ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ЛАКОКРАСОЧНЫЕ СИСТЕМЫ ПОКРЫТИЙ

Статья основана на переводе раздела «Anstrichstoffe/Anstrichsysteme» из книги «Wärmedämm-Verbundsysteme», Fraunhofer IRB Verlag, 2010, авторами которой являются известные немецкие специалисты по WDVS: W. Riedel; H. Oberhauz; F. Frössel; W. Haegele.

В статье, на основе немецкого опыта, приведен анализ свойств современных европейских фасадных красок для наружных штукатурных систем утепления WDVS.

Согласно определению по DIN 55 945 в отношении покрытия, речь в статье идет о лакокрасочном покрытии, состоящем из отдельных слоев материала. Так как лакокрасочное покрытие, в зависимости от вида и качества строительного основания, состоит из грунтовки, предварительного покрытия и верхнего защитного слоя, то в профессиональном мире уже укоренился термин «лакокрасочная система покрытия». Кроме того, употребительны такие понятия как материалы покрытия, системы покрытия или фасадные краски.

Лакокрасочные покрытия различаются по следующим общим критериям:

• по связующей основе - акрил или сополимеры акрила, силиконовая смола, жидкое калиевое стекло;
• по строительному основанию - краски для бетона, минеральных и полимерных штукатурок, дерева;
• по технологической очередности нанесения слоев - грунтовка, промежуточное покрытие, финишное покрытие;
• по месту применения - фасадная краска, интерьерная краска, покрытия для полов, крыш;
• по техническим характеристикам - водопоглощение, сопротивление диффузии водяного пара, способность к перекрытию трещин.

Для лакокрасочных покрытий практически характерно то же самое, что, и например, для финишного слоя в виде штукатурки - нет «идеальной краски». Каждый лакокрасочный материал или системы лакокрасочных покрытий имеют свою обоснованность использования и те или иные преимущества и недостатки. По этой причине при планировании, выборе и применении лакокрасочных материалов не следует руководствоваться ни политическими, ни коммерческими убеждениями, а всегда исходить из свойств строительного основания с учетом выполнения технических и оптических требований. Каждый лакокрасочный материал или покрытие, как правило, состоит из одной или комбинированной связующей основы, пигментов, наполнителей, добавок и вспомогательных веществ. Даже в профессиональных кругах едва ли известно, что практичность применения слоев в основном складывается с помощью добавок и на основе количества слоев лакокрасочного материала или покрытия. 

Для теплозащитных связанных систем WDVS (Wärmedämm-Verbundsysteme). В России аналогичные фасадные системы теплоизоляции получили название СФТК - системы фасадные теплоизоляционные композиционные. Прим. автора) используются воднодисперсионные акрилатные краски, воднодисперсионные краски на основе силиконовой смолы или воднодисперсионные силикатные краски. Минеральные краски, а также чистые классические силикатные краски не нашли практического применения. Системы покрытий могут наноситься на WDVS для различных целей. Это может быть, например, нанесение грунтовки и выравнивающей краски для предотвращения или профилактики образования пятен или в случае нарушения цвета. Рано или поздно, на все WDVS наносится высококачественное многослойное покрытие, которое состоит из грунтовки (или грунтового покрытия) и двух покрытий, промежуточного покрытия (например, штукатурки. Прим. автора) и финишного покрытия (например, фасадной краски. Прим. автора). Это может производиться, как при проведении теплоизоляционных работ, так и позже при проведении технического обслуживания или ремонтных работ. Нанесение высококачественных слоев краски, как правило, делается для достижения таких целей, как цветовое оформление или восстановление цветов фасада, защиты от дождевой нагрузки или сдерживания микробиологического поражения.

Таблица 1. Свойства фасадных воднодисперсионных красок

Определение строительно-физических качеств фасадной краски выполняется согласно различным нормам проведения испытаний, например, водопоглощение - согласно DIN EN 1062, часть 3 (аналогичный гармонизированный стандарт РФ ГОСТ 33352-2015. Прим. автора.), а диффузия водяного пара согласно - DIN EN ISO 7783, часть 2 (аналогичный гармонизированный стандарт РФ ГОСТ 33355-2015. Прим. автора). Здесь следует учесть, что строительно-физическая оценка должна ориентироваться не только на один показатель, а должна быть всесторонней. Таким образом, фасадная краска с высокой степенью водопоглощения не должна оцениваться как «неблагоприятная», если она, например, имеет одновременно высокую степень диффузии водяного пара. И наоборот, фасадные краски с низким водопоглощением не могут расцениваться как «идеальные», если они, например, имеют высокое остаточное напряжение и не годятся для строительного основания.

