВЗ-246
С его помощью измеряют условную вязкость — время (в секундах), за которое фиксированный объем (100 мл) краски вытекает через калиброванное сопло (обычно диаметром 4 мм).
Как правило, этим прибором измеряют вязкость систем на органических растворителях (алкидных, масляных красок). Методика измерения вязкости регламентирована ГОСТ 8420.
Среди преимуществ прибора можно отметить его простоту, скорость работы, низкую стоимость, воспроизводимость результата.
Однако вискозиметр дает лишь одно значение, которое сильно зависит от плотности материала и не предназначен для определения вязкости материалов с неньютоновским поведением (тиксотропных, псевдопластичных). Эффективен в узком диапазоне вязкостей (от 12 до 200 с).
Оптимальная вязкость ЛКМ зависит от способа его нанесения и указывается производителем в технической документации. Вязкость красок по ВЗ-246 для пневматического распыления обычно составляет 14–25 секунд, для нанесения кистью 60–100 секунд, валиком — 80–120 секунд. Точное значение определяется пробным окрашиванием: материал должен легко наноситься, обеспечивать хороший розлив без образования потеков.
Ротационный вискозиметр Брукфильда
Предназначен для измерения динамической вязкости (в мПа·с или сПз). Прибор определяет крутящий момент, необходимый для вращения погруженного в образец шпинделя с заданной постоянной скоростью.
Вискозиметр Брукфильда — стандартный прибор для контроля вязкости водно-дисперсионных материалов. Он более информативен, чем ВЗ-246, так как позволяет оценить зависимость вязкости от скорости (подбором шпинделя) и косвенно — тиксотропию (измеряя падение вязкости со временем при постоянном сдвиге).
Но у прибора есть и недостатки: по сути, он также дает одну точку измерения (при выбранных условиях), не позволяет точно измерить предел текучести или построить полную реологических кривую ЛКМ.
Для водно-дисперсионных материалов обычно определяют динамическую вязкость вискозиметром Брукфильда, для органорастворимых материалов — условную вязкость по ВЗ-246.
Другие специализированные приборы
- Вискозиметр Кребса (Stormer): измеряет вязкость в условных единицах KU (Krebs Unit), популярен в США для определения вязкости строительных красок.
- Вискозиметр ICI (конус-пластина): создает очень высокую скорость сдвига (около 10 000 с⁻¹), имитируя нанесение распылением, и используется для оценки вязкости в этих условиях.
При проведении измерений необходимо строго соблюдать температурный режим, так как вязкость существенно зависит от температуры. Стандартная температура измерений составляет 20±2°C. Для нестабильных систем следует минимизировать время между подготовкой образца и измерением его вязкости.
Выбор оборудования для контроля реологии зависит от задач: от быстрого производственного мониторинга до глубокого исследовательского анализа. Для оперативной проверки консистенции на производстве достаточно простых вискозиметров, таких как ВЗ-246, которые замеряют время истекания фиксированного объема краски. Для более точного контроля используют ротационные вискозиметры, измеряющие вязкость при заданной скорости вращения. Когда же требуется полное понимание поведения материала — построение реологических кривых, анализ тиксотропии и предела текучести — применяют реометры.
Типичные проблемы при нанесении ЛКМ и их решение
Потеки
Образование потеков представляет собой один из наиболее распространенных дефектов, возникающих при избыточной толщине слоя краски или недостаточной вязкости материала. Материал стекает по вертикальной или наклонной поверхности под действием силы тяжести, образуя характерные наплывы.
Причины образования потеков:
- низкая вязкость материала при низких скоростях сдвига;
- избыточное количество нанесенного материала;
- недостаточные тиксотропные свойства;
- слишком быстрое испарение растворителей при высокой температуре.
Предотвращение потеков достигается следующими мерами:
- использование реологических модификаторов для придания материалу тиксотропных свойств;
- контроль толщины наносимого слоя;
- соблюдение рекомендуемой вязкости материала;
- нанесение материала в несколько тонких слоев вместо одного толстого;
- контроль температуры окрашивания.
Апельсиновая кожура
Дефект характеризуется неровной поверхностью покрытия, напоминающей апельсиновую кожуру. Он возникает при плохом розливе материала, когда отдельные капли или следы от распыления не сливаются в однородную пленку.
Основные причины образования апельсиновой кожуры:
- слишком высокая вязкость материала;
- высокое поверхностное натяжение ЛКМ;
- быстрое испарение растворителей;
- неправильная настройка краскопульта;
- слишком большое расстояние от краскопульта до окрашиваемой поверхности;
- низкая температура материала или основания.
Устранение дефекта требует комплексного подхода:
- корректировка вязкости материала до оптимальных значений;
- использование смеси растворителей с различной летучестью;
- добавление поверхностно-активных веществ для снижения поверхностного натяжения;
- правильная настройка оборудования для нанесения ЛКМ;
- контроль температурных условий окрашивания.
Разделение фаз при хранении
Оседание пигментов и наполнителей при хранении представляет серьезную проблему для стабильности лакокрасочных материалов. Это явление связано с недостаточной вязкостью системы при низких скоростях сдвига.
Предотвращение оседания твердых частиц в краске достигается введением тиксотропных агентов, создающих пространственную структуру в состоянии покоя. Для водных систем применяются ассоциативные загустители, для органорастворимых используются органоглины.
Проблемы с вязкостью материалов при изменении температуры
Вязкость лакокрасочных материалов существенно зависит от температуры. При понижении температуры вязкость увеличивается, что может затруднять из нанесение и ухудшать розлив. При повышении температуры вязкость снижается, увеличивая риск образования потеков.
Для обеспечения стабильного результата рекомендуется проводить окрашивание при температуре материала и основания 18–22°C. Материал следует выдержать не менее суток при температуре помещения, где будут производиться малярные работы.
Вязкость материалов снижается при повышении температуры и увеличивается при понижении.
Можно ли самостоятельно улучшить реологические свойства краски?
Модификация реологических свойств готовой краски ограничена. Наиболее доступный способ — корректировка вязкости (в сторону ее уменьшения), разбавляя ее растворителем или водой, в соответствии с рекомендациями производителя.
Добавление реологических модификаторов для увеличения вязкости требует специальных знаний и оборудования, так как необходимо обеспечить равномерное распределение добавки и сохранение стабильности системы. Неквалифицированное вмешательство может привести к расслоению ЛКМ, ухудшению свойств покрытия или полной непригодности материала. Рекомендуется использовать высококачественные материалы с оптимизированными производителем свойствами.
Заключение
Реология — это фундаментальная наука для разработки идеального ЛКМ. Понимая и управляя реологическим профилем, производитель получает инструмент для создания материала, который идеально ведет себя на всех этапах: легко диспергируется, стабильно хранится, удобно наносится и образует безупречное покрытие. В конечном счете именно реология позволяет превратить набор компонентов в предсказуемый, технологичный и качественный продукт, отвечающий самым высоким требованиям.
Компания Аквест предлагает полный ассортимент лакокрасочных материалов, в том числе водно-дисперсионных красок, лаков, грунтовок и клеев.
Кроме того, предлагаем широкий выбор декоративных лакокрасочных материалов премиум-сегмента.
Подробную информацию обо всех материалах вы можете получить у наших менеджеров или на сайте.
Уважаемые читатели, благодарим вас за интерес к статье! Лайки, комментарии и подписки на канал приветствуются. Вас ожидает много интересного, не пропустите!