Для оценки водопоглощения используется так называемый w-показатель. Диффузная способность по отношению к водяному пару определяется по s_d-показателю, эквивалентная толщина неподвижного слоя воздуха. Обе характеристики, с одной стороны, делятся на классы (см. таблицу 2), с другой стороны, ставятся в соотношение друг с другом (см. график 1).

График 1. Теория Кюнцеля

Согласно теории защиты фасада по Кюнцелю верхняя граница принимается равной для w-показателя как max 0,5 кг/(м²·ч^0,5) и для s_d-показателя - max 2,0 м. Кроме того, для покрытия должно выполняться условие w·s_d  £ 0,1 кг/(м²·ч^0,5), чтобы обеспечить строительно-физическое равновесие фасада (Эмпирическую теорию защиты по Кюнцелю легко разъяснить с помощью графика 1. Этот график увязывает между собой три физических параметра наружного покрытия: эквивалентная толщина слоя воздуха (паропроницаемость) s_d; водопоглощение w; скорость высыхания s_d · w. Покрытие прогнозируемо долговечно, если все три параметра лежат в синей области. Прим. автора). При такой оценке в отношении WDVS следует учесть, что лакокрасочные материалы и покрытия наносятся на поверхностный слой штукатурки. Вследствие этого, при оценке следует всегда учитывать, как поверхностный слой штукатурки, так и относящееся к нему лакокрасочное покрытие – и это не только для первоначального нанесения покрытия, но и в случае ремонта и реставрации.

Таблица 2

Таблица 3. Физические параметры фасадных красок

Чтобы лакокрасочный материал или система покрытий подходили в качестве финишного покрытия к WDVS, должны выполняться следующие критерии:

• совместимость материалов с WDVS (отделка и теплоизоляционный материал);
• показатель светлости > 20 (Австрия 25) (Рассмотрим этот показатель более подробно, так как в последнее время отчетливо просматривается негативная тенденция нанесения на фасады зданий материалов с чрезвычайно насыщенными темными цветами. Показатель светлости является мерой яркости поверхности. Значение 100 для «идеально» белой поверхности и 0 для «идеально» черной поверхности. Показатель не зависит от глянца и/или типа связующей основы. Значение имеет количество и вид пигментов, а также степень загрязнения фасада (пыль, грязь, микрофлора). Например, для белой штукатурки показатель светлости равен примерно 90 и при интенсивной солнечной нагрузке температура штукатурки может достичь 40°С, для пастельных цветов, соответственно 60-70 и 50°С, а для 20 уже и 70°С и выше. Сильный нагрев штукатурки, как, впрочем, и краски, может привести к появлению внутренних растягивающих усилий и, как следствие, к образованию трещин и шелушению. Также для WDVS/СФТК с пенополистирольным утеплителем надо учитывать, что это может привести и к подплавлению наружного слоя плит утеплителя. Следует заметить, что этот эффект характерен не только для жарких летних дней, но, например, для марта и апреля, что связано, помимо возрастания солнечного облучения, еще и с углом падения. Прим. автора);
• эквивалентный воздушный промежуток s_d → минимум (s_d=md, где m немецкий безразмерный коэффициент паропроницаемости материала, а d его толщина в м. Физически он обозначает ту толщину слоя воздуха, которая имеет равную паропроницаемость с конкретным материалом. Очень удобен для сравнения между собой разных материалов с точки зрения диффузии водяного пара. Прим. автора);
• водопоглощение w → минимум (речь идет о коэффициенте водопоглощения w, кг/(м²·ч^0,5), физический смысл которого можно найти в DIN 52617 (или ГОСТ 56505-2015). Согласно формуле (1) водопоглощение W, кг/м², за время t в часах через единицу площади поверхности равно W=w·t^0,5. Отметим, что в DIN 52617 приведены графики водопоглощения минеральных и полимерных штукатурок, имеющих разную зависимость от времени. Прим. автора).

Эти вышеизложенные принципиальные положения, являющиеся важнейшими для фасадных красок, далее кратко опишем. Как и для наружной штукатурки, так и для лакокрасочного материала следует различать используемые связующие основы. Как правило, это следующие связующие основы:

• полимерные воднодисперсионные краски;
• краски (эмульсия + полимер) на основе силиконовой смолы;
• воднодисперсионные силикатные краски;
• минеральные краски.

В отличие от финишного слоя штукатурки, эти связующие основы чаще всего комбинируются в фасадных красках. Лучшим примером этого являются так называемые силиконизированные краски. Здесь речь идет о полимерных воднодисперсионных красках, обогащенных силиконом. Доля силикона в этих недорогих фасадных красках значительно ниже, чем в «настоящих» красках на основе силиконовой смолы. Таким образом, свойства фасадных красок определяются в основном в зависимости от связующей основы и количества ее содержания.

При оценке следует учесть, что из-за сильных различий по типу и свойствам связующих основ, а также вследствие сильной зависимости от строительного основания, практически невозможно произвести какие-либо обобщения. Так, например, воднодисперсионные краски обладают совершенно различными уровнями эластичности и пластичности, различной способностью к диффузии водяных паров, CO₂-проводимости и даже различным поверхностным натяжениям. Поэтому в таблице приведено лишь общее представление, так как на рынке различия в отношении различных связующих основ и их свойств представлены не так, как это воспринимается производителем WDVS.

Соображения для финишных штукатурок в общем случае в значительной мере могут быть применены и для одноименных (По связующей основе. Прим. автора) красок и материалов покрытия. Силикатные краски демонстрируют высокую степень диффузии водяного пара и обладают совместимостью (Химической. Прим. автора) с минеральными строительными основаниями. Типичными являются также матовый глянец, оптически минеральная поверхность и ограниченный набор цветов (стойкость пигментов к воздействию щелочей). Кроме того, у силикатных красок во время затвердевания также возможно выцветание. В отличие от них, полимерные воднодисперсионные краски могут изготавливаться практически в любых цветовых тонах, они имеют высокую степень стабильности цвета, очень высокую степень водоотталкивания и чрезвычайно эластичны.

Фото 1-4. Изображения различных красок, полученные с помощью электронного микроскопа

Химический состав воднодисперсионных красок играет большую роль, прежде всего, в части свойств пленок в отношении устойчивости. Чистые акрилаты, например, в отношении светостойкости и водостойкости еще не превзойдены, но все же они относительно дорогие, а по водостойкости хуже, чем стиролакрилаты. Поливинилацетатные дисперсии очень атмосферостойкие, но все же менее светостойкие и (в зависимости от состава), более или менее омыляемые. Это может стать значительным недостатком при использовании совместно со щелочными строительными основаниями. Стиролакрилатные дисперсии имеют из-за содержания стирола очень хорошую водостойкость, но все же невысокую светостойкость.

Модифицированные полимерные воднодисперсионные краски, так называемые эластик - системы, используются для малярно-технического ремонта трещин. Эластичность лакокрасочных материалов и покрытий может быть достигнута только при высоком содержании связующей основы. Это, наряду с высокой склонностью к загрязнению, ведет также к невысокой степени диффузии водяного пара. Поэтому такие эластичные лакокрасочные материалы и покрытия не могут использоваться на влажных строительных основаниях, причем следует принимать во внимание и предварительное увлажнение (например, в области примыканий). Если требуется перекрыть строительное основание с трещинами, то необходимо использовать только лакокрасочные материалы и покрытия на основе силиката или на основе силиконовой смолы (С целью не создавать дополнительные паробарьеры. Прим. автора). Силикатные краски, в свою очередь, из-за матрицы своей связующей основы не являются эластичными и не могут скрыть деформаций. Их задача, таким образом, состоит в том, чтобы заполнить трещины. Поэтому эластичные и одновременно свободные для диффузии водяных паров лакокрасочные материалы и покрытия, с технической точки зрения, создать невозможно (см. рис. 1). Если они все же предлагаются, то речь идет о мошенничестве с этикетками.

Рис. 1. Различные фасадные краски и их эластичность

1. минеральная краска
2. силикатная краска
3. краска на основе силиконовой смолы
4. воднодисперсионная краска
5. эластичная краска

Краски на основе силиконовой смолы - или, как они правильно называются, краски на основе эмульсии силиконовой смолы (от английского термина "силиконовые эмульсионные краски") - наиболее оптимальные на данный момент лакокрасочные материалы и покрытия. Под электронным микроскопом у них видна четко выраженная пористость, которая напоминает о (воднодисперсионной) силикатной краске и является причиной высокой диффузии водяного пара. Из-за микропористого состава пигмента дополнительно приобретается высокая проводимость для CO₂, таким образов, краски на основе силиконовой смолы можно использовать и со строительным раствором, содержащим углерод. Еще одним свойством, делающим краски на основе силиконовой смолы пригодными для практически всех видов строительного основания, является их низкий уровень напряжения при свободном высыхания.

Так как они состоят из эмульсии на основе силиконовой смолы и дисперсии синтетических полимеров, то высыхание или образование пленки у красок на основе силиконовой смолы происходит аналогично тому, как это происходит у воднодисперсионной краски (Коалесценция - слияние/склеивание частиц в подвижной фазе, например, в воде. Прим. автора). Образование пленки у дисперсии синтетических полимеров происходит чисто физически путем испарения воды. Также и краски на основе эмульсии силиконовой смолы сначала высыхают физически. Параллельно с этим происходят различные химические реакции образования сетчатых структур. В процессе производства в макромолекулах силиконовых смол также возникают гидроксильные группы, которые отвечают за то, чтобы силиконовая смола, с одной стороны, сцепляла частицы пигмента и наполнителя, а с другой стороны, соединялась бы с минеральным строительным основанием. В обоих случаях наряду с чисто физической адгезией протекает также и химическая реакция, с помощью которой сцепление внутри матрицы, а также со строительным основанием становится прочным. Как на поверхности частиц пигмента и наполнителя, так и на минеральном строительном основании (поверхности) находятся гидроксильные группы. Так называемые силанольные группы (Si-OH) реагируют с гидроксильными группами, расположенными, как на поверхности строительного материала, так и в находящихся в системе пигменте и наполнителе, а также сами с собой (увеличение молекул). Вследствие этого оба компонента, наполнитель и пигмент, соединяются с силиконовой смолой, кроме того, с силиконовой смолой соединяется и строительное основание – и очень крепко. Одновременно с этим с молекулами воды также реагируют содержащиеся в макромолекулах силиконовой смолы гидроксильные группы. Посредством этой реакции макромолекулы смолы во многих местах соединяются друг с другом, таким образом, появляется типичная для силиконовой смолы структурная сетка (каркас силиконовой смолы). Свойства краски на основе силиконовой смолы являются следствием ее состава. В качестве связующего элемента используется трехкомпонентная силиконовая смола, образующая сетчатую структуру в водной эмульсии, к этому добавляется дисперсия полимера, а также пигменты, наполнители и вспомогательные вещества. Количество используемой дисперсии полимеров значительно меньше, чем у полимерных воднодисперсионных красок. Также в сравнении представленные на рынке типичные краски на основе силиконовой смолы имеют большие различия в количестве содержания силиконовой смолы. Так, несколько лет назад началась дискуссия о так называемых «настоящих» красках на основе силиконовой смолы. В части содержания силиконовой смолы они отличаются на 50% (по отношении ко всей связующей основе).

В отличие от полимерных воднодисперсионных красок, у красок на основе силиконовой смолы после высыхания закрытая пленка не образуется. Количество используемой дисперсии полимеров обеспечивает соединение («склеивание») частичек наполнителя и пигментов друг с другом. Поэтому возникает открытая пористая структура (и никакой закрытой пленки), которая обеспечивает высокую проводимость в отношении водяного пара и СО₂. Эта чрезвычайно пористая лакокрасочная пленка без компонентов силиконовой смолы не имела бы функциональной защиты от влажности. Силиконовая смола покрывает отдельные прочные частицы очень тонким закрытым слоем с высокой степенью гидрофобности. Поэтому краски на основе силиконовой смолы, несмотря на высокую степень диффузии водяного пара, имеют высокую степень водоотталкивания. Чтобы убедиться в этом, стоит лишь рассмотреть поверхности пигментов и наполнителей на молекулярном уровне (см. фото 1- 4). Неорганическая часть силиконовой смолы связана на поверхности частиц тремя кремнекислородными связями. Каждый органический остаток силиконовой смолы одновременно так связан этими тремя кремнекислородными связями с поверхностями частиц, что органические остатки выступают наружу почти как зонтик и, таким образом, образуют водоотталкивающую поверхность. В этой сильной гидрофобизированной поверхности, одновременно обладающей высокой паропроницаемостью, вследствие пористости сетки силиконовой смолы, и лежит, собственно говоря, рецепт успеха красок на основе силиконовой смолы. Высокая прочность матрицы (сетки) и отсутствие у нее гидро- и термопластичности определяют особую устойчивость красок на основе силиконовой смолы к погодным условиям и загрязнениям.

Краски на основе силиконовой смолы также использовались в качестве исходных элементов для разработки фасадных красок с "эффектом лотуса" (Другое название "эффект отжемчуживания". Прим. автора). Здесь речь идет о стиролакриловой краске, смешанной с силиконами с высокой степенью ранней гидрофобии. Именно она, а не наномасштабная структура поверхности, отвечает за так называемый эффект водонепроницаемости. Проблемой фасадной краски с «эффектом лотуса» является химическая и физическая прочность структуры поверхности. При контакте, например, с поверхностно-активными веществами, гидрофобный эффект снижается. Поэтому поверхность фасада нельзя мыть при помощи обычных чистящих средств. Другой проблемой является также истирание поверхности, при котором свойство «эффекта лотуса» теряется навсегда. В природе эта проблема решается просто регулярной регенерацией поверхности - фактор, который не работает у неорганических материалов.

Помимо всего прочего, дальнейшие разработки лакокрасочных материалов и покрытий сконцентрированы в настоящее время на фасадных красках с фотокаталитическим эффектом. Для этого в воднодисперсионную краску добавляется специальный компонент – оксид титана, который отвечает за фотохимическую реакцию. Механизм действия фотохимического катализа известен уже много десятилетий. Сначала субстрат покрывается полупроводниковым материалом (например, оксидом титана TiO₂ с определенной модификацией кристалла).

Этот материал отличается проводимостью, которая активируется световыми фотонами. При появлении ультрафиолетовых лучей освобождаются отрицательно заряженные электроны, нанокристаллы TiO₂ реагируют с имеющейся влагой и, вследствие этого, образуют кислородные радикалы. Речь идет также об «активном кислороде». Эти радикалы имеют высокий окислительный потенциал и в состоянии уменьшить органические молекулы. По этой причине в будущем можно ожидать, что лакокрасочные материалы и покрытия (С наночастицами. Прим. автора) обеспечат решение проблемы загрязнения и микробиологического разрушения фасадов.

До этого ранее использовались фасадные краски, в которые добавлялись биоциды еще на заводе-производителе. Термин биоцид происходит от греческого слова bios (= жизнь) и латинского слова caedere (= убивать) и описывает, среди прочего, химикаты и синтетические яды, убивающие микроорганизмы. Общее понятие "биоцид" подразделяется на дополнительные подгруппы: альгициды против водорослей,  бактерициды против бактерий и фунгициды против (плесневых) грибков. Другие биоциды, такие как, например, акарициды (против клещей - прим. ред.), гербициды (против растений - прим. ред.), вируциды (против вирусов - прим. ред.), а также инсектициды (против насекомых - прим. ред.), в фасадных красках не используются. Количество добавляемых биоцидов находится, как правило, ниже 0,5%, причем биоциды включаются в матрицу связующего средства. Из-за постоянного выделения в мельчайших количествах частиц активного вещества на поверхности появляется легкая биоцидная пленка. Комбинации активного вещества должны быть водорастворимыми (чтобы освобождаться на поверхности), но при этом, с другой стороны, они не должны смываться осадками. Чтобы достичь большей эффективности в отношении различных микроорганизмов, таких, например, как водоросли и грибы, а также в отношении все возрастающего разнообразия бактерий, необходимо использовать так называемые широкодиапазонные активные вещества. Все же в заключении следует указать на то, что фасадные краски, имеющие в своем составе биоциды, всего лишь блокируют микробиологическое поражение и/или замедляют новое поражение. Эти лакокрасочные материалы и материалы покрытия не могут обеспечить долгосрочную защиту